一種在充氣鉆井條件下使用泥漿脈沖傳輸井下信號(hào)的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在充氣鉆井條件下使用泥漿脈沖傳輸井下信號(hào)的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在勘探、開采石油與天然氣的鉆井過程中，經(jīng)常需要將井下的某些傳感器測(cè)得的 工程參數(shù)傳遞到地面，例如：1、控壓鉆井中井下實(shí)測(cè)的壓力和溫度。2、定向井、水平井等軌 跡控制鉆井中井下實(shí)測(cè)的井斜角、方位角、工具面角等。3、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井中井下實(shí)測(cè)的伽 馬、中子、電阻率等。有時(shí)也會(huì)遇到將地面信號(hào)傳輸?shù)骄碌男枨螅纾洪]環(huán)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的 軌跡控制中，將地面調(diào)整指令發(fā)送到井下，改變井下造斜工具的姿態(tài)參數(shù)，以期達(dá)到改變井 眼軌跡的目的。
[0003] 常規(guī)鉆井條件下鉆井液為液體，此時(shí)傳輸井下信號(hào)最常用的方法是"脈沖信號(hào)發(fā) 生器"，它通過控制裝在鉆柱內(nèi)的井下閥開度的大小，產(chǎn)生鉆井液中的壓力脈沖，此壓力脈 沖沿鉆柱內(nèi)液體向上傳輸，到達(dá)地面后被監(jiān)測(cè)傳感器記錄。井下測(cè)量的參數(shù)變成編碼，以壓 力波形式傳遞到地面，被接收之后解釋出井下參數(shù)。這種傳輸技術(shù)被稱之為"泥漿脈沖傳 輸"（MWD--Measurement While Drilling)，是目前世界最廣泛成功應(yīng)用的主力技術(shù)。
[0004] 然而，某些特殊情況下，人們必須向鉆井液內(nèi)注氣，地面的氣液兩相流體通過鉆柱 流至井底，由井底通過環(huán)空返至地面。此種情況下，鉆柱內(nèi)向下流動(dòng)的不是液體，而是氣液 混合流體。在這種情況下，由于壓力波在含氣流體中的衰減和畸變，井下脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的 壓力波不能傳輸?shù)降孛?，地面監(jiān)測(cè)傳感器接收不到有效信號(hào)，壓力脈沖信號(hào)傳輸技術(shù)在此 種條件下完全失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在通過鉆桿向井內(nèi)環(huán)空充氣的 充氣鉆井條件下，在常規(guī)壓力脈沖儀器傳輸?shù)募夹g(shù)條件下，既能連續(xù)間斷傳輸井下信號(hào)，又 能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的階段注氣的充氣鉆井作業(yè)的在充氣鉆井條件下使用泥漿脈沖傳輸井下信號(hào) 的裝置及方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種在充氣鉆井條件下使用泥漿脈 沖傳輸井下信號(hào)的裝置，包括鉆井液輸送組件、注氣組件、氣液混合器、鉆井組件和返出分 離組件；
[0007] 鉆井液輸送組件包括泥漿罐和泥漿泵，泥漿罐通過泥漿泵與氣液混合器的一個(gè)入 口相連；注氣組件包括空壓機(jī)，空壓機(jī)通過注氣管線與氣液混合器的另一個(gè)入口連接；
[0008] 鉆井組件包括壓力脈沖發(fā)生器、鉆柱、井筒、返出口和水龍頭，返出口設(shè)置于井筒 的頂部，壓力脈沖發(fā)生器設(shè)置于鉆柱的底部，水龍頭設(shè)置于鉆柱的頂部，水龍頭通過立管和 高壓注入管線與氣液混合器的出口相連；
