一种气侵溢流监测系统及方法与流程

本发明涉及石油钻井监测，具体是一种气侵溢流监测系统及方法。

背景技术：

1、钻井过程中，溢流气侵容易诱发井喷，造成严重的事故，需要对气侵溢流进行实时监测并做及时预警以避免事故发生；

2、但是，首先，目前的超声波发射接收装置主要用于水浸探伤，便携式设备用于裂纹损失探伤，超声波多普勒效应用于流体流量测量等场景，无法对气侵信号进行实时监测与识别；其次，在利用超声波发射接收装置对气侵信号进行监测时，需要对信号波形进行分析，为更准确地识别信号，需要设置合理的hdt时间参数来区分不同次撞击信号的波形，以进一步有效区分不同气液两相流的参数特征，现有技术中在观察到实际波形后再选择设置hdt时间参数，可能出现需要在多次设置后才能获取到所需波形的现象，无法依据不同环境下波形变化规律优先分析出hdt时间参数以提高一次设置操作就能获取到所需波形的概率，无法实现hdt时间参数的自动化设置，不利于加快气侵溢流监测过程中识别信号的速度。

3、所以，人们急需一种气侵溢流监测系统及方法来解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种气侵溢流监测系统及方法，以解决现有技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种气侵溢流监测系统，包括：参考数据获取模块、时间参数设置测试模块、hdt自动化设置模块和气侵溢流监测模块；

3、所述参考数据获取模块的输出端连接所述气侵溢流监测模块的输入端，所述时间参数设置测试模块的输出端连接所述hdt自动化设置模块的输入端，所述hdt自动化设置模块的输出端连接所述气侵溢流监测模块的输入端；

4、所述参考数据获取模块用于进行气侵溢流模拟，利用超声波发射接收装置进行气侵溢流模拟监测并获取初步的气侵溢流监测参考数据，所述超声波发射接收装置中嵌入有智能采集识别气侵溢流功能算法，能够实现超声波发射接收装置自动采集与气侵溢流信号的智能识别功能；

5、所述时间参数设置测试模块用于依据历史数据测试能够得到正常参考数据时的hdt时间参数；

6、所述hdt自动化设置模块用于依据测试结果建立hdt设置规划模型，进行hdt自动化设置，获取hdt时间参数设置后得到的最终的气侵溢流监测参考数据；

7、所述气侵溢流监测模块用于利用超声波发射接收装置进行气侵溢流监测，在监测到异常后发送警报信号。

8、进一步的，所述参考数据获取模块包括气侵溢流模拟单元、超声波探测单元和信号数据获取单元；

9、所述气侵溢流模拟单元的输出端连接所述超声波探测单元的输入端，所述超声波探测单元的输出端连接所述信号数据获取单元的输入端；

10、所述气侵溢流模拟单元用于通过模拟钻井环空区域气液两相流动来进行气侵溢流模拟；

11、所述超声波探测单元用于利用超声波发射接收装置对模拟出的钻井环空区域进行探测，利用超声波发射接收装置将应力波从碳钢材料垂直入射到环空区域的不同介质中，环空区域的介质起到了吸收应力波的作用，介质的低阻抗使得应力波衰减，并吸收压电振子正向辐射的超声能量，使之不在碳钢中与探头来回反射，碳钢、环空区域介质与压电材料声阻抗越接近，来自压电振子正向辐射的声波越容易被吸收，不会再返回到压电振子，从而使得接收的信号能量大幅减小，振动次数和持续时间大幅减小；

12、所述信号数据获取单元用于获取探测得到的在环空区域不同介质中应力波信号的波形数据，环空区域介质包含有空气、纯水、纯化学泥浆和通气后的化学泥浆，探测得到的在环空区域不同介质中应力波信号的波形数据为初步的气侵溢流监测参考数据，通过控制流速和含气率来探测得到应力波信号随流速和含气率改变的波形数据，从而依据波形数据分析声发射信号与空气、清水、化学泥浆和含气化学泥浆之间的对应关系，由于超声应力波从一种介质传播到另一种介质，因为两种介质的阻抗不同，粘度不同，不同介质对超声应力波的能量吸收不同。

