本實用新型涉及控壓鉆井過程中的安全檢測裝置技術領域，確切地說涉及一種在石油、天然氣鉆井過程中檢測氣侵位置的裝置。

背景技術：

控壓鉆井過程中，下鉆桿中會產(chǎn)生激動壓力、鉆井液密度過低、地層壓力等異常情況，這些都會導致地層壓力大于環(huán)空壓力，造成地層氣體侵入井底，發(fā)生氣侵。發(fā)生氣侵時，環(huán)空中的壓力低于底層壓力，如果沒能及時檢測出氣侵并采取有效防護措施，隨著氣體向井口的不斷轉移，則會導致環(huán)空與地層間的負壓差進一步增大，使氣侵加劇，進一步惡化井下安全情況，容易誘發(fā)井噴等事故。通常情況下，氣侵發(fā)生在井底或者套管鞋處，但鉆遇異常復雜地層時，氣侵可能發(fā)生在裸眼段任何位置。從控壓鉆井安全角度上講，氣侵發(fā)現(xiàn)越早越好，準確判斷出氣侵位置，更有利于采取有效措施抑止氣侵，從根本上杜絕井噴事故，保證控壓鉆井安全正常進行。

目前，控壓鉆井現(xiàn)場已有多種氣侵判斷方法，如鉆井液池液面檢測法、dc指數(shù)法、頁巖密度法、扭矩儀檢測法、聲波時差法、泵沖法等。最具典型的是聲波時差法和泵沖法。其中，聲波時差法的基本原理是，聲波在含氣鉆井液中的傳播速度與在不含氣鉆井液中的傳播速度不同，未發(fā)生氣侵時，聲波在鉆桿內(nèi)鉆井液中的傳播速度與在環(huán)空內(nèi)鉆井液中的傳播速度相等，發(fā)生氣侵時，環(huán)空中的鉆井液含有氣體，井底發(fā)出的聲波經(jīng)環(huán)空中的含氣鉆井液傳到地面所需的時間與經(jīng)鉆桿內(nèi)的不含氣鉆井液傳到地面所需的時間不同，根據(jù)此時間差大小可判斷出井下是否發(fā)生了氣侵。泵沖法的基本原理是，在控壓鉆井泥漿泵工作時，泵內(nèi)活塞產(chǎn)生壓力脈沖，這一壓力脈沖進入循環(huán)系統(tǒng)，在鉆柱、井下動力鉆具、隨鉆測試系統(tǒng)、鉆頭噴嘴中傳播，然后沿環(huán)空上返至地面，該方法是利用泥漿泵在工作時產(chǎn)生的壓力脈沖，作為地面壓力脈沖發(fā)生器。

如公開號為CN103032064A，公開日為2013年4月10日的中國專利文獻公開了一種基于壓力波時差確定鉆井過程中氣侵位置的方法及裝置。該裝置以液動節(jié)流閥動作產(chǎn)生的壓力波為波源，通過檢測立管壓力傳感器和套管壓力傳感器接收到壓力波的時間差判斷是否發(fā)生氣侵；根據(jù)檢測到的井口氣液流量、套壓、壓力波在環(huán)空和鉆桿內(nèi)的傳播時差，采用環(huán)空水力學模型對各參數(shù)進行龍格庫塔迭代，得出環(huán)空中不同網(wǎng)格中空隙率的分布、波速響應時間、氣侵位置與壓力波響應時間之間存在的一一對應關系，確定發(fā)生氣侵的準確位置。

然而，國內(nèi)外控壓鉆井行業(yè)的氣侵檢測只局限于的氣侵判斷，尚無可快速、準確判斷控壓鉆井過程中氣侵位置的方法，無法滿足微流量精確控壓鉆井的要求。精確判斷氣侵位置不僅有助于分析復雜地層結構，而且能針對氣侵具體位置采取有效的防護措施，如增加鉆井液密度、加大回壓或下套管封隔等方法來抑止氣侵。如何準確判定氣侵位置，已成為目前鉆井工程中亟待解決的難題。因此，非常有必要提供一種快速、準確檢測氣侵位置的裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型旨在針對上述現(xiàn)有技術所存在的缺陷和不足，提供一種控壓鉆井過程中氣體溢漏位置檢測裝置，本實用新型具有檢測準確、即時性強、設備成本低、操作簡單和應用范圍廣的優(yōu)點。

