一种近钻头随钻双超声气侵监测装置及方法与流程

本发明是关于石油工程中的声学测井，尤其涉及一种近钻头随钻双超声气侵监测装置及方法，实现高精度的井下超声检测作业。

背景技术：

1、在石油钻井工程中，侵入井内钻井液中的地层气体会沿着环空向井口上升运动而形成溢流、井涌，规模进一步发展可能成为无法控制的井喷；而井喷可能引起井身和地面设备的损坏，甚至造成井口及附近生命财产灾难。因此，及时检测钻头附近钻井液中的气体含量是十分必要的，有助于早期发现气侵并采取正确的预警措施，避免造成资源损耗和人员伤亡。

2、现有技术中，存在地面检测钻井液中气体含量的技术，但是都存在时间滞后、测量结果不准确的缺点；并且，现有的随钻电学、光学等气体检测方法存在气体取样困难、传感器结构复杂、测量结果不够直接等缺点。另外的，有随钻超声波流量检测法，其是基于超声波多普勒效应来测量气泡或固相颗粒的流速的一种早期气侵监测法，该方法在井控要求较低的常规油气勘探开发中能够相对发挥较好作用；但是，对于复杂油气藏由于钻遇高压地层、高压气井日益增多，若采用随钻超声波流量检测法受到的干扰影响因素会更加复杂，因此监测精度和准确性会大大降低，不能够反映井底气侵的真实状况，无法满足深层油气钻探井控溢流早期监测的需求。

3、随着深层复杂油气钻探活动持续活跃，钻井工况愈加恶劣，钻井风险急剧增加，井控溢流监测的总体趋势朝着早期综合监测和识别技术发展。文件zl201210059377.5中公开了一种随钻条件下混合流体含气量检测方法及装置，其利用超声表面波气体检测技术来监测早期气侵的发展程度，具有较好的时效性；但是，该方法利用了兆级高频超声表面波的幅度信息，由于信号衰减较大，监测的灵敏度较低，可靠性较差，仍然不够完善。

4、因此，需要研发一种科学可靠的技术进行井下近钻头随钻气侵主动监测，以便为石油钻井工程提供可靠的风险预测辅助。

5、公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成己为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供一种近钻头随钻双超声气侵监测装置及方法，在井下钻头附近综合利用超声波多普勒效应的频移特征和超声表面波的幅度衰减特征来监测和预报早期气侵发展的程度，解决了测量参数单一、抗干扰能力弱、灵敏度低、可靠性差等一系列技术问题，具有时效性高、测量准确性高、监测点距离钻遇地层更近、发现气侵时间更提前等优点，为深层油气井钻井液含气量检测、早期气侵监测与预警提供了有效的技术手段，保障了油气钻井工程安全高效，在一个优选的实施例中，所述装置包括：钻铤、超声波多普勒传感器、超声表面波收发传感器总成、井下控制采集电子线路和井下声波发射机；

2、所述钻铤置于井眼中，通过标准扣型与下部的钻头和与上部的螺杆连接，用于给钻头加压，平稳钻头；同时作为所述监测装置其他功能结构的承载骨架；

3、所述超声波多普勒传感器设置在所述钻铤侧面，由超声发射传感器和超声接收传感器组成，用于向井眼环空钻井液介质中发射超声波信号并记录对应的反射超声波信号；

4、所述超声表面波收发传感器总成设置在所述钻铤侧面，由超声圆弧发射器和超声圆弧接收器阵列组成，用于在钻铤外表面产生超声表面波，并记录沿钻铤外表面传播的多道超声表面波；

5、所述井下控制采集电子线路用于通过承压密封电气连接器与本装置其他部件电气连接，用于执行井下多种超声测量信息的采集、编码处理和传输，

6、所述井下声波发射机采用夹心式压电换能器，用于实现编码后测量信号的跨螺杆无线传输，以供地面综合处理系统综合分析判识井下作业工况，及时输出气侵风险预警信息。

7、优选地，一个实施例中，所述钻铤采用硬质合金无磁不锈钢，中心设有水眼，内部设有密闭电子仓，外壁设有侧向凹槽，两端设置有标准扣型。

8、进一步地，一个实施例中，所述超声波多普勒传感器和超声表面波收发传感器总成均采用模块化嵌入式方式设置在钻铤的凹槽中，两者设置在不同侧的凹槽中。

9、可选地，一个实施例中，所述超声波多普勒传感器与钻铤轴线呈40°～45°倾角，以增强井眼环空中气泡运移方向超声波能量。

10、一个实施例中，所述超声波多普勒传感器由轴向紧密相邻的超声发射传感器和超声接收传感器组成，所述超声发射传感器和超声接收传感器均由声电转换效率高的压电复合晶片构成，之间填充有声电隔离层，降低了相互间的电磁干扰。

11、一个可选的实施例中，所述超声表面波收发传感器总成采用条带式一体结构，超声圆弧发射器和超声圆弧接收器阵列之间的源距采用设定尺寸。

12、进一步地，一个实施例中，所述超声圆弧接收器阵列中包含3个及以上轴向等间距排列的超声圆弧接收器单元，各个超声圆弧接收器单元之间按照设定原则设置间距。

13、优选地，一个实施例中，所述超声圆弧发射器，以及超声圆弧接收器阵列中的接收器单元均由3个及以上发射压电振子沿圆弧等间隔排列而成，其工作模式可采用所有压电振子同时工作，也可以采用同相位延时叠加进行相控工作。

