油气井井下故障诊断系统及其诊断方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201410626422.X

申请日:

2014.11.07

公开号:

CN104453842A

公开日:

2015.03.25

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):E21B44/00申请日:20141107|||公开

IPC分类号:

E21B44/00

主分类号:

E21B44/00

申请人:

常州大学

发明人:

吕苗荣; 金育琦; 杨超; 高胜南; 林卫旺

地址:

213164江苏省常州市武进区滆湖路1号

优先权:

专利代理机构:

常州市英诺创信专利代理事务所(普通合伙)32258

代理人:

王美华

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内容摘要

本发明涉及一种油气井井下故障诊断系统及其诊断方法,诊断系统具有钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器、多通道信号采集与发送装置、多通道信号接收装置和计算机系统,钻井液入口流量传感器固定在地面管汇或立管上,钻井液出口流量传感器固定在油气井井口处的钻井液回流管或泥浆槽上,压力传感器设置在立管上,多通道信号采集与发送装置设置在井架的钻台上。本发明可以实现井下故障的预测、定位与定量化诊断,极大地提高故障诊断的准确率与识别效果,及时准确地掌握钻井液流量与压力的变化,实现井漏、井涌和钻具刺漏的早期诊断,并且成本低,安装方便,安装位置合理,安全系数高。

权利要求书

1.  一种油气井井下故障诊断系统,所述油气井设有井口(15)、钻柱(3)和钻井泵(17),所述钻柱(3)由钻台和井架(5)支撑,所述钻台包括位于井架底部的一层钻台(4)、位于中部的二层台(9),所述钻井泵(17)连接有钻井泵管路,所述钻井泵管路包括排出管路(18)和吸入管路(25),所述排出管路(18)通过地面管汇(23),以及与地面管汇(23)相连通的立管(19)与水龙带(21)连接,所述吸入管路(25)连接泥浆池(14),所述水龙带连接水龙头(11),所述井架(5)上固定安装有立管(19),所述油气井的井口(15)与泥浆池(14)之间设有钻井液回流管或泥浆槽(12),其特征在于:具有钻井液入口流量传感器(20)、钻井液出口流量传感器(16)、压力传感器(22)、多通道信号采集与发送装置(7)、多通道信号接收装置(8)和计算机系统(10),所述钻井液入口流量传感器(20)固定在地面管汇(23)或立管(19)上,所述钻井液出口流量传感器(16)固定在钻井液回流管或泥浆槽(12)上,所述压力传感器(22)设置在地面管汇(23)或立管(19)上,所述多通道信号采集与发送装置(7)设置一层钻台(4)上,所述钻井液入口流量传感器(20)、钻井液出口流量传感器(16)、压力传感器(22)均与多通道信号采集与发送装置(7)连接,所述多通道信号采集与发送装置与多通道信号接收装置(8)为有线或无线连接,多通道信号接收装置(8)与计算机系统(10)为有线连接。

2.
  如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统,其特征在于:所述钻井液入口流量传感器(20)固定在地面管汇(23)或立管(19)中上的靠近井架(5)的部位。

3.
  如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统,其特征在于:钻井液出口流量传感器(16)固定在所述钻井液回流管或泥浆槽(12)上。

4.
  如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统,其特征在于:所述压力 传感器(22)设置在地面管汇(23)或立管(19)上靠近一层钻台(4)的部位。

5.
  如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统,其特征在于:所述多通道信号采集与发送装置(7)为信号采样率不低于3000Hz且能够采集全频段通道信号的多通道信号采集与发送装置。

6.
  一种如权利要求1-5中任一项所述的油气井井下故障诊断系统的诊断方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:钻井液入口流量传感器(20)、钻井液出口流量传感器(16)和压力传感器(22)采集得到在不同时刻各测点的流量信号和压力信号,预处理得到一定时间间隔的压力值和流量值,并且记为钻井液入口流量Qi、出口流量Qo和立管压力PL
步骤S2:在保持出口流量和入口流量不变的情况下,立管压力PL与钻头所在深度L之间采用线性关系进行回归处理,即
PL=A×L+B   (1)
式中,PL:立管压力,单位为MPa;L:井深,单位为m;A、B均为常系数,A、B由实测立管压力的预处理数据随井深L变化进行线性回归处理获得;
步骤S3:获得式(1)的系数A和B后,再从联立方程(2)中,计算得到常数b与c:
A=c×(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)QbB=c×0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b)+Ldc×(0.517ddc3+b+0.575(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b)-Ldp×(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)×Qb+0.05×ρdC2A02×Q2---(2)]]>
式中,L1、L2、L3、L4、Ldc、Ldp分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、 钻铤和钻杆长度,单位为m;d1、d2、d3、d4、ddc、ddc分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆的内径,单位为cm;Dh、Ddc、Ddp分别为井眼、钻铤和钻杆外径,单位为cm;A0:钻头当量喷嘴面积,单位为cm2;Q:工况正常时的入口流量或出口流量,单位为L/s;BB:与内管路状态有关的系数;C:喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关,C的值总是小于1;b在1.75~1.8范围内取值;
对钻井液入口流量Qi和出口流量Qo进行比较,在其他条件不变的情况下,如果Qi≈Qo且立管压力服从式(1)的变化,则判别为正常钻井工况;否则,若Qi≈Qo且立管压力突然上升或发生憋泵,则判别为钻头堵水眼;若管路循环流量波动异常,且泵压不稳或憋泵,则判别为环空异常或井壁坍塌;若Qi≈Qo且立管压力出现明显的下降,假定由原来的正常压力下降为PL1,则判别为管柱刺漏;转入小流量Qi2循环,测量此时对应的立管压力PL2,进而开展管柱刺漏的识别与诊断;
在钻进过程中,若钻井液入口流量Qi大于出口流量Qo,且超阀值,则进行井漏的识别与诊断;若钻井液出口流量Qo大于入口流量Qi,且超过阀值时,则判断为井涌。

7.
  如权利要求6所述的诊断方法,其特征在于:利用式(4)进行管柱刺漏的识别与诊断:
PL1=kf1Qib+kf2Q1b+kbQ12PL2=kf1Qi2b+kf2Q2b+kbQ22kf2Q1b+kbQ12-(Qi-Q1)2μ2A2=0kf2Q2b+kbQ22-(Qi2-Q2)2μ2A2=0---(4)]]>
式中,kb:钻头压降系数,Qi、Qi2:不同时段的钻井液入口流量,单位为L/s;μ:刺漏裂缝的流量系数,可近似取值为μ=0.62;Q1、Q2为对应不同钻井液入口流量Qi、Qi2时的刺漏点以下管柱内外钻井液流量,单位为L/s;A是刺漏裂缝面积,单位为cm2;kf1:刺漏点钻杆内外和钻铤内外的管路压力损耗系数;kf2:漏点以下钻杆内外和钻铤内外的管路压力损耗系数,kf1和kf2根据漏点位置确定。