本實用新型是通過采用下述技術方案實現(xiàn)的：

一種控壓鉆井過程中氣體溢漏位置檢測裝置，其特征在于：包括套管壓力傳感器、立管壓力傳感器、氣液流量計、液動節(jié)流閥和工控機，所述的所述立管壓力傳感器安裝在鉆井液入口處的立管下方的水龍帶與方鉆桿的連接處，所述套管壓力傳感器安裝在鉆井液套管環(huán)空出口處，連接在套管壓力傳感器之后的管線上依次串聯(lián)所述的氣液流量計和液動節(jié)流閥，所述的工控機通過四根指令傳輸線分別與所述的套管壓力傳感器、立管壓力傳感器、氣液流量計、液動節(jié)流閥連接。

所述的套管壓力傳感器和立管壓力傳感器用于將實時監(jiān)測的套壓和立壓，拾取傳感器接收到壓力波的時間。

所述的套管壓力傳感器和立管壓力傳感器通過所述數(shù)據(jù)指令線將測得的套壓、立壓值及接收到壓力波的時間傳輸至所述工控機。

所述的氣液流量計實時測定環(huán)空出口處的鉆井液液相流量、氣相流量。

所述的氣液流量計通過所述數(shù)據(jù)指令線將實時測得的液體流量和氣體流量值傳輸至所述工控機。

所述的液動節(jié)流閥用于接收并執(zhí)行工控機發(fā)出的節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)指令。

所述的液動節(jié)流閥通過所述數(shù)據(jù)指令線與所述工控機實現(xiàn)交互，傳輸所述工控機的指令并將所述液動節(jié)流閥的動作時間傳輸至所述工控機。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型所達到的有益效果如下：

1、檢測準確：常規(guī)的氣侵檢測裝置雖能判斷出是否發(fā)生氣侵，但無法準確地檢測出氣侵位置，本實用新型基于壓力波時差法，不僅實現(xiàn)了常規(guī)氣侵檢測的功能，而且能準確確定氣侵位置，彌補了現(xiàn)有裝置出現(xiàn)無法判斷氣侵位置的缺陷，可有效提高工作效率。

2、即時性強：本實用新型采用壓力傳感器和氣液流量計實時檢測進口出口位置壓力和流量的變化，不僅提高了氣侵檢測精度，且實現(xiàn)了控壓鉆井過程的實時監(jiān)控，有效提高了檢測的靈敏度。

3、設備成本低：本實用新型不需要對井場進行大規(guī)模改進，以井口的液動節(jié)流閥作為波動源，采用壓力傳感器和氣液流量計檢測井口壓力和流量，數(shù)據(jù)傳輸線將各檢測數(shù)據(jù)傳送到工控機，通過工控機對各參數(shù)進行環(huán)空水力學計算，即可實現(xiàn)氣侵位置的檢測。

4、操作簡單：只需打開工控機，連接各數(shù)據(jù)傳輸線（是不是數(shù)據(jù)指令線），輸入相關參數(shù)，觀察工控機屏幕上的輸出結果即可完成氣侵檢測及氣侵位置確定。

5、應用范圍廣：本實用新型是可廣泛應用于欠平衡鉆井、控壓鉆井、微流量鉆井等鉆井過程中氣侵位置的檢測。

附圖說明

下面將結合說明書附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步的詳細說明，其中：

圖1為本實用新型氣侵位置檢測裝置的結構示意圖。

圖2為本實用新型的工控機內(nèi)置氣侵位置檢測軟件計算框圖。

圖中標記：

1、套管壓力傳感器；2、立管壓力傳感器；3、氣液流量計；4、液動節(jié)流閥；5、工控機；6、 指令傳輸線；7、 套管；8 、鉆柱；9 、立管。

具體實施方式

實施例1

作為本實用新型一較佳實施方式，其公開了一種壓力波氣侵位置檢測裝置包括套管壓力傳感器1、立管壓力傳感器2、氣液流量計3、液動節(jié)流閥4、工控機5和數(shù)據(jù)指令線6。所述的氣侵位置檢測裝置中，所述立管壓力傳感器2安裝在鉆井液入口處的立管下方的水龍帶與方鉆桿的連接處，所述套管壓力傳感器1安裝在鉆井液環(huán)空出口處，所述套管壓力傳感器1后的管線上依次串聯(lián)所述的氣液流量計3和液動節(jié)流閥4。

