本發明涉及石油天然氣領域，一種用于控壓鉆井中實時監測井漏的系統和方法，實現了井漏時自動報警，并預測井漏層位的目的。

背景技術：

井漏是一種在鉆井過程中鉆井液漏失到地層中的現象。一方面它是鉆井過程中常見的井下復雜情況之一，同時也是鉆井過程中長期存在但也難以解決的技術問題。在鉆井現場，井漏的發生會浪費大量的有效鉆進時間，甚至導致井眼報廢，造成巨大的經濟損失。

井漏一旦發生，不僅需要及時預警、快速反應，還需要進行堵漏作業。雖然目前的堵漏技術不斷地發展和改進，但堵漏作業仍然面臨著較高的風險，存在較大的失敗概率。究其原因，主要是井漏層位判斷不準等因素導致。因此，有必要發明一種既能實時監測、及時發現井漏并預警，還能夠準確判斷出具體井漏層位的井漏監測系統和方法，為鉆井現場提供支持。

目前廣泛使用的方法是水動力學測和井下儀器測試方法。水動力學法的測量精度受井徑、鉆具、鉆井液流量等多種參數的影響，存在一定誤差，結果不準確，只能確定一個較大的范圍。儀器測試法目前主要是利用井內流體的各種物理特性進行測量的，如流速、溫度等。這類測量方法相對精確，但測量井段長，耗時長，效率低，單一方法應用容易受不同地質條件的局限。目前漏層位置測量技術的缺少地面和井下方法的綜合性、系統化研究與應用，缺乏多種技術相互組合、相互補充的一體化方法。

如申請號為CN201520899414.2的中國專利，提供了一種井涌井漏監測裝置，涉及鉆井參數檢測技術領域，包括數據采集裝置、轉換電路和數據處理器，所述數據采集裝置包括安裝在入口管線上的鉆井液入口流量傳感器、安裝在鉆井液出口管線上的鉆井液出口流量傳感器和鉆井參數儀，鉆井液入口流量傳感器和鉆井液出口流量傳感器均與轉換電路相連，轉換電路和鉆井參數儀均與數據處理器相連。該專利將鉆井液出入口流量竭澤而漁鉆井參數儀提供的井深、大鉤負荷、立管壓力等信息結合進行綜合判斷，雖然能夠在鉆井過程中預報溢流井漏的情況，但是存在無法準確判斷出具體井漏層位的缺陷。再如申請號為201410501685.8的中國專利，提供了一種溢流和井漏監測系統及其監測方法，包括監測罐、液位計、調節閥、截止閥、泵沖傳感器、灌漿泵、鉆井液池和監測控制報警裝置。監測罐通過隔板分割為主、副腔室，并在其上設置液位計和不同的管口與井口裝置、灌漿泵、鉆井液池建立連接，液位計、泵沖傳感器和調節閥與監測控制報警裝置連接，控制調節閥的開關、灌漿泵的啟停并對溢流井漏進行實時監測和預警。該發明在井筒內鉆井液循環過程中，通過副腔室內液位變化速度的快慢，通過判斷井筒內返出流量的變化情況預測溢流和井漏，受起下鉆過程中井筒液位和監測罐很截面積影響較大，操作復雜，精確度較低，且不能準確判斷出具體井漏層位。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是針對現有技術存在的瓶頸，提供一種在現場控壓鉆井施工過程中能夠自動監測、快速反應、及時預警的井漏實時監測系統和方法，盡可能地節約事故處理時間，為現場鉆井工程師提供有價值的井下信息，最大限度減少井漏等復雜情況帶來的經濟損失。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種用于控壓鉆井的井漏實時檢測系統，包括信號搜集預處理模塊、信號智能判別模塊和漏層指示與預警模塊，所述信號搜集預處理模塊包括流量傳感器、前置放大器a、整形放大器、AD轉換器a、立管壓力傳感器、前置放大器b、帶通濾波器、AD轉換器b，所述信號智能判別模塊包括單片機，所述漏層指示與預警模塊包括功率放大器、聲光信號裝置和電腦。

