一种钻井用环空液面连续监测装置及监测方法与流程

1.本发明属于井筒监测技术领域，具体涉及一种钻井用环空液面连续监测装置及监测方法。


背景技术：

2.目前，石油钻井已向着深层复杂地层推进，控压钻井技术的应用使钻井在多压力系统中也可进行。但在钻井、测井、固井、完井过程中存在井漏的情况，而在井漏的情况下，起下钻过程中又存在井筒静液面不在井口的情况，因此就需要对井筒静液面的高度进行监测，保证井筒压力，避免溢流。
3.目前常规的环空液面监测设备多安装在压井管汇上，并采用氮气提供动力监测环空液面，大概15分钟能测量一次。但一方面，其存在时间上的空隙，导致测量不能连续进行，而另一方面，各设备安装在压井管汇又会影响到井控安全。因而存在着实用性较差和监测效果较差的技术问题。
4.另外，公开号为cn100513736a的专利文献还公开了井下液位监控系统及其监控方法，虽然该专利能够较好的监测井下液位，但该专利正常钻进或循环钻进时使用的是雷达液位仪结合流量计判断，起下钻时使用的是压差液位仪监测，井漏时使用的是声呐测量液位。一方面，其涉及到的结构件较多，且各结构件需要安装在封井器周围，不仅导致监测成本上升，还导致监测工序较为复杂。另一方面，其采用声呐测量的方式仍然需要采用氮气提供动力，同样不能实现井下液位的连续监测及同样存在着测量不连续的问题。此外，在作业现场制氮和充氮比较麻烦，很多时候不具备条件。


技术实现要素：

5.本发明针对上述技术问题提供了一种钻井用环空液面连续监测装置及监测方法，本发明能够以更为简单的结构及工序实现全过程环空液面的自动监测与泥浆自动灌注，从而达到动态保证井筒静液柱高度，降低井控风险的目的。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种钻井用环空液面连续监测装置，其特征在于：包括旋转防喷器、灌浆球阀、三通接头、液面监测球阀、声波式连续监测仪、灌浆泵、控制系统和mpd控压系统，旋转防喷器、灌浆球阀、三通接头和灌浆泵依次固定连接，声波式连续监测仪通过液面监测球阀与三通接头连接，控制系统分别与mpd控压系统、声波式连续监测仪、灌浆球阀、液面监测球阀和灌浆泵连接；其中，mpd控压系统用于采集井筒井口处的返出流量，控制系统用于监测mpd控压系统采集的返出流量；
8.当控制系统监测到返出流量为零时，控制系统控制灌浆球阀和液面监测球阀打开，并向声波式连续监测仪发送启动监测信号，由声波式连续监测仪通过声波连续测量环空液面高度；
9.当测量的环空液面高度大于设定值时，声波式连续监测仪继续保持环空液面监
测；当测量的环空液面高度小于设定值时，控制系统控制液面监测球阀关闭，并控制灌浆泵向井筒环空灌注预设泥浆量，然后再打开液面监测球阀并控制声波式连续监测仪连续测量环空液面高度；
10.当控制系统监测到返出流量大于零时，控制灌浆球阀和液面监测球阀关闭，声波式连续监测仪停止测量。
11.所述声波式连续监测仪包括壳体，壳体与液面监测球阀固定连接，壳体内固定有均与控制系统连接的电磁式声波发射器、声波接收器和温度传感器，电磁式声波发射器与声波接收器配合通过声波连续测量环空液面高度，温度传感器用于测试环空温度并校正声波速度。
12.所述预设泥浆量由控制系统根据测量的环空液面高度计算得出。
13.所述旋转防喷器与灌浆球阀之间通过dn80-35盲板法兰连接，灌浆球阀与三通接头之间通过2＂1502由壬连接，三通接头与液面监测球阀之间通过4＂1002由壬连接，液面监测球阀与声波式连续监测仪之间通过dn100-1.6法兰连接，三通接头与灌浆泵之间通过2＂1502由壬连接。
