钻井安全智能监控方法和钻井安全监控报警装置

摘要

本发明公布了一种通过在溢流管出口处对液流速度的监测，达到报警条件即进行报警的钻井安全智能监控方法，能够在早期及时的发现井涌或井漏险情；同时因为对液流速度的监测是实时的，不会发生泥浆罐那样出现误报的情形，增加了安全稳定性；本发明还公布了一种包含了利用声纳传感器对出口处液流速度进行监测的出口流量计的钻井安全监控报警装置，由于声纳传感器的非接触性，从而保证出口流量计工作的稳定，不会因为泥浆的卡滞而出现工作失灵等情形，增加了钻井安全监控报警装置的稳定性。

说明书

技术领域

    本发明属于石油天然气勘探开采生产领域，尤其涉及一种利用传感器对钻井泥浆的安全情况进行智能监控的方法和一种对钻井安全进行监控报警的装置。

背景技术

现有的钻井泥浆液位监控方法，如中国专利局公开号CN1033858A公开的《起下钻泥浆自动灌注的方法和系统》，公开号CN1348052A公开的《泥浆液位显示报警装置和井筒液位的监控方法》，一是对钻井循环的泥浆罐液量、总液量自动进行监测，在变化液量增加和减少连续超过设定值2m³时自动进行井涌和井漏异常预警与报警；二是对钻井循环的溢流管出口有无泥浆进行监测，在钻井循环泥浆无液流状态进行井漏预警，在起下钻溢流管出口液流时间超过设定值时进行井涌异常预警与报警。这两种方法在一定程度上，能够便于钻井岗位人员维持钻井正常循环液位，保持起钻下钻时井筒内一定的泥浆液柱压力，从而对井涌和井漏有相当程度的预警作用，最终达到防止井筒液柱压力与地层压力失去平衡而发生井下油气喷出和井壁垮塌等事故的目的。

上述方法的问题在于：首先该方法没有对泥浆出口流量进行监测和报警，只是通过对罐液量的监控来进行报警。这就导致在罐液量变化液量2m³的监测时，钻井循环开始，泥浆泵抽吸泥浆，如果抽吸泥浆稍微过快，由于泥浆出口溢流的滞后性，罐液量减少量可能偶尔超过报警条件，监控系统就会误报井漏；同时如果钻井循环终止，泥浆泵停止运转，井筒泥浆返回，如果泥浆返回稍微过快，罐液量增加量又超过报警条件，监控系统便会误报井涌。误报井涌、井漏无疑会产生安全隐患，特别是在钻到地下油气层时，如果监控人员在处理误报的时候出现了真正的井涌、井漏，便会导致人员财产损失的灾难。此外，该方法对溢流管出口液流大小没有进行监测，只对后面的泥浆罐进行监测，无法早期及时发现钻井中井筒的井涌异常、井漏异常。

另外，现有钻井常用的出口流量计是按照叶片开启度大小计量的靶式流量计。在钻井泥浆循环过程中，流量计叶片和转轴会粘结泥沙，长时间泥饼加厚干固，会影响准确计量，甚至造成叶片卡滞而导致流量计失效，从而造成监控系统滞后或失效，并最终可能带来灾难性的后果。

发明内容

针对上述问题，本发明的第一个目的在于提供一种能够早期敏感发现井涌异常和井漏异常，并且大幅度减少误报的钻井安全智能监控方法。

针对上述问题，本发明的第二个目的在于提供一种不会因泥浆变化而出现故障的钻井安全监控报警装置。

本发明的第一个目的通过以下的技术方案来完成：一种钻井安全智能监控方法，包括以下步骤：S1：测量步骤：测量溢流管出口的液流速度；S2：预警步骤：如果该液流速度变化量达到了第一速度增量预警值，则进行井涌预警；如果该液流速度变化量达到了第一速度减量预警值，则进行井漏预警。

进一步的，所述步骤S2还包括：如果该液流速度变化量达到了第二速度增量预警值，则进行井涌告警，第二速度增量预警值大于第一速度增量预警值；如果该液流速度变化量达到了第二速度减量预警值，则进行井漏告警，第二速度减量预警值的绝对值大于第一速度减量预警值的绝对值。增加第二状态有利于表示更加危急的井涌或井漏状态，便于钻井监控人员进行安全管理。