[0009] 返出分離組件通過返出管線與返出口相連；
[0010] 還包括信號(hào)接收傳感器和注氣流量自動(dòng)控制單元，信號(hào)接收傳感器設(shè)置在立管 上；注氣流量自動(dòng)控制單元包括注氣流量控制閥、控制器和排放氣量流量計(jì)，注氣流量控制 閥和排放氣量流量計(jì)分別連接于注氣管線與地面大氣環(huán)境之間，注氣流量控制閥與控制器 的控制信號(hào)輸出端相連，信號(hào)接收傳感器與控制器的采樣信號(hào)輸入端連接。
[0011] 所述的氣液混合器靠近鉆臺(tái)及水龍頭設(shè)置。
[0012] 所述的控制器上設(shè)置有最小注氣量計(jì)算模塊，用于計(jì)算信號(hào)接收傳感器能夠正常 接收壓力脈沖信號(hào)的臨界注氣量。
[0013] 所述的控制器上設(shè)置有計(jì)時(shí)模塊，用于計(jì)算信號(hào)接收傳感器接收一組完整參數(shù)所 需的最短時(shí)間。
[0014] 所述的控制器上設(shè)置有最短切換時(shí)間計(jì)算模塊，用于根據(jù)最大注氣量條件下的壓 力脈沖信號(hào)傳輸距離計(jì)算最短切換時(shí)間。
[0015] -種在充氣鉆井條件下使用泥漿脈沖傳輸井下信號(hào)的方法，包括以下步驟：
[0016] Sl :確定信號(hào)接收傳感器能夠正常接收壓力脈沖信號(hào)的臨界注氣量即最小注氣量 Q最?。?br>[0017] 完全打開注氣流量控制閥，注氣量從零開始；逐漸減小注氣流量控制閥的開度，增 加注氣量并穩(wěn)定循環(huán)一周，信號(hào)接收傳感器連續(xù)讀取井下壓力脈沖信號(hào)，直到信號(hào)接收傳 感器接收不到壓力脈沖信號(hào)為止，該臨界時(shí)刻的注氣量即為最小注氣量Q^、；
[0018] S2 :確定信號(hào)接收傳感器接收一組完整參數(shù)所需的最短時(shí)間:
[0019] 在最小注氣量、的條件下循環(huán)，記錄信號(hào)接收傳感器接收到的壓力脈沖信號(hào)， 由讀取的壓力脈沖信號(hào)判斷讀取一組完整參數(shù)所需的最短時(shí)間;
[0020] S3 :確定最大注氣量條件下壓力脈沖信號(hào)的傳輸距離，進(jìn)而確定所需的最短 切換時(shí)間:
[0021] 完全關(guān)閉注氣流量控制閥，達(dá)到最大注氣量，循環(huán)滿一周，此時(shí)地面的信號(hào)接 收傳感器接收不到有效的壓力脈沖信號(hào)，在井內(nèi)的壓力脈沖信號(hào)只能從井底向上傳輸?shù)骄?內(nèi)某個(gè)高度位置，該位置向下能夠接收到壓力脈沖信號(hào)，向上則接收不到；
[0022] 將注氣量由最大注氣量切換到最小注氣量，隔一段時(shí)間后信號(hào)接收傳感 器重新接收到有效的壓力脈沖信號(hào)，該段時(shí)間即為由最大注氣量切換到最小注氣量后能夠 有效接收到壓力脈沖信號(hào)的最短時(shí)間;
[0023] 計(jì)算氣液混合流體的體積、流量，并根據(jù)管道內(nèi)徑計(jì)算移動(dòng)距離，從而得到最大注 氣量條件下壓力脈沖信號(hào)的最大傳輸距離；
[0024] S4 :校準(zhǔn)該鉆井條件下的注氣流量控制閥：
[0025] 在最大注氣量條件下，注氣流量控制閥完全關(guān)閉；
[0026] 微調(diào)注氣流量控制閥的開度，使注入井內(nèi)氣量為最小注氣量、時(shí)，排放氣量為Q -Q^、，與排放氣量流量計(jì)的讀數(shù)保持一致；
[0027] S5 :交替注氣施工：
[0028] 計(jì)算最小注氣量Q4小的注入持續(xù)時(shí)間1:4小=1:切換+t接收；
[0029] 在持續(xù)以最大注氣量注氣時(shí)間后，以最小注氣量、注氣、時(shí)間完成 一個(gè)交替周期，以此反復(fù)。