8.
  如权利要求7所述的诊断方法,其特征在于:若漏点在钻杆内,则有kf1、kf2的计算公式如下:
kf1=c×[0.517(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b)+Ls(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)]]]>
kf2=c×[(Ldp-Ls)(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)+Ldc(0.517ddc3+b+0.575(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b)]]]>
将kf1、kf2的计算公式代入式(4)中,其中,Ls为刺漏点井深,kf1、kf2以刺漏点为分界线,未知量为Ls、A或μA、Q1、Q2,求解式(4)联立方程,可以得到刺漏点深度Ls及刺漏裂缝面积A。

9.
  如权利要求6所述的诊断方法,其特征在于:假定发生井漏时,钻井液入口流量为Qi;根据井口有没有钻井液返出,分别进行相应的处理:若有钻井液返出,钻井液出口流量是Qo;否则令Qo=0;
测定发现井漏后的立管压力PL,并进行如下的判断:
(1)按照下式计算PL′、PL":
PL=[0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b]×Qib+0.575Ldp×Qob(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+0.575Ldc×Qob(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b+kbQi2---(5a)]]>
PL=0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+0.575Ldc(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b×Qib+0.575ldp×Qob(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+kbQi2---(5b)]]>
(2)若PL<PL′,表明漏失点在钻头的下部;
若PL′<PL<PL",表明漏失点在钻铤段内,按式(6)确定井漏位置L1
若PL≥PL",表明漏失点在钻杆段内,按式(7)确定井漏位置L1
PL=0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+0.575(Ldc+Ldp-L1)(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b×Qib+0.575[(L1-Ldp)(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b+Ldp(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b]×Qob+kbQi2---(6)]]>
PL=0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+0.575Ldc(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b×Qib+0.575(Ldp-L1)×Qib(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+0.575L1×Qob(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+kbQi2---(7).]]>

10.
  如权利要求6所述的诊断方法,其特征在于:取b=1.8,式(2)简化为:
c=PL-kbQ20.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+(0.575Ldp(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+0.575Ldc(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b)×Qb---(3)]]>
对于贯眼接头和环形空间,BB=0.575;对于内平式接头,BB=0.517;对于流线型喷嘴,C=0.98。

