一种实时监测深水溢流的系统及方法

技术领域

本发明涉及深海油气开发技术领域，具体涉及到一种实时监测深水溢流的系统及方法。

背景技术

近年来，全球近50％的油气重大发现均在深水环境下，深水除了蕴藏着丰富的石油资源外，还有储量巨大的天然气水合物资源，但是对于海洋深水钻井而言，钻井环境随水深的增加变得更加复杂，极易遇到常规钻井工程难以克服的技术难题。

典型的技术难题，包括：在深水钻井过程中，钻头钻经气层岩石时容易导致气侵，气体侵入钻井液将导致井下溢流，如不能对井下溢流及早监测，并采取有效的井控措施，溢流将不可控，最终造成井喷事故。

然而，本申请的发明人在研究中发现，现有技术对深水溢流的监测技术通常具有严重的滞后性，例如，现有技术通过将泥浆池的钻井液引流到指示剂的扩大室中，再根据扩大室中指示剂的读数确定是否发生深水溢流，这种操作方法经常会发生当扩大室监测到溢流时，就发生了井喷事故。另外，现有技术的处理方式还具有数据处理准备性低的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种实时监测深水溢流的系统及方法，通过在海底井口隔水管上安装对称式超声多普勒监测装置及旁路流量监测装置，直接监测井口处钻井液的含气率和流量，并根据含气率和流量检测是否发生溢流，具有准确性高、时效性强的特点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种实时监测深水溢流的系统，包括：深水端设备和水面端设备；

所述深水端设备，包括：安装在隔水管上的对称式超声多普勒监测装置、旁路流量监测装置，以及数据处理模块和水声通讯装置；所述数据处理模块分别连接所述对称式超声多普勒监测装置、所述旁路流量监测装置和所述水声通讯装置；

所述水面端设备，包括：海面水声信号装置以及与之相连的海面计算机控制系统；

所述对称式超声多普勒监测装置，用于监测所述隔水管中钻井液的含气率；所述旁路流量监测装置，用于监测所述隔水管中钻井液的流量；

所述数据处理模块，用于对所述含气率和所述流量的数据进行处理，转换为水声数据，通过所述水声通讯装置发送至所述海面水声信号装置；

所述海面水声信号装置，将所述水声数据转换为电信号，供所述海面计算机控制系统实时检测是否发生深水溢流。

在本发明的一种实现方式中，所述深水端设备，安装在钻井井口处的隔水管短节上。

在本发明的一种实现方式中，所述对称式超声多普勒监测装置，包括对称设置在所述隔水管的同一径向高度的超声多普勒发射模块和超声多普勒接收模块。

在本发明的一种实现方式中，所述旁路流量监测装置，包括两个相同的测量单元。

在本发明的一种实现方式中，两个所述测量单元设置在所述隔水管的不同径向高度的位置。

在本发明的一种实现方式中，每一所述测量单元，包括科里奥利质量流量计，。

在本发明的一种实现方式中，所述数据处理模块，包括供电子模块。

在本发明的一种实现方式中，所述数据处理模块，还包括信号预处理模块，实现前置放大、动态滤波和信号调制。

在本发明的一种实现方式中，所述数据处理模块，还包括数据转换子模块，用于将预处理后的数据转换为声波信号，向水面处的水声通讯装置发送声波信号。

第二方面，本发明提供一种实时监测深水溢流的方法，应用于第一方面所述的系统，包括：

监测钻井井口处隔水管中钻井液的含气率；以及监测所述隔水管中钻井液的流量；

对所述含气率和所述流量的数据进行处理，转换为水声数据；

再将所述水声数据转换为电信号，实时检测是否发生深水溢流。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明方案，通过监测海底井口隔水管内钻井液的含气率和流量，实现深水溢流早期监测。勇敢在海底井口隔水管上安装超声多普勒监测装置及旁路流量监测装置，直接测得该位置钻井液的含气率和流量，实现准确、及时的溢流监测，其中采用超声多普勒方法直接监测钻井液含气率，能够克服隔水管壁厚对测量的影响，具有测量速度快、稳定性高的优势，并在隔水管外两个位置对钻井液进行引流式流量监测，能减少监测装置对钻井操作的影响，测量环境更加稳定，测量结果精度更高，同时利用水声通讯装置进行监测信号传输，实现远距离无线通讯且信号衰减小的效果。本方案的系统结构紧凑、集成度高，并且所提处方法具有监测及时、稳定、高效、高准确的优点，实现了溢流早期监测，并使操作人员尽早做出更符合成本效益的操作决策，降低灾难性井控事故或井控失控的风险，减轻对海洋环境的附带损害。

