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申请/专利权人：中国石油大学(华东)

摘要：本发明涉及一种井下多级气侵监测装置及油气钻井气侵识别方法，属于钻井井下气侵测量技术领域，包括弧形主体，弧形主体为弧形板，弧形主体外侧对称设有声波发射器和声波接收器，弧形主体置于钻井套管外侧，声波接收器通过电缆连接至地面设备，安装于石油钻井套管外壁，本发明中的声波发射装置可实现声波穿透套管壁、井筒流体形成的综合介质，在另外一端接收到声信号，通过对声信号的变化分析实现实时识别井筒中侵入气体的含量，即是截面含气率。相较于传统的气侵监测方式，本发明具有更加快速的特点，能够大大提升气侵监测的效率，大幅度减低井喷等风险。

主权项：1.一种井下多级气侵监测装置的油气钻井气侵识别方法，其特征在于，井下多级气侵监测装置包括弧形主体，弧形主体为弧形板，弧形主体外侧对称设有声波发射器和声波接收器，弧形主体置于钻井套管外侧，声波接收器通过电缆连接至地面设备；包括步骤如下：在一个开路钻井完成后，下放入套管，但是还未注入水泥进行固井之前，将井下多级气侵监测装置从套管与地层之间的环空中放入到一定深度，下放完毕进行固井作业，将装置直接固定入水泥环中；此后，将钻柱声波发射器随下钻工艺下放入井下，当井下多级气侵监测装置接收到特定信号时，记录钻柱声波发射器的下放深度，则该深度即为井下多级气侵监测装置的下入深度；通过电缆线，地面设备持续向井下多级气侵监测装置持续供电，井下多级气侵监测装置上的声波发射器持续向外发射声波，穿透套管-井筒钻井液体系-套管，最终被声波接收器接收；声波接收器收到的信号将会持续通过电缆传递给地面设备,声波接收器收到的信号为电压信号；a未发生气侵时，声波接收器所接收到的信号正常，不会出现大幅度突变；b发生气侵时，气体的出现将导致井筒钻井液体系发生改变，使得声强度大幅衰减、声频率偏移增大，声波接收器接收到的信号出现固定性质的突变，该信号传输到地面后，进行气侵发生与气侵量的判断；地面根据接收到的信号，采取响应措施，确保钻井的安全；气侵发生与气侵量的具体判断步骤包括如下：1根据目标井的井身结构、钻井液性能、施工参数和地层参数，建立井筒气液固三相流动模型，该模型实现在给定井底气侵量Qg的条件下，计算井筒中各处位置不同时刻的截面含气率α；气侵过程中，井筒气液固三相流动模型如下：液相连续性方程： 气相连续性方程： 固相连续性方程： 气液固三相的综合动量守恒方程： 能量方程： 其中，l、g、s分别表示水、气与固体颗粒；a、b、co分别表示环空、井壁、钻柱外壁；z、r分别表示轴向坐标、径向坐标，m；ρ为密度，kgm3；V为速度，ms；P为井筒环空中的压力，Pa；为液柱压力降，Pa；ρm为三相混合介质的平均密度，ρm＝ρgαg+ρlαl+ρsαs，kgm3；g为重力加速度，ms2；θ为井筒倾斜角，°；为三相介质的沿程摩阻压降，Pam；C为比热容，Jkg.℃；Q为流量，m3s；T为温度，℃；h为对流换热系数，Wm.℃；H为井筒摩擦功率，Wm；气体的运移速度：Vg＝C0Vm+Vrg6固相颗粒的运移速度：Vs＝C0′Vm-Vt7C0、C0′分别为气体和固相颗粒的速度分布系数，无因次；Vm为环空中流体的平均速度，ms；Vrg为气体相对于钻井液的滑脱速度，ms；Vt为颗粒的沉降速度，ms；2实时分析监测装置传输到地面的电压信号，绘制电压信号随时间的时域变化规律曲线，并使用除噪手段剔除噪音信号，得到声波信号；此后，将声波信号的幅度取时间的平均值，得到声波强度I；将时域信号图转换为频域信号图后，观察各个频率分量的幅度值Si；当井筒中有气体侵入时，主频率分量会发生ΔSi的偏移；3当气体侵入井筒，并且气体运移到井下多级气侵监测装置的位置时，井下多级气侵监测装置所接收到的声波信号会发生变化；4根据研究，井筒流体介质从无气状态到含气状态时，声波会发生明显的衰减；井筒中声波信号的强度I与截面含气率α呈现开口向下的抛物线关系，根据多相流知识，井筒中气体的运移速度νg与截面含气率αg呈正相关的关系；根据多普勒效应，声波的主频率分量偏移量ΔSi与气体的运动速度νg呈现正比关系；因此，截面含气率αg的增加会导致主频率分量偏移量ΔSi的增加；5当声波强度I发生增大、增大又减小、减小三者之一的情况，并且主频率分量偏移量ΔSi不断增加，利用声波强度I计算对应的截面含气率αI，主频率分量偏移量ΔSi计算对应的截面含气率声波强度I与截面含气率αI之间的关系为： I测为实际情况下所监测得到的声波强度；I0为不含气的情况下，得到的原始声波强度；关联系数B1、B2、B3与声波监测的环境相关，通过实验手段进行测定；主频率分量偏移量ΔSi与截面含气率之间的关系为： A、D与声波监测的环境相关，通过实验手段进行测定；若的值小于等于强频误差系数ε0，此时认为该传感器处监测到了气侵现象；从小到大设置分别对气侵量Qg赋值，根据气液固三相流动模型，得到该井下多级气侵监测装置处的计算截面含气率αQ；每次取得一个气侵量赋值之后，代入步骤1中的气液固三相流动模型进行计算模拟，得到监测装置位置处该取得气侵值相对应的含气率αQ，如果某一个气侵量取得值Q1所计算出来的计算截面含气率αQ满足|αQ-αI|≤εI以及认为此时的疑似气侵量为Q1，εI、分别为强度误差系数和频移误差系数，根据实际精度需要进行设定；当其它位置处的井下多级气侵监测装置也发生了气侵感应，并且采用相同的方法计算出对应得疑似气侵量Qn，n＝2,3…，若满足|Qi-Qj|≤εQ时，i,j＝0,1,2…，且i≠j，认为井底气侵量εQ为气侵量误差系数，根据实际精度需要进行设定；再依据任意两个井下多级气侵监测装置之间的位置距离ΔHi，以及对应的产生反应的时间Δti，利用气液固三相流动模型计算对应的气侵发生时刻t′，以及气体到达井口的时间t″；此时根据气体到达井口的时间t″采取合理的井控措施。

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