基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统

技术领域

本发明涉及石油井控技术领域，确切地说涉及一种通过测量近钻头处介电特性来判断井下溢流的检测系统。

背景技术

勘探找油和开发采油必须通过钻井来提供必要的信息与物质通道，在世界范围内，钻井费用占油气勘探和开发总成本50%以上，如果保证石油钻探开发安全，将大大节约钻井成本。目前，早期溢流监测是实现油气井井喷预防的主要技术手段之一。钻井过程中溢流的及时发现，能够为排除溢流、重建压力平衡赢得宝贵时间，大大降低二次井控的难度。井控技术经过多年发展，形成了多种早期溢流监测技术方法，如泥浆池液面监测法、微流量测量法、声波气侵监测法、基于PWD的压力分析法等。各种早期溢流监测方法采用的技术原理不尽相同，具备的技术优势也各不一样，现场使用时都存在着一定的局限。因此，为了适应复杂多变的钻井条件，早期溢流监测技术必须采用丰富的技术手段，以达到实时性与可靠性并存的目的。现有技术中，泥浆池液面监测法是早期溢流监测技术方法之一：在石油勘探钻井时，要连续不断地把泥浆注入井下，再由井下返回到泥浆池。钻进过程中泥浆在不断地循环。正常情况下，泥浆池流出的泥浆和流入的泥浆保持平衡。如果出现不平衡，将意味着要发生井喷或漏井。泥浆液位高低变化反映了泥浆流出、流入量的变化。因此，监视泥浆池液面高低变化，即可作井喷、漏井的预报。泥浆池液面监测法具有一定的延时性，不能在第一时间监测到事故的发生。随着技术发展，又有人研究出了微流量测量法，微流量测量法是基于磁耦合原理设计的适用于测量液体和气体微小体积流量的方法。被测量介质的某一个流量，对应测量管中磁性浮子的一个位置，这个位置通过磁耦合由现场指示器中的指针指示出来，通过刻度盘上的读数即可得到流过当前测量管中的液体或气体的体积流量。微流量测量法仍然存在以下技术缺点：（1）虽然流量计前均有设网目数适宜的过滤器，但是还是会因为口径较小出现被流体中的杂质堵住或卡滞的情况。 （2）绝大部分微小流量浮子流量计必须垂直安装在无振动的管道上，不应有明显的倾斜，流体自下而上流过仪表。如果有振动、倾斜会出现附加误差。

此外，作者为卿玉、宋来阳、杨宁等于2019年在第31届全国天然气学术年会（2019）论文集（05钻完井工程）上发表了题名为“井下溢流监测方法及预警装置研究”的会议论文，该论文公开了在窄泥浆密度窗口地层钻进时容易造成溢流、井涌等井下复杂事故。为了及时发现复杂事故，防止事故恶化，利用监测井筒内流体介电常数的变化情况，及时发现钻井过程中的事故情况。为实现实时测量井筒内流体介电常数，设计了适合高温高粘度流体介电特性测量探头，通过室内试验分析了频率对探头的影响以及区分不同介质的方法，分析了介质溶液浓度对测量结果的影响，并进行模拟实验，验证了借助介电特性监测对钻井过程安全预警的可行性。

上述“井下溢流监测方法及预警装置研究”的会议论文技术方案，在实际使用过程中，仍然存在以下缺陷和不足：高温高粘度流体介电特性测量探头采用的是单点式测量方案，而井下情况较为复杂，单点式测量方案的测量探头极易出现故障，导致误判情况时有发生，井下溢流情况判断准确率不高。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统，本系统通过钻井井筒内外介电特性的变化而引起的电路输出电压的变化，实时判断井筒溢流情况，从而判断是否出现钻井事故。这样可以有效减少经济上的损失，并且同时可以减少钻井事故造成的伤亡。同时，本发明还能解决“井下溢流监测方法及预警装置研究”该篇会议论文中所出现的单点式测量方案的测量探头极易出现故障导致误判的技术问题，井下溢流情况判断准确率得以大幅提高。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统，其特征在于：包括阵列式井筒流体介电特性测量工具、电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路和介电特性测量传感器；其中：