说明书

油气井井下故障诊断系统及其诊断方法
技术领域
本发明涉及石油钻井设备技术领域,特别涉及一种油气井井下故障诊断系统及其诊断方法。
背景技术
在钻井过程中,如果没有能够及时准确的预测井下发生的故障,就可能造成井下复杂情况或事故,蒙受巨大的经济损失。井下故障主要包括井漏、井涌、钻具刺漏、井壁失稳等。正因为井漏、井涌、钻具刺漏、井壁失稳等事故的多发性和严重性,国内外学者已经开展了大量的理论和实验探索。
综合录井技术是在地质录井基础上发展起来的一项集随钻地质观察分析、气体检测、钻井液参数测量、地层压力预测和钻井工程参数测量为一体的综合性现场录井技术。综合录井能为地质研究人员提供录井地质剖面、岩性数据、地层流体数据等,为钻井技术人员提供了终端监视器,监测和分析钻井情况,是实时监测钻井事故的重要手段。国内外的石油科技工作者已经利用综合录井设备,开展了建井过程钻井安全的跟踪、监测,以及钻井井下故障(包括井涌、井漏、钻具刺漏、掉水嘴、堵水眼、溜钻、卡钻、钻井遇阻、油气水侵、掉钻具等)的预测、预报研究实践,为保障安全钻井发挥了重要作用。在保证钻井安全的同时,录井工程参数在提速提效、优化钻井方面,也起到了积极的作用。随着工程参数录井的发展,逐渐形成了一系列技术。
但长期以来,我国国内外重视综合录井的重点在在地质录井与发现油气信息等方面的应用上,在工程方面没有引起足够重视,轻视综合录井在钻井工程方面的应用,综合录井主要应用也作用集中在探井方面上,在开发井和其它类 型井的钻井作业中很少采用。重点也在于及时捕捉钻井过程中油气信息,对于钻井工程方面的应用仅仅只起到是它的功能扩展辅助作用。同时,判断及预测钻井井下故障的方法主要是依靠单参数阈值报警和根据现场经验进行主观判断,这不但需要现场人员具有高度的责任心,而且需要具有一定的知识水平和实际经验,往往存在误判、漏判等情况。此外,就钻井工程应用而言,综合录井的采样率往往过低,实时性差导致钻井故障的预测诊断工作潜在较大的风险与误差。由此可见,想利用采用综合录井技术进行油气井井下故障诊断是比较困难的,存在很大的局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:针对现有的井下故障诊断系统存在的实时性差、应用受限等不足,本发明提供一种实时性强、针对钻井工程的油气井井下故障多功能诊断系统及其诊断方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:油气井设有井口、钻柱和钻井泵,所述油气井设有钻柱和钻井泵,所述钻柱由钻台和井架支撑,所述钻台包括位于井架底部的一层钻台、位于中部的二层台,所述钻井泵连接有钻井泵管路,所述钻井泵管路包括排出管路和吸入管路,所述排出管路通过地面管汇,以及与地面管汇相连通的立管与水龙带连接,所述吸入管路连接泥浆池,所述水龙带连接水龙头,所述井架上固定安装有立管,所述油气井的井口与泥浆池之间设有钻井液回流管或泥浆槽,油气井井下故障诊断系统具有钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器、多通道信号采集与发送装置、多通道信号接收装置和计算机系统,所述钻井液入口流量传感器固定在地面管汇或立管上,所述钻井液出口流量传感器固定在钻井液回流管或泥浆槽上,所 述压力传感器设置在地面管汇或立管上,所述多通道信号采集与发送装置设置一层钻台上,所述钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器均与多通道信号采集与发送装置连接,所述多通道信号采集与发送装置与多通道信号接收装置为有线或无线连接,多通道信号接收装置与计算机系统为有线连接。
多通道信号采集与发送装置设置在一层钻台上,这个位置可以使得各传感器与多通道信号采集与发送装置之间的连接线缆得到最合理的分配。钻井液入口流量传感器用来采集从地面注入到钻柱内部的钻井液流量信号;钻井液出口流量传感器用来采集井口回流管路中钻井液的流量信号;压力传感器用来测量管路内部钻井液的压力;多通道信号采集与发送装置对所述测点的流量与压力信号进行采集、放大、过滤等调理处理,并对所述的流量与压力信号进行较远距离的传输和变送;多通道信号接收装置以无线或有线的方式接收来自所述多通道信号采集与发送装置的流量与压力信号。本申请的发明人对所需传感器的种类以及传感器放置的位置做出了合理的安排,采用设置在地面管汇或立管上的钻井液入口流量传感器和压力传感器、井口钻井液回流管路的钻井液出口流量传感器,用来测量不同时刻的流量和压力信号,结合无线或有线收发装置将数据参数传送到计算机系统,由计算机系统进行信号的分析与处理。本发明的油气井井下故障诊断系统利用钻井液循环系统的管路特性来判别井下工况。例如,对于入口、出口流量信号的对比,可以用来预测井漏、井涌;而钻井液流量与立管压力信号可以实现钻柱刺漏、断钻具、钻头堵水眼、井眼清洗、环空流动状况等工况的预报,动力钻具状态分析,以及钻头工作状态的检测;结合入口、出口流量信号与立管压力信号可以实现井下钻柱刺漏、井涌、井漏等故障的准确定位。
所述钻井液入口流量传感器固定在地面管汇或立管上的靠近井架的部位。
钻井液出口流量传感器固定在所述钻井液回流管或泥浆槽上。
所述压力传感器设置在地面管汇或立管上靠近一层钻台的部位。
所述钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器均通过线缆与多通道信号采集与发送装置连接。
所述多通道信号采集与发送装置为信号采样率不低于3000Hz且能够采集全频段通道信号的多通道信号采集与发送装置。
一种所述的油气井井下故障诊断系统的诊断方法,包括以下步骤:
步骤S1:钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器和压力传感器采集得到在不同时刻各测点的流量信号和压力信号,预处理得到一定时间间隔的压力值和流量值,并且记为钻井液入口流量Qi、出口流量Qo和立管压力PL;数据的预处理包括删除异点、过滤、求平均等,是信号处理领域的常规手段,这里不做赘述。
步骤S2:在保持出口流量和入口流量不变的情况下,立管压力PL与钻头所在深度L之间采用线性关系进行回归处理,即
PL=A×L+B    (1)
式中,PL:立管压力,单位为MPa;L:井深,单位为m;A、B均为常系数,A、B实测立管压力的预处理数据随井深L变化进行线性回归处理获得;
步骤S3:获得式(1)的系数A和B后,再从联立方程(2)中,计算得到常数b与c:
A=c×(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)QbB=c×0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b)+Ldc×(0.517ddc3+b+0.575(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b)-Ldp×(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)×Qb+0.05×ρdC2A02×Q2---(2)]]>
式中,L1、L2、L3、L4、Ldc、Ldp分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆长度,单位为m;d1、d2、d3、d4、ddc、ddc分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆的内径,单位为cm;Dh、Ddc、Ddp分别为井眼、钻铤和钻杆外径,单位为cm;A0:钻头当量喷嘴面积,单位为cm2;Q:工况正常时的入口流量或出口流量,单位为L/s;在没有任何故障的正常情况下,入口流量等于出口流量,即Q=Qi或Q=Qo;BB:与内管路状态有关的系数;C:喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关,C的值总是小于1;b在1.75~1.8范围内取值;
对钻井液入口流量Qi和出口流量Qo进行比较,在其他条件不变的情况下,如果Qi≈Qo且立管压力服从式(1)的变化,则判别为钻井工况正常;否则,若Qi≈Qo且立管压力突然上升或发生憋泵,则判别为钻头堵水眼;若管路循环流量波动异常,且泵压不稳或憋泵,则判别为环空异常或井壁坍塌;若Qi≈Qo且立管压力出现明显的下降,假定由原来的正常压力下降为PL1,则判别为管柱刺漏;转入小流量Qi2循环,测量此时对应的立管压力PL2,进而开展管柱刺漏的识别与诊断;
在钻进过程中,若钻井液入口流量Qi大于出口流量Qo,且超阀值,则进行井漏的识别与诊断;若钻井液出口流量Qo大于入口流量Qi,且超过阀值时,则判断为井涌。
利用式(4)进行管柱刺漏的识别与诊断:
PL1=kf1Qib+kf2Q1b+kbQ12PL2=kf1Qi2b+kf2Q2b+kbQ22kf2Q1b+kbQ12-(Qi-Q1)2μ2A2=0kf2Q2b+kbQ22-(Qi2-Q2)2μ2A2=0---(4)]]>
式中,kb:钻头压降系数,Qi、Qi2:不同时段的钻井液入口流量,单位为L/s;μ:刺漏裂缝的流量系数,可近似取值为μ=0.62;Q1、Q2为对应不同钻井液入口流量Qi、Qi2时的刺漏点以下管柱内外钻井液流量,单位为L/s;A:刺漏裂缝面积,单位为cm2;kf1:刺漏点钻杆内外和钻铤内外的管路压力损耗系数;kf2:漏点以下钻杆内外和钻铤内外的管路压力损耗系数,kf1和kf2根据漏点位置确定。
若漏点在钻杆内,则有kf1、kf2的计算公式如下:
kf1=c×[0.517(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b)+Ls(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)]]]>
kf2=c×[(Ldp-Ls)(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)+Ldc(0.517ddc3+b+0.575(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b)]]]>
将kf1、kf2的计算公式代入式(4)中,其中,Ls为刺漏点井深,kf1、kf2以刺漏点为分界线,未知量为Ls、A(或μA)、Q1、Q2,求解式(4)联立方程,可以得到刺漏点深度Ls及刺漏裂缝面积A。
假定发生井漏时,钻井液入口流量为Qi;根据井口有没有钻井液返出,分别进行相应的处理:若有钻井液返出,钻井液出口流量是Qo;否则令Qo=0;
测定发现井漏后的立管压力PL,并进行如下的判断:
(1)按照下式计算PL′、PL":
PL=[0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b]×Qib+0.575Ldp×Qob(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+0.575Ldc×Qob(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b+kbQi2---(5a)]]>
PL=0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+0.575Ldc(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b×Qib+0.575Ldp×Qob(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+kbQi2---(5b)]]>
(2)若PL<PL′,表明漏失点在钻头的下部;
若PL′<PL<PL",表明漏失点在钻铤段内,按式(6)确定井漏位置L1
若PL≥PL",表明漏失点在钻杆段内,按式(7)确定井漏位置L1
PL=0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+0.575(Ldc+Ldp-L1)(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b×Qib+0.575[(L1-Ldp)(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b+Ldp(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b]×Qob+kbQi2---(6)]]>
PL=0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+0.575Ldc(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b×Qib+0.575(Ldp-L1)×Qib(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+0.575L1×Qob(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+kbQi2---(7).]]>
由于b的计算比较复杂,为了简化方程,取b=1.8,式(2)简化为:
c=PL-kbQ20.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+(0.575Ldp(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+0.575Ldc(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b)×Qb---(3);]]>
对于贯眼接头和环形空间,BB=0.575;对于内平式接头,BB=0.517;对于流线型喷嘴,C=0.98。
本发明中,钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器可以分别采集到入口流量信号和出口流量信号,压力传感器采集得到立管压力信号,根据流量信号的变化可以实现井下工况检测和井漏、井涌的诊断。所述压力传感器采集得到立管压力信号,可以灵敏地记录、显示钻井循环系统内部出现的各种故障,对钻柱刺漏、断钻具、钻头堵水眼、井眼清洗、环空流动状况等工况进行准确的预测预报。通过分析钻井液入口和出口流量、钻井液压力与井下故障深度之间的关系,进而实现井下故障的准确定位。
本发明的有益效果是,本发明的油气井井下故障诊断系统及其诊断方法,对钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器和压力传感器进行了合理的布局,测量得到不同时刻的流量和压力信号,结合无线或有线收发装置将数据参数传送到计算机系统,由计算机系统进行信号的分析与处理,可以实现故障的定位与定量化诊断,极大地提高了故障诊断的准确率与识别效果,实现井漏、井涌、钻具刺漏等故障的早期诊断;并且只采用几个市面上常用的传感器,成本低,安装方便,且安装位置合理,安全系数高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的油气井井下故障诊断系统最佳实施例的结构示意图。
图2是本发明的油气井井下故障诊断系统的诊断方法流程图。
图中1、钻头,2、井下钻具,3、钻柱,4、一层钻台,5、井架,6、方钻 杆,7、多通道信号采集与发送装置,8、多通道信号接收装置,9、二层台,10、计算机系统,11、水龙头,12、钻井液回流管或泥浆槽,13、泥浆振动筛,14、泥浆池,15、井口,16、钻井液出口流量传感器,17、钻井泵,18、排出管路,19、立管,20、钻井液入口流量传感器,21、水龙带,22、压力传感器,23、地面管汇,24、线缆,25、吸入管路,26、钻井液返出管路,27、套管。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图,仅以示意图方式说明本发明的基本结构,因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示,所述钻柱3由钻台和井架5支撑,所述钻台包括位于井架底部的一层钻台4、位于中部的二层台9,所述钻井泵17连接有钻井泵管路,所述钻井泵管路包括排出管路18和吸入管路25,所述排出管路18通过地面管汇23,以及与地面管汇23相连通的立管19与水龙带21连接,所述吸入管路25连接泥浆池14,所述水龙带连接水龙头11,所述井架5上固定安装有立管19,本发明的油气井井下故障诊断系统具有钻井液入口流量传感器20、钻井液出口流量传感器16、压力传感器22、多通道信号采集与发送装置7、多通道信号接收装置8和计算机系统10,所述钻井液入口流量传感器20固定在地面管汇23或立管19上的靠近井架5的部位。油气井的井口15处设有套管27,所述套管27套设在钻柱3外,套管27与钻柱3之间的环形空间为钻井液返出通道26,油气井的井口15与泥浆池14之间设有钻井液回流管或泥浆槽12,钻井液出口流量传感器16固定在所述钻井液回流管或泥浆槽12上。所述压力传感器22设置在地面管汇23或立管19上靠近一层钻台4的部位。所述多通道信号采集与发送装置7设置一层钻台4上,所述钻井液入口流量传感器20、钻井液出口流 量传感器16、压力传感器22均均通过线缆24与多通道信号采集与发送装置7连接,所述多通道信号采集与发送装置与多通道信号接收装置8为有线或无线连接,多通道信号接收装置8与计算机系统10为有线连接。
多通道信号采集与发送装置7的信号采样率不低于3000Hz,且能够采集全频段通道信号。
2个流量传感器(16,20)和1个压力传感器22分别测量不同时刻各测点流量信号和压力信号。流量信号和立管压力信号的变化蕴含着丰富的井下故障状态信息。本发明的油气井井下故障诊断系统的诊断方法,包括以下步骤:
步骤S1:钻井液入口流量传感器20、钻井液出口流量传感器16和压力传感器22采集得到在不同时刻钻井泵入口流量信号、出口流量信号和立管压力信号。
步骤S2:多通道信号采集与发送装置7将钻井泵入口流量信号、出口流量信号和立管压力信号进行采集、放大与滤波处理。
步骤S3:多通道信号采集与发送装置7以无线或有线的方式传送采集得到的流量与压力信号。
步骤S4:多通道信号接收装置8接收来自多通道信号采集与发送装置7发送的数据。
步骤S5:计算机系统10接收到来自多通道信号接收装置8的多通道流量信号和压力信号。
步骤S6:利用采集获得的压力与流量信号,进行井下管柱刺漏、井漏和井涌的预测预报,具体处理流程如下步骤S6.1~S6.5:
步骤S6.1:利用采集获得的压力和流量数据,预处理得到一定时间间隔(0.1~1s)的压力值和流量值,并且记为钻井液入口流量Qi、出口流量Qo和立 管压力PL;数据的预处理包括删除异点、过滤、求平均等。
在保持出口流量和入口流量不变的情况下(从工程的观点来看,出口流量和入口流量不变是指出口流量和入口流量不变或者其变化在允许的波动范围内),立管压力PL与钻头所在深度L之间采用线性关系进行回归处理,即
PL=A×L+B    (1)
式中,PL:立管压力,单位为MPa;L:井深,单位为m;A、B均为常系数,A、B实测立管压力的预处理数据随井深L变化进行线性回归处理获得;
获得式(1)的系数A和B后,再从联立方程(2)中,计算得到常数b与c:
A=c×(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)QbB=c×0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b)+Ldc×(0.517ddc3+b+0.575(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b)-Ldp×(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)×Qb+0.05×ρdC2A02×Q2---(2)]]>
式中,L1、L2、L3、L4、Ldc、Ldp分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆长度,单位为m;d1、d2、d3、d4、ddc、ddc分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆的内径,单位为cm;Dh、Ddc、Ddp分别为井眼、钻铤和钻杆外径,单位为cm;A0:钻头当量喷嘴面积,单位为cm2;Q:工况正常时的入口流量或出口流量,单位为L/s;BB:与内管路状态有关的系数;对于贯眼接头和环形空间,BB=0.575;对于内平式接头,BB=0.517;C:喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关,C的值总是小于1;对于流线型喷嘴,C=0.98。
一般情况下,b在1.75~1.8范围内取值。如果取b=1.8,则式(2)可以简化为:
c=PL-kbQ20.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+(0.575Ldp(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+0.575Ldc(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b)×Qb---(3)]]>
步骤S6.2:对钻井液入口流量Qi和出口流量Qo进行比较,在其他条件不变的情况下,如果Qi≈Qo且立管压力服从式(1)的变化,则判别为钻井工况正常;否则,若Qi≈Qo且立管压力突然上升或发生憋泵,则判别为钻头堵水眼;若管路循环流量波动异常,且泵压不稳或憋泵,则判别为环空异常或井壁坍塌;若Qi≈Qo且立管压力出现明显的下降,假定由原来的正常压力下降为PL1,则判别为管柱刺漏;转入小流量Qi2循环,测量此时对应的立管压力PL2,进而开展管柱刺漏的识别与诊断。
步骤S6.3:利用下式(4)进行管柱刺漏的识别与诊断:
PL1=kf1Qib+kf2Q1b+kbQ12PL2=kf1Qi2b+kf2Q2b+kbQ22kf2Q1b+kbQ12-(Qi-Q1)2μ2A2=0kf2Q2b+kbQ22-(Qi2-Q2)2μ2A2=0---(4)]]>
式中,kb——钻头压降系数,
Qi、Qi2——不同时段的钻井液入口流量,L/s;
μ——刺漏裂缝的流量系数,可近似取值为μ=0.62;
Q1、Q2——不同流量下对应的刺漏点以下管柱内外钻井液流量,L/s;
A——刺漏裂缝面积,cm2
kf1、kf2——刺漏点以上及漏点以下钻杆内外和钻铤内外的管路压力损耗 系数,根据漏点位置确定。例如,若漏点在钻杆内,则有:
kf1=c×[0.517(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b)+Ls(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)]]]>
kf2=c×[(Ldp-Ls)(BBddp3+b+0.575(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b)+Ldc(0.517ddc3+b+0.575(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b)]]]>
在式(4)中,四个方程,Ls为刺漏点井深,kf1、kf2以刺漏点为分界线,未知量为Ls、A(或μA)、Q1、Q2,也是四个,有唯一解。因此,求解式(4)联立方程,可以得到刺漏点深度Ls及刺漏面积A。
步骤S6.4:在钻进过程中,若钻井液入口流量Qi大于出口流量Qo,且超阀值,出口流量减少或者井口没有钻井液返出、钻井液液位下降,就可能是井漏;通过下面的步骤进行井漏的识别与诊断。
假定发生井漏时,钻井液入口流量为Qi;根据井口有没有钻井液返出,分别进行相应的处理:若有钻井液返出,钻井液出口流量是Qo;否则令Qo=0;
步骤S6.5:测定发现井漏后的立管压力PL,并进行如下的判断:
(1)按照下式计算PL′、PL":
PL=[0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b]×Qib+0.575Ldp×Qob(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+0.575Ldc×Qob(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b+kbQi2---(5a)]]>
PL=0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+0.575Ldc(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b×Qib+0.575Ldp×Qob(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+kbQi2---(5b)]]>
(2)若PL<PL′,表明漏失点在钻头的下部;
若PL′<PL<PL",表明漏失点在钻铤段内,按式(6)确定井漏位置L1
若PL≥PL",表明漏失点在钻杆段内,按式(7)确定井漏位置L1
PL=0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+0.575(Ldc+Ldp-L1)(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b×Qib+0.575[(L1-Ldp)(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b+Ldp(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b]×Qob+kbQi2---(6)]]>
PL=0.517×(L1d13+b+L2d23+b+L3d33+b+L4d43+b+Ldcddc3+b)+BB×Ldpddp3+b+0.575Ldc(Dh-Ddc)3(Dh+Ddc)b×Qib+0.575(Ldp-L1)×Qib(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+0.575L1×Qob(Dh-Ddp)3(Dh+Ddp)b+kbQi2---(7).]]>
步骤S6.6:若钻井液出口流量Qo大于入口流量Qi,且超过阀值时,则判断为井涌。
步骤S7:井下故障诊断结果的显示与报警。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术。