13、进一步的，所述时间参数设置测试模块包括测试条件设定单元、模拟环境编号单元和测试结果获取单元；

14、所述测试条件设定单元的输出端连接所述模拟环境编号单元的输入端，所述模拟环境编号单元的输出端连接所述测试结果获取单元的输入端；

15、所述测试条件设定单元用于设定不同的门槛进行声发射接收测试，获取设定不同的门槛下的信号波形数据；

16、设置不同的门槛是为了减少噪音的干扰影响，在钻井过程中不同的背景噪音条件下可以选择不同门槛值以减少干扰；

17、所述模拟环境编号单元用于将环空区域中所有的介质进行编号；

18、所述测试结果获取单元用于获取以往设定不同的门槛时，为在不同介质中的应力波信号设置的能够区分前后两次撞击信号波形的hdt时间参数，正常参考数据指的是设置hdt时间参数之后已区分开的撞击信号波形，hdt时间参数表示撞击定义时间，用来区分前后两次撞击信号的波形，hdt设置不当不利于观察获取到所需波形，影响依据波形计算特征参数的准确度，若hdt设置太短，不能记录下滞后波等的数据；若hdt设置太长，则容易将两个声发射信号误认为一个波形，不利于计算出准确的声发射特征参数，hdt设置需要随门槛做出适应性调整，若随着门槛的提高，仍然设置较短的hdt，则波形将出现断尾现象，容易出现在高门槛条件下无法有效区分不同气液两相流的参数特征。

19、进一步的，所述hdt自动化设置模块包括测试样本组合单元、hdt设置规划模型建立单元、当前数据输入单元和hdt设置单元；

20、所述测试样本组合单元的输入端连接所述测试结果获取单元的输入端，所述测试样本组合单元的输出端连接所述hdt设置规划模型建立单元的输入端，所述hdt设置规划模型建立单元的输出端连接所述当前数据输入单元的输入端，所述当前数据输入单元的输出端连接所述hdt设置单元的输入端；

21、所述测试样本组合单元用于将以往针对不同编号的介质设定的门槛以及在设定对应门槛时为对应编号介质中的应力波信号设置的hdt时间参数组合成为样本数据；

22、所述hdt设置规划模型建立单元用于对组合后的样本数据进行拟合后建立hdt设置规划模型；

23、所述当前数据输入单元用于将当前实际设置的门槛输入到针对当前需要获取的应力波信号所属介质所建立的hdt设置规划模型中；

24、所述hdt设置单元用于预测当前情况下为对应编号介质中的应力波信号设置的最佳hdt时间参数，依据预测结果设置hdt时间参数。

25、进一步的，所述气侵溢流监测模块包括波形数据获取单元、气侵溢流监测单元和异常预警单元；

26、所述波形数据获取单元的输入端连接所述hdt设置单元和信号数据获取单元的输出端，所述波形数据获取单元的输出端连接所述气侵溢流监测单元的输入端，所述气侵溢流监测单元的输出端连接所述异常预警单元的输入端；

27、所述波形数据获取单元用于获取依据预测结果设置hdt时间参数后得到的应力波波形，依据获取到的应力波波形分析不同气侵状态下的声发射特征参数，设置声发射特征参数阈值，波在传播过程中遇到阻抗不同的介质时会发生反射、折射和投射，不同粘度的介质对应力波的吸收和阻滞不同，粘度越高，应力波能量被阻滞消散越多，四种介质粘度由小到大依次为空气、水、通气泥浆，随着粘度增加，声发射信号的特征参数衰减增大，特征参数指的是信号的幅度、能量、持续时间和绝对能量，设置的声发射特征参数阈值作为最终的气侵溢流监测参考数据，气侵状态包括状态a、b、c和d，其中，状态a为充满泥浆没有气侵的完好状态，状态b为充满泥浆带有岩石碎屑状态，状态c为产生气侵状态，即泥浆中带有气泡状态，状态d表示气侵量大并在低压区形成气柱状态；

28、所述气侵溢流监测单元用于利用超声波发射接收装置在实际钻井过程中进行气侵溢流监测，获取监测到的波形数据并计算声发射特征参数；

29、所述异常预警单元用于比较声发射特征参数与设置的声发射特征参数阈值，设置声发射特征参数超出阈值的次数为a、声发射特征参数超出阈值的累计时间为b作为报警条件，当实际监测到的声发射特征参数满足报警条件时发送气侵溢流异常警报信号至地面司钻，其中，满足报警条件指的是声发射特征参数超出阈值的次数大于a或声发射特征参数超出阈值的累计时间大于b的情况。

30、一种气侵溢流监测方法，包括以下步骤：

31、s1：进行气侵溢流模拟，利用超声波发射接收装置进行气侵溢流模拟监测并获取初步的气侵溢流监测参考数据；

32、s2：依据历史数据测试能够得到正常参考数据时的hdt时间参数；

33、s3：依据测试结果建立hdt设置规划模型，进行hdt自动化设置，获取hdt时间参数设置后得到的最终的气侵溢流监测参考数据；

34、s4：利用超声波发射接收装置进行气侵溢流监测。

35、进一步的，在s1中：通过模拟钻井环空区域气液两相流动来进行气侵溢流模拟，利用超声波发射接收装置将应力波从碳钢材料垂直入射到环空区域的不同介质中，对模拟出的钻井环空区域进行探测，获取探测得到的在环空区域不同介质中应力波信号的波形数据。