阵列式井筒流体介电特性测量工具，是检测系统的主体，用于安装电源管理电路、井下计算机和传感器调理电路，并与钻头、钻铤连接下钻；为其他装置提供足够坚硬稳定的工作环境；

电源管理电路，对通信活塞环提供的供电电压进行变换，为系统组成部分提供需要的额定工作电压；从而使各组成部分正常工作；

井下计算机，对传感器调理电路得到的输出电压结果进行分析，并通过设定的阈值得到最后判断的结果；

传感器调理电路，与介电特性测量传感器连接，即阵列式测量电路，通过传感器数据的变化，得到输出电压的结果；

介电特性测量传感器，分为环空流体介电特性测量传感器阵列与管内钻井液介电特性测量传感器，分别测量环空流体与管内流体的介电特性。

进一步的，传感器调理电路，包括环空流体介电特性测量传感器阵列、管内钻井液介电特性测量传感器和多个电阻，所述环空流体介电特性测量传感器阵列包括电容C11、电容C21、电容C31、电容C12、电容C22和电容C32；所述管内钻井液介电特性测量传感器包括电容C41和电容C42；所述电阻包括电阻R11、电阻R12、电阻R21、电阻R22、电阻R31、电阻R32、电阻R41和电阻R42；其电路连接方式为：电阻R11、电阻R12、电阻R21、电阻R22为顺序串联的电阻电路与顺序为电阻R42、电阻R41、电阻R32、电阻R31串联的电阻电路并联，并连接到同一激励下；电容C11、电容C21、电容C31与电阻R11并联；电容C41与电阻R21并联；电容C12、电容C22、电容C32与电阻R31并联；电容C42与电阻R41并联；输出电压是电阻R41、电阻R32之间与电阻R12、电阻R21之间的电压差。

进一步的，所述环空流体介电特性测量传感器阵列设置于环空流体中。

进一步的，所述管内钻井液介电特性测量传感器设置于管内流体中。

进一步的，环空流体介电特性测量传感器阵列为了方便维护，采用盖板式安装结构。

进一步的，管内钻井液介电特性测量传感器考虑了流体流型，采用了平面设计。防止传感器冲蚀。

进一步的，在阵列式井筒流体介电特性测量工具设置有线槽，电源管理电路、井下计算机和传感器调理电路通过线槽连线。

进一步的，阵列式井筒流体介电特性测量工具上还设置有通信活塞环，通信活塞环用于给测量工具供电，并将测量信号传输至MWD。

进一步的，阵列式井筒流体介电特性测量工具上开有井下计算机模块仪器仓，井下计算机安装于井下计算机模块仪器仓内。

进一步的，阵列式井筒流体介电特性测量工具上开有传感器调理电路仪器仓，传感器调理电路安装于传感器调理电路仪器仓内。

进一步的，阵列式井筒流体介电特性测量工具上开有电源管理电路仪器仓，电源管理电路安装于电源管理电路仪器仓内。

本井下溢流检测系统的使用方法为：步骤1：首先对设计制作好的电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路进行高温高压试验。步骤2：对阵列式井筒流体介电特性测量工具进行高温高压试验。步骤3：在阵列式井筒流体介电特性测量工具上安装电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路。步骤4：将设备通过阵列式井筒流体介电特性测量工具中的线槽连线，将电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路分别与传感器相连。步骤5：将阵列式井筒流体介电特性测量工具与其他钻井工具连接，准备下井。步骤6：下井后，该装置实时监测。本发明能够实现在井下通过电路输出电压的变化，从而判断流体介质的变化，即可以判断钻井装置的溢流情况。因为该检测系统设置在井下近钻头处，所以该检测系统并不会出现延迟；并且在井下内置井下计算机，所以该检测系统不需要进行数据传输，可以实时对溢流情况进行判断。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下：

1、本发明采用“阵列式井筒流体介电特性测量工具、电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路和介电特性测量传感器”组成的井下溢流检测系统，通过钻井井筒内外介电特性的变化而引起的电路输出电压的变化，实时判断井筒溢流情况，从而判断是否出现钻井事故。这样可以有效减少经济上的损失，并且同时可以减少钻井事故造成的伤亡。同时，相对于“井下溢流监测方法及预警装置研究”该篇会议论文中所出现的单点式测量方案的测量探头极易出现故障导致误判的技术问题，本发明采用了阵列式井筒流体介电特性测量工具并配合传感器调理电路，在实际使用过程中，井下溢流情况判断准确率得以大幅提高。

