深海鉆井甲烷氣侵超聲波檢測理論與方法研究.pdf

1、氣侵檢測是石油鉆井安全中的一個(gè)重要組成部分，也是當(dāng)前石油天然氣開采井控安全研究領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)氣侵檢測方法基于井口鉆井液流速變化，檢測結(jié)果延遲性較高；而基于井下參數(shù)的最新氣侵檢測方法則需要對舊的鉆井工藝設(shè)備進(jìn)行更新，成本較高，難以快速應(yīng)用。針對深海鉆井，在泥線處通過非介入式流量計(jì)進(jìn)行氣侵檢測的方法是目前成本較低，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的一種可行方案。本文在此基礎(chǔ)上，對泥線處使用超聲波進(jìn)行非侵入式氣侵檢測的理論及方法進(jìn)行了全面研究。根據(jù)研究層

2、次的不同，本文主要包括氣侵檢測理論方法，檢測應(yīng)用方案以及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面。
　　在檢測理論方法上，本文提出基于連續(xù)型超聲波流速，空隙率以及氣侵檢測的一套完整的理論及方法。首先根據(jù)氣侵模型，垂直管道內(nèi)氣液多相流以及超聲波相關(guān)理論，對連續(xù)超聲波在環(huán)空管內(nèi)泥漿與甲烷多相流中的傳播特性，反射特性，多普勒效應(yīng)等進(jìn)行了分析。然后根據(jù)波形轉(zhuǎn)換理論以及板波相關(guān)理論，從理論上推導(dǎo)了環(huán)空管管內(nèi)泥漿中反射體反射的超聲波信號能夠在入射管壁時(shí)生成板波，并且

3、板波的幅度與反射超聲波入射角度相關(guān)。基于這些理論分析的結(jié)果，結(jié)合不同流型狀態(tài)下氣泡分布，流體中質(zhì)點(diǎn)速度分量分布，接收超聲波信號與超聲波入射，反射角度，距離，衰減特性等多方面因素構(gòu)建了一種基于均勻分布的連續(xù)超聲波反射模型。通過該模型將接收到的反射信號幅度，頻譜與環(huán)空管內(nèi)流體流速，空隙率，流型建立確定性關(guān)系，并推導(dǎo)出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。最后根據(jù)這些理論基礎(chǔ)，提出了一套基于板波檢測對深海鉆井過程中泥線處環(huán)空管內(nèi)泥漿及氣液兩相液的泥漿流速，空隙

4、率的超聲波檢測算法。同時(shí)提出了一個(gè)先利用流速，空隙率變化來對氣侵進(jìn)行初步判定，然后根據(jù)接收信號頻譜形狀識別流型變化來進(jìn)行氣侵檢測的兩級氣侵預(yù)警檢測方法。最后通過泥漿中的固相巖石碎屑與氣泡在超聲波反射特性，密度，形變特性上的不同進(jìn)行了總結(jié)，對固相與氣相進(jìn)行區(qū)分的可行性進(jìn)行了分析，提出以基于氣泡與固相顆粒在形變特性上的區(qū)別，從而通過流型變化來進(jìn)行區(qū)分的檢測方法。
　　在檢測應(yīng)用方案上，提出了分別基于單檢測設(shè)備以及多檢測設(shè)備的一套完整的

5、氣侵檢測綜合應(yīng)用方案。該方案包括了檢測裝置安裝方法，通信方式，氣侵分級報(bào)警檢測算法，硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)等各個(gè)方面。其中氣侵分級檢測算法綜合了流速，空隙率以及流體流型檢測三方面的檢測結(jié)果，并且在邏輯上依據(jù)氣侵過程對檢測結(jié)果進(jìn)行了分級驗(yàn)證。通過不同的報(bào)警級別，將檢測算法在實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性上進(jìn)行了很好地平衡。
　　在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，本文設(shè)計(jì)了清水以及泥漿兩套氣侵模擬實(shí)驗(yàn)平臺。其中清水實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)有透明觀察窗口，用于對本文所提出的基礎(chǔ)理論與方

6、法進(jìn)行了驗(yàn)證。在清水實(shí)驗(yàn)平臺中，本文設(shè)計(jì)了空管實(shí)驗(yàn)，檢測位置以及塑料小球等實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了板波的存在性，以及其頻譜與管內(nèi)流體中反射體速度，大小之間的確定性關(guān)系。同時(shí)也間接驗(yàn)證了本文所提出的檢測模型的正確性。而泥漿模擬實(shí)驗(yàn)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)定量加氣以及壓力的精確控制。在泥漿實(shí)驗(yàn)平臺上本文設(shè)計(jì)了流速實(shí)驗(yàn)，空隙率實(shí)驗(yàn)，以及對甲烷氣侵過程進(jìn)行模擬的溶解與析出實(shí)驗(yàn)。其中流速實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文所提出的流速檢測方法能夠?qū)δ酀{流速進(jìn)行精確檢測，測量結(jié)果與靶式流量

7、計(jì)（介入式）的最大相對誤差<10％，而空隙率實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示本文所提出的檢測方法能夠有效檢測空隙率在3%以上的氣侵情況。溶解與析出實(shí)驗(yàn)中首先向循環(huán)管道中流量定量天然氣，然而再通過精確的加壓與降壓控制，對氣侵過程中甲烷氣體在泥漿中溶解與析出，氣體體壓縮與膨脹過程進(jìn)行了真實(shí)的模擬。通過在模擬過程中，檢測信號的幅度以及流型變化對本文所提出的氣侵檢測方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。最后對本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)過程中的一些特殊現(xiàn)象進(jìn)行了闡述與說明，并對實(shí)驗(yàn)過程中所存在的