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资源描述

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1、10申请公布号43申请公布日21申请号201410626422X22申请日20141107E21B44/0020060171申请人常州大学地址213164江苏省常州市武进区滆湖路1号72发明人吕苗荣金育琦杨超高胜南林卫旺74专利代理机构常州市英诺创信专利代理事务所普通合伙32258代理人王美华54发明名称油气井井下故障诊断系统及其诊断方法57摘要本发明涉及一种油气井井下故障诊断系统及其诊断方法,诊断系统具有钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器、多通道信号采集与发送装置、多通道信号接收装置和计算机系统,钻井液入口流量传感器固定在地面管汇或立管上,钻井液出口流量传感器固定在油气井。

2、井口处的钻井液回流管或泥浆槽上,压力传感器设置在立管上,多通道信号采集与发送装置设置在井架的钻台上。本发明可以实现井下故障的预测、定位与定量化诊断,极大地提高故障诊断的准确率与识别效果,及时准确地掌握钻井液流量与压力的变化,实现井漏、井涌和钻具刺漏的早期诊断,并且成本低,安装方便,安装位置合理,安全系数高。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书4页说明书9页附图2页10申请公布号CN104453842A43申请公布日20150325CN104453842A1/4页21一种油气井井下故障诊断系统,所述油气井设有井口15、钻柱3和钻井泵17,所述钻柱3由钻台和井架。

3、5支撑,所述钻台包括位于井架底部的一层钻台4、位于中部的二层台9,所述钻井泵17连接有钻井泵管路,所述钻井泵管路包括排出管路18和吸入管路25,所述排出管路18通过地面管汇23,以及与地面管汇23相连通的立管19与水龙带21连接,所述吸入管路25连接泥浆池14,所述水龙带连接水龙头11,所述井架5上固定安装有立管19,所述油气井的井口15与泥浆池14之间设有钻井液回流管或泥浆槽12,其特征在于具有钻井液入口流量传感器20、钻井液出口流量传感器16、压力传感器22、多通道信号采集与发送装置7、多通道信号接收装置8和计算机系统10,所述钻井液入口流量传感器20固定在地面管汇23或立管19上,所述钻。

4、井液出口流量传感器16固定在钻井液回流管或泥浆槽12上,所述压力传感器22设置在地面管汇23或立管19上,所述多通道信号采集与发送装置7设置一层钻台4上,所述钻井液入口流量传感器20、钻井液出口流量传感器16、压力传感器22均与多通道信号采集与发送装置7连接,所述多通道信号采集与发送装置与多通道信号接收装置8为有线或无线连接,多通道信号接收装置8与计算机系统10为有线连接。2如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统,其特征在于所述钻井液入口流量传感器20固定在地面管汇23或立管19中上的靠近井架5的部位。3如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统,其特征在于钻井液出口流量传感器16固定在所述钻。

5、井液回流管或泥浆槽12上。4如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统,其特征在于所述压力传感器22设置在地面管汇23或立管19上靠近一层钻台4的部位。5如权利要求1所述的油气井井下故障诊断系统,其特征在于所述多通道信号采集与发送装置7为信号采样率不低于3000HZ且能够采集全频段通道信号的多通道信号采集与发送装置。6一种如权利要求15中任一项所述的油气井井下故障诊断系统的诊断方法,其特征在于,包括以下步骤步骤S1钻井液入口流量传感器20、钻井液出口流量传感器16和压力传感器22采集得到在不同时刻各测点的流量信号和压力信号,预处理得到一定时间间隔的压力值和流量值,并且记为钻井液入口流量QI、出口。

6、流量QO和立管压力PL;步骤S2在保持出口流量和入口流量不变的情况下,立管压力PL与钻头所在深度L之间采用线性关系进行回归处理,即PLALB1式中,PL立管压力,单位为MPA;L井深,单位为M;A、B均为常系数,A、B由实测立管压力的预处理数据随井深L变化进行线性回归处理获得;步骤S3获得式1的系数A和B后,再从联立方程2中,计算得到常数B与C权利要求书CN104453842A2/4页3式中,L1、L2、L3、L4、LDC、LDP分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆长度,单位为M;D1、D2、D3、D4、DDC、DDC分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆的内径,单位为C。

7、M;DH、DDC、DDP分别为井眼、钻铤和钻杆外径,单位为CM;A0钻头当量喷嘴面积,单位为CM2;Q工况正常时的入口流量或出口流量,单位为L/S;BB与内管路状态有关的系数;C喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关,C的值总是小于1;B在17518范围内取值;对钻井液入口流量QI和出口流量QO进行比较,在其他条件不变的情况下,如果QIQO且立管压力服从式1的变化,则判别为正常钻井工况;否则,若QIQO且立管压力突然上升或发生憋泵,则判别为钻头堵水眼;若管路循环流量波动异常,且泵压不稳或憋泵,则判别为环空异常或井壁坍塌;若QIQO且立管压力出现明显的下降,假定由原来的正常压力下降为PL1,则判别为。