2、本发明中，电源管理电路、井下计算机和传感器调理电路均安装于阵列式井筒流体介电特性测量工具上，并与钻头、钻铤连接下钻，能够为其他装置提供足够坚硬稳定的工作环境。在井下内置井下计算机，所以该检测系统不需要进行数据传输，可以实时对溢流情况进行判断。同时，因为该检测系统设置在井下近钻头处，所以该检测系统并不会出现延迟。

3、本发明所采用的传感器调理电路，包括环空流体介电特性测量传感器阵列、管内钻井液介电特性测量传感器和多个电阻，其特定的阵列式连接方式，当某个电容出现故障时，也不会直接导致电路损坏，提高了抗干扰能力。并且使用多个环空电容可以更快的反映介电特性的改变，就算出现微小的变化也会第一时间从输出电压反映出来，将灵敏度与响应速度提高。

4、本发明中，因为阵列式井筒流体介电特性测量工具上有多个电容，这些电容分别放置在环空流体与管内流体环境处，而相同规格的电容在不同的介质中电容的大小会有变化，所以当井下发生事故时，会造成流体中流体介质的变化，而流体介质的变化会导致电容大小的变化，从而得到输出电压的变化。所以可以通过输出电压的变化监测溢流情况。

5、本发明中，环空流体介电特性测量传感器阵列采用盖板式安装结构，更加能够方便维护。

6、本发明中，管内钻井液介电特性测量传感器考虑了流体流型，采用了平面设计能够防止传感器冲蚀。

7、综上所述，本发明因为直接监测的是井下的介电特性的变化，所以可以及时判断溢流情况；可以通过井下计算机自动判断溢流情况，减少了人工成本；生成了一种新的判断井下溢流的方法，可以与其它方法耦合得到更加精准的方法。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为阵列式井筒流体介电特性测量工具结构图；

图2为传感器调理电路原理图。

图中标记：

1、阵列式井筒流体介电特性测量工具；2、数据通信端口；3、管内钻井液介电特性测量传感器；4、通信活塞环；5、环空流体介电特性测量传感器阵列；6、环空压力温度测量传感器；7、井下计算机模块仪器仓；8、传感器调理电路仪器仓；9、电源管理电路仪器仓；10、管内压力测量点；C11、C21、C31、C12、C22、C32是在环空流体中的环空流体介电特性测量传感器阵列，C41、C42是在管内流体中的管内钻井液介电特性测量传感器。R11、R12、R21、R22、R31、R32、R41、R42是电阻。

具体实施方式

实施例1

作为一较佳实施方式，本发明公开了一种基于近钻头流体介电特性测量的井下溢流检测系统，包括阵列式井筒流体介电特性测量工具1、电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路和介电特性测量传感器；其中：阵列式井筒流体介电特性测量工具1，是检测系统的主体，用于安装电源管理电路、井下计算机和传感器调理电路，并与钻头、钻铤连接下钻；为其他装置提供足够坚硬稳定的工作环境；电源管理电路，对通信活塞环4提供的供电电压进行变换，为系统组成部分提供需要的额定工作电压；从而使各组成部分正常工作；井下计算机，对传感器调理电路得到的输出电压结果进行分析，并通过设定的阈值得到最后判断的结果；传感器调理电路，与介电特性测量传感器连接，即阵列式测量电路，通过传感器数据的变化，得到输出电压的结果；介电特性测量传感器，分为环空流体介电特性测量传感器阵列5与管内钻井液介电特性测量传感器3，分别测量环空流体与管内流体的介电特性。