进一步的，所述步骤S2还包括：如果该液流速度变化量达到了第三速度增量预警值，则进行紧急井涌告警，第三速度增量预警值大于第二速度增量预警值；如果该液流速度变化量达到了第三速度减量预警值，则进行紧急井漏告警，第三速度减量预警值的绝对值大于第二速度减量预警值的绝对值。增加第三状态有利于表示十分危急的井涌或井漏状态，便于钻井监控人员及时抢险。

进一步的，所述步骤S1还包括，测量溢流管出口的液体温度；所述步骤S2还包括，如果液体温度超过温度预警值，则进行温度预警。对温度进行监测，有利于钻井监控人员判断钻井井筒下部地层温度情况。

进一步的，所述步骤S1还包括，测量泥浆罐中的液量；所述步骤S2还包括，如果泥浆罐中的循环液量变化量，达到了第一罐增量预警值，则进行井涌预警，达到了第二罐增量预警值，则进行井涌告警，达到了第三罐增量预警值，则进行紧急井涌告警，其中第三罐增量预警值大于第二罐增量预警值，第二罐增量预警值大于第一罐增量预警值；如果泥浆罐中的循环液量变化量，达到了第一罐减量预警值，则进行井漏预警，达到了第二罐减量预警值，则进行井漏告警，达到了第三罐减量预警值，则进行紧急井漏告警，其中第三罐减量预警值的绝对值大于第二罐减量预警值的绝对值，第二罐减量预警值的绝对值大于第一罐减量预警值的绝对值。增加对泥浆罐的监控，能够保证在出口处的监测失灵的时候，仍然能够进行报警。

本发明的第二个目的通过以下的技术方案达到一种利用钻井安全智能监控方法进行监控的钻井安全监控报警装置，包括出口流量计，包括流量计支架、流量计壳体、流量计声纳传感器、流量计主控板和流量计数码管；流量计壳体为一带透明钢化玻璃窗的立方形钢壳；流量计支架螺栓连接在流量计壳体重力方向下部；流量计声纳传感器安装在连接有流量计支架的流量计壳体一面，并通过导线与流量计主控板相连；流量计主控板安装在流量计壳体内部，并通过导线与流量计数码管相连；流量计数码管安装在流量计壳体内有透明钢化玻璃窗的一面，并朝向外表面；该出口流量计通过流量计支架螺栓连接在溢流管重力方向的上方；流量计声纳传感器测量溢流管液面高度，并将结果发送给流量计主控板；流量计主控板根据液面高度，以及已存储的溢流管倾斜角度和溢流管横截面积，计算出当前溢流管出口处的液流速度；若液流速度变化量达到了第一速度增量预警值，则流量计主控板控制流量计数码管显示井涌标识；若液流速度变化量达到了第一速度减量预警值，则流量计主控板控制流量计数码管显示井漏标识。

进一步的，所述监控报警装置还包括液位变送器，该液位变送器包括变送器支架、变送器壳体、变送器声纳传感器、变送器主控板和变送器数码管；变送器壳体为一带有透明钢化玻璃窗的立方形钢壳；变送器支架螺栓连接在变送器壳体重力方向下部；变送器声纳传感器安装在连接有变送器支架的变送器壳体一面，并通过导线与变送器主控板相连；变送器主控板安装在变送器壳体内部，并通过导线与变送器数码管相连；变送器数码管安装在变送器壳体内有透明钢化玻璃窗的一面，并朝向外表面；该液位变送器通过变送器支架螺栓连接在泥浆罐重力方向的上方；变送器声纳传感器测量泥浆罐液面高度，并将结果发送给变送器主控板；变送器主控板根据液面高度，以及已存储的泥浆罐横截面积，计算出当前泥浆罐的液量；若罐液量达到了第一罐高容量预警值，或循环液量变化量达到了第一罐增量预警值，则变送器主控板控制变送器数码管显示井涌标识；若罐液量达到了第一罐低容量预警值，或罐液量变化量达到了第一罐减量预警值，则变送器主控板控制变送器数码管显示井漏标识。增加对泥浆罐的监控，能够保证在出口处的监测失灵的时候，仍然能够进行报警。

