声波气侵检测技术.docx

3 声波气侵检测技术
3.1 声波气侵检测原理
1）气侵的途径和方式
气体进入井筒可能的途径和方式如下：
伴随岩石破碎进入井筒。钻进中，随着气层岩石的破碎，岩石孔隙中的气体进入钻井液。进入气量的体积与岩石孔隙度、天然饱和度、钻速、井径等因素有关。如果钻遇薄层气层，进入气体量少，而当钻进大段含气岩层，侵入钻井液的气量可能相当大，特别是钻到大裂缝或溶洞气藏，将会出现置换性的大量气体突然侵入，在井底积聚成气柱。
储集层中气体通过泥饼向井内扩散。扩散进入井筒的气体量主要取决于钻开气层的表面积、浓度差及泥饼性质。一般情况经过泥饼扩散进入井筒的气量并不大，但若由于井内压力激动等原因致使泥饼受到破坏，或停止循环时间太长，则扩散进入井内的气体量将会增加。
以上两种侵入途径都是在钻井液柱压力大于地层压力时，气体侵入井内钻井液中的情况。
当钻井液液柱压力小于地层压力时，气体由气层以气态或溶解状态大量的流入或渗入钻井液。这一般发生在起钻抽汲等原因降低了钻井液有效密度，同时又较长时间停止循环，这就可能在井底聚集大量气体形成气柱。
2）声波气侵检测原理
根据声波传播理论，声波在气液两相流中的传播速度大大低于在任何单一介质中的传播速度。当声波的传播介质为钻井液时，声波在纯钻井液中的传播速度达到每秒上千米，而在气侵后的钻井液中，即气液两相流中的传播速度却仅为每秒几十米。这样，当地层气体侵入井眼后，声波在含气钻井液中的传播特点与在纯钻井液中的传播相比发生了巨大变化，主要体现在以下两点不同：
接收波与发射波之间相位差的增大；
接收波波形的紊乱与漂移；
其变化程度主要受到钻井液含气率和两相流型的影响。
3.2 声波的发生方式
声波的产生有两种方式：泥浆泵压力波动和柴油机调速变流量技术。
泥浆泵压力波动产生声波
活塞式钻井泥浆泵工作时，由于压力的波动产生压力脉冲，即声波。这种压力脉冲顺着循环系统钻柱、井下动力钻具、随钻测试系统、钻头喷嘴，沿环空返至地面。泥浆泵压力波动产生声波就是利用泥浆泵在工作时产生的压力脉冲作为地面压力脉冲发生器。
柴油机调速变流量技术
这种方法是通过调节驱动泥浆泵的柴油机转速来产生流速波。其结构中，钻井数据采集装置的输出信号连接到计算机数据采集及控制装置的信号输入端，计算机数据采集及控制装置的输出信号连接到柴油机调速装置的输入端，调速装置与柴油机调速杆相连接。计算机给柴油机调速装置信号，通过调速装置改变柴油机转速，进而改变泥浆泵的流量，达到产生流速波的目的。
由流体力学可知，在泥浆泵压波动的同时，泵出的泥浆流速也在波动，并且泥浆泵压的波动与流速的波动具有同样的速度，但是，由于泥浆泵压波动的频率特性与钻井设备产生的干扰的频率特性非常接近，因此对于这类干扰信号非常难以滤除；反之，对于流速波动的检测是通过流量传感器来实现的，由于流速的变化的频率可以远远低于泥浆泵压的波动频率，所以钻井设备产生的干扰对流速波的影响非常小。
3.3 声波气侵检测系统
在立管入口处接传感器，作为发送信号传感器，在距返出管线以下装接收信号传感器，通过分析比较两个传感器接的信号，可以准确检测井下气侵情况。
传感器接收到的有用信号经常受到钻井现场的干扰影响，为此，硬件电路必须首先采用合理的滤波技术去除干扰，然后进行线性增益放大，最后将处理后的信号送到计算机进行采集处理，并配与开发的声波气侵检测软件。使用软件来判断气侵是否发生的技术是相移曲线法。
相移曲线法：从发射波到接受波有时间延迟，声波在含气钻井液中的传播速度比在纯钻井液中的要慢，因此气体侵入后环空管的含气段越长，则时间延迟越大，当然此延迟还受到含气段含气率与两相流型的影响。根据此原理，我们可以来检测是否有气体侵入。
3.4 声波气侵检测模型建立
气体侵入井眼后，在环空内将出现气液两相流。由于钻井液循环和气体滑脱上升使得环空中气液两相流段不断增加。根据气体侵入量的多少，环空中的气液两相流将呈现不同的流型。以钻井液为液相与以水为液相的气液两相流其流型之间过渡区差别相当大。
当含气率λ> 0.07时，钻井液为液相的气液两相流即可由泡状流向团块状流过渡。
当含气率λ> 0.19时，以水为液相的气液两相流才可由泡状流向团块状流过渡。
在井眼中下部，一般呈泡状流及团块状流。对于给定的井深、钻井液密度等条件，则：
Δt = t2 - t1
式中：t1为声波从钻头经钻杆传到井口处的时间；
t2为声波从钻头经环空传到井口处的时间；
Δt可以方便地被测到，其值大小与钻杆及环空内壁材料的弹性模量等因素有关。气侵后，假设钻柱内始终无气体存在；因此，当没有气侵时，Δt =t2-t1=0；当发生气侵时，Δt =t2-t1>0。我们希望通过Δt计算出环空中气侵情况，特别是想知道气侵高度及气体含量。
3.5声波气侵检测的优势及局限性
1）声波气侵检测的优势：
声波早期检测气侵能及早对气侵做出判断；
使事故处理在早期阶段，从而避免酿成大事故；
能及时检测气侵后处理效果，减少了损失和节约了钻井成本。
2）声波气侵检测的局限性：
泵压波作声波源的情况，此法局限于对波形可辨别的声信号的检测；
传感器接收到的有用信号受到钻井现场的干扰影响大；
在实际钻井中，现有的声波信号在传输过程中受施工参数影响过大，使得声波气侵检测精度受到影响。