8、管柱刺漏;转入小流量QI2循环,测量此时对应的立管压力PL2,进而开展管柱刺漏的识别与诊断;在钻进过程中,若钻井液入口流量QI大于出口流量QO,且超阀值,则进行井漏的识别与诊断;若钻井液出口流量QO大于入口流量QI,且超过阀值时,则判断为井涌。7如权利要求6所述的诊断方法,其特征在于利用式4进行管柱刺漏的识别与诊断式中,KB钻头压降系数,QI、QI2不同时段的钻井液入口流量,单位为L/S;刺漏裂缝的流量系数,可近似取值为062;Q1、Q2为对应不同钻井液入口流量QI、QI2时的刺漏点以下管柱内外钻井液流量,单位为L/S;A是刺漏裂缝面积,单位为CM2;KF1刺漏点钻杆内外和钻铤内外的管路压力损。

9、耗系数;KF2漏点以下钻杆内外和钻铤内外的管路压力损耗系数,KF1和KF2根据漏点位置确定。8如权利要求7所述的诊断方法,其特征在于若漏点在钻杆内,则有KF1、KF2的计算公权利要求书CN104453842A3/4页4式如下将KF1、KF2的计算公式代入式4中,其中,LS为刺漏点井深,KF1、KF2以刺漏点为分界线,未知量为LS、A或A、Q1、Q2,求解式4联立方程,可以得到刺漏点深度LS及刺漏裂缝面积A。9如权利要求6所述的诊断方法,其特征在于假定发生井漏时,钻井液入口流量为QI;根据井口有没有钻井液返出,分别进行相应的处理若有钻井液返出,钻井液出口流量是QO;否则令QO0;测定发现井漏后的。

10、立管压力PL,并进行如下的判断1按照下式计算PL、PL“2若PLPL,表明漏失点在钻头的下部;若PLPLPL“,表明漏失点在钻铤段内,按式6确定井漏位置L1;若PLPL“,表明漏失点在钻杆段内,按式7确定井漏位置L1;权利要求书CN104453842A4/4页510如权利要求6所述的诊断方法,其特征在于取B18,式2简化为对于贯眼接头和环形空间,BB0575;对于内平式接头,BB0517;对于流线型喷嘴,C098。权利要求书CN104453842A1/9页6油气井井下故障诊断系统及其诊断方法技术领域0001本发明涉及石油钻井设备技术领域,特别涉及一种油气井井下故障诊断系统及其诊断方法。背景技术。

11、0002在钻井过程中,如果没有能够及时准确的预测井下发生的故障,就可能造成井下复杂情况或事故,蒙受巨大的经济损失。井下故障主要包括井漏、井涌、钻具刺漏、井壁失稳等。正因为井漏、井涌、钻具刺漏、井壁失稳等事故的多发性和严重性,国内外学者已经开展了大量的理论和实验探索。0003综合录井技术是在地质录井基础上发展起来的一项集随钻地质观察分析、气体检测、钻井液参数测量、地层压力预测和钻井工程参数测量为一体的综合性现场录井技术。综合录井能为地质研究人员提供录井地质剖面、岩性数据、地层流体数据等,为钻井技术人员提供了终端监视器,监测和分析钻井情况,是实时监测钻井事故的重要手段。国内外的石油科技工作者已经利。

12、用综合录井设备,开展了建井过程钻井安全的跟踪、监测,以及钻井井下故障包括井涌、井漏、钻具刺漏、掉水嘴、堵水眼、溜钻、卡钻、钻井遇阻、油气水侵、掉钻具等的预测、预报研究实践,为保障安全钻井发挥了重要作用。在保证钻井安全的同时,录井工程参数在提速提效、优化钻井方面,也起到了积极的作用。随着工程参数录井的发展,逐渐形成了一系列技术。0004但长期以来,我国国内外重视综合录井的重点在在地质录井与发现油气信息等方面的应用上,在工程方面没有引起足够重视,轻视综合录井在钻井工程方面的应用,综合录井主要应用也作用集中在探井方面上,在开发井和其它类型井的钻井作业中很少采用。重点也在于及时捕捉钻井过程中油气信息,。

13、对于钻井工程方面的应用仅仅只起到是它的功能扩展辅助作用。同时,判断及预测钻井井下故障的方法主要是依靠单参数阈值报警和根据现场经验进行主观判断,这不但需要现场人员具有高度的责任心,而且需要具有一定的知识水平和实际经验,往往存在误判、漏判等情况。此外,就钻井工程应用而言,综合录井的采样率往往过低,实时性差导致钻井故障的预测诊断工作潜在较大的风险与误差。由此可见,想利用采用综合录井技术进行油气井井下故障诊断是比较困难的,存在很大的局限性。发明内容0005本发明要解决的技术问题是针对现有的井下故障诊断系统存在的实时性差、应用受限等不足,本发明提供一种实时性强、针对钻井工程的油气井井下故障多功能诊断系统。

14、及其诊断方法。0006本发明解决其技术问题所采用的技术方案是油气井设有井口、钻柱和钻井泵,所述油气井设有钻柱和钻井泵,所述钻柱由钻台和井架支撑,所述钻台包括位于井架底部的一层钻台、位于中部的二层台,所述钻井泵连接有钻井泵管路,所述钻井泵管路包括排出管路和吸入管路,所述排出管路通过地面管汇,以及与地面管汇相连通的立管与水龙带连接,说明书CN104453842A2/9页7所述吸入管路连接泥浆池,所述水龙带连接水龙头,所述井架上固定安装有立管,所述油气井的井口与泥浆池之间设有钻井液回流管或泥浆槽,油气井井下故障诊断系统具有钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器、多通道信号采集与发送装。

15、置、多通道信号接收装置和计算机系统,所述钻井液入口流量传感器固定在地面管汇或立管上,所述钻井液出口流量传感器固定在钻井液回流管或泥浆槽上,所述压力传感器设置在地面管汇或立管上,所述多通道信号采集与发送装置设置一层钻台上,所述钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器均与多通道信号采集与发送装置连接,所述多通道信号采集与发送装置与多通道信号接收装置为有线或无线连接,多通道信号接收装置与计算机系统为有线连接。0007多通道信号采集与发送装置设置在一层钻台上,这个位置可以使得各传感器与多通道信号采集与发送装置之间的连接线缆得到最合理的分配。钻井液入口流量传感器用来采集从地面注入到钻柱内部。

16、的钻井液流量信号;钻井液出口流量传感器用来采集井口回流管路中钻井液的流量信号;压力传感器用来测量管路内部钻井液的压力;多通道信号采集与发送装置对所述测点的流量与压力信号进行采集、放大、过滤等调理处理,并对所述的流量与压力信号进行较远距离的传输和变送;多通道信号接收装置以无线或有线的方式接收来自所述多通道信号采集与发送装置的流量与压力信号。本申请的发明人对所需传感器的种类以及传感器放置的位置做出了合理的安排,采用设置在地面管汇或立管上的钻井液入口流量传感器和压力传感器、井口钻井液回流管路的钻井液出口流量传感器,用来测量不同时刻的流量和压力信号,结合无线或有线收发装置将数据参数传送到计算机系统,由。