14.所述控制系统通过电缆线和信号线分别与灌浆球阀和液面监测球阀连接，所述控制系统通过信号线分别与声波式连续监测仪、灌浆泵和mpd控压系统连接。
15.一种钻井用环空液面连续监测方法，其特征在于包括以下步骤：
16.s1：采用mpd控压系统采集井筒井口处的返出流量，并将采集的返出流量发送至控制系统；
17.s2：控制系统根据接收到的返出流量判断井筒井口处是否有液体返出，若无液体返出，则发出环空液面监测信号，由声波式连续监测仪通过声波连续测量环空液面高度；
18.s3：由控制系统将测量的环空液面高度与设定值进行比较，若测量的环空液面高度大于设定值，则继续保持环空液面监测；若测量的环空液面高度小于设定值，则发出灌浆信号，由灌浆泵向井筒环空灌注预设泥浆量；
19.s4：灌注完成后，重复步骤s2，若井筒井口处无液体返出，则由声波式连续监测仪继续测量环空液面高度；若井筒井口处有液体返出，则声波式连续监测仪停止测量。
20.步骤s2中声波式连续监测仪连续测量环空液面高度的频率为20～1500hz。
21.步骤s3中的设定值根据井筒的静液柱高度与安全附加高度求和得出。
22.所述静液柱高度的计算方法为：
23.h＝p
static
/ρg
24.其中，
25.bhp＝p
static
p
afp
＞p
p
26.式中，h为静液柱高度，ρ为钻井液密度，g为重力加速度，bhp为井底压力，p
static
为静液柱压力，p
afp
环空循环摩擦阻力，p
p
为地韧劲孔隙压力。
27.所述的连续监测方法中，井筒井口处设有旋转防喷器，旋转防喷器的出口端依次连接有灌浆球阀和三通接头，声波式连续监测仪通过液面监测球阀与三通接头的一端连接，灌浆泵与三通接头的另一端连接，声波式连续监测仪在液面监测球阀和灌浆球阀打开时可通过声波连续测量环空液面高度，灌浆泵在灌浆球阀打开时可灌注泥浆。
28.采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：
29.1、本发明通过旋转防喷器、灌浆球阀、三通接头、液面监测球阀、声波式连续监测仪、灌浆泵、控制系统和mpd控压系统组成的环空液面连续监测装置及相应的监测方法，在实际应用时根据返出流量的实时数据及环空液面高度的实时数据，以及灌浆球阀和液面监测球阀的相应开闭，就能够利用同一通道实现全过程环空液面的自动监测与泥浆的自动灌注，动态保证井筒静液柱高度，有效地降低了井控风险。另外，本发明仅需要连接在旋转防喷器壳体出口端即可，还具有结构简单、监测方法简单的优点。
30.2、本发明采用特定结构的声波式连续监测仪，具有结构简单、测试方便、能够连接测量的优点，进一步提高了井控风险防控。
31.3、本发明分别通过盲板法兰和由壬实现旋转防喷器、灌浆球阀、三通接头、液面监测球阀、声波式连续监测仪和灌浆泵的连接，具有连接结构较为简单、稳定可靠、便于维护等优点。
32.4、本发明将声波式连续监测仪的频率设置为20～1500hz，具有能够连续测量及测量效果好的优点。
33.5、本发明根据井筒的静液柱高度与安全附加高度求和确定设定值，进一步提高了监测的有效性及安全性。
附图说明
34.图1为本发明的结构示意图；
35.图2为本发明中声波式连续监测仪的结构示意图。
36.图中标记为：1、旋转防喷器，2、灌浆球阀，3、三通接头，4、液面监测球阀，5、声波式连续监测仪，6、灌浆泵，7、控制系统，8、mpd控压系统，9、壳体，10、电磁式声波发射器，11、声波接收器，12、温度传感器。
具体实施方式
37.实施例1