进一步的，所述出口流量计还包括流量计温度传感器，用于测量溢流管出口处温度；所述液位变送器还包括变送器温度传感器，用于测量泥浆罐内部的温度；当出口流量计监测出，若液流速度变化量达到了第二速度增量预警值，则流量计主控板控制流量计数码管闪烁显示井涌标识，第二速度增量预警值大于第一速度增量预警值；若液流速度变化量达到了第二速度减量预警值，则流量计主控板控制流量计数码管闪烁显示井漏标识，第二速度减量预警值的绝对值大于第一速度减量预警值的绝对值；当液位变送器检测出，若罐液量达到了第二罐高容量预警值，或循环液量变化量达到了第二罐增量预警值，则变送器主控板控制变送器数码管闪烁显示井涌标识，第二罐高容量预警值大于第一罐高容量预警值，第二罐增量预警值大于第一罐增量预警值；若罐液量达到了第二罐低容量预警值，或循环液量变化量达到了第二罐减量预警值，则变送器主控板控制变送器数码管闪烁显示井漏标识，第二罐低容量预警值小于第一罐低容量预警值，第二罐减量预警值的绝对值大于第一罐减量预警值的绝对值。对温度进行监测，有利于钻井监控人员判断钻井井筒下部地层温度情况，同时增加第二状态有利于表示更加危急的井涌或井漏状态，便于钻井监控人员进行安全管理。

进一步的，所述监控报警装置还包括至少两个监控终端，该监控终端通过控制电缆分别和出口流量计以及液面变送器相连；一个监控终端安装在钻井现场，另一个监控终端安装在远端的司钻房；该监控终端用于存储溢流管出口和泥浆罐的状态数据和显示溢流管出口和泥浆罐的当前状态；并且当出口流量计或液位变送器显示井涌或井漏标识时，监控终端也同时显示井涌或井漏标识；并且当出口流量计或液位变送器闪烁显示井涌或井漏标识时，监控终端也同时闪烁显示井涌或井漏标识；并且当出口流量计或液位变送器监测到的温度超过监控终端设定的温度预警值时，显示温度异常标识。增加两个监控终端有利于监控人员同时在钻井现场和远端监控中心对钻井进行监控，便于监控管理。

进一步的，该监控报警装置还包括至少一个声音警报器，分别通过控制电缆和出口流量计、液位变送器和监控终端相连；当出口流量计监测到液流速度变化量达到第三速度增量预警值时，或当液位变送器监测到罐液量达到第三罐高容量预警值时，或当液位变送器监测到循环液量变化量达到第三罐增量预警值时，该声音警报器进行声音报警，其中，第三速度增量预警值大于第二速度增量预警值，第三罐高容量预警值大于第二罐高容量预警值，第三罐增量预警值大于第二罐增量预警值；当出口流量计监测到液流速度变化量达到第三速度减量预警值时，或当液位变送器监测到罐液量达到第三罐低容量预警值时，或当液位变送器监测到循环液量变化量达到第三罐减量预警值时，该声音警报器进行声音报警，其中，第三速度减量预警值的绝对值大于第二速度减量预警值的绝对值，第三罐低容量预警值小于第二罐低容量预警值，第三罐减量预警值的绝对值大于第二罐减量预警值的绝对值。增加声音报警器和第三状态有利于表示十分危急的井涌或井漏状态，同时声音报警便于钻井监控人员及时抢险。

本发明的有益效果在于：本发明公布了一种通过在溢流管出口处对液流速度的监测，达到报警条件即进行报警的方法，能够在早期及时的发现井涌或井漏险情；同时因为对液流速度的监测是实时的，不会发生泥浆罐那样出现误报的情形，增加了安全稳定性；本发明还公布了一种利用声纳传感器对出口处液流速度进行监测的出口流量计，由于声纳传感器的非接触性，从而保证出口流量计工作的稳定，不会因为泥浆的卡滞而出现工作失灵等情形，增加了安全监控工作的稳定性。

