一种基于气液两相的旋转钻井过程中井下随钻气侵检测装置及工作方法

摘要

本发明涉及一种基于气液两相的旋转钻井过程中井下随钻气侵检测装置及工作方法，属于钻井井下气侵测量技术领域，包括信号发生单元、旋转单元，信号发生单元包括永磁体、导体棒、集电盘；导体棒插入集电盘中下端连接旋转桶，旋转单元包括叶片、绝缘层、导电层、旋转桶，叶片设置于旋转桶外侧，在钻杆旋转的过程中接受旋转阻力，并传递给整个旋转单元同钻杆之间产生相对旋转产生电信号，通过接入电路传输电信号；信号发生器用于将直流信号变为可以传送的交流信号，判断气侵发生。本发明能够实现在钻杆旋转钻进过程中测得钻井液物性，从而反推出井筒气侵情况，耗能低，能够实现长时间井下气侵测量，监测准确率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转钻井过程中井下随钻气侵检测装置及工作方法，属于钻井井下气侵测量技术领域。

背景技术

气侵是指在油田钻井的过程中，地层中的气体侵入到钻井井筒中，使得钻井液性质发生变化的现象。原因主要有三点：一是钻遇裂缝型或大溶洞型地层时，会出现气体突然大量涌入井筒以及钻井液流失的情况。二是钻进气层时，随着岩石的破碎，地层中的气体会侵入井筒。三是井下压力小于同深度的地层压力时，处于欠平衡钻井状态，地层中的气体由于压差，会通过泥饼以气体或溶解气的状态侵入井筒中。一旦发生气侵，就会导致钻井液的密度降低，容易发生溢流、井喷等事故。因此，对井下气侵进行及时的精确检测，从而采取措施，能有效避免事故的发生。

在气侵检测方面，国内通常采用的方法有钻井液池液面检测法(钻井液增量法)、流量差溢流检测法与声波气侵监测法，如中国专利文件CN111364979A是一种基于超声波的井下气侵检测系统，该方法是在钻杆上加超声波监测装置，并配合涡轮和气固分离装置进行使用。钻井液池液面检测法和流量差溢流检测法精度低、反应速度也较慢。声波法较前两种有较快的反应速度，但是也存在精度和技术上的缺陷。

使用传统方法检测气侵，指示结果太过粗糙且不可靠，同时也存在检测结果反应慢的问题，随着钻井深度提高、钻井工程难度的增加，传统方法很难满足井控要求，对于花费巨大的深海钻井来说，溢流检测需要更可靠的检测结果才能满足更先进的井控技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种旋转钻井过程中井下随钻气侵检测装置及工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于气液两相的旋转钻井过程中井下随钻气侵检测装置，包括信号发生单元、旋转单元，

信号发生单元包括永磁体、导体棒、集电盘；永磁体固定在集电盘上，用于提供永久磁力；导体棒呈现T字型结构，上端横杆两端插入集电盘中，下端连接旋转桶，用于在旋转桶的带动下切割磁场，产生感应电流；集电盘为筒状体，一端与钻杆固定连接，中间设有环形凹槽，导体棒的上端横杆插入环形凹槽中，集电盘与接入电路、信号发生器连接：集电盘用于束缚导体棒、固定永磁体，同时能够收集导体棒产生的感应电流，通过接入电路传输电信号；信号发生器用于将直流信号变为可以传送的交流信号；