14、一个实施例中，所述井下控制采集电子线路设置在钻铤内部的密闭电子仓的中部，由主控存储单元、超声波多普勒测量单元、超声表面波采集处理单元和井下声波传输驱动单元组成。

15、进一步地，一个实施例中，所述井下控制采集电子线路的主控存储单元采用高速互联总线与超声波多普勒测量单元、超声表面波采集处理单元、井下声波传输驱动单元相连，其包括：微控制器、高速缓冲器fifo和nand flash存储器，协作运行用于控制命令、设备地址和测量数据的发送、接收、处理和存储。

16、可选地，一个实施例中，所述井下控制采集电子线路的超声波多普勒测量单元与超声波多普勒传感器电气相连，由发射电路、接收电路和选频放大电路组成，用于激励超声发射传感器和超声接收传感器运行，并采集记录的反射超声波信号以及处理获得反射超声波信号与发射超声波信号之间的多普勒频移值。

17、一个实施例中，所述井下控制采集电子线路的超声表面波采集处理单元与超声表面波收发传感器总成电气连接，包括激励电路、多通道接收放大电路和采集处理电路；用于驱动超声圆弧发射器和超声圆弧接收器运行，并采集记录的多道超声表面波信号以及处理获取相邻接收器间的超声表面波的幅度衰减值。

18、优选地，一个实施例中，所述井下控制采集电子线路的井下声波传输驱动单元与井下声波发射机电气连接，包括编码电路、数模转换电路和驱动电路；用于对测量信号进行编码，将编码后测量信号转换成模拟电压信号，并驱动井下声波发射机运行，实现近钻头测量信息的跨螺杆无线传输。

19、一个实施例中，所述井下声波发射机设置在钻铤内部所设密闭电子仓的顶部，其辐射面沿钻铤轴向布置并紧密固定在密闭电子仓顶部的端面。

20、进一步地，一个实施例中，所述井下声波发射机用于将编码后的测量信号转换成沿钻柱传输的声波载波信号，并将近钻头测量信息通过钻柱声波跨螺杆传输发送到随钻遥测系统中。

21、基于上述任意一个或多个实施例中所述装置的应用方面，本发明还提供一种近钻头随钻双超声气侵监测方法，该方法应用于上述任意一个或多个实施例中所述的装置，优选地，一个实施例中，所述方法包括：

22、下井启动步骤、根据设定要求将钻头、近钻头随钻双超声气侵监测装置、螺杆以及随钻遥测短节组合安装，下钻到井底，钻井液流经水眼进入井眼环空，旋转钻头破岩钻进，同时启动近钻头随钻双超声气侵监测装置；

23、井下数据处理步骤、按照预先设定的工作时序，利用超声波多普勒传感器、超声表面波收发传感器总成和井下控制采集电子线路按照设定的工作时序作业，采集处理获取超声波多普勒频移值和超声表面波幅度衰减值；估算钻井液中气泡流速和截面含气量，并编码形成包含超声多普勒频移值、超声表面波幅度衰减值、气泡流速和截面含气量的一帧数据序列，同时保存在井下存储电路中；

24、数据传输步骤、通过井下声波发射机将包含超声波多普勒频移值、超声表面波幅度衰减值、气泡流速和截面含气量的编码数据序列转换成声波载波信号，通过钻柱声波跨螺杆无线传输发送到随钻遥测短节中，进而通过随钻遥测短节再上传发送到地面综合处理系统；

25、地面综合分析步骤、地面综合处理系统接收到随钻遥测短节发送的编码数据序列后，结合地面数据信息，包括井口钻井液返出流量、钻井液池液面和作业参数，通过综合分析判识井下作业工况，针对异常工况输出预警信息，所述预警信息中包含预警信号、气侵发展程度和井控措施数据。

26、与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：

27、本发明提供的一种近钻头随钻双超声气侵监测装置及方法，所述装置通过超声波多普勒传感器向井眼环空钻井液介质中发射超声波信号并记录反射超声波信号；利用超声表面波收发传感器总成产生超声表面波并记录沿钻铤外表面传播的超声表面波；由井下控制采集电子线路执行井下多种超声测量信息的采集、编码处理和传输；进而利用井下声波发射机现编码后测量信号的跨螺杆无线传输；采用本发明方案，能够与钻头、螺杆连接组合到井下钻具中，基于超声波多普勒效应和超声表面波效应两种超声学物理机理，在井下钻头附近综合利用超声波多普勒检测技术和超声表面波检测技术进行钻井液气泡流速和截面含气量检测，并通过钻柱声波跨螺杆无线传输至随钻遥测短节，再实时上传地面综合处理系统，从而实现了随钻气侵早期主动监测，有效监测钻头附近井筒内早期气侵发展程度，既避免了监测信息失真和滞后的问题，又实现了气侵早发现、早预警的动态监测；

28、另一方面，本发明方案监测的参数包括钻井液气泡流速和截面含气量等，具有测量信息更全面、更可靠、更及时等优势，有利于油气井溢流、井喷的预防和精确控制，保障了深层油气资源安全高效经济开发；

29、相比于常规井下随钻超声气侵监测法，本发明提供的近钻头随钻双超声气侵监测装置的监测点距离钻遇目的层更近、发现气侵时间更提前，而且测量结果的可靠性更高、抗干扰能力更强。

30、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。