38.本发明公开了一种钻井用环空液面连续监测装置，如图1所示，其包括旋转防喷器1、灌浆球阀2、三通接头3、液面监测球阀4、声波式连续监测仪5、灌浆泵6、控制系统7和mpd控压系统8，旋转防喷器1、灌浆球阀2、三通接头3和灌浆泵6依次固定连接，声波式连续监测仪5通过液面监测球阀4与三通接头3连接，控制系统7分别与mpd控压系统8、声波式连续监测仪5、灌浆球阀2、液面监测球阀4和灌浆泵6连接。其中，各组成的具体连接结构为：
39.旋转防喷器1与灌浆球阀2之间通过管道和dn80-35盲板法兰连接，灌浆球阀2与三通接头3之间通过管道和2＂1502由壬连接，三通接头3与液面监测球阀4之间通过管道和4＂1002由壬连接，液面监测球阀4与声波式连续监测仪5之间通过管道和dn100-1.6法兰连接，三通接头3与灌浆泵6之间通过管道和2＂1502由壬连接。控制系统7通过电缆线和信号线分别与灌浆球阀2和液面监测球阀4连接，所述控制系统7通过信号线分别与声波式连续监测仪5、灌浆泵6和mpd控压系统8连接。
40.本发明还对声波式连续监测仪5的结构作了进一步限定，如图2所示，其包括壳体9，壳体9与液面监测球阀4固定连接，壳体9内固定有均与控制系统7连接的电磁式声波发射器10、声波接收器11和温度传感器12，电磁式声波发射器10与声波接收器11配合通过声波
连续测量环空液面高度，温度传感器12用于测试环空温度并校正声波速度。该声波式连续监测仪5的测量原理为：控制进入电磁式声波发射器10的电流频率和大小可以改变发声频率和响度，探测声波在环空中向下沿轴向传播，遇到接箍和液面时会反射形成相应的反射波，通过计算探测声波与发射波的时间间隔，综合环空声速即能够计算得出环空液面高度。又由于环境温度会影响测量的环空液面高度的准确性，因此可通过温度传感器12测试环空温度，并利用测试的环空温度校正声波速度，以提高监测的准确性。需要说明的是，利用温度校正声波速度为本领域的常规技术手段，例如，《新概念物理力学》、《热力学》等文献均公开了相关的校正公式，不再赘述。
41.需要说明的是，mpd控压系统8和控制系统7均为现有常规系统，旋转防喷器1、灌浆球阀2、液面监测球阀4和灌浆泵6均可直接市面购买，电磁式声波发射器10可为低频动圈式扬声器，声波接收器11可为电容式低频声波传感器，温度传感器12可为热电偶式温度传感器，同样可直接市面购买。
42.进一步的，各组成的功能作用如下：
43.mpd控压系统8用于采集井筒井口处的返出流量，
44.控制系统7用于监测mpd控压系统8采集的返出流量，用于根据返出流量控制灌浆球阀2、液面监测球阀4和灌浆泵6开启与关闭，以及用于对返出流量、环空液面高度、设定值等相关数据的比较、处理等。
45.灌浆球阀2和液面监测球阀4用于控制声波式连续监测仪5与旋转防喷器1之间通道的连通与断开，以及控制灌浆泵6与旋转防喷器1之间通道的连通与断开。
46.声波式连续监测仪5用于通过声波连续测量环空液面高度。
47.灌浆泵6用于向井筒环空灌注泥浆。
48.当控制系统7监测到返出流量为零时，控制系统7控制灌浆球阀2和液面监测球阀4打开使声波式连续监测仪5与旋转防喷器1之间通道的连通，并向声波式连续监测仪5发送启动监测信号，声波式连续监测仪5接收到启动监测信号后，通过声波连续测量环空液面高度。
49.当声波式连续监测仪5测量的环空液面高度大于设定值时，声波式连续监测仪5继续保持环空液面监测；当测量的环空液面高度小于设定值时，控制系统7控制液面监测球阀4关闭，并控制灌浆泵6向井筒环空灌注预设泥浆量。需要说明的是，设定值既可根据现场实际情况人为设定，也可根据井筒的静液柱高度与人为设定的安全附加高度求和得出。