17、计算机系统进行信号的分析与处理。本发明的油气井井下故障诊断系统利用钻井液循环系统的管路特性来判别井下工况。例如,对于入口、出口流量信号的对比,可以用来预测井漏、井涌;而钻井液流量与立管压力信号可以实现钻柱刺漏、断钻具、钻头堵水眼、井眼清洗、环空流动状况等工况的预报,动力钻具状态分析,以及钻头工作状态的检测;结合入口、出口流量信号与立管压力信号可以实现井下钻柱刺漏、井涌、井漏等故障的准确定位。0008所述钻井液入口流量传感器固定在地面管汇或立管上的靠近井架的部位。0009钻井液出口流量传感器固定在所述钻井液回流管或泥浆槽上。0010所述压力传感器设置在地面管汇或立管上靠近一层钻台的部位。0011。

18、所述钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器、压力传感器均通过线缆与多通道信号采集与发送装置连接。0012所述多通道信号采集与发送装置为信号采样率不低于3000HZ且能够采集全频段通道信号的多通道信号采集与发送装置。0013一种所述的油气井井下故障诊断系统的诊断方法,包括以下步骤0014步骤S1钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器和压力传感器采集得到在不同时刻各测点的流量信号和压力信号,预处理得到一定时间间隔的压力值和流量值,并且记为钻井液入口流量QI、出口流量QO和立管压力PL;数据的预处理包括删除异点、过滤、求平均等,是信号处理领域的常规手段,这里不做赘述。0015步骤S2在保持出。

19、口流量和入口流量不变的情况下,立管压力PL与钻头所在深度L之间采用线性关系进行回归处理,即0016PLALB1说明书CN104453842A3/9页80017式中,PL立管压力,单位为MPA;L井深,单位为M;A、B均为常系数,A、B实测立管压力的预处理数据随井深L变化进行线性回归处理获得;0018步骤S3获得式1的系数A和B后,再从联立方程2中,计算得到常数B与C00190020式中,L1、L2、L3、L4、LDC、LDP分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆长度,单位为M;D1、D2、D3、D4、DDC、DDC分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆的内径,单位为CM;D。

20、H、DDC、DDP分别为井眼、钻铤和钻杆外径,单位为CM;A0钻头当量喷嘴面积,单位为CM2;Q工况正常时的入口流量或出口流量,单位为L/S;在没有任何故障的正常情况下,入口流量等于出口流量,即QQI或QQO;BB与内管路状态有关的系数;C喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关,C的值总是小于1;B在17518范围内取值;0021对钻井液入口流量QI和出口流量QO进行比较,在其他条件不变的情况下,如果QIQO且立管压力服从式1的变化,则判别为钻井工况正常;否则,若QIQO且立管压力突然上升或发生憋泵,则判别为钻头堵水眼;若管路循环流量波动异常,且泵压不稳或憋泵,则判别为环空异常或井壁坍塌;若QIQ。

21、O且立管压力出现明显的下降,假定由原来的正常压力下降为PL1,则判别为管柱刺漏;转入小流量QI2循环,测量此时对应的立管压力PL2,进而开展管柱刺漏的识别与诊断;0022在钻进过程中,若钻井液入口流量QI大于出口流量QO,且超阀值,则进行井漏的识别与诊断;若钻井液出口流量QO大于入口流量QI,且超过阀值时,则判断为井涌。0023利用式4进行管柱刺漏的识别与诊断00240025式中,KB钻头压降系数,QI、QI2不同时段的钻井液入口流量,单位为L/S;刺漏裂缝的流量系数,可近似取值为062;Q1、Q2为对应不同钻井液入口流量QI、QI2时的刺漏点以下管柱内外钻井液流量,单位为L/S;A刺漏裂缝面。

22、积,单位为说明书CN104453842A4/9页9CM2;KF1刺漏点钻杆内外和钻铤内外的管路压力损耗系数;KF2漏点以下钻杆内外和钻铤内外的管路压力损耗系数,KF1和KF2根据漏点位置确定。0026若漏点在钻杆内,则有KF1、KF2的计算公式如下002700280029将KF1、KF2的计算公式代入式4中,其中,LS为刺漏点井深,KF1、KF2以刺漏点为分界线,未知量为LS、A或A、Q1、Q2,求解式4联立方程,可以得到刺漏点深度LS及刺漏裂缝面积A。0030假定发生井漏时,钻井液入口流量为QI;根据井口有没有钻井液返出,分别进行相应的处理若有钻井液返出,钻井液出口流量是QO;否则令QO0;。

23、0031测定发现井漏后的立管压力PL,并进行如下的判断00321按照下式计算PL、PL“0033003400352若PLPL,表明漏失点在钻头的下部;0036若PLPLPL“,表明漏失点在钻铤段内,按式6确定井漏位置L1;0037若PLPL“,表明漏失点在钻杆段内,按式7确定井漏位置L1;0038说明书CN104453842A5/9页1000390040由于B的计算比较复杂,为了简化方程,取B18,式2简化为00410042对于贯眼接头和环形空间,BB0575;对于内平式接头,BB0517;对于流线型喷嘴,C098。0043本发明中,钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器可以分别采集到入口。

24、流量信号和出口流量信号,压力传感器采集得到立管压力信号,根据流量信号的变化可以实现井下工况检测和井漏、井涌的诊断。所述压力传感器采集得到立管压力信号,可以灵敏地记录、显示钻井循环系统内部出现的各种故障,对钻柱刺漏、断钻具、钻头堵水眼、井眼清洗、环空流动状况等工况进行准确的预测预报。通过分析钻井液入口和出口流量、钻井液压力与井下故障深度之间的关系,进而实现井下故障的准确定位。0044本发明的有益效果是,本发明的油气井井下故障诊断系统及其诊断方法,对钻井液入口流量传感器、钻井液出口流量传感器和压力传感器进行了合理的布局,测量得到不同时刻的流量和压力信号,结合无线或有线收发装置将数据参数传送到计算机。

25、系统,由计算机系统进行信号的分析与处理,可以实现故障的定位与定量化诊断,极大地提高了故障诊断的准确率与识别效果,实现井漏、井涌、钻具刺漏等故障的早期诊断;并且只采用几个市面上常用的传感器,成本低,安装方便,且安装位置合理,安全系数高。附图说明说明书CN104453842A106/9页110045下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。0046图1是本发明的油气井井下故障诊断系统最佳实施例的结构示意图。0047图2是本发明的油气井井下故障诊断系统的诊断方法流程图。0048图中1、钻头,2、井下钻具,3、钻柱,4、一层钻台,5、井架,6、方钻杆,7、多通道信号采集与发送装置,8、多通道信号接收装置。