優選的是，所述信號搜集預處理模塊分為兩個支路，支路一，流量傳感器安裝在鉆井液返出管線，并與前置放大器a連接，前置放大器a與整形放大器連接，整形放大器與AD轉換器a連接；支路二，立管壓力傳感器安裝在立管處，與前置放大器b連接，前置放大器b與帶通濾波器連接，帶通濾波器與AD轉換器b連接。

上述任一方案優選的是，所述AD轉換器a和AD轉換器b分別通過輸入端口與單片機連接。

上述任一方案優選的是，所述單片機輸出端口一個分支與電腦連接，輸出漏層計算結果并即時顯示，另一分支與功率放大器連接，功率放大器將信號增強之后，傳輸給聲光信號裝置發出井漏預警。

上述任一方案優選的是，所述流量傳感器包括渦輪流量傳感器、節流式流量傳感器、轉子流量傳感器、超聲波流量傳感器，用于測量鉆井液返出流量，產生流量信號。

上述任一方案優選的是，所述前置放大器a用于接收流量監測信號并進行增益放大。

上述任一方案優選的是，所述整形放大器用于對流量信號進行整形預處理，并將信號波形進一步放大。

上述任一方案優選的是，所述AD轉換器a可以將流量信號的模擬信號轉換為數字信號。

上述任一方案優選的是，所述立管壓力傳感器可以實時監測立管壓力變化情況，產生立管壓力信號。

上述任一方案優選的是，所述前置放大器b可以將壓力信號進行增益放大，提高信噪比并減少外界干擾，再傳送給帶通濾波器。

上述任一方案優選的是，所述帶通濾波器可以對壓力信號進行濾波預處理，降噪之后的信號進一步傳送給AD轉換器b。

上述任一方案優選的是，AD轉換器b可以將壓力信號的模擬信號轉化為數字信號。

上述任一方案優選的是，所述單片機可以對數字信號進行處理，編寫MCU程序對井漏信號進行智能計算與分析。

上述任一方案優選的是，在正常情況下，所述單片機對流量信號和壓力信號進行實時監測并記錄，將數據儲存于電腦中；發生井漏情況下，流量顯著降低，所述單片機發出預警信號，通過功率放大器放大之后，傳遞給聲光信號裝置，發出警報，同時，單片機對記錄的流量信號和壓力信號進行分析，提取出兩種信號中發生井漏的特征點，根據兩個特征點所對應的時刻求取時間差，最終根據井漏層位預測模型給出井漏深度，并通過電腦即時顯示。

上述任一方案優選的是，所述的壓力信號和流量信號，其儲存文件的數據類型包括時間點、壓力值、流量值。

一種井漏層位預測模型，包括流體在環空中的上返時間計算、立管壓力響應時間計算、漏層位置計算。

1)流體在環空中的上返時間

井漏前入口和出口流量均為Q，井漏后出口流量減小為Q₁，井筒環空截面積為A，環空上返速度滿足：

流體在環空中上返時間為：

其中，h為漏層位置的井深；

2)立管壓力響應時間

井漏一旦發生，井底的壓力降低，最終導致立管壓力下降，假設壓力降在環空和鉆桿內分別以v_p1和v_p2的速度傳播，則井漏之后立管壓力的響應時間滿足：

其中，H為已鉆總井深；

3)漏層位置計算

由于井漏發生之后，立管壓力響應時間和流體上返時間存在差異，因此根據二者的時間差Δt確定漏層深度；

時間差的計算式為：

漏層位置可表示為：

優選的是，壓力降傳播速度測量方法步驟如下：

①在某一開次的正常鉆進過程中，當井深達到H₁處時，利用控壓鉆井裝置的回壓泵人為施加井口回壓Δp，并開始計時，當立管壓力升高至穩定狀態后，停止計時，得到響應時間Δt₁；