附图说明

图1为本发明具体实施例在钻井过程中的结构示意图；

图2为本发明具体实施例在起钻过程中的结构示意图；

图3为本发明具体实施例在下钻过程中的结构示意图。

其中，1为溢流管，2为出口流量计，3为泥浆罐，4为液位变送器，5为监控终端。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。同时本说明书中对替代特征的描述是对等同技术特征的描述，不得视为对公众的捐献。

本说明书（包括任何权利要求、摘要和附图）中用语若同时具有一般含义与本领域特有含义的，如无特殊说明，均定义为本领域特有含义。

实施例1：

一种钻井安全智能监控方法，主要由以下步骤组成：

S1：测量步骤：测量溢流管出口的液流速度和液体温度；测量泥浆罐中的液量；

S2：预警步骤：如果该液流速度变化量达到了第一速度增量预警值，比如1L/s，则进行井涌预警；如果该液流速度变化量达到了第二速度增量预警值，比如2L/s，则进行井涌告警；如果该液流速度变化量达到了第三速度增量预警值，比如3L/s，则进行紧急井涌告警；

同时，如果该液流速度变化量达到了第一速度减量预警值，比如-1L/s，则进行井漏预警；如果该液流速度变化量达到了第二速度减量预警值，比如-2L/s，则进行井漏告警；如果该液流速度变化量达到了第三速度减量预警值，比如-3L/s，则进行紧急井漏告警；

同时，如果液体温度超过温度预警值，则进行温度预警；

同时，如果泥浆罐中循环液量变化量，达到了第一罐增量预警值，比如1m³，则进行井涌预警；达到了第二罐增量预警值，比如2m³，则进行井涌告警；达到了第三罐增量预警值，比如3m³，则进行紧急井涌告警；

同时，如果泥浆罐中的循环液量变化量，达到了第一罐减量预警值，比如-1m³，则进行井漏预警；达到了第二罐减量预警值，比如-2m³，则进行井漏告警；达到了第三罐减量预警值，比如-3m³，则进行紧急井漏告警。

上述的所有的预警值可以根据具体的钻具规格、井筒大小、泥浆浓度的高低等现场值来确定。另外，预警可以是显示预警符号，告警可以是闪烁显示预警符号，紧急告警可以是闪烁显示预警符号的同时还进行声音、震动或短信电话等其他方式的报警。而预警符号则可以是任何文字或者图形的表示井涌或井漏的符号。

上述循环液量是指，由于泥浆罐可以有多个，在钻井过程中，参与井筒泥浆注入与流出循环的可能只有某几个泥浆罐，因此，循环液量便是值参与到泥浆循环的泥浆罐中的泥浆总液量。

实施例2：

一种钻井安全监控报警装置，由出口流量计、液位变送器、声音报警器和至少两个监控终端组成。

该出口流量计包括流量计支架、流量计壳体、流量计声纳传感器、流量计主控板、流量计数码管和流量计温度传感器；流量计壳体为一带透明钢化玻璃窗的立方形钢壳；流量计支架螺栓连接在流量计壳体重力方向下部；流量计声纳传感器安装在连接有流量计支架的流量计壳体一面，并通过导线与流量计主控板相连；流量计主控板安装在流量计壳体内部，并通过导线与流量计数码管相连；流量计数码管安装在流量计壳体内有透明钢化玻璃窗的一面，并朝向外表面；该出口流量计通过流量计支架螺栓连接在溢流管重力方向的上方；流量计声纳传感器测量溢流管液面高度，并将结果发送给流量计主控板；流量计温度传感器测量溢流管出口处温度，并将结果发送给流量计主控板；流量计主控板根据液面高度，以及已存储的溢流管倾斜角度和溢流管横截面积，计算出当前溢流管出口处的液流速度。

该液位变送器包括变送器支架、变送器壳体、变送器声纳传感器、变送器主控板、变送器数码管和变送器温度传感器；变送器壳体为一带有透明钢化玻璃窗的立方形钢壳；变送器支架螺栓连接在变送器壳体重力方向下部；变送器声纳传感器安装在连接有变送器支架的变送器壳体一面，并通过导线与变送器主控板相连；变送器主控板安装在变送器壳体内部，并通过导线与变送器数码管相连；变送器数码管安装在变送器壳体内有透明钢化玻璃窗的一面，并朝向外表面；该变送器液位变送器通过变送器支架连接在泥浆罐重力方向的上方；变送器声纳传感器测量泥浆罐液面高度，并将结果发送给变送器主控板；变送器温度传感器测量溢流管出口处温度，并将结果发送给变送器主控板；变送器主控板根据液面高度，以及已存储的泥浆罐横截面积，计算出当前泥浆罐的液量。