旋转单元包括叶片、绝缘层、导电层、旋转桶；

信号发生单元设置在旋转桶内的空间中，旋转桶金属壁用以隔绝内部信号发生单元和外部流体；

旋转桶内壁设有导电层，属于旋转桶的一部分，导电层与导体棒直接相连，导电层、导体棒、集电盘、接入电路、信号发生器组成导电回路；

旋转桶内壁与导电层之间设有绝缘层，用以隔绝导电层与旋转桶金属壁，避免电信号的进一步衰减；

叶片设置于旋转桶外侧，在钻杆旋转的过程中接受旋转阻力，并传递给整个旋转单元同钻杆之间产生相对旋转。

优选的，旋转单元还包括锥形齿大端、惯性单向轴，锥形齿大端设置于旋转桶上下两侧，与旋转桶金属壁相连接，驱动惯性单向轴旋转，改变传动方向；

惯性单向轴与钻杆固定连接，其外部齿与锥形齿大端相啮合，具有大的惯性、能够维持整个旋转系统的钻速稳定，还可以防止旋转装置的反向旋转。

优选的，旋转单元还包括密封器卡槽和密封器，旋转桶外侧环向设有密封器卡槽，用以连接密封器。一方面要阻挡外部流体进入齿轮空间，另一方面密封器可以在密封卡槽中旋转。密封器直接同钻杆相连接。隔绝外部流体与内部空间。

优选的，所述基于气液两相的旋转钻井过程中井下随钻气侵检测装置包括至少两个信号发生单元、两个旋转单元，每个信号发生单元产生的电信号由集线单元汇总，连接至传输电缆。具体可根据钻杆尺寸在钻杆周围可设置多个旋转单元和信号发生单元，每个单元产生的电信号由集线单元汇总，一方面通过周向均匀分布的多个信号发生单元和集线单元可以测定钻杆周向上不同位置处的感应电流，适用于气体在周向上分布不均的情况；另一方面当其中某个信号发生单元和集线单元出现故障时，不影响整个装置发挥作用，所以，进一步提高了测量的可靠性。信号发生单元和集线单元的数量按照钻杆的实际转速和目标井的实际井下条件，包括钻井井深、钻井液排量、钻井液密度，钻井液粘度等进行优选确定，当可测量到稳定的电流值时，则选定的信号发生单元和集线单元数量最优，按照均匀间隔环绕钻杆分布。

一种上述基于气液两相的旋转钻井过程中井下随钻气侵检测装置的工作方法，包括步骤如下：

Step1.气侵测量装置固定在钻杆上，随着钻杆一起下入井筒。

Step2.钻杆旋转钻进，带动同钻杆相固定的集电盘、永磁体、惯性单向轴等部件一起旋转；此时，由于惯性单向轴具有较大的惯性，会有带动锥形齿大端以及与其相连接成一个整体的旋转桶金属壁、导体棒、叶片等装置一起旋转的趋势；

Step3.当钻柱旋转启动时，会带动连接在钻柱上的密封器、惯性单向轴、永磁体、集电盘一起以确定的速率旋转；旋转单元和导体棒在启动时刻会由惯性单向轴的惯性带动开始旋转，同时叶片上会受到的环空钻井液的旋转阻力，并且传递到旋转桶，进而传递到整个旋转单元和直接相连的导体棒，导致导体棒和永磁体产生旋转速度差；一旦导体棒和永磁体之间产生旋转速度差，就相当于导体棒在切割磁感线，就会激发感应电流；感应电流从导体棒流入集电盘，再流入信号发生器中进行处理，在集线单元处理后信号就会传送到到传输电缆，直至到达地面。

优选的，Step3中，集线单元处理后的信号传送至地面，进行计算分析，预测旋转阻力F

i

进一步优选的，Step3中，当井筒发生气侵时，钻井液的性质会发生变化，从而导致旋转阻力的变化，设定气侵判别阈值C；

采用气液混相模型，即是假设气液形成混合相，则混合相的密度为：

ρ

其中，φ为气体的体积含量，ρ

若记：

则有：

F

其中，H为叶片的高度，D为叶片末端到中心轴的直线距离，C

F

此时，含气量φ可以表示为：

式中，B为磁感应强度；L为导体长度；α为导线中的电流方向与磁场方向之间的夹角，从上述表达式中可以看出，当钻井过程稳定时，只有含气量φ和稳定电流值i

由式(20)可通过获得的i

优选的，Step1中，在容易发生气侵的层段，间隔100m安装一个气侵检测装置，结合高精度的电流传感器，在易发生气侵层段可实现多点测量，结合井下随钻参数，可监测发生气侵的层位；通过相邻或相隔几个气侵检测装置的一定时间段内井筒含气量φ的变化速率，可定性反映气体的移动速度，有助于及时启动井控防范措施。