②繼續鉆進，當井深分別達到H₂和H₃處時，分別重復步驟①操作，求得響應時間Δt₂和Δt₃，得到：

聯立式(6)和式(7)，得到第一組壓力降傳播速度和聯立式(7)和式(8)，得到第二組壓力降傳播速度和當兩組測量速度之間的誤差小于10％時，認為測量值準確，即：

其中e₁、e₂為誤差值；若測量值不滿足式(9)和(10)，則重復步驟①和步驟②的操作，繼續測量。

本發明技術方案的優點在于，作為一種地面和井下結合的綜合性、系統化監測系統，利用各類傳感器采集井下信息，包括流體上返時間和立管壓力響應時間等，通過地面設備計算漏層位置，自動完成數據處理和分析，實時監測井漏情況，即時給出漏層深度，特別是能測出不在井底的漏層位置，具有智能、高效、可靠的特點，較之那些只能監測井底漏失的系統更勝一籌。

附圖說明

圖1為按照本發明的控壓鉆井的井漏實時檢測系統一優選實施例的結構示意圖；

圖2為按照本發明的控壓鉆井的井漏實時檢測系統一優選實施例的井漏發生前井筒流量變化示意圖；

圖3為按照本發明的控壓鉆井的井漏實時檢測系統一優選實施例的井漏發生后井筒流量變化示意圖；

圖4為按照本發明的控壓鉆井的井漏實時檢測系統壓力降傳播速度測量方法一優選實施例的流程圖。

圖示說明：

1-流量傳感器、2-前置放大器a、3-整形放大器、4-AD轉換器a、5-立管壓力傳感器、6-前置放大器b、7-帶通濾波器、8-AD轉換器b、9-單片機、10-功率放大器、11-聲光信號裝置、12-電腦。

具體實施方式

為了更進一步了解本發明的發明內容，下面將結合具體實施例對本發明作更為詳細的描述，實施例只對本發明具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本領域技術人員在本發明的基礎上作出的非實質性修改，都應屬于本發明保護的范圍。

實施例1

如圖1所示，一種用于控壓鉆井的井漏實時檢測系統，包括信號搜集預處理模塊、信號智能判別模塊和漏層指示與預警模塊，所述信號搜集預處理模塊包括流量傳感器1、前置放大器a2、整形放大器3、AD轉換器a4、立管壓力傳感器5、前置放大器b6、帶通濾波器7、AD轉換器b8，所述信號智能判別模塊包括單片機9，所述漏層指示與預警模塊包括功率放大器10、聲光信號裝置11和電腦12。

在本實施例中，所述信號搜集預處理模塊分為兩個支路，支路一，流量傳感器1安裝在鉆井液返出管線，并與前置放大器a2連接，前置放大器a2與整形放大器3連接，整形放大器3與AD轉換器a4連接；支路二，立管壓力傳感器5安裝在立管處，與前置放大器b6連接，前置放大器b6與帶通濾波器7連接，帶通濾波器7與AD轉換器b8連接。

在本實施例中，所述AD轉換器a4和AD轉換器b8分別通過輸入端口與單片機9連接。

在本實施例中，所述單片機9輸出端口一個分支與電腦12連接，輸出漏層計算結果并即時顯示，另一分支與功率放大器10連接，功率放大器10將信號增強之后，傳輸給聲光信號裝置11發出井漏預警。

