油氣井井下故障診斷系統及其診斷方法
2023-06-04 10:29:01 1
油氣井井下故障診斷系統及其診斷方法
【專利摘要】本發明涉及一種油氣井井下故障診斷系統及其診斷方法，診斷系統具有鑽井液入口流量傳感器、鑽井液出口流量傳感器、壓力傳感器、多通道信號採集與發送裝置、多通道信號接收裝置和計算機系統，鑽井液入口流量傳感器固定在地面管匯或立管上，鑽井液出口流量傳感器固定在油氣井井口處的鑽井液回流管或泥漿槽上，壓力傳感器設置在立管上，多通道信號採集與發送裝置設置在井架的鑽臺上。本發明可以實現井下故障的預測、定位與定量化診斷，極大地提高故障診斷的準確率與識別效果，及時準確地掌握鑽井液流量與壓力的變化，實現井漏、井湧和鑽具刺漏的早期診斷，並且成本低，安裝方便，安裝位置合理，安全係數高。
【專利說明】油氣井井下故障診斷系統及其診斷方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及石油鑽井設備【技術領域】，特別涉及一種油氣井井下故障診斷系統及其 診斷方法。
【背景技術】
[0002] 在鑽井過程中，如果沒有能夠及時準確的預測井下發生的故障，就可能造成井下 複雜情況或事故，蒙受巨大的經濟損失。井下故障主要包括井漏、井湧、鑽具刺漏、井壁失穩 等。正因為井漏、井湧、鑽具刺漏、井壁失穩等事故的多發性和嚴重性，國內外學者已經開展 了大量的理論和實驗探索。
[0003] 綜合錄井技術是在地質錄井基礎上發展起來的一項集隨鑽地質觀察分析、氣體檢 測、鑽井液參數測量、地層壓力預測和鑽井工程參數測量為一體的綜合性現場錄井技術。綜 合錄井能為地質研究人員提供錄井地質剖面、巖性數據、地層流體數據等，為鑽井技術人員 提供了終端監視器，監測和分析鑽井情況，是實時監測鑽井事故的重要手段。國內外的石油 科技工作者已經利用綜合錄井設備，開展了建井過程鑽井安全的跟蹤、監測，以及鑽井井下 故障（包括井湧、井漏、鑽具刺漏、掉水嘴、堵水眼、溜鑽、卡鑽、鑽井遇阻、油氣水侵、掉鑽具 等）的預測、預報研究實踐，為保障安全鑽井發揮了重要作用。在保證鑽井安全的同時，錄 井工程參數在提速提效、優化鑽井方面，也起到了積極的作用。隨著工程參數錄井的發展， 逐漸形成了一系列技術。
[0004] 但長期以來，我國國內外重視綜合錄井的重點在在地質錄井與發現油氣信息等方 面的應用上，在工程方面沒有引起足夠重視，輕視綜合錄井在鑽井工程方面的應用，綜合錄 井主要應用也作用集中在探井方面上，在開發井和其它類型井的鑽井作業中很少採用。重 點也在於及時捕捉鑽井過程中油氣信息，對於鑽井工程方面的應用僅僅只起到是它的功能 擴展輔助作用。同時，判斷及預測鑽井井下故障的方法主要是依靠單參數閾值報警和根據 現場經驗進行主觀判斷，這不但需要現場人員具有高度的責任心，而且需要具有一定的知 識水平和實際經驗，往往存在誤判、漏判等情況。此外，就鑽井工程應用而言，綜合錄井的採 樣率往往過低，實時性差導致鑽井故障的預測診斷工作潛在較大的風險與誤差。由此可見， 想利用採用綜合錄井技術進行油氣井井下故障診斷是比較困難的，存在很大的局限性。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是：針對現有的井下故障診斷系統存在的實時性差、應 用受限等不足，本發明提供一種實時性強、針對鑽井工程的油氣井井下故障多功能診斷系 統及其診斷方法。
