一种井筒环空液面监测方法及系统与流程

1.本发明属于资源勘探开发领域，尤其涉及一种井筒环空液面监测方法及系统。


背景技术：

2.井漏是是钻井过程中常发生的复杂情况，当发生井漏时，必须及时、快速地应用有效堵漏措施，减少或阻止钻井液漏失，避免诱发井塌埋钻具、井涌、溢流或井喷等重大事故的发生。当发生严重漏失，出现钻井液失返时，除进行快速堵漏、持续向井内灌注钻井液外，还要监测环空钻井液液面，估算钻井液漏速，进而判断井漏的性质，评估井眼坍塌及井控风险，为优化堵漏方案，快速封堵漏失层提供依据。本发明提供了一种井筒环空液面监测方法及系统，能够实时监测环空液面位置，并提供了钻井液漏速的计算方法。
3.目前，现有的液面监测装置一般通过计算声波发射与反射接收的时间差来确定液面位置。但是，基于声波的液面监测装置一般安装在地面节流管汇分支管线端部，固定式安装，承压能力不能低于管汇压力等级，装置结构复杂，体积大，成本较高；声源为变截面音爆及声冲击波、次声波、电控声波等，抗干扰能力较弱，需要停钻、关封井器等附加作业步骤，作业周期长，尤其是液面下降较少，声部反射时间过短时，难以准确获得液面数值；对于定向井河大斜度井，液面位置监测结果误差较大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：针对现有技术存在的上述问题，提供一种井筒环空液面监测方法及系统，主要解决现有技术设备复杂、安装位置受限、作业程序复杂、测量周期长、抗干扰能力差的技术问题。
5.本发明的目的通过下述技术方案来实现：
6.一种井筒环空液面监测方法，包括如下步骤：
7.步骤1，设置液面监测装置运行时的最大压力p
max
，设置液面监测装置运行时的最小压力p
min
；
8.步骤2，将液面监测装置安装于钻杆元件上，信号接收与处理装置设于钻井井筒外部；
9.步骤3，所述液面监测装置按照所述钻杆元件的入井次序i进行编号；
10.步骤4，所述液面监测装置所处环境压力pi为p
min
≤pi＜p
max
时，该液面监测装置运行，实时向信号接收与处理装置发射处于动态变化的环境压力pi以及入井次序i；
11.步骤5，当pi≥p
max
时，或者pi＜p
min
时，所述液面监测装置停止向信号接收与处理装置发射环境压力pi以及入井次序i；
12.步骤6，所述信号接收与处理装置接收来自所述液面监测装置发射的环境压力pi以及入井次序i并存储，同时，还存储接收pi的时刻t。
13.本技术方案中，p
min
值是于液面监测装置放入钻井前人为进行设置的，其中，p
min
值设置为小于或者等于大气压强值，p
max
值根据电磁波可穿透环空液柱的高度以及电磁波穿
透环空液柱后的电磁波强度进行设置的。当入井次序为i的钻杆元件上的液面监测装置监测到所处环境压强pi介于p
min
和p
max
之间时，表明环空液面正处于入井次序为i的钻杆元件处，此时，页面监测装置运行，向信号接收与处理装置传递入井次序信息以及实时的环境压强信息，从而信号接收与处理装置接收到来自液面监测装置所传递的后可确定环空液面所在的位置、压力变化值、环空液面下降速度等数据。
14.进一步的，
15.还包括，步骤7，计算t时刻入井次序为i的液面监测装置与井口距离li(t)，其中，l
dp
为钻杆长度，n为入井次序为i的液面监测装置到钻井井口之间的钻杆元件数量:li(t)＝n
·
l
dp
。
16.进一步的，
17.还包括，步骤8，基于pi计算液面高度di(t)：di(t)＝pi/(ρ
·
g)。
18.本技术方案中，基于液柱压力计算公式p＝ρgh，ρ为液体密度，g为重力加速度，h为液柱高度，即压强pi时液面高度di(t)＝pi/(ρ
·
g)。
19.进一步的，
20.还包括，步骤9，计算t时刻环空液面位置l
top
(t)，其中，h为设置在入井次序为i的钻杆元件上的液面监测装置与其所在钻杆元件顶部的距离：
21.l
top
(t)＝li(t) (h-di(t))。
22.优选的，
23.还包括，步骤10，计算t时刻压力变化值δp(t)，其中δt为设定的时间间隔：
24.δp(t)＝pi(t)-pi(t δt)。
25.进一步的，还包括，
26.步骤11，计算t时刻液面高度下降速度δl(t)：
27.δl(t)＝δp(t)/δt
·
(ρ
·
g)-1
。
28.进一步的，还包括，
29.步骤12，计算漏失速度δq，其中，r1为钻井井筒半径，r2为钻杆元件外表面半径：
30.δq＝π
·
δl(t)
·
(r
12-r
22
)。
31.优选的，
32.步骤2中，有1-2个液面监测装置设于钻杆元件上；
33.当2个液面监测装置设于钻杆元件上时，所述2个液面监测装置并联连接，互为备用。