该声音警报器分别通过控制电缆和出口流量计、液位变送器和监控终端相连。

该监控终端通过控制电缆分别和出口流量计以及液面变送器相连；一个监控终端安装在钻井现场，另一个监控终端安装在远端的司钻房；该监控终端用于存储溢流管出口和泥浆罐的状态数据和显示溢流管出口和泥浆罐的当前状态；并且当出口流量计或液位变送器显示井涌或井漏标识时，监控终端也同时显示井涌或井漏标识；并且当出口流量计或液位变送器闪烁显示井涌或井漏标识时，监控终端也同时闪烁显示井涌或井漏标识；并且当出口流量计或液位变送器监测到的温度超过监控终端设定的温度预警值时，显示温度异常标识。

整个钻井和钻井安全监控装置的正常工作流程如下：

钻井过程：开始钻进，随着钻头往下钻，井筒越来越深，需要用泥浆将钻井形成的岩屑给搬运出来；同时为了防止地层压力平衡被破坏导致的井喷，也需要泥浆液柱形成的压力来维持地层压力平衡。此时高压钻井泵将泥浆罐中的泥浆，通过高压管道、钻杆内部通道和钻头水眼，喷射在钻头下方的地层上，使泥浆带着那些岩屑通过井筒上方的溢流管流出，最后再通过振动筛选等过程过滤掉岩屑，使相对干净的泥浆回到泥浆罐。如此循环往复，既带出了井筒中的岩屑，又保持了地层压力平衡。

起钻过程：当阶段钻井工作完成需要将钻杆从井筒中取出来时，由于钻杆的取出会导致井筒对地层产生的压力减小，故需要添加泥浆以增加液柱压力，平衡地层压力。此时，低压灌注泵将泥浆通过管道直接灌注在井筒中，边取钻杆边灌入泥浆，多余的泥浆通过溢流管流出来，流回泥浆罐，最后钻具完全取出，起钻过程完成。

下钻过程：磨损钻头卸掉换接新钻头后，需要立即将钻具放回井筒中。随着钻杆渐渐的放入，会将井筒中原有的泥浆挤压出一部分来，这部分泥浆将通过溢流管流回泥浆罐，直到钻杆完全放入井筒，接上方钻杆，下钻过程完成。

在上述三个步骤中，由于地下岩层压力分布不均，有的层位可能存在高压，有的层位又可能存在低压，当钻井钻到这些岩层时便有可能产生井涌或者井漏；又由于起钻或者下钻过程中，钻杆起的过快，或者钻杆下的过快，都有可能引发井涌或井漏。判断井涌或井漏的标准便是井筒内泥浆量的变化情况。如果溢出的泥浆异常增加或者异常减少，那很有可能是发生了井涌或井漏。

本发明的钻井安全监控报警装置便能在溢流管出口灵敏早期的根据溢流管出口的液流速度变化判断井筒内的泥浆状况，也能够在循环泥浆罐处根据泥浆罐中的循环液量变化情况来后期的判断井筒中的泥浆状况。此处与以下所称的循环液量是指，由于泥浆罐可以有多个，在钻井过程中，参与井筒泥浆注入与流出循环的可能只有某几个泥浆罐，因此，循环液量便是值参与到泥浆循环的泥浆罐中的泥浆总液量。

