[发明专利]一种基于超声波的井下气侵监测系统

说明书

本发明属于油气钻井的技术领域，具体的涉及一种基于超声波的井下气侵监测系统。该监测系统包括固定于钻杆上的超声波气侵监测装置，还包括位于超声波气侵监测装置下方的环空气固分离装置，该环空气固分离装置包括自上而下依次固定于钻杆上的涡轮和气固预分离装置。该系统不但可以有效分离井下气侵气体和岩屑，排除岩屑对气侵监测的影响，还能使整个环空内的气侵气体尽可能集中在钻杆附近的有效监测窗口内，解决了目前井下监测气侵方法受监测窗口空间限制和岩屑影响的难题，大幅提升了气侵监测的时效性、精度和可靠度。

技术领域

本发明属于油气钻井的技术领域，具体的涉及一种基于超声波的井下气侵监测系统。

背景技术

在深水和深层油气资源的勘探开发中，由于缺乏对深水环境、深部地层及工况的准确预测和监测信息，钻井过程中井下复杂事故的发生风险大幅增加，其中井喷便是一种情况复杂、危害巨大、一旦发生则难以避免和处理的重大事故。气侵的早期监测成为避免井喷和实施有效井控的关键技术手段之一。

目前常用的气侵溢流早期监测方法主要是钻井液池增量法和出口流量差法，但对于深水和深层钻井，其监测的时效性不高。随后提出有隔水管超声波监测方法、随钻气侵监测方法等，将气侵探测设备由地面下放至海底甚至井下，试图提高气侵监测的时效性。但通过分析发现，隔水管超声波监测方法仅适用于海洋钻井，对于陆上钻井并不适用。而随钻气侵监测方法是利用井下监测的环空压力、地层电阻率等参数对气侵进行早期识别和预测，该方法需在近钻头处安装PWD、LWD等设备，费用高昂，且导致环空压力、地层电阻率等井下监测参数变化的因素众多，监测气侵的准确率有待提高。为此，近年来有学者提出利用超声波或低频弹性波在多相流中的传播特性在井下对气侵进行监测的方法，但由于声波在多相流中传播时，气泡和岩屑对声波具有相似的反射和散射效应，导致该方法的关键瓶颈之一便是井下环空多相流中的岩屑对声波信号的干扰；同时由于受井下空间的限制，超声波监测气侵的信息窗口较小，以目前的超声波监测气侵技术，在该狭小的信息窗口内监测钻杆附近的含气率情况评估整个环空的含气率信息将会产生较大的误差。因此如何在避免岩屑对声波信号干扰的同时又可以在空间狭小的超声波监测信息窗口内尽可能掌握整个环空的含气率，成为提高气侵监测准确性的关键。

发明内容

本发明的目的在于针对现有井下超声波监测气侵方法因超声波监测信息窗口小难以掌握整个环空含气率以及监测结果受岩屑影响，导致气侵监测精度低、结果不可靠的缺陷而提供一种基于超声波的井下气侵监测系统，该系统不但可以有效分离井下气侵气体和岩屑，排除岩屑对气侵监测的影响，还能使整个环空内的气侵气体尽可能集中在钻杆附近的有效监测窗口内，解决了目前井下监测气侵方法受监测窗口空间限制和岩屑影响的难题，大幅提升了气侵监测的时效性、精度和可靠度。

本发明的技术方案为：一种基于超声波的井下气侵监测系统，包括固定于钻杆上的超声波气侵监测装置，还包括位于超声波气侵监测装置下方的环空气固分离装置，该环空气固分离装置包括自上而下依次固定于钻杆上的涡轮和气固预分离装置。

所述涡轮的参数包括直径、叶片数量、叶片弦长、厚度、翼型和扭转角，涡轮的数量及其分布均采用以下方法进行测试优选确定：按照钻杆实际转速和目标井的实际井下条件，包括用于计算井下多相流场和气侵量的井深、钻井密度、钻井液排量、气侵气体、钻井液初始粘度、储层压力、地温梯度、地层渗透率和地层孔隙度，根据选定的涡轮参数、数量及其分布测试涡轮对钻井液气液固三相流场的分离情况，当观察到形成稳定贴壁泡状流即气相含量0.3时，则该选定的涡轮参数、数量及其分布为最优；若未观察到贴壁泡状流，则以选定的为基准，每次测试选取一个基准值作为变量，其他不变，将选取的基准值增加或减少10％并四舍五入取整后测试该值下的涡轮对钻井液气液固三相流场的分离情况，以此类推，直至测试观察到稳定贴壁泡状流。涡轮数量至少一个，根据具体情况确定为一个涡轮还是涡轮组。