36、进一步的，在s2中：将环空区域中所有的介质进行编号，得到编号集合为{1，2，…，j，…，n}，其中，n表示编号总数，设定不同的门槛进行声发射接收测试，获取设定不同的门槛下的信号波形数据，获取到以往针对随机一个编号的介质的应力波信号设定过的门槛集合为n={n1，n2，…，nk}，其中，k表示以往设定过的门槛项数，在设定对应门槛时为随机一个编号的介质的应力波信号设置的能够区分前后两次撞击信号波形的hdt时间参数集合为hdt={hdt1，hdt2，…，hdtk}。

37、进一步的，在s3中：将以往针对随机一个编号的介质的应力波信号设定过的门槛以及在设定对应门槛时为随机一个编号的介质的应力波信号设置的能够区分前后两次撞击信号波形的hdt时间参数组合成为样本数据{（n1，hdt1），（n2，hdt2），…，（nk，hdtk）}，对组合后的样本数据进行拟合，针对随机一个编号的介质建立hdt设置规划模型：

38、；

39、其中，x表示hdt设置规划模型中指代门槛的自变量，y表示hdt设置规划模型中指代hdt时间参数的因变量，表示针对随机一个编号的介质所建立的hdt设置规划模型的偏置，表示针对随机一个编号的介质所建立hdt设置规划模型的截距，通过求解和得到针对对应编号的介质所建立的最终的hdt设置规划模型：

40、；

41、；

42、其中，ni表示以往针对随机一个编号的介质的应力波信号设定过的第i项门槛，hdti表示在设定第i项门槛时为对应编号的介质的应力波信号设置的能够区分前后两次撞击信号波形的hdt时间参数，通过相同方式针对不同编号的介质建立hdt设置规划模型，采集到当前需要获取在环空区域中编号为j的介质中的应力波信号的波形数据且设定门槛为l，针对编号为j的介质建立的hdt设置规划模型为：，其中，表示针对编号为j的介质所建立的hdt设置规划模型的偏置，表示针对编号为j的介质所建立的hdt设置规划模型的截距，将l代入到针对对应编号的介质建立的hdt设置规划模型中：令x=l，预测得到当前情况下编号为j的介质中的应力波信号设置的最佳hdt时间参数为：，得到设置hdt时间参数为后得到的应力波波形，依据获取到的应力波波形分析不同气侵状态下的声发射特征参数，设置声发射特征参数阈值；

43、发生气侵过程中，使得环空空间由充满泥浆的状态变为泥浆中含有气泡，随着气泡由井下高压环境随着泥浆上浮到低压环境，气泡体积增大，严重情况下形成气柱，反映在声发射信号的能量、持续时间的特征参数出现递增趋势，充满泥浆的环空区域声发射信号的能量、持续时间等参数最低，一旦进入气体，使得泥浆体积增大、密度减小、粘度减小，声发射信号的能量和持续时间等参数将逐渐增大，一直向充满空气柱的参数值发展，通过模拟气侵溢流获取发生气侵时的信号特征参数，将其作为实际气侵溢流监测过程中的参照数据，有利于提高实际气侵溢流判断结果的准确性。

44、进一步的，在s4中：利用超声波发射接收装置在实际钻井过程中进行气侵溢流监测，获取监测到的波形数据并计算声发射特征参数，比较声发射特征参数与设置的声发射特征参数阈值，设置声发射特征参数超出阈值的次数为a、声发射特征参数超出阈值的累计时间为b作为报警条件，当实际监测到的声发射特征参数满足报警条件时发送气侵溢流异常警报信号至地面司钻。

45、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

46、通过模拟气侵溢流监测，利用超声波发射接收装置的自动发射与接收应力波技术，有效区分空气、满水、满化学泥浆和通气化学泥浆四个介质中的信号差别，获取四个介质中信号的特征参数，将其作为实际气侵溢流监测过程中的参照数据，用以辅助判断环空区域的气侵溢流状态，提高了实际气侵溢流判断结果的准确性；

47、在获取所需波形过程中，通过大数据技术采集历史测试数据，获取到在不同介质中，在不同门槛下能够区分前后两次撞击信号波形的hdt时间参数数据，组成训练样本建立hdt设置规划模型，输入实际数据至模型中以获取当前情况下能够获取到所需波形时应设置的最佳hdt时间参数，有利于提高通过一次设置操作就能获取到所需波形的概率，实现了hdt时间参数的自动化设置，快速获得所需分析的波形，依据波形数据计算特征参数，评估气侵状态，加快了气侵溢流监测过程中识别信号的速度；

48、通过在超声波发射接收装置中嵌入智能采集识别气侵溢流功能算法，实现了超声波发射接收装置自动采集与气侵溢流信号的智能识别功能，在监测到发生气侵异常情况时及时发生报警信号至地面司钻，降低了井喷等严重事故发生的概率。