附图说明

图1是本申请实施例的隔水管径向俯视示意图及侧面示意图；

图2是本申请实施例中的旁路流量监测装置的结构示意图；

图3是本申请实施例中的信号处理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中的深水溢流监测滞后性较高且数据处理准确性低的问题，本申请相应提供一种实时监测深水溢流的系统及方法。其中，所述的系统，包括：深水端设备和水面端设备；所述深水端设备，包括：安装在隔水管上的对称式超声多普勒监测装置、旁路流量监测装置，以及数据处理模块和水声通讯装置；所述数据处理模块分别连接所述对称式超声多普勒监测装置、所述旁路流量监测装置和所述水声通讯装置；所述水面端设备，包括：海面水声信号装置以及与之相连的海面计算机控制系统；所述对称式超声多普勒监测装置，用于监测所述隔水管中钻井液的含气率；所述旁路流量监测装置，用于监测所述隔水管中钻井液的流量；所述数据处理模块，用于对所述含气率和所述流量的数据进行处理，转换为水声数据，通过所述水声通讯装置发送至所述海面水声信号装置；所述海面水声信号装置，将所述水声数据转换为电信号，供所述海面计算机控制系统实时检测是否发生深水溢流。本申请，通过在海底井口隔水管上安装对称式超声多普勒监测装置及旁路流量监测装置，直接监测井口处钻井液的含气率和流量，并根据含气率和流量检测是否发生溢流，具有准确性高、时效性强的特点。

请一并参见图1至图3，在本申请实施例的一个方面中，提供了一种实时监测深水溢流的系统。

本实施例的所述系统，包括：深水端设备和水面端设备；深水端设备，包括：安装在隔水管上的对称式超声多普勒监测装置、旁路流量监测装置，以及数据处理模块和水声通讯装置；数据处理模块分别连接对称式超声多普勒监测装置、旁路流量监测装置和水声通讯装置；水面端设备，包括：海面水声信号装置以及与之相连的海面计算机控制系统。

具体的，隔水管短节15包括：隔水管1、隔水管上法兰2、隔水管下法兰3、钻杆4、钻井液5、流量监测模块6、超声多普勒发射模块8、超声多普勒接收模块9、封装外壳11、科里奥利质量流量计12(内含U型振动管18和振动检测器19)、导流管13、螺栓14和法兰20。

旁路流量监测装置6由两个相同的测量单元组成，通过螺栓14固定于隔水管1两侧不同高度处，测量单元包含科里奥利质量流量计12(内含U型振动管18和振动检测器19)、导流管13、封装外壳11和法兰20，其中封装外壳11通过螺栓14与隔水管1连接，导流管13通过强力粘连剂固定在封装外壳11内壁上，以联通隔水管1不同高度，科里奥利质量流量计12通过法兰20与导流管13进行同轴连接，以测量导流管13内钻井液5流量。

对称式超声多普勒监测装置由超声多普勒发射模块8和超声多普勒接收模块9组成，其通过螺栓14相对安装在隔水管1的两侧，超声波发射端和接收端紧贴隔水管1外壁，当超声多普勒发射模块8向隔水管1内发射超声波后，另一侧的超声多普勒接收模块9接收衰减后的超声波信号，通过分析信号变化情况，实现隔水管1内钻井液5中的含气量的监测。

数据处理模块7与水声通讯装置10通过螺栓14固定在隔水管1的外壁，科里奥利质量流量计12、超声多普勒发射模块8、超声多普勒接收模块9通过线缆方式与数据处理模块7连接，再将预处理结果通过线缆传输至水声通讯装置10，而在海上钻井平台上，海面计算机控制系统17留有数据接口，以接收海面水声信号装置16传输的数据。

本发明的系统工作原理如下：

导流管13与隔水管1联通，当钻井液5流经导流管13内的U型振动管18时，产生与质量流量成正比的力，使U型振动管18产生振动，该力在U型振动管18流入端和流出端存在作用时间差，导致振动检测器19测得流入端和流出端振动信号存在相位差，通过分析该相位差可得导流管13内钻井液5的流量。已知质量流量Q

其中，r为U型振动管18回弯部分的半径，K

超声多普勒装置对钻井液5的含气率进行监测，当系统工作时，超声多普勒发射模块8作为固定声源向隔水管1发射超声波信号，超声波在传播过程中遇到固体颗粒或气泡时会发生反射，使反射到超声波接收模块9上的超声波频率发生变化。假设钻井液5中的固体颗粒为表面光滑的球形，且体积浓度较低，波长远大于颗粒粒径，超声波在钻井液5中的衰减系数计算模型可以表示为：

