基于低频弹性波响应特征的井筒气侵早期主动监测方法

摘要

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。

说明书

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。

优选的，井下无线信号发射器是目前已经技术实现的基于钻井液压力脉冲传递信息或基于电磁波传递信息或基于声波传递信息的井下测量仪。

优选的，所述井下监测短节还包括稳压电源，其给低频脉冲发生器、数字信号采集卡和数字信号处理器供电。

优选的，所述井下监测短节为中空结构，其还包括位于弹性波信号接收盘与弹性波脉冲发射盘之间的中空主体，所述中空主体的外侧设有凹槽，以及与该凹槽螺钉连接的盖板，所述低频脉冲发生器、数字信号采集卡、数字信号处理器以及稳压电源嵌设于凹槽内。

优选的，低频脉冲发生器产生矩形电脉冲信号的频率为0.003～1Hz。

优选的，低频压电感应片Ⅰ和低频压电感应片Ⅱ的工作主频为10～200Hz。

利用上述系统的井筒气侵早期主动监测方法，具体步骤是：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。

优选的，对于单个脉冲信号的响应，当接收电信号首波初至时间在正常范围，表明没有地层气侵入，编码为0；当接收电信号首波初至时间在异常范围，则判断为发生气侵，编码为1。

优选的，低频脉冲发生器以固定频率产生矩形电脉冲信号，形成动态的接收电信号，当动态接收电信号的首波初至时间都在正常范围内，相邻接收电信号的首波初至时间间隔基本一致，接收电信号的首波峰值基本相同，则判断为没有发生气侵，编码为0；当动态接收电信号的首波初至时间都在异常范围内，相邻接收电信号的首波初至时间间隔逐渐增大，接收电信号的首波峰值逐渐减小，则判断为发生气侵，编码为1。

进一步优选的，低频脉冲发生器以固定频率产生矩形电脉冲信号，形成动态的接收电信号，进而生成连续的0或1编码，如果连续n个编码都为1，则确定发生气侵，其中，n＝3～50。

更进一步优选的，考虑仪器测量误差和井下噪声干扰，降低误报率，选择时间刻度t₁的±δ％范围作为接收电信号首波初至时间的正常范围，其中，t₁为无气侵时接收电信号的首波初至时间，其计算公式为式中，L为弹性波脉冲发射盘和弹性波信号接收盘上相对应的低频压电感应片Ⅰ与低频压电感应片Ⅱ之间的距离，v_l为弹性波在钻井液中的传播速度；±δ％范围为±2％～±10％。

本发明的有益效果是：

1、将钻井过程中的气侵监测由传统的被动观测转变为主动监测，将测量点由传统的近井口转移到井下近钻头，减少了弹性波能量衰减和噪音对接收信号质量的影响，保证了监测结果的可靠性；

2、该监测方法在低含气率条件下可获得变化显著的异常信号响应，能够在气侵早期及时监测到异常响应，使发现气侵的时间大大提前，实现早发现、早预警；

3、采用固定频率的连续脉冲激励，对动态响应信号进行编码分析，通过控制时间刻度误差范围、编码连续为1的位数来协调误报率和监测灵敏性(n值越大，可有效减低误报率，但同时也牺牲了尽早预警气侵的机会)，在保障了气侵预报结果的可靠性的同时，可满足不同水平的风险控制需求，有利于该方法在不同工况下的工程推广应用。

总之，本发明减少了弹性波能量衰减和噪音对接收信号质量的影响，在低含气率条件下可获得变化显著的异常信号响应，能够在气侵早期及时监测到异常响应，使发现气侵的时间大大提前，监测结果的可靠性高，实现了井下气侵早发现、早预警。

附图说明

图1是本发明的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整体实现示意图；

图2是井筒气侵早期主动监测系统的剖面示意图；

图3是弹性波脉冲发射盘的放大示意图；

图4是基于低频弹性波信号判断气侵是否发生的原理图；

图5是无气侵时连续脉冲波响应信号示意图；

图6是气侵初期连续脉冲波响应信号示意图；

其中，1为钻杆；2为井下监测短节；3为井下无线信号发射器；4为地面控制中心；21为弹性波脉冲发射盘；22为低频脉冲发生器；23为稳压电源；24为数字信号采集卡；25为数字信号处理器；26为盖板；27为弹性波信号接收盘；211为弹性波发射盘基底；212为低频压电感应片Ⅰ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例：