以下是对井涌的判断和报警过程：

若溢流管出口处的液流速度变化量达到了第一速度增量预警值，则流量计主控板控制流量计数码管显示井涌标识；若液位变送器监控到的泥浆罐的液量达到了第一罐高容量预警值，或循环液量变化量达到了第一罐增量预警值，则变送器主控板控制变送器数码管显示井涌标识。同时，分布在钻井现场和司钻房的两个监控终端在出口流量计或液位变送器任一个显示井涌标识的时候也同时显示井涌标识。所有的预警值可以根据具体的钻具规格、井筒大小、泥浆浓度的高低等现场值来具体的确定，一般来说，第一速度增量预警值可以取为1L/s，第一罐高容量预警值可以取为80%，第一罐增量预警值可以取为1 m³。至于井涌标识可以是任何文字或者图形的表示井涌的符号。

当出口流量计监测出，若液流速度变化量达到了第二速度增量预警值，则流量计主控板控制流量计数码管闪烁显示井涌标识，第二速度增量预警值大于第一速度增量预警值；当液位变送器检测出，若罐液量达到了第二罐高容量预警值，或循环液量变化量达到了第二罐增量预警值，则变送器主控板控制变送器数码管闪烁显示井涌标识。第二罐高容量预警值大于第一罐高容量预警值，第二罐增量预警值大于第一罐增量预警值。同时，分布在钻井现场和司钻房的两个监控终端在出口流量计或液位变送器任一个闪烁显示井涌标识的时候也同时闪烁显示井涌标识。这里的第二速度增量预警值可以取为2L/s，第二罐高容量预警值可以取为90%，第二罐增量预警值可以取为2 m³。

当出口流量计监测到液流速度变化量达到第三速度增量预警值时，或当液位变送器监测到罐液量达到第三罐高容量预警值时，或当液位变送器监测到循环液量变化量达到第三罐增量预警值时，该声音警报器进行声音报警。其中，第三速度增量预警值大于第二速度增量预警值，第三罐高容量预警值大于第二罐高容量预警值，第三罐增量预警值大于第二罐增量预警值。这里的第三速度增量预警值可以取为3L/s，第三罐高容量预警值可以取为95%，第三罐增量预警值可以取为3m³。

以下是对井漏的判断和报警过程：

若出口流量计监测到溢流管出口处的液流速度变化量达到了第一速度减量预警值，则流量计主控板控制流量计数码管显示井漏标识。若液位变送器监控到泥浆罐中的液量达到了第一罐低容量预警值，或循环液量变化量达到了第一罐减量预警值，则变送器主控板控制变送器数码管显示井漏标识。同时，分布在钻井现场和司钻房的两个监控终端在出口流量计或液位变送器任一个显示井漏标识的时候也同时显示井漏标识。一般来说，第一速度减量预警值可以取为-1L/s，第一罐低容量预警值可以取为30%，第一罐减量预警值可以取为-1 m³。至于井漏标识可以是任何文字或者图形的表示井漏的符号。

当出口流量计监测出，若液流速度变化量达到了第二速度减量预警值，则流量计主控板控制流量计数码管闪烁显示井漏标识，第二速度减量预警值的绝对值大于第一速度减量预警值的绝对值；当液位变送器检测出，若罐液量达到了第二罐低容量预警值，或循环液量变化量达到了第二罐减量预警值，则变送器主控板控制变送器数码管闪烁显示井漏标识，第二罐低容量预警值小于第一罐低容量预警值，第二罐减量预警值的绝对值大于第一罐减量预警值的绝对值。同时，分布在钻井现场和司钻房的两个监控终端在出口流量计或液位变送器任一个闪烁显示井漏标识的时候也同时闪烁显示井漏标识。第二速度减量预警值可以取为-2L/s，第二罐低容量预警值可以取为20%，第二罐减量预警值可以取为-2 m³。

当出口流量计监测到液流速度变化量达到第三速度减量预警值时，或当液位变送器监测到罐液量达到第三罐低容量预警值时，或当液位变送器监测到循环液量变化量达到第三罐减量预警值时，该声音警报器进行声音报警，其中，第三速度减量预警值的绝对值大于第二速度减量预警值的绝对值，第三罐低容量预警值小于第二罐低容量预警值，第三罐减量预警值的绝对值大于第二罐减量预警值的绝对值。第三减量预警值可以取为-3L/s，第三罐低容量预警值可以取为10%，第三罐减量预警值可以取为-3 m³。

在上述整个过程中，所有实时的数据都实时的显示在两个监控终端上，并且由监控终端记录和存储下来。