[0006] 本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：油氣井設有井口、鑽柱和鑽井泵，所 述油氣井設有鑽柱和鑽井泵，所述鑽柱由鑽臺和井架支撐，所述鑽臺包括位於井架底部的 一層鑽臺、位於中部的二層臺，所述鑽井泵連接有鑽井泵管路，所述鑽井泵管路包括排出管 路和吸入管路，所述排出管路通過地面管匯，以及與地面管匯相連通的立管與水龍帶連接， 所述吸入管路連接泥漿池，所述水龍帶連接水龍頭，所述井架上固定安裝有立管，所述油氣 井的井口與泥漿池之間設有鑽井液回流管或泥漿槽，油氣井井下故障診斷系統具有鑽井液 入口流量傳感器、鑽井液出口流量傳感器、壓力傳感器、多通道信號採集與發送裝置、多通 道信號接收裝置和計算機系統，所述鑽井液入口流量傳感器固定在地面管匯或立管上，所 述鑽井液出口流量傳感器固定在鑽井液回流管或泥漿槽上，所述壓力傳感器設置在地面管 匯或立管上，所述多通道信號採集與發送裝置設置一層鑽臺上，所述鑽井液入口流量傳感 器、鑽井液出口流量傳感器、壓力傳感器均與多通道信號採集與發送裝置連接，所述多通道 信號採集與發送裝置與多通道信號接收裝置為有線或無線連接，多通道信號接收裝置與計 算機系統為有線連接。
[0007] 多通道信號採集與發送裝置設置在一層鑽臺上，這個位置可以使得各傳感器與多 通道信號採集與發送裝置之間的連接線纜得到最合理的分配。鑽井液入口流量傳感器用來 採集從地面注入到鑽柱內部的鑽井液流量信號；鑽井液出口流量傳感器用來採集井口回流 管路中鑽井液的流量信號；壓力傳感器用來測量管路內部鑽井液的壓力；多通道信號採集 與發送裝置對所述測點的流量與壓力信號進行採集、放大、過濾等調理處理，並對所述的流 量與壓力信號進行較遠距離的傳輸和變送；多通道信號接收裝置以無線或有線的方式接收 來自所述多通道信號採集與發送裝置的流量與壓力信號。本申請的發明人對所需傳感器的 種類以及傳感器放置的位置做出了合理的安排，採用設置在地面管匯或立管上的鑽井液入 口流量傳感器和壓力傳感器、井口鑽井液回流管路的鑽井液出口流量傳感器，用來測量不 同時刻的流量和壓力信號，結合無線或有線收發裝置將數據參數傳送到計算機系統，由計 算機系統進行信號的分析與處理。本發明的油氣井井下故障診斷系統利用鑽井液循環系統 的管路特性來判別井下工況。例如，對於入口、出口流量信號的對比，可以用來預測井漏、井 湧；而鑽井液流量與立管壓力信號可以實現鑽柱刺漏、斷鑽具、鑽頭堵水眼、井眼清洗、環空 流動狀況等工況的預報，動力鑽具狀態分析，以及鑽頭工作狀態的檢測；結合入口、出口流 量信號與立管壓力信號可以實現井下鑽柱刺漏、井湧、井漏等故障的準確定位。
[0008] 所述鑽井液入口流量傳感器固定在地面管匯或立管上的靠近井架的部位。
[0009] 鑽井液出口流量傳感器固定在所述鑽井液回流管或泥漿槽上。
[0010] 所述壓力傳感器設置在地面管匯或立管上靠近一層鑽臺的部位。
[0011] 所述鑽井液入口流量傳感器、鑽井液出口流量傳感器、壓力傳感器均通過線纜與 多通道信號採集與發送裝置連接。
[0012] 所述多通道信號採集與發送裝置為信號採樣率不低於3000Hz且能夠採集全頻段 通道信號的多通道信號採集與發送裝置。
[0013] 一種所述的油氣井井下故障診斷系統的診斷方法，包括以下步驟：
[0014] 步驟Sl :鑽井液入口流量傳感器、鑽井液出口流量傳感器和壓力傳感器採集得到 在不同時刻各測點的流量信號和壓力信號，預處理得到一定時間間隔的壓力值和流量值， 並且記為鑽井液入口流量Qi、出口流量Q。和立管壓力;數據的預處理包括刪除異點、過 濾、求平均等，是信號處理領域的常規手段，這裡不做贅述。