上述的氣侵位置檢測裝置中，所述套管壓力傳感器1和立管壓力傳感器2可實時監(jiān)測套壓和立壓，拾取傳感器接收到壓力波的時間；所述套管壓力傳感器1和立管壓力傳感器2可通過所述數(shù)據(jù)指令線6將測得的套壓、立壓值及接收到壓力波的時間傳輸至所述工控機5。

上述的氣侵位置檢測裝置中，所述氣液流量計3可實時測定環(huán)空出口處的鉆井液液相流量、氣相流量；所述氣液流量計3可通過所述數(shù)據(jù)指令線6將實時測得的液體流量和氣體流量值傳輸至所述工控機5。

上述的氣侵位置檢測裝置中，所述液動節(jié)流閥4可接收并執(zhí)行工控機5發(fā)出的節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)指令；所述液動節(jié)流閥4通過所述數(shù)據(jù)指令線6與所述工控機5實現(xiàn)交互，傳輸所述工控機的指令并將所述液動節(jié)流閥4的動作時間傳輸至所述工控機5。

上述的氣侵位置檢測裝置中，所述指令傳輸線6共有4條，分別與所述的套管壓力傳感器1、立管壓力傳感器2、氣液流量計3、液動節(jié)流閥4連接，傳輸氣液流量、套壓，立壓、液動節(jié)流閥動作時間、套管壓力傳感器接收到壓力波的時間、立管壓力傳感器接收到壓力波的時間至工控機5，實現(xiàn)所述氣液流量計3、套壓壓力傳感器2、立壓壓力傳感器1及液動調(diào)節(jié)閥4與所述工控機之間的數(shù)據(jù)傳遞和指令發(fā)送。

上述的氣侵位置檢測裝置中，所述工控機5具有人機交互界面，可在工控機5上輸入所鉆油井的基礎參數(shù)及鉆井液特性；所述工控機5上共設有4個數(shù)據(jù)傳輸通道，分別與四條指令傳輸線相連；所述工控機5可實時接收所述指令傳輸線6傳遞的液動節(jié)流閥4動作時間、套管壓力傳感器接收到壓力波的時間、立管壓力傳感器接收到壓力波的時間、立管壓力、套管壓力、氣體流量、液體流量數(shù)據(jù)；所述工控機5中內(nèi)置氣侵位置檢測軟件，根據(jù)環(huán)空水力學模型對各參數(shù)進行計算，得出環(huán)空空隙率的分布和波速響應時間，根據(jù)氣侵漏點位置與壓力波響應時間之間存在的一一對應關系，確定發(fā)生氣侵的準確位置，并在工控機5上顯示；所述工控機5可根據(jù)計算結果發(fā)送下一步節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)指令，通過所述指令傳輸線6傳輸至所述液動節(jié)流閥4。

上述的氣侵位置檢測裝置為達到氣侵檢測的目的，采用以下技術方法：若所述氣液流量計3未檢測到氣體，則檢測井底是否發(fā)生氣侵，實現(xiàn)常規(guī)的氣侵檢測功能。所述工控機5發(fā)出節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)指令，通過所述數(shù)據(jù)指令線6傳輸給所述液動節(jié)流閥4，所述液動節(jié)流閥4處產(chǎn)生壓力波，壓力波沿環(huán)空向井底傳播，到達井底后分兩條路徑，分別經(jīng)鉆桿內(nèi)泥漿、環(huán)空內(nèi)泥漿返回地面。所述液動節(jié)流閥4的動作時間即壓力波發(fā)生時間、立管壓力傳感器2收到壓力脈沖的時間、套管壓力傳感器1收到壓力脈沖的時間、氣液流量計3檢測到的氣體流量和液體流量，立管壓力傳感器2檢測到的立管壓力、套管壓力傳感器1檢測到的套管壓力等參數(shù)值通過所述指令傳輸線6傳給所述工控機5。發(fā)生氣侵時，環(huán)空內(nèi)鉆井液中存在氣體，壓力波在環(huán)空內(nèi)含氣鉆井液中的傳輸速度遠小于在鉆桿內(nèi)不含氣鉆井液中的傳播速度。因此，若所述立管壓力傳感器2與所述套管壓力傳感器1同時接收到壓力波，即壓力波在立管中的傳播時間與在套管中的傳播時間相等，則表明未發(fā)生氣侵，此時，所述工控機5顯示“未發(fā)生氣侵”。若所述立管壓力傳感器2先接收到壓力波，所述套管壓力傳感器1后接收到壓力波，即壓力波在立管中的傳播時間小于套管中的傳播時間，則表明發(fā)生氣侵，此時，所述工控機5顯示“已發(fā)生氣侵”并發(fā)出指令，減小所述液動節(jié)流閥4的開度，增加環(huán)空套壓抑制氣侵，直至壓力波在立管中的傳播時間與在套管中的傳播時間相等，即套管壓力傳感器1和立管壓力傳感器2同時接收到壓力波后，所述工控機5發(fā)出指令停止調(diào)節(jié)液動節(jié)流閥4。