26、,9、二层台,10、计算机系统,11、水龙头,12、钻井液回流管或泥浆槽,13、泥浆振动筛,14、泥浆池,15、井口,16、钻井液出口流量传感器,17、钻井泵,18、排出管路,19、立管,20、钻井液入口流量传感器,21、水龙带,22、压力传感器,23、地面管汇,24、线缆,25、吸入管路,26、钻井液返出管路,27、套管。具体实施方式0049现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图,仅以示意图方式说明本发明的基本结构,因此其仅显示与本发明有关的构成。0050如图1所示,所述钻柱3由钻台和井架5支撑,所述钻台包括位于井架底部的一层钻台4、位于中部的二层台9,所述钻井泵1。

27、7连接有钻井泵管路,所述钻井泵管路包括排出管路18和吸入管路25,所述排出管路18通过地面管汇23,以及与地面管汇23相连通的立管19与水龙带21连接,所述吸入管路25连接泥浆池14,所述水龙带连接水龙头11,所述井架5上固定安装有立管19,本发明的油气井井下故障诊断系统具有钻井液入口流量传感器20、钻井液出口流量传感器16、压力传感器22、多通道信号采集与发送装置7、多通道信号接收装置8和计算机系统10,所述钻井液入口流量传感器20固定在地面管汇23或立管19上的靠近井架5的部位。油气井的井口15处设有套管27,所述套管27套设在钻柱3外,套管27与钻柱3之间的环形空间为钻井液返出通道26,。

28、油气井的井口15与泥浆池14之间设有钻井液回流管或泥浆槽12,钻井液出口流量传感器16固定在所述钻井液回流管或泥浆槽12上。所述压力传感器22设置在地面管汇23或立管19上靠近一层钻台4的部位。所述多通道信号采集与发送装置7设置一层钻台4上,所述钻井液入口流量传感器20、钻井液出口流量传感器16、压力传感器22均均通过线缆24与多通道信号采集与发送装置7连接,所述多通道信号采集与发送装置与多通道信号接收装置8为有线或无线连接,多通道信号接收装置8与计算机系统10为有线连接。0051多通道信号采集与发送装置7的信号采样率不低于3000HZ,且能够采集全频段通道信号。00522个流量传感器16,2。

29、0和1个压力传感器22分别测量不同时刻各测点流量信号和压力信号。流量信号和立管压力信号的变化蕴含着丰富的井下故障状态信息。本发明的油气井井下故障诊断系统的诊断方法,包括以下步骤0053步骤S1钻井液入口流量传感器20、钻井液出口流量传感器16和压力传感器22采集得到在不同时刻钻井泵入口流量信号、出口流量信号和立管压力信号。0054步骤S2多通道信号采集与发送装置7将钻井泵入口流量信号、出口流量信号和立管压力信号进行采集、放大与滤波处理。0055步骤S3多通道信号采集与发送装置7以无线或有线的方式传送采集得到的流量与压力信号。0056步骤S4多通道信号接收装置8接收来自多通道信号采集与发送装置7。

30、发送的数说明书CN104453842A117/9页12据。0057步骤S5计算机系统10接收到来自多通道信号接收装置8的多通道流量信号和压力信号。0058步骤S6利用采集获得的压力与流量信号,进行井下管柱刺漏、井漏和井涌的预测预报,具体处理流程如下步骤S61S650059步骤S61利用采集获得的压力和流量数据,预处理得到一定时间间隔011S的压力值和流量值,并且记为钻井液入口流量QI、出口流量QO和立管压力PL;数据的预处理包括删除异点、过滤、求平均等。0060在保持出口流量和入口流量不变的情况下从工程的观点来看,出口流量和入口流量不变是指出口流量和入口流量不变或者其变化在允许的波动范围内,立。

31、管压力PL与钻头所在深度L之间采用线性关系进行回归处理,即0061PLALB10062式中,PL立管压力,单位为MPA;L井深,单位为M;A、B均为常系数,A、B实测立管压力的预处理数据随井深L变化进行线性回归处理获得;0063获得式1的系数A和B后,再从联立方程2中,计算得到常数B与C00640065式中,L1、L2、L3、L4、LDC、LDP分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆长度,单位为M;D1、D2、D3、D4、DDC、DDC分别为高压管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤和钻杆的内径,单位为CM;DH、DDC、DDP分别为井眼、钻铤和钻杆外径,单位为CM;A0钻头当量喷嘴面积,。

32、单位为CM2;Q工况正常时的入口流量或出口流量,单位为L/S;BB与内管路状态有关的系数;对于贯眼接头和环形空间,BB0575;对于内平式接头,BB0517;C喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关,C的值总是小于1;对于流线型喷嘴,C098。0066一般情况下,B在17518范围内取值。如果取B18,则式2可以简化为0067说明书CN104453842A128/9页130068步骤S62对钻井液入口流量QI和出口流量QO进行比较,在其他条件不变的情况下,如果QIQO且立管压力服从式1的变化,则判别为钻井工况正常;否则,若QIQO且立管压力突然上升或发生憋泵,则判别为钻头堵水眼;若管路循环流量波动。

33、异常,且泵压不稳或憋泵,则判别为环空异常或井壁坍塌;若QIQO且立管压力出现明显的下降,假定由原来的正常压力下降为PL1,则判别为管柱刺漏;转入小流量QI2循环,测量此时对应的立管压力PL2,进而开展管柱刺漏的识别与诊断。0069步骤S63利用下式4进行管柱刺漏的识别与诊断00700071式中,KB钻头压降系数,0072QI、QI2不同时段的钻井液入口流量,L/S;0073刺漏裂缝的流量系数,可近似取值为062;0074Q1、Q2不同流量下对应的刺漏点以下管柱内外钻井液流量,L/S;0075A刺漏裂缝面积,CM2;0076KF1、KF2刺漏点以上及漏点以下钻杆内外和钻铤内外的管路压力损耗系数,。

34、根据漏点位置确定。例如,若漏点在钻杆内,则有007700780079在式4中,四个方程,LS为刺漏点井深,KF1、KF2以刺漏点为分界线,未知量为LS、A或A、Q1、Q2,也是四个,有唯一解。因此,求解式4联立方程,可以得到刺漏点深度LS及刺漏面积A。0080步骤S64在钻进过程中,若钻井液入口流量QI大于出口流量QO,且超阀值,出口流量减少或者井口没有钻井液返出、钻井液液位下降,就可能是井漏;通过下面的步骤进行井漏的识别与诊断。0081假定发生井漏时,钻井液入口流量为QI;根据井口有没有钻井液返出,分别进行相应的处理若有钻井液返出,钻井液出口流量是QO;否则令QO0;0082步骤S65测定发。

35、现井漏后的立管压力PL,并进行如下的判断00831按照下式计算PL、PL“说明书CN104453842A139/9页140084008500862若PLPL,表明漏失点在钻头的下部;0087若PLPLPL“,表明漏失点在钻铤段内,按式6确定井漏位置L1;0088若PLPL“,表明漏失点在钻杆段内,按式7确定井漏位置L1;008900900091步骤S66若钻井液出口流量QO大于入口流量QI,且超过阀值时,则判断为井涌。0092步骤S7井下故障诊断结果的显示与报警。0093以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术。说明书CN104453842A141/2页15图1说明书附图CN104453842A152/2页16图2说明书附图CN104453842A16。

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