34.本技术方案中，通过于一个钻杆元件并联设置2个液面监测装置，从而提高了液面监测装置所发射的环境压强信息以及入井次序信息的准确性和稳定性。
35.基于以上所述的井筒环空液面监测方法，提出一种井筒环空液面监测系统，包括液面监测模块以及信号接收与处理模块，其中，
36.液面监测装置中，
37.所述压力传感模块实时监测环境压强，并将监测到的环境压强信息传递至所述数据传输模块，所述信号传输模块接收来自压力传感模块的环境压强信息并向信号接收与处理装置传递入井次序i信息以及环境压强信息；
38.所述第一供电模块用于对所述压力传感模块、信号传输模块进行供电；
39.所述信号接收与处理装置中，所述无线信号接收模块接收来自所述液面监测装置传递的入井次序i信息以及环境压强信息，并将所述环境压强信息以及所述入井次序i信息传输至数据处理模块；
40.所述数据处理模块按照既定算法输出结果信息至外部显示设备进行显示；
41.所述第二供电模块用于对所述无线信号接收模块以及数据处理模块进行供电。
42.本技术方案中，入井的压力传感模块一直处于运行状态，实时监测液面监测装置所处的环境压强pi，当压力传感模块监测到pi为p
min
≤pi＜p
max
时,信号接收模块以及信号传输模块开始运行，其中，数据传输模块将接收到的pi值以及存储于数据传输模块的入井次序信息进行编码后传输至信号接收与处理装置，信号接收与处理装置的信号接收模块接收到pi信息以及入井次序i后进行解码，随之，由数据处理模块按照既定算法输出结果。
43.综上，本发明的有益效果为：
44.1.本系统基于电磁波信号传输，速度快，无延时，抗干扰能力强；
45.2.液面监测装置由压力传感器触发，全自动运行，无需人工干预，无需额外作业步骤，监测效率高；
46.3.液面位置和钻井液漏速由接收到的确定信号计算获得，与井型和液面位置无关，监测结果可靠准确；
47.4.信号接收与处理装置安装在地面井口空旷位置，无特殊要求，操作简单，对钻井系统无干扰。
附图说明
48.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作式对范围的限定，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
49.图1是本发明一种井筒环空液面监测方法实施例1的流程图；
50.图2是本发明一种钻井环空液面监测方法实施例2的流程图；
51.图3是本发明一种钻井环空液面监测方法实施例3的流程图；
52.图4是本发明一种井筒环空液面监测装置安装示意图；
53.图5是本发明一种井筒环空液面监测系统的液面监测装置结构图；
54.图6是本发明一种井筒环空液面监测系统的信号接收与处理装置结构图。
具体实施方式
55.以下结合附图，对本发明作详细的说明。
56.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
57.实施例1
58.请参见图1以及图4，一种井筒环空液面监测方法，监测前需要准备若干液面检测装置以及若干钻杆元件，所述钻杆元件的结构如图5所示，由钻杆和钻杆接头构成。在入井前，钻杆元件的长度经过测量并对钻杆元件进行编号。
59.本实施例中，所述井筒环空液面监测方法包括步骤s1-s6,具体如下：
60.s1,设置液面监测装置运行时的最大压力p
max
，设置液面监测装置运行时的最小压力p
min
；
61.s2,将液面监测装置安装于钻杆元件上，信号接收与处理装置设于钻井井筒外部；
62.s3,所述液面监测装置按照所述钻杆元件的入井次序i进行编号；
63.优选的，液面监测装置按照其所在的钻杆元件的入井先后次序，从小到大依次进行编号，并且，每一个液面监测装置对应一个钻杆元件，每一个液面监测装置在入井之前已经预设了与其对应的钻杆元件的编号相应的编号信息；优选的，液面监测装置安装于钻杆元件的底部，即液面监测装置位于钻杆接头的下部；
64.优选的，钻杆元件上安装至少2个液面监测装置，所述至少2个液面监测装置并联连接，此处，通过于一个钻杆元件上设置至少2个并联的液面监测装置，从而各液面监测装置互为备用，以提高液面监测装置所发射的编号信息的稳定性和准确性。
65.s4,所述液面监测装置所处环境压力pi为p
min
≤pi＜p
max
时，该液面监测装置运行，实时向信号接收与处理装置发射处于动态变化的环境压力pi以及入井次序i；
66.s5，当pi≥p
max
时，或者pi＜p
min
时，所述液面监测装置停止向信号接收与处理装置发射环境压力pi以及入井次序i。
67.s6，信号接收与处理装置接收来自所述液面监测装置发射的环境压力pi以及入井次序i并存储，同时，还存储接收pi的时刻t。