上述的氣侵位置檢測裝置為達到氣侵位置檢測的目的，采用以下技術方法：若所述氣液流量計3檢測到氣體，則檢測氣侵位置。此時，所述工控機5向液動節(jié)流閥4發(fā)出減小開度的指令，所述節(jié)流閥4的開度迅速減小抑制氣侵，液動節(jié)流閥4產(chǎn)生壓力波，壓力波沿環(huán)空向井底傳播，到達井底后分別經(jīng)鉆桿內(nèi)泥漿、環(huán)空內(nèi)泥漿兩條路徑返回地面。通過所述指令傳輸線6將液動節(jié)流閥4的動作時間、立管壓力傳感器2收到壓力脈沖的時間、套管壓力傳感器1收到壓力脈沖的時間、氣體流量、液體流量、套管壓力和環(huán)空壓力參數(shù)傳送到工控機5中。根據(jù)兩個壓力傳感器接收到壓力波的時間，確定從井底返回的壓力波在套管和立管中傳播的時間差Tc。所述工控機5中內(nèi)置的氣侵位置檢測軟件自動計算氣侵位置與壓力波響應時間之間的一一對應關系，確定發(fā)生氣侵的準確位置，所述工控機5上顯示輸出氣侵位置?？筛鶕?jù)氣侵位置選擇下一步節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)計劃、關井或下套管封隔等措施來抑制氣侵。

上述的氣侵位置檢測裝置中，所述工控機5的內(nèi)置氣侵位置檢測軟件的基本原理是：在控壓鉆井過程中，環(huán)空中發(fā)生氣侵，壓力波速會明顯降低，由于氣體密度低于鉆井液密度，氣體在環(huán)空中的運移規(guī)律為，氣體從氣侵位置沿環(huán)空向井口運移，氣侵位置以上環(huán)空內(nèi)流體為氣液兩相，以下為單相液體，將氣侵位置以上部分井段長度記為H。氣體運移到井口后，通過減小節(jié)流閥開度增大環(huán)空壓力來抑制氣侵，節(jié)流閥動作時不但產(chǎn)生環(huán)空回壓，同時產(chǎn)生壓力波，壓力波沿環(huán)空向井底傳播，到達井底后分兩條路徑返回，一條沿環(huán)空返回，一條沿鉆柱返回，壓力傳感器檢測到的壓力波在兩條路徑中傳播的時間差記為Tc。

所述工控機5的內(nèi)置氣侵位置檢測軟件在求解時把環(huán)空離散成n個網(wǎng)格，井口處為第一個網(wǎng)格（井深H0=0m，空隙率為φ0，套壓為P0，波速為c0)，根據(jù)井口參數(shù)用龍格庫塔法可迭代計算下一網(wǎng)格參數(shù)（φ1，P1，H1，c1、），依次求得第i個網(wǎng)格的參數(shù)（φi，Pi，Hi，ci），根據(jù)第i個網(wǎng)格的參數(shù)可計算出對應網(wǎng)格內(nèi)壓力波傳播的時間。壓力波在環(huán)空內(nèi)前i（i≤n）個網(wǎng)格中的傳播時間之和T1，如式（1）所示，鉆桿內(nèi)的壓力波從環(huán)空內(nèi)第i個網(wǎng)格對應的井深傳播到井口所需的時間為T2，如式（2）所示，壓力波時差為△T，如式（3）所示。

由所述工控機5內(nèi)置的氣侵位置檢測軟件計算出氣侵位置與壓力波時差△T之間的對應關系，按式（4）計算的兩壓力傳感器檢測到壓力波在兩條路徑中傳播的時間差Tc與迭代計算出的波速時差△T之間的差值，若滿足式（4）中精度δ要求，則結束運算，此時式（5）求得的H即為環(huán)空氣侵位置。反之，i＝i＋1，進入下一個網(wǎng)格，重復上述步驟至滿足精度要求。