在本實施例中，所述流量傳感器優選了超聲波流量傳感器，用于測量鉆井液返出流量，產生流量信號。

在本實施例中，所述前置放大器a2用于接收流量監測信號并進行增益放大。

在本實施例中，所述整形放大器3用于對流量信號進行整形預處理，并將信號波形進一步放大。

在本實施例中，所述AD轉換器a4可以將流量信號的模擬信號轉換為數字信號。

在本實施例中，所述立管壓力傳感器5可以實時監測立管壓力變化情況，產生立管壓力信號。

在本實施例中，所述前置放大器b6可以將壓力信號進行增益放大，提高信噪比并減少外界干擾，再傳送給帶通濾波器7。

在本實施例中，所述帶通濾波器7可以對壓力信號進行濾波預處理，降噪之后的信號進一步傳送給AD轉換器b8。

在本實施例中，AD轉換器b8可以將壓力信號的模擬信號轉化為數字信號。

在本實施例中，所述單片機9可以對數字信號進行處理，編寫MCU程序對井漏信號進行智能計算與分析。

在本實施例中，所述的壓力信號和流量信號，其儲存文件的數據類型包括時間點、壓力值、流量值。

如圖2所示，在本實施例中，井口的入口流量為Q，在未發生井漏的正常鉆進情況下，出口流量也為Q。

如圖3所示，在本實施例中，一旦發生井漏，漏層的漏失流量為Q₂，出口流量降低為Q₁，滿足Q＝Q₁+Q₂。與此同時井底壓力降低，立管壓力也隨之降低。

在本實施例中，立管壓力由立管壓力傳感器5實時測量，壓力信號由前置放大器b6進行增益放大，提高信噪比并減少外界干擾，再傳送給帶通濾波器7進行濾波處理，降噪之后的信號進一步傳送給AD轉換器b8，將模擬信號轉化為數字信號，最終由輸入接口端傳遞給單片機9進行分析。

在本實施例中，流量傳感器1實時監測鉆井液返出流量，流量監測信號通過前置放大器a2增益放大之后，傳遞給整形放大器3對信號進行整形預處理，并將信號波形進一步放大，通過AD轉換器a4將模擬信號轉化為數字信號，由輸入接口端傳遞給單片機9。

在本實施例中，未發生井漏時，優選的單片機9對流量信號和壓力信號進行實時監測并記錄，將數據儲存于電腦12中。井漏發生時，一旦發現流量顯著降低，單片機9發出預警信號，通過功率放大器10放大之后，傳遞給聲光信號裝置11，發出警報。同時，單片機9對記錄的流量信號和壓力信號進行分析，提取出兩種信號中發生井漏的特征點，根據兩個特征點所對應的時刻求取時間差Δt，最終根據井漏層位預測模型給出井漏深度，并通過電腦12即時顯示。

如圖4所示，一種壓力降傳播速度測量方法的實施步驟為：正常鉆進到某個井深H_i(i＝1，2，3，……)處時，保持工況不變，調節回壓泵的節流閥開度，額外施加井口回壓Δp，且須保證施加回壓Δp后不壓漏裸眼井段薄弱地層。回壓施加完畢后的時刻記錄為起始時間。監測立管壓力傳感器5，記錄壓力值和對應時間。當立管壓力升高至穩定狀態后，停止計時，壓力從升高到穩定的時間拐點記錄為結束時間。根據起始時間和結束時間，計算時間差Δt_i(i＝1，2，3，……)。測量三組不同井深處的數據之后，根據公式：

聯立式(6)和式(7)，得到第一組壓力降傳播速度和聯立式(7)和式(8)，得到第二組壓力降傳播速度和當兩組測量速度之間的誤差小于10％時，認為測量值準確，即：

計算和e_i，若誤差不滿足要求，重復上述操作繼續測量，直到誤差值滿足。

本實施例利用各類傳感器采集井下信息，自動完成數據處理和分析，實時監測井漏情況，即時給出漏層深度，特別是能測出不在井底的漏層位置，具有智能、高效、可靠的特點，較之那些只能監測井底漏失的系統更勝一籌。

盡管具體地參考其優選實施例來示出并描述了本發明，但本領域的技術人員可以理解，可以作出形式和細節上的各種改變而不脫離所附權利要求書中所述的本發明的范圍。以上結合本發明的具體實施例做了詳細描述，但并非是對本發明的限制。凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改，均仍屬于本發明技術方案的范圍。