68.本实施例中，由于入井前已知每个钻杆元件的长度，故在确定处于运行状态的液面监测装置所在的钻杆元件的入井次序后，即可确定环空液面位置，而按照上述方法确定的环空液面位置与实际环空液面位置之间的误差在一个钻杆元件的长度，相对于钻井施工过程中钻井的实际深度，一个钻杆元件长度范围内的误差是可忽略不计的。
69.实施例2
70.请参阅图1、图2以及图4，图2示出了一种井筒环空液面监测方法的另一方法流程图。
71.本实施例是在实施例1的基础上提出另一实施例，本实施例与实施例1的区别具体如下：
72.s7,计算t时刻入井次序为i的液面监测装置与钻井井口之间的距离li(t)，其中，l
dp
为钻杆长度，n为入井次序为i的液面监测装置到钻井井口之间的钻杆元件数量:li(t)＝n
·
l
dp
；
73.s8,基于pi计算液面高度di(t)，其中，ρ为井内流体密度，g为重力加速度：di(t)＝pi/(ρ
·
g)；
74.s9,计算t时刻环空液面位置l
top
(t)，其中，h为设置在入井次序为i的钻杆元件上的液面监测装置与其所在钻杆元件顶部的距离：
75.l
top
(t)＝li(t) (h-di(t))。
76.本实施例中，给出了一种计算实时环空液面位置的方法，井筒环空液面位置由接
收到的确定信号计算获得，与钻井类型和井筒环空液面位置无关，检测结果客观、准确、可靠。
77.实施例3
78.请参阅图1、图3以及图4，图3示出了一种井筒环空液面监测方法的另一方法流程图。
79.本实施例是在实施例1的基础上提出另一实施例，本实施例与实施例1的区别具体如下：
80.s10，计算t时刻压力变化值δp(t)，其中，δt为设定的采集间隔时间：
81.δp(t)＝pi(t)-pi(t δt)；
82.s11，计算t时刻液面高度下降速度δl(t)：
83.δl(t)＝δp(t)/δt
·
(ρ
·
g)-1
；
84.s12，计算漏失速度δq，其中，r1为钻井井筒半径，r2为钻杆元件外表面半径：
85.δq＝π
·
δl(t)
·
(r
12-r
22
)。
86.本实施例中，给出了一种计算实时环空液面下降速度的方法，井筒环空液面位置由接收到的确定信号计算获得，与钻井类型和井筒环空液面位置无关，检测结果客观、准确、可靠。
87.实施例4
88.如图1至图6所示，本实施例包含实施例1、实施例2、实施例3的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2、实施例3的基础上，提供一种井筒环空液面监测系统。
89.包括设于钻杆元件的液面监测装置100以及设于钻井井筒外部的信号接收与处理装置200；
90.液面监测装置100由压力传感模块101、信号存储与处理模块102、信号传输模块103、第一供电模块构成104；
91.信号接收与处理装置200由无线信号接收模块201、数据处理模块202以及第二供电模块203构成。
92.压力传感模块101实时监测当前液面监测装置100所在的钻杆元件的环境压强，并将监测到的环境压强信息传递至所述信号存储与处理模块102，所述信号存储与处理模块102接收来自压力传感模块101的环境压强信息后将入井次序i信息以及环境压强信息传递至信号传输模块103；第一供电模块104用于对所述压力传感模块101、信号存储与处理模块102、信号传输模块103进行供电；
93.信号接收与处理装置200中，所述无线信号接收模块201接收来自所述液面监测装置100传递的入井次序i信息以及环境压强信息，并将所述环境压强信息以及所述入井次序i信息传输至数据处理模块202；
94.所述第二供电模块203用于对所述无线信号接收模块201以及数据处理模块202进行供电；
95.数据处理模块202按照既定算法输出结果信息至外部显示设备进行显示。
96.本实施例的压力传感模块101的硬件设备为市面上能够见到或者买到的压力传感器，本实施例的信号存储与处理模块102包括但不限于stm32、stc89c52、cc2530，信号传输模块103包括但不限于nrf24l01、zigbee、lora，无线信号接收模块201包括但不限于
nrf24l01、zigbee、lora。数据处理模块202包括但不限于stm32、stc89c52、cc2530等。
97.第一供电模块、第二供电模块可为锂电池、纽扣电池、干电池等，外部显示设备可为手机、ipad、电脑等显示终端。
98.如上所述，可较好地实现本发明。
99.值得注意的是，本发明之构思不仅仅应用于解决钻井井漏问题，也同样适用于诸如石油井、天然气生产井的动态液面监测技术领域，实施例所提及的装置、设备可安装于诸如油管等管柱上，采用同样的方法进行监测。
100.本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
101.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。