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

式中 T₁——沿環(huán)空返回的壓力波傳播的時間，s；

T₂——沿鉆柱返回的壓力波傳播的時間，s；

H_i——第i個網(wǎng)格的高度，m；

c_i——壓力波在第i個網(wǎng)格中的傳播速度，m/s；

c——壓力波在不含氣的單相鉆井液中的傳播速度，m/s；

△T——計算出的壓力波返回時差，s；

T_c——壓力傳感器檢測到的壓力波返回時差，s；

δ——氣侵漏點計算精度，m；

H——氣侵位置以上井段長度，m；

實施例2

作為本實用新型的最佳實施方式，下面結合附圖對本實用新型作進一步說明，但本實用新型并不局限于以下實施例。

本實用新型氣侵位置檢測裝置的結構示意圖如圖1所示，工控機5內(nèi)置氣侵位置檢測軟件計算框圖如圖2所示，其為現(xiàn)有技術。本實用新型裝置可通過對控壓鉆井過程的水力測壓系統(tǒng)進行改造，并結合環(huán)空水力學理論實現(xiàn)。

本實用新型的壓力波氣侵位置檢測裝置包括套管壓力傳感器1、立管壓力傳感器2，立管壓力傳感器2安裝在鉆井液入口處的立管下方的水龍帶與方鉆桿的連接處，套管壓力傳感器1安裝在鉆井液環(huán)空出口處，套管壓力傳感器1和立管壓力傳感器2可檢測套管壓力和立管壓力，并拾取接受到壓力波的時間；套管壓力傳感器1后的管線上依次串聯(lián)氣液流量計3和液動節(jié)流閥4；氣液流量計3可檢測井口環(huán)空出口處的氣體流量和液體流量；液動節(jié)流閥4可接收并執(zhí)行工控機5發(fā)出的節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)指令；該裝置還包括數(shù)據(jù)工控機5和指令傳輸線6；數(shù)據(jù)指令傳輸線共有四條，套管壓力傳感器1、立管壓力傳感器2、氣液流量計3、液動節(jié)流閥4通過四條數(shù)據(jù)指令傳輸線與工控機5相連接，向工控機5傳輸氣液流量、套壓，立壓、液動節(jié)流閥動作時間、套管壓力傳感器接收到壓力波的時間、立管壓力傳感器接收到壓力波的時間，實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳遞和指令發(fā)送；工控機5中的內(nèi)置氣侵位置檢測軟件，按圖2所示的計算框圖，采用龍格庫塔迭代法，根據(jù)環(huán)空水力學模型對各參數(shù)進行計算，確定發(fā)生氣侵的準確位置，在工控機5上顯示，并根據(jù)計算結果通過數(shù)據(jù)指令傳輸線向液動節(jié)流閥4發(fā)出下一步節(jié)流閥調(diào)節(jié)指令。

本裝置可實現(xiàn)氣侵檢測和氣侵位置檢測兩種功能。若井口的氣液流量計3未檢測到氣體時，則檢測井底是否發(fā)生氣侵，實現(xiàn)常規(guī)的氣侵檢測功能；若氣液流量計3檢測到氣體，則檢測氣侵位置。

本實施例的具體實施包括以下步驟：

第一步，打開工控機，確保各數(shù)據(jù)指令傳輸線連接正確，在工控機5上輸入所鉆油井的基礎參數(shù)及鉆井液特性，如表1所示；

第二步，如表2所示實施例中工控機接收到的數(shù)據(jù)和檢測結果，若各設備處在正常的工作狀態(tài)，井口未檢測到氣體，則進入氣侵檢測功能，在工控機屏幕上顯示“正?！被颉耙寻l(fā)生氣侵”，若井口檢測到氣體，則進入氣侵位置檢測功能，在工控機屏幕上顯示氣侵位置，工控機并根據(jù)計算結果通過數(shù)據(jù)指令傳輸線向液動節(jié)流閥4發(fā)出下一步節(jié)流閥調(diào)節(jié)指令；

第三步，根據(jù)工控機上顯示的氣侵位置，采取減小節(jié)流閥開度、關井、下套管封隔或增加鉆井液密度等措施來抑制氣侵。

本實用新型的各設備，可以根據(jù)施工現(xiàn)場工況確定具體設備的型號和量程，氣液流量計3的量程根據(jù)鉆井液流量和氣侵程度確定，液動節(jié)流閥4的量程可根據(jù)鉆井過程中可控回壓的大小確定。