[0015] 步驟S2 :在保持出口流量和入口流量不變的情況下，立管壓力與鑽頭所在深度 L之間採用線性關係進行回歸處理，即
[0016] Pl = AXL+B (1)
[0017] 式中，Plj :立管壓力，單位為MPa ;L :井深，單位為m ;A、B均為常係數，A、B實測立 管壓力的預處理數據隨井深L變化進行線性回歸處理獲得；
[0018] 步驟S3:獲得式⑴的係數A和B後，再從聯立方程⑵中，計算得到常數b與c :
[0019]
【權利要求】
1. 一種油氣井井下故障診斷系統，所述油氣井設有井口（15)、鑽柱（3)和鑽井泵（17)， 所述鑽柱（3)由鑽臺和井架（5)支撐，所述鑽臺包括位於井架底部的一層鑽臺（4)、位於中 部的二層臺（9)，所述鑽井泵（17)連接有鑽井泵管路，所述鑽井泵管路包括排出管路（18) 和吸入管路（25)，所述排出管路（18)通過地面管匯（23)，以及與地面管匯（23)相連通的 立管（19)與水龍帶（21)連接，所述吸入管路（25)連接泥漿池（14)，所述水龍帶連接水龍 頭（11)，所述井架（5)上固定安裝有立管（19)，所述油氣井的井口（15)與泥漿池（14)之 間設有鑽井液回流管或泥漿槽（12)，其特徵在於：具有鑽井液入口流量傳感器（20)、鑽井 液出口流量傳感器（16)、壓力傳感器（22)、多通道信號採集與發送裝置（7)、多通道信號接 收裝置（8)和計算機系統（10)，所述鑽井液入口流量傳感器（20)固定在地面管匯（23)或 立管（19)上，所述鑽井液出口流量傳感器（16)固定在鑽井液回流管或泥漿槽（12)上，所 述壓力傳感器（22)設置在地面管匯（23)或立管（19)上，所述多通道信號採集與發送裝置 (7)設置一層鑽臺（4)上，所述鑽井液入口流量傳感器（20)、鑽井液出口流量傳感器（16)、 壓力傳感器（22)均與多通道信號採集與發送裝置（7)連接，所述多通道信號採集與發送裝 置與多通道信號接收裝置（8)為有線或無線連接，多通道信號接收裝置（8)與計算機系統 (10)為有線連接。
2. 如權利要求1所述的油氣井井下故障診斷系統，其特徵在於：所述鑽井液入口流量 傳感器（20)固定在地面管匯（23)或立管（19)中上的靠近井架（5)的部位。
3. 如權利要求1所述的油氣井井下故障診斷系統，其特徵在於：鑽井液出口流量傳感 器（16)固定在所述鑽井液回流管或泥漿槽（12)上。
4. 如權利要求1所述的油氣井井下故障診斷系統，其特徵在於：所述壓力傳感器（22) 設置在地面管匯（23)或立管（19)上靠近一層鑽臺（4)的部位。
5. 如權利要求1所述的油氣井井下故障診斷系統，其特徵在於：所述多通道信號採集 與發送裝置（7)為信號採樣率不低於3000Hz且能夠採集全頻段通道信號的多通道信號採 集與發送裝置。
6. -種如權利要求1-5中任一項所述的油氣井井下故障診斷系統的診斷方法，其特徵 在於，包括以下步驟： 步驟Sl:鑽井液入口流量傳感器（20)、鑽井液出口流量傳感器（16)和壓力傳感器 (22)採集得到在不同時刻各測點的流量信號和壓力信號，預處理得到一定時間間隔的壓力 值和流量值，並且記為鑽井液入口流量Qi、出口流量Q。和立管壓力; 步驟S2 :在保持出口流量和入口流量不變的情況下，立管壓力與鑽頭所在深度L之 間採用線性關係進行回歸處理，即 Pl =AXL+B(1) 式中，Pi^:立管壓力，單位為MPa;L:井深,單位為m;A、B均為常係數，A、B由實測立管 壓力的預處理數據隨井深L變化進行線性回歸處理獲得； 步驟S3:獲得式（1)的係數A和B後，再從聯立方程（2)中，計算得到常數b與c:
式中，LpL2、L3、L4、Ld。、Ldp分別為1?壓管線、立管、水龍帶、方鑽杆、鑽鋌和鑽杆長度，單 位為m;屯、d2、d3、d4、dd。、dd。分別為高壓管線、立管、水龍帶、方鑽杆、鑽鋌和鑽杆的內徑,單 位為cm;Dh、DdJdp分別為井眼、鑽鋌和鑽杆外徑，單位為cmA:鑽頭當量噴嘴面積，單位為 cm2;Q:工況正常時的入口流量或出口流量，單位為L/s;BB:與內管路狀態有關的係數；C: 噴嘴流量係數，與噴嘴的阻力係數有關，C的值總是小於I;b在1. 75?1. 8範圍內取值； 對鑽井液入口流量Qi和出口流量Q。進行比較，在其他條件不變的情況下，如果Qi?Q。 且立管壓力服從式（1)的變化，則判別為正常鑽井工況；否則，若Qi?Q。且立管壓力突然上 升或發生憋泵，則判別為鑽頭堵水眼；若管路循環流量波動異常，且泵壓不穩或憋泵，則判 別為環空異常或井壁坍塌；若Qi?Q。且立管壓力出現明顯的下降，假定由原來的正常壓力 下降為Pu，則判別為管柱刺漏；轉入小流量Qi2循環，測量此時對應的立管壓力1\2，進而開 展管柱刺漏的識別與診斷； 在鑽進過程中，若鑽井液入口流量Qi大於出口流量Q。，且超閥值，則進行井漏的識別與 診斷；若鑽井液出口流量Q。大於入口流量Qi,且超過閥值時，則判斷為井湧。
7. 如權利要求6所述的診斷方法，其特徵在於：利用式（4)進行管柱刺漏的識別與診 斷：
, 0.05xp, 式中，kb:鑽頭壓降係數，& = ;Qi、Qi2 :不同時段的鑽井液入口流量，單位為 (Λι L/s;μ:刺漏裂縫的流量係數，可近似取值為μ= 0. 62 ;Qi、Q2為對應不同鑽井液入口流 量Qi、Qi2時的刺漏點以下管柱內外鑽井液流量，單位為L/s;A是刺漏裂縫面積，單位為cm2 ; kfl :刺漏點鑽杆內外和鑽鋌內外的管路壓力損耗係數；kf2 :漏點以下鑽杆內外和鑽鋌內外 的管路壓力損耗係數，kfl和kf2根據漏點位置確定。
8. 如權利要求7所述的診斷方法，其特徵在於：若漏點在鑽杆內，則有kfl、kf2的計算公 式如下：
將kfl、kf2的計算公式代入式（4)中，其中，Ls為刺漏點井深，kfl、kf2以刺漏點為分界 線，未知量為LS、A或μΑ、(^、Q2，求解式（4)聯立方程，可以得到刺漏點深度Ls及刺漏裂縫 面積Α。
9.如權利要求6所述的診斷方法，其特徵在於：假定發生井漏時，鑽井液入口流量為Qi ;根據井口有沒有鑽井液返出，分別進行相應的處理：若有鑽井液返出，鑽井液出口流量 是Q。；否則令Q。=O; 測定發現井漏後的立管壓力PL，並進行如下的判斷： (1) 按照下式計算P,/、Ρ,〃：
(2) 若<V，表明漏失點在鑽頭的下部； 若IV<匕V，表明漏失點在鑽杆段內，按式（7)確定井漏位置L1 ;
10.如權利要求6所述的診斷方法，其特徵在於：取b=I. 8,式（2)簡化為：
對於貫眼接頭和環形空間，BB= 0. 575 ;對於內平式接頭，BB= 0. 517 ;對於流線型噴 嘴，C= 0· 98。
【文檔編號】E21B44/00GK104453842SQ201410626422
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月7日 優先權日:2014年11月7日
【發明者】呂苗榮, 金育琦, 楊超, 高勝南, 林衛旺 申請人:常州大學