实施例2

作为本发明的另一较佳实施方式，在实施例1的基础上，进一步的，传感器调理电路，包括环空流体介电特性测量传感器阵列5、管内钻井液介电特性测量传感器3和多个电阻，所述环空流体介电特性测量传感器阵列5包括电容C11、电容C21、电容C31、电容C12、电容C22和电容C32；所述管内钻井液介电特性测量传感器3包括电容C41和电容C42；所述电阻包括电阻R11、电阻R12、电阻R21、电阻R22、电阻R31、电阻R32、电阻R41和电阻R42；其电路连接方式为：电阻R11、电阻R12、电阻R21、电阻R22为顺序串联的电阻电路与顺序为电阻R42、电阻R41、电阻R32、电阻R31串联的电阻电路并联，并连接到同一激励下；电容C11、电容C21、电容C31与电阻R11并联；电容C41与电阻R21并联；电容C12、电容C22、电容C32与电阻R31并联；电容C42与电阻R41并联；输出电压是电阻R41、电阻R32之间与电阻R12、电阻R21之间的电压差。

实施例3

作为本发明的最佳实施方式，在实施例2的基础上，

阵列式井筒流体介电特性测量工具1，是工具的主体，用来放置其他模块，并与钻头、钻铤等链接下钻，为其他装置提供足够坚硬稳定的工作环境。电源管理电路，对通信活塞环4提供的供电电压进行变换，给各个模块提供需要的额定工作电压，从而使各模块正常工作。井下计算机，对其他模块得到的结果进行分析，并通过设定的阈值得到最后判断的结果。传感器调理电路，与介电特性测量传感器连接，即阵列式测量电路，通过传感器数据的变化，得到输出电压的结果。介电特性测量传感器，分为环空流体介电特性测量传感器阵列5与管内钻井液介电特性测量传感器3，分别测量环空流体与管内流体的介电特性。环空流体介电特性测量传感器阵列5为了方便维护，采用盖板式安装结构；管内钻井液介电特性测量传感器3考虑了流体流型，采用了平面设计，防止传感器冲蚀。阵列式井筒流体介电特性测量工具1上还设置有通信活塞环4，通信活塞环4用于给阵列式井筒流体介电特性测量工具1供电，并将测量信号传输至MWD。阵列式井筒流体介电特性测量工具1上开有井下计算机模块仪器仓7，井下计算机安装于井下计算机模块仪器仓7内。阵列式井筒流体介电特性测量工具1上开有传感器调理电路仪器仓8，传感器调理电路安装于传感器调理电路仪器仓8内。阵列式井筒流体介电特性测量工具1上开有电源管理电路仪器仓9，电源管理电路安装于电源管理电路仪器仓9内。

本方案的安装和具体操作步骤如下：

步骤1：首先对设计制作好的电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路进行高温高压试验。因为井下是极端环境，所以要确保在高温高压环境下，各电路板与传感器可以正常工作，并且在该环境下得到准确的结果。确保不会因为温度与压力过大导致电路板与传感器出现损坏，或者得到错误过大的结果。

步骤2：对阵列式井筒流体介电特性测量工具1进行高温高压试验，确保其有良好的密封性。确保不会在下钻时，因工具密封性不好，导致井中液体进入工具中，从而影响工具对溢流的检测结果，甚至因液体进入工具中，对电路板造成损坏。

步骤3：在阵列式井筒流体介电特性测量工具1上安装电源管理电路、井下计算机、传感器调理电路，并保证各组件紧贴在工具的槽里。确保不会因振动等情况造成电路板上的元器件损坏或掉落。

步骤4：将设备通过阵列式井筒流体介电特性测量工具1中的线槽连线，将三个板子相连。并检验各点电压是否正常，所有要运行的电压是否到达额定电压，即是否可以正常工作。确定正常好后，将上方盖板盖紧，确保工具具有良好密封性能，不会因为工具在井下的钻进行为造成损坏。

步骤5：将阵列式井筒流体介电特性测量工具1与其他钻井工具连接，准备下井。

步骤6：下井后，该装置实时监测。因为阵列式井筒流体介电特性测量工具1上有多个电容，这些电容分别放置在环空流体与管内流体环境处，而相同规格的电容在不同的介质中电容的大小会有变化，所以当井下发生事故时，会造成流体中流体介质的变化，而流体介质的变化会导致电容大小的变化，从而得到输出电压的变化。所以可以通过输出电压的变化监测溢流情况。