50.灌注完成后，再打开液面监测球阀4并重复前述过程控制声波式连续监测仪5连续测量环空液面高度。若测量的环空液面高度仍然小于设定值，则再次灌注预设泥浆量。若测量的环空液面高度大于设定值但返出流量仍然为零时，则声波式连续监测仪5继续保持环空液面监测。需要说明的是，预设泥浆量可由控制系统7根据每次测量的环空液面高度计算得出。
51.当控制系统7监测到返出流量大于零时，控制控制灌浆球阀2和液面监测球阀4关闭，声波式连续监测仪5停止测量。
52.本实施例在实际实施时，能够以更为简单的结构及工序实现全过程环空液面的自动监测与泥浆自动灌注，达到了动态保证井筒静液柱高度，降低井控风险的目的。
53.实施例2
54.本发明公开了一种钻井用环空液面连续监测方法，其包括以下步骤：
55.s1：采用mpd控压系统8采集井筒井口处的返出流量，并将采集的返出流量发送至控制系统7。
56.s2：控制系统7根据接收到的返出流量判断井筒井口处是否有液体返出，若无液体返出，则发出环空液面监测信号，由声波式连续监测仪5通过声波连续测量环空液面高度，声波式连续监测仪5连续测量环空液面高度的频率为20～1500hz，可根据现场工况相应调节，例如可设置为20hz、100hz、500hz、1000hz、1500hz等。
57.s3：由控制系统7将测量的环空液面高度与设定值进行比较，若测量的环空液面高度大于设定值，则继续保持环空液面监测；若测量的环空液面高度小于设定值，则发出灌浆信号，由灌浆泵6向井筒环空灌注预设泥浆量，该预设泥浆量可由控制系统7根据每次测量的环空液面高度计算得出。
58.需要说明的是，设定值既可根据现场实际情况人为设定，也可根据井筒的静液柱高度与人为设定的安全附加高度求和得出。当设定值根据井筒的静液柱高度与安全附加高度求和得出时，静液柱高度的计算方法为：
59.h＝p
static
/ρg
60.其中，
61.bhp＝p
static
p
afp
＞p
p
62.式中，h为静液柱高度，ρ为钻井液密度，g为重力加速度，bhp为井底压力，p
static
为静液柱压力，p
afp
环空循环摩擦阻力，p
p
为地韧劲孔隙压力。
63.基于上述公式计算出静液柱高度后，可人为设定安全附加高度为100m，将两者求和即可得出设定值。
64.s4：灌注完成后，重复步骤s2，若井筒井口处无液体返出，则由声波式连续监测仪5继续测量环空液面高度，并根据测量的环空液面高度重复步骤s3。若井筒井口处有液体返出，则声波式连续监测仪5停止测量。
65.需要说明的是，本发明的连续监测方法主要基于实施例1的装置实现，其同样包括旋转防喷器1、灌浆球阀2、三通接头3、液面监测球阀4、声波式连续监测仪5、灌浆泵6、控制系统7和mpd控压系统8。其中，旋转防喷器1安装在井筒井口处，灌浆球阀2和三通接头3依次连接在旋转防喷器1的出口端，声波式连续监测仪5通过液面监测球阀4与三通接头3的一端连接，灌浆泵6与三通接头3的另一端连接，声波式连续监测仪5在液面监测球阀4和灌浆球阀2打开时可通过声波连续测量环空液面高度，灌浆泵6在灌浆球阀2打开时可灌注泥浆。
66.最后，申请人在2022年07月05日将本发明在磨溪019-h2井进行了实际应用，经实际测试，本发明能够对该井在钻井、下钻、起钻过程中的环空液面进行准确监测，达到了动态保证井筒静液柱高度，降低井控风险的目的。
67.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或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，均可以任何方式组合。