其中，R为球形颗粒的半径，ρ

数据处理模块7包含供电、信号预处理和数据转换子模块，其中，供电子模块能够为水下其他装置提供电能；信号预处理子模块能对流量监测模块6和超声多普勒接收模块9监测的信号进行预处理，信号预处理主要包括前置放大、动态滤波和信号调制等模块，其中的前置放大电路能够将监测到的微弱信号进行放大，动态滤波电路能过滤信号中的噪声，信号调制电路能够提高信号的抗干扰能力；数据转换子模块能将预处理后的信号经过数据转换电路转换为水声通讯装置10兼容的数据格式，再进行发送。

水声通讯装置10接收数据处理模块7传输的数据，并以声波的方式向海面水声信号装置16发送。海面水声信号装置16接收水声通讯装置10发送的声波信号，并将声波信号转换为电信号，传输至海面计算机控制系统17进行进一步处理。

海面计算机控制系统17位于海上钻井平台，系统的预警平台控制界面具有流量计监测信号和超声多普勒接收信号的实时显示、历史数据的存储和回调、数据处理算法、警报显示等功能，能及时处理溢流早期监测数据，当监测数据异常时，警报灯发出警报，钻井工作人员进行井控操作，防止井喷事故。

在一个具体的应用场景中，里奥利质量流量计12选用ACU20FE-X型流量计，该流量计量程为300-1000Kg/h，压力等级为100bar，响应时间为0.2s，工作温度为0-70℃，具有精度高、测速快、可靠性高、使用周期长的特点。封装外壳11选用316号不锈钢，其钢材内部含有Mo元素，具有良好的耐蚀性、加工硬化性，可以在深水高压环境中使用。导流管13的材料选用超高分子量聚乙烯纤维，该材料具有优良的抗老化性和耐海水腐蚀性。强力粘连剂选用KD-855HL金属专用粘连剂，能够实现金属之间的快速粘接，具有固化快、强度高的优点。超声多普勒发射模块8和超声多普勒接收模块9的传感部件采用高灵敏度压电复合材料，具有柔韧性好、压电常数高的优点。数据处理模块7内的主控芯片需要具备可编程性、任务调度等功能，所以采用ZYNQ 7000SOC型主控芯片，并基于Linux系统及AX7Z020核心板进行程序开发，AX7Z020配置UART的接口，用于后端串口通讯。水声通讯装置10和海面水声信号装置16选用ACN系列水声通讯机，其最大工作水深可达11KM，中心频率工作范围为8KHz-100KHz，最大通讯距离为12KM，最大峰值通讯速率为100Kbps，可以满足实际工作的需要。

隔水管1在海上钻井平台进行各模块的安装工作，首先，将科里奥利质量流量计12与导流管13通过法兰20进行连接，并通过强力粘连剂将两者固定在封装外壳11的内壁上，使科里奥利质量流量计12、导流管13和封装外壳11之间相对位置固定，构成流量监测装置6，再通过螺栓14将流量监测装置6整体安装在隔水管1的外壁上；其次，超声多普勒发射模块8和超声多普勒接收模块9通过螺栓14固定在隔水管1的两侧，通过安装位置的准确性以提高监测的精度；然后，通过螺栓14将发射模块和接收模块的封装外壳11安装在隔水管1的外壁上，通过线缆将科里奥利质量流量计12、超声多普勒发射模块8和超声多普勒接收模块9分别与数据处理模块7连接，并连接数据处理模块7与水声通讯装置10，海面水声信号装置16和海面计算机控制系统17，所有线缆连接完成后，启动海面计算机控制系统17和所有水下功能模块，测试线缆连接状况、监测装置运行状况、水声通讯装置10数据传输能力、海面水声信号装置16数据接收能力和海面计算机控制系统17配套软件的稳定性；最后，隔水管1下入水中，通过海面计算机控制系统17实时监测深水早期溢流状态。

综上，本发明方案，通过监测海底井口隔水管内钻井液的含气率和流量，实现深水溢流早期监测。勇敢在海底井口隔水管上安装超声多普勒监测装置及旁路流量监测装置，直接测得该位置钻井液的含气率和流量，实现准确、及时的溢流监测，其中采用超声多普勒方法直接监测钻井液含气率，能够克服隔水管壁厚对测量的影响，具有测量速度快、稳定性高的优势，并在隔水管外两个位置对钻井液进行引流式流量监测，能减少监测装置对钻井操作的影响，测量环境更加稳定，测量结果精度更高，同时利用水声通讯装置进行监测信号传输，实现远距离无线通讯且信号衰减小的效果。本方案的系统结构紧凑、集成度高，并且所提处方法具有监测及时、稳定、高效、高准确的优点，实现了溢流早期监测，并使操作人员尽早做出更符合成本效益的操作决策，降低灾难性井控事故或井控失控的风险，减轻对海洋环境的附带损害。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)或处理器(Processor)执行本发明各个实施例上述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。