根据钻井液的流体性质及监测井深，确定信号发生单元和集线单元的分布数量及检测装置的安装位置后，选择较高精度的电流传感器，可测量更加细微的感应电流变化，通过感应电流的变化确定井下旋转阻力的大小，发生气侵后，钻井液的粘度会减小，从而旋转阻力也会减小，由旋转阻力的变化可定性分析发生气侵的程度。再结合多点测量，对气侵位置和移动速度等的预测也可以实现。

装置原理

在导体棒切割磁感线产生感应电流的同时，根据安培定律，导体棒会受到磁场的安培力。安培力的方向与旋转单元相对运动的切线方向和叶片受到的旋转阻力方向相反，与钻杆的旋转切线方向相同。我们可以这样形容此处的安培力：只要钻杆的旋转启动，安培力就会产生，随着相对钻速的增大而增大，并且安培力的方向总是指向有利于减小钻杆与旋转单元相对钻速的方向。

当安培力、环空旋转阻力、仪器内摩擦旋转阻力三力平衡时，钻杆与旋转单元相对钻速就会稳定，输出的直流电也达到稳定。过程中的直流电流传输到信号发生器经过处理，变为可以传送的交流信号，经过集线单元的的处理成为可以送入传输电缆的信号。

1831年，法拉第指出：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，而该运动一定与磁感线成一定角度而不与磁感线平行，在导体中就会有电流产生，这种现象叫作电磁感应现象。产生的电流叫作感应电流。当一段导体在匀强磁场中做匀速切割磁感线运动时，不论电路是否闭合，感应电动势E的大小只与磁感应强度B、导体长度L、切割速度v及和方向的夹角θ的正弦值成正比，即：

E＝BLv sin(θ) (1)

不妨假设导体内部电阻为r，则感应电流：

当B、L、r、θ为定值时，感应电流的强度与切割速度成正比，即是：

i∝v (3)

安培通过实验得到：以电流强度为i的长度为L的直导线，置于磁感应强度为B的均匀外磁场中，则导线受到的安培力的大小为：

f＝iBL sin(α) (4)

式中α为导线中的电流方向与B方向之间的夹角。联立式(3)(4)可得切割磁感线过程中的瞬时安培力：

通过式(5)可以知道：当B、L、α、θ为定值时，安培力与切割速度v成正比。即是：

f∝v (6)

结合式(4)，可以得出结论：当B、L、α、θ为定值时，感应电流值的大小反映出安培力的大小。当旋转阻力和安培力的大小相同时，输出的感应电流将会是一个稳定值，并且反映了旋转阻力的大小。这个感应电流经过井下信息传输系统的传递达到地面，通过分析即可得到井下旋转阻力的大小：F

参考垂直轴阻力型Savonius水轮机的相关公式，对于旋转中的能量捕集效率，通常使用功率系数Cp、力矩系数Cm以及叶尖速比λ表示：

其中：ρ为流体的密度；M为旋转力矩；P

流体对单个叶片产生的阻力表达式为：

在公式中，V为流体的相对速度；ρ为流体的密度；u为叶片的平均速度；A为扫流面积，也可以视为叶片的最大投影面积；C

但是在本发明中，由于钻井液体系不是迎面流动的，因此叶片上不同位置所受到的来流速度不同，接收到的来流速度应为叶片上每个位置分速度的和，即是有：V＝ωr，其中ω为叶片与钻井液之间相对运动的旋转角速度；r表示为叶片上的距离中心轴直线距离为r的位置。不妨假设叶片是半圆形状，那么取很小的dr段，此时该位置所受到的阻力可以表示为：

