一种油气井井筒环空液面连续监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，更具体的说是涉及一种油气井井筒环空液面连续监测装置及监测方法。

背景技术

油气井钻完井过程中，井漏往往不可避免。尤其是钻遇超低压地层，裂缝性地层，以及亏空性地层等情况时，容易出现钻井液失返。需要采取各种封堵措施重新建立循环，实现后续安全作业。由于钻井液失返，环空液面不在井口，液面具体深度往往未知，需要一定的技术手段及特种装置探测环空液面位置，为后续封堵作业提供重要的依据，以及随时掌握液面的深度，最大程度降低井控风险。

目前探测环空液面深度的方法主要依靠声纳类装置，通过在出口管汇位置安装声纳仪器，发射声纳波，声纳波遇到液面及钻杆接头后，均会反射。采集波的反射时间可以计算出液面的深度位置，同时通过钻杆接头反射波的数量可以辅助计算液面的深度位置。声纳类装置测量可以大致测量出环空液面的深度位置，不同厂家和型号误差从几十米到上百米不等。测量过程较为复杂，测量的时间间隔较长(一般都30min以上)，无法实现较为准确的连续测量。在现场作业尤其是含气井作业时，井漏失返，环空液面波动剧烈，时刻掌握环空液面深度位置，以及环空液面波动状况，对井控安全风险的控制意义重大。

因此，如何提供一种可实时准确连续监测油气井井筒环空液面的装置和方法是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种油气井井筒环空液面连续监测装置及监测方法，当油气井井筒环空液面不在井口时可以实现连续监测环空液面的深度及环空液面波动状况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种油气井井筒环空液面连续监测装置，包括：

气体压力罐：接受PLC执行系统指令，往密闭油气井井筒注入或释放气体；

数据采集模块：测量密闭油气井井筒环空内数据信息并将数据信息通过PLC执行系统传输给工控机；

PLC执行系统：接收来自所述数据采集模块的数据信息并传输给工控机，以及接受工控机发出的指令并执行；

工控机：接收所述PLC执行系统传输的数据并分析判断和计算密闭油气井井筒环空液面深度的数值和变化情况并及时存入到数据库中，同时从数据库中提取数据，以数据、图形或曲线形式显示至连接终端，同时将传输指令给PLC执行系统。

优选的，所述数据采集模块和所述气体压力罐均与所述PLC执行系统通过网线连接，所述PLC执行系统与所述工控机通过网线连接。

优选的，所述数据采集模块包括：

压力数据采集模块：测量密闭油气井井筒环空压力并将压力数据信息通过PLC执行系统传输给工控机；

温度数据采集模块：测量密闭油气井井筒环空温度并将温度数据信息通过PLC执行系统传输给工控机；

气体压力罐数据计量模块：采集气体压力罐的注入或释放量的数值信息并通过PLC执行系统传输给工控机。

优选的，所述压力数据采集模块、所述温度数据采集模块、所述气体压力罐数据计量模块均与所述PLC执行系统通过网线连接。

优选的，所述压力数据采集模块为压力传感器，所述温度数据采集模块为温度传感器。

本发明还提供了一种油气井井筒环空液面连续监测方法，包括以下步骤：

(1)密封井口钻柱和套管使井筒内环空形成密闭空间，通过压力数据采集模块采集密闭空间内压力变化情况；

(2)通过气体压力罐向密闭空间内多次注入或释放气体并由气体压力罐数据计量模块计量各次注入或释放气体量，同时通过压力数据采集模块采集各次注入或释放气体后压力值，计算出油气井井筒环空液面初始深度；

(3)通过压力数据采集模块连续采集密闭空间内压力，依次计算出油气井井筒环空液面高度；

(4)通过定期或不定期重复步骤(2)操作获得或校核环空液面深度。

进一步的，所述步骤(2)的具体过程为：

(2.1)测量出密闭空间内的压力初始值为P00；

(2.2)向密闭空间内注入或释放一定量的气体并由气体压力罐数据计量模块计量各次注入或释放气体量为ΔV1，同时通过压力数据采集模块采集各次注入或释放气体后压力值为P01；

(2.3)向密闭空间内注入或释放一定量的气体并由气体压力罐数据计量模块计量各次注入或释放气体量为ΔV2，同时通过压力数据采集模块采集各次注入或释放气体后压力值为P02；

(2.4)由于井眼环空液柱压力远远大于密闭空间内气体压力，因此在此过程中，环空液面初始深度H0不变，计算环空液面初始深度H0，具体过程为：

PV＝nRT；

其中：P为压力；V为环空容积：V＝S·H，S为环空面积，H为环空液面深度；n为摩尔数，设定P00压力时的摩尔数为n0；P01压力时摩尔数为n01，n01＝n0+Δn1，Δn1为注入或释放的气体ΔV1增加的摩尔数(注：如果为释放气体时，Δn1为负)；P02压力时摩尔数为n02，n02＝n01+Δn2，Δn2为注入或释放的气体ΔV2增加的摩尔数(注：如果为释放气体时，Δn2为负)；R为摩尔气体常量，R＝8.314Pa·m