如图1～3所示，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3与地面控制中心4，以及与井下无线信号发射器3连接的井下监测短节2，井下监测短节2位于钻杆1与钻头之间，包括：

弹性波脉冲发射盘21，包括环形的弹性波发射盘基底211，弹性波发射盘基底211设有沿环形周向均匀分布的四个居中扶正翼片(能有效避免井下监测短节2在井筒中偏心，保证监测结果的准确性)，每个居中扶正翼片的中央设有一个低频压电感应片Ⅰ212，低频压电感应片Ⅰ212连接至低频脉冲发生器22，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21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Ⅰ212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24，采集低频脉冲发生器22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；

数字信号处理器25，对数字信号采集卡24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3；以及

稳压电源23，其给低频脉冲发生器22、数字信号采集卡24和数字信号处理器25供电。

井下监测短节2为中空结构，其还包括位于弹性波信号接收盘与弹性波脉冲发射盘21之间的中空主体，中空主体的外侧设有凹槽，以及与该凹槽螺钉连接的盖板26，低频脉冲发生器22、数字信号采集卡24、数字信号处理器25以及稳压电源23嵌设于凹槽内。

利用上述系统的井筒气侵早期主动监测方法，具体步骤是：在钻井过程中，钻井液由环空流经井下监测短节2，井下监测短节2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3发送至地面控制中心4。本发明的钻井液循环路径为：钻井液→钻杆1→井下监测短节2的内部→钻头→井下监测短节2与井筒之间的环空→井下无线信号发射器→3地面控制中心4。

对于单个脉冲信号的响应，当接收电信号首波初至时间在正常范围，表明没有地层气侵入，编码为0；当接收电信号首波初至时间在异常范围，则判断为发生气侵，编码为1。

对单脉冲信号的响应编码原理如图4所示。对于性质稳定的钻井液，发射信号在井下监测短节2外部环空传播后，接收电信号的首波初至时间理论上为：

式中，L为弹性波脉冲发射盘21和弹性波信号接收盘27上相对的低频压电感应片之间的距离，v_l为弹性波在钻井液中的传播速度。如果环空钻井液被地层气全部替代，则接收电信号的首波初至时间理论上为：

式中，v_g为弹性波在地层气中的传播速度，一般取声波在空气中的传播速度(340m/s)。对井下监测短节2按照t₁、t₂进行时间刻度。考虑仪器测量误差和井下噪声干扰，降低误报率，选择时间刻度t₁的±δ％范围作为正常的接收电信号首波初至时间，其中，±δ％范围为±2％～±10％。当接收电信号首波初至时间在A₁A₂范围内(正常范围)，表明没有地层气侵入，编码为0。根据Wood方程，液体中有少量气体混入后，其相速度会显著降低，甚至低于其在单相气体中的速度。所以，当接收电信号首波初至时间在A₂之后(异常范围)，则判断为发生气侵，编码为1。当接收电信号首波初至时间在B之后时，可确定监测段环空含气率已高于20％。

低频脉冲发生器22以固定频率产生矩形电脉冲信号，形成动态的接收电信号，当动态接收电信号的首波初至时间都在正常范围内，相邻接收电信号的首波初至时间间隔基本一致，接收电信号的首波峰值基本相同，则判断为没有发生气侵，编码为0；当动态接收电信号的首波初至时间都在异常范围内，相邻接收电信号的首波初至时间间隔逐渐增大，接收电信号的首波峰值逐渐减小，则判断为发生气侵，编码为1。

低频脉冲发生器22以固定频率产生矩形电脉冲信号，形成动态的接收电信号，进而生成连续的0或1编码，如果连续n个编码都为1，则确定发生气侵，其中，n＝3～50。

对于连续的矩形电脉冲信号的响应编码原理，以连续4脉冲为例，如图5和图6所示。当动态接收电信号的首波初至时间都在正常范围内，相邻接收电信号的首波初至时间间隔(Δt)基本一致，接收电信号的首波峰值基本相同，则判断为没有发生气侵，编码为0000。当动态接收电信号的首波初至时间都在异常范围内，相邻接收电信号的首波初至时间间隔逐渐增大(Δt₁<Δt₂<Δt₃)，接收电信号的首波峰值逐渐减小，则判断为发生气侵，编码为1111。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。