对于dr

点O为整个装置的几何中心，半圆弧表示叶片形状。由于dr段弧的长度很小，因此可以认为线段AB、GF的长度都为dr，并且TA、TB相互平行，TF、TG相互平行且有∠FGT＝90°。TE、TK分别为ΔTAB、ΔTFG的中线，且夹角为θ。当TE与X轴垂直时，易得AB的最大投影长度CD＝AB＝dr。当TE旋转θ角度后，此时的弦GF对应的最大投影长度为dr

因此，产生的阻力表达式为：

想得到不定积分

采用气液混相模型，即是假设气液形成混合相，则混合相的密度为：

ρ

其中，φ为气体的体积含量。因此，整体装置所受到的阻力表达式为：

若记

则有：

F

当叶片旋转时，会带动电气区域中的导体棒切割磁感线产生电流，但是电流的产生也会对导体棒形成安培力，并且安培力方向始终与切割方向相反，呈现出阻碍切割的阻力。当安培力与叶片受到的阻力相等时，整个装置旋转稳定，输出稳定电流i

F

此时，含气量φ可以表示为：

式中，B为磁感应强度；L为导体长度；α为导线中的电流方向与磁场方向之间的夹角。

从上述表达式中可以看出，当钻柱稳定旋转时，只有含气量φ和稳定电流值i

由式(20)可通过获得的i

本发明的有益效果在于：

1.本发明能够实现在钻杆旋转钻进过程中测得钻井液物性，从而反推出井筒气侵情况。

2.本发明耗能低，能够实现长时间井下气侵测量，监测准确率高。

附图说明

图1为信号发生单元剖面设计图；

图2为信号发生电路图；

图3为旋转单元剖面示意图；

图4为装置整体剖面示意图；

图5为装置部分的简易外形图；

图6为装置的底面俯视图。

图7为叶片投影坐标系。

其中：1、永磁体，2、导体棒，3、集电盘，4、叶片，5、绝缘层，6、导电层，7、旋转桶，8、旋转桶金属壁，9、锥型齿大端，10、密封器卡槽，11、密封器，12、惯性单向轴，13、集线单元，14、信号发生器，15、钻杆，16、传输电缆。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种基于气液两相的旋转钻井过程中井下随钻气侵检测装置，如图1-4所示，包括信号发生单元、旋转单元，

信号发生单元包括永磁体1、导体棒2、集电盘3；永磁体1固定在集电盘3上，用于提供永久磁力；导体棒2呈现T字型结构，上端横杆两端插入集电盘3中，下端连接旋转桶7，用于在旋转桶的带动下切割磁场，产生感应电流；集电盘3为筒状体，一端与钻杆15固定连接，中间设有环形凹槽，导体棒的上端横杆插入环形凹槽中，集电盘3与接入电路、信号发生器14连接：集电盘用于束缚导体棒、固定永磁体，同时能够收集导体棒产生的感应电流，通过接入电路传输电信号；信号发生器用于将直流信号变为可以传送的交流信号；

旋转单元包括叶片4、绝缘层5、导电层6、旋转桶7；

信号发生单元设置在旋转桶内的空间中，旋转桶金属壁8用以隔绝内部信号发生单元和外部流体；

旋转桶内壁设有导电层6，属于旋转桶的一部分，导电层6与导体棒2直接相连，导电层6、导体棒2、集电盘3、接入电路、信号发生器14组成导电回路；

旋转桶内壁与导电层6之间设有绝缘层5，用以隔绝导电层与旋转桶金属壁，避免电信号的进一步衰减；

叶片4设置于旋转桶7外侧，在钻杆15旋转的过程中接受旋转阻力，并传递给整个旋转单元同钻杆之间产生相对旋转。

旋转单元还包括锥形齿大端9、惯性单向轴12，锥形齿大端9设置于旋转桶上下两侧，与旋转桶金属壁相连接，驱动惯性单向轴旋转，改变传动方向；

惯性单向轴12与钻杆15固定连接，其外部齿与锥形齿大端相啮合，具有大的惯性、能够维持整个旋转系统的钻速稳定，还可以防止旋转装置的反向旋转。

旋转单元还包括密封器卡槽10和密封器11，旋转桶外侧环向设有密封器卡槽10，用以连接密封器11。一方面要阻挡外部流体进入齿轮空间，另一方面密封器可以在密封卡槽中旋转。密封器直接同钻杆相连接。隔绝外部流体与内部空间。