由PVT方程可以求出初始阶段油气井井筒环空液面的初始深度H0：

P00·S·H0＝n0·R·T 1)

P01·S·H0＝n01·R·T＝(n0+Δn1)·R·T

＝n0·R·T+Δn1·R·T＝P00·S·H0+Δn1·R·T

也即：

P01·S·H0＝P00·S·H0+Δn1·R·T 2)

同理

P02·S·H0＝P00·S·H0+(Δn1+Δn2)·R·T 3)

由2)和3)可以求得初始液面深度H0：

进一步的，所述步骤(3)的具体为：

根据PVT方程，其他条件(包括密闭空间摩尔数，温度等)未变化时(设P0＝P02)：

P1·S·H1＝P0·S·H0

H1＝P0·H0P1 5)

根据测量的P1，即可得到该时间点的H1，通过压力数据采集模块连续采集密闭空间内压力P2，P3，...，即可获得连续的油气井环空液面深度H2，H3，...，以及液面深度的变化趋势。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种油气井井筒环空液面连续监测装置及监测方法，其有益效果如下：

其中所述各数据采集模块分别通过网线与工控机的数据库连接，由工控机计算分析和决策，工控机的计算机系统显示实时的结果数据(或图形或曲线)，同时通过网线连接PLC执行系统，由PLC执行系统执行工控机指令。实施操作方便，并且实现了环空液面深度连续测量，以及环空液面深度实时变化监测，为准确了解漏失状态、井底压力状况，提供了重要依据，同时最大程度的降低了井控风险，意义重大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种油气井井筒环空液面连续监测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1所示，一种油气井井筒环空液面连续监测装置，包括：

气体压力罐1：与PLC执行系统2通过网线连接，接受PLC执行系统2指令，往密闭油气井井筒3注入或释放气体；

数据采集模块包括：

压力数据采集模块51：为压力传感器，安装于密闭油气井井筒3的井口处，与PLC执行系统2通过网线连接，测量密闭油气井井筒3环空压力并将压力数据信息通过PLC执行系统2传输给工控机4；

温度数据采集模块52：为温度传感器，安装于密闭油气井井筒3的井口处，与PLC执行系统2通过网线连接，测量密闭油气井井筒3环空温度并将温度数据信息通过PLC执行系统2传输给工控机4；

气体压力罐数据计量模块53：与PLC执行系统2通过网线连接，采集气体压力罐1的注入或释放量的数值信息并通过PLC执行系统2传输给工控机4；

PLC执行系统2：与工控机4通过网线连接，接收来自所述数据采集模块的数据信息并传输给工控机4，以及接受工控机4发出的指令并执行；

工控机4：接收所述PLC执行系统2传输的数据并分析判断和计算密闭油气井井筒3环空液面深度的数值和变化情况并及时存入到数据库41中，同时从数据库41中提取数据，以数据、图形或曲线形式显示至连接终端，同时将传输指令给PLC执行系统2。

在进行工作时，由旋转控制头或防喷器密封井口使油气井井筒环空内形成密闭空间，井口和钻井液液面之间距离为环空液面深度，钻井液漏入地层或者地层流体混入钻井液而导致钻井液液面上下波动，进而导致环空液面深度数值的变化。本发明装置安装完成后，首先依据采集数据和现场实际测量的井筒尺寸等数据求取初始环空液面深度H0，具体步骤为：

由压力数据采集模块测量出初始压力P00，通过PLC执行系统传输给工控机，存储测量值至工控机的数据库内；

由温度数据采集模块测量出井口温度值，通过PLC执行系统传输给工控机，存储测量值至工控机的数据库内；

工控机发出注气指令，气体压力罐及气体压力罐数据计量模块接受PLC执行系统指令，开始往密闭空间内注入或释放气体，同步由压力数据采集模块测量压力P01，并实时通过PLC执行系统传输至工控机，当P01-P00>300Pa时(该值根据压力传感器精度调整)，工控机发出指令，PLC执行系统接受指令，并停止注入或释放气体，气体压力罐及气体压力罐数据计量模块计量出注入或释放气体量Δn1，通过PLC执行系统传输给工控机，存储测量值至工控机的数据库内；

工控机再次发出注入或释放气体指令，重复上述步骤，得到P02和Δn2，通过PLC执行系统传输给工控机，存储测量值至工控机的数据库内；

依据PV＝nRT方程变形出的计算公式4)：

可以得出初始的环空液面深度H0，并记录此时的压力P0(P0＝P02)，工控机的计算结果和数据存入数据库；

根据设定的时间间隔序列，由压力数据采集模块连续测量并采集压力值P，并由计算公式5)

H1＝P0·H0P1

计算得出对应时间的环空液面深度H，工控机的计算结果和数据存入数据库，得到连续监测的液面数据；

定期或不定期由工控机发出指令，通过重复上述对H0的计算过程，可以获得或校核环空液面深度H。

计算和测得的各时间点的数据由工控机的数据显示系统从数据库里提取，按照时间序列显示在显示屏上，获得液面深度变化结果及变化趋势。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。