[发明专利]基于低频弹性波响应特征的井筒气侵早期主动监测方法

说明书

本发明公开了一种基于低频弹性波响应特征的井筒气侵早期主动监测系统及方法，其能够在钻井过程中，实时监测钻头上方附近环空的含气率，尽早发现气侵并及时预警，监测灵敏可靠，为地面设计和实施井控操作争取宝贵时间，保障油气钻井工程安全。在钻井过程中，钻井液由环空流经井下监测短节，井下监测短节按照固定频率发射脉冲信号并将接收响应信号转化为电信号，提取电信号首波初至时间和峰值大小两个属性值进行编码，判断是否发生气侵，若确定发生气侵，则将气侵信息通过井下无线信号发射器发送至地面控制中心。

技术领域

本发明涉及一种监测方法，具体涉及一种基于低频弹性波响应特征的井筒气侵早期主动监测方法。属于分析及测量控制技术领域。

背景技术

为了满足国家能源战略需求，油气钻探技术不断发展，目前油气钻探向着更深地层和海洋深水方向发展。气侵是指地层气由于压差或替代作用进入井筒环空，是一种常见的钻井复杂情况。气侵如果处理不当，会进一步发展为井口溢流，甚至井喷事故，造成重大生产安全事故。目前，气侵监测主要在地面或井口附近实施，比如钻井液池液量变化监测、井筒液面变化监测、进/出口的流量或压力监测、井口或隔水管声波监测等，一旦发现异常响应，立即按照严格的井控操作规程进行处理。这些常规的监测方法操作简单、实用性强，但其监测的准确性较低，不能反映井下气侵的真实情况，特别是在井口的监测技术具有严重时间滞后性，只有当侵入气随钻井液上返至井口附近时才能监测到，预留给井控操作的时间较短。因此，对高压深井、窄密度窗口深水钻井，井口气侵监测技术不能很好地服务钻井施工安全，井控难度大。如果能在气体侵入环空初期(比如距井底5～10米)进行主动监测，将更早地发现气侵，为井控赢取宝贵时间，保障安全高效钻进。

在气侵早期，井筒环空的含气率较低，侵入气以气泡的形式存在于环空钻井液中，并随钻井液上返。根据Wood方程(Wood,1930)，液体中有少量气体混入后，弹性波在其中传播的相速度会显著降低，甚至低于其在单相气体中的速度，并且衰减明显。传统的声波气侵监测法是利用声波在钻井液中传播速度与含气率的关系进行监测，在井口安装发射和接收信号传感器，声波传播的路径为：立管→钻杆→钻铤→环空→井口。该技术方案的声波传播路径较长，接收信号能量衰减显著，并受到噪音干扰较多，尤其在气侵早期低含气率时，声波的异常响应特征往往被噪音掩盖，监测的灵敏性和可靠性较差。理论上，声波传播特性变化对气侵的早期监测十分有利，但目前仍不够完善，其难点在于尽量减小衰减影响和特征信号识别。因此，采用低频弹性波的响应特征进行井下气侵主动监测是一种可行的创新性技术方案。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于低频弹性波响应特征的井筒气侵早期主动监测系统及方法，其能够在钻井过程中，实时监测钻头上方附近环空的含气率，尽早发现气侵并及时预警，监测灵敏可靠，为地面设计和实施井控操作争取宝贵时间，保障油气钻井工程安全。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

基于低频弹性波响应特征的井筒气侵早期主动监测系统，包括无线通信的井下无线信号发射器与地面控制中心，以及与井下无线信号发射器连接的井下监测短节，所述井下监测短节包括：

弹性波脉冲发射盘，包括环形的弹性波发射盘基底，所述弹性波发射盘基底设有沿环形周向均匀分布的四个居中扶正翼片，每个居中扶正翼片的中央设有一个低频压电感应片Ⅰ，低频压电感应片Ⅰ连接至低频脉冲发生器，并受其激励产生低频弹性波脉冲；

弹性波信号接收盘，结构与弹性波脉冲发射盘相同，其设置有低频压电感应片Ⅱ，它们与所述低频压电感应片Ⅰ的位置一一对齐，将弹性波响应信号转化为电信号；

数字信号采集卡，采集低频脉冲发生器产生的矩形电脉冲信号以及弹性波信号接收盘的接收电信号；以及

数字信号处理器，对数字信号采集卡采集的信号进行气侵判断，并将判断结果传送至井下无线信号发射器。

优选的，所述井下监测短节位于钻杆与钻头之间。