实施例2：

一种基于气液两相的旋转钻井过程中井下随钻气侵检测装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，所述钻井过程中井下气侵检测的装置包括至少两个信号发生单元、两个旋转单元，每个信号发生单元产生的电信号由集线单元13汇总，连接至传输电缆16。具体可根据钻杆尺寸在钻杆周围可设置多个旋转单元和信号发生单元，每个单元产生的电信号由集线单元汇总，一方面通过周向均匀分布的多个信号发生单元和集线单元可以测定钻杆周向上不同位置处的感应电流，适用于气体在周向上分布不均的情况；另一方面当其中某个信号发生单元和集线单元出现故障时，不影响整个装置发挥作用，所以，进一步提高了测量的可靠性。信号发生单元和集线单元的数量按照钻杆的实际转速和目标井的实际井下条件，包括钻井井深、钻井液排量、钻井液密度，钻井液粘度等进行优选确定，当可测量到稳定的电流值时，则选定的信号发生单元和集线单元数量最优，按照均匀间隔环绕钻杆分布。

实施例3：

一种利用实施例1所述基于气液两相的旋转钻井过程中井下随钻气侵检测装置的工作方法，包括步骤如下：

Step1.气侵测量装置固定在钻杆上，随着钻杆一起下入井筒。在容易发生气侵的层段，间隔100m安装一个气侵检测装置，结合高精度的电流传感器，在易发生气侵层段可实现多点测量，结合井下随钻参数，可监测发生气侵的层位；通过相邻或相隔几个气侵检测装置的一定时间段内感应电流变化速率，可定性反映气体的移动速度，有助于及时启动井控防范措施。

Step2.钻杆旋转钻进，带动同钻杆相固定的集电盘、永磁体、惯性单向轴等部件一起旋转；此时，由于惯性单向轴具有较大的惯性，会有带动锥形齿大端以及与其相连接成一个整体的旋转桶金属壁、导体棒、叶片等装置一起旋转的趋势；

Step3.当钻柱旋转启动时，会带动连接在钻柱上的密封器、惯性单向轴、永磁体、集电盘一起以确定的速率旋转；旋转单元和导体棒在启动时刻会由惯性单向轴的惯性带动开始旋转，同时叶片上会受到的环空钻井液的旋转阻力，并且传递到旋转桶，进而传递到整个旋转单元和直接相连的导体棒，导致导体棒和永磁体产生旋转速度差；一旦导体棒和永磁体之间产生旋转速度差，就相当于导体棒在切割磁感线，就会激发感应电流；感应电流从导体棒流入集电盘，再流入信号发生器中进行处理，在集线单元处理后信号就会传送到到传输电缆，直至到达地面。

Step3中，集线单元处理后的信号传送至地面，进行计算分析，预测旋转阻力F

i

Step3中，当井筒发生气侵时，钻井液的性质会发生变化，从而导致旋转阻力的变化，预测井筒含气率的影响，设定气侵判别阈值C；

由式(20)可通过获得的i

根据钻井液的流体性质及监测井深，确定信号发生单元和集线单元的分布数量及检测装置的安装位置后，选择较高精度的电流传感器，可测量更加细微的感应电流变化，通过感应电流的变化确定井下旋转阻力的大小，发生气侵后，钻井液的粘度会减小，从而旋转阻力也会减小，由旋转阻力的变化可定性分析发生气侵的程度。再结合多点测量，对气侵位置和移动速度等的预测也可以实现。