[0030] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明操作者可以現(xiàn)場(chǎng)確定可有效傳輸壓力脈沖信號(hào)的極 限注氣量、最大注氣量條件下的脈沖信號(hào)可達(dá)深度、有效讀取井下參數(shù)的最短時(shí)間；由脈沖 信號(hào)可達(dá)深度、有效讀取參數(shù)最短時(shí)間，確定在極限注氣量條件下傳輸一組完整參數(shù)的時(shí) 間。然后通過配套裝置的自動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)最大注氣量和極限（最?。┳饬康姆謺r(shí)段間 隔注氣，在最小注氣量時(shí)段有效傳輸信號(hào)，在最大注氣量時(shí)段放棄傳輸信號(hào)、保障井內(nèi)壓力 控制所需的注氣體積。利用本發(fā)明，既實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的階段注氣的充氣鉆井作業(yè)，又實(shí)現(xiàn)了連 續(xù)間隔式傳輸井下信號(hào)的需求。最短信號(hào)傳輸間隔可以做到每10分鐘一組，該采樣密度可 以滿足一般地質(zhì)導(dǎo)向鉆井和軌跡控制鉆井的要求。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明間隔注氣注氣量-時(shí)間關(guān)系圖；
[0033] 圖中，1-噴嘴，2-鉆頭，3-傳感器，4-壓力脈沖發(fā)生器，5-鉆柱，6-環(huán)空，7-井筒， 8-返出口，9-井口組合，10-水龍頭，11-立管，12-信號(hào)接收傳感器，13-氣液混合器，14-注 氣流量控制閥，15-控制器，16-排放氣量流量計(jì)，17-注氣流量自動(dòng)控制單元，18-地面大氣 環(huán)境，19-空壓機(jī)，20-泥漿泵，21-泥漿罐，22-鉆井液，23-氣液固三相分離器，24-氣相， 25-液相，26-固相，27-液相輸送泵，28-高壓注入管線，29-鉆臺(tái)，30-返出管線。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于 以下所述。
[0035] 通過理論研宄、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，我們找到并驗(yàn)證了 2條重要的客觀發(fā)現(xiàn)：1、 充氣鉆井條件下，井下壓力脈沖信號(hào)是否能傳遞到地面，與鉆井過程中的充氣量直接相關(guān)： 一定鉆井條件下，存在一個(gè)極限充氣量。在小于此極限充氣量的條件下，壓力脈沖信號(hào)可以 傳遞到地面；反之，在大于此極限充氣量的條件下，壓力脈沖信號(hào)不可以傳遞到地面。在常 見鉆井條件下該極限注氣量的范圍為6~10m 3/min。2、在較大充氣量條件下，雖然井下壓 力脈沖信號(hào)不能傳遞到地面，但并非在整個(gè)鉆柱內(nèi)都沒有有效信號(hào)，而只是在上部一小段 井段內(nèi)沒有有效信號(hào)。也就是說，在較大充氣量條件下，井下壓力脈沖信號(hào)向上傳輸，并沿 傳輸路程衰減，直到達(dá)到某點(diǎn)時(shí)，信號(hào)能量衰減至背景噪聲的能量水平，信號(hào)消失。在常見 鉆井條件下，這個(gè)信號(hào)消失的深度在距地面200至500米之間。
[0036] 如圖1所示，一種在充氣鉆井條件下使用泥漿脈沖傳輸井下信號(hào)的裝置，包括鉆 井液輸送組件、注氣組件、氣液混合器13、鉆井組件和返出分離組件；
[0037] 鉆井液輸送組件包括泥漿罐21和泥漿泵20，鉆井液22置于泥漿罐21內(nèi)，泥漿罐 21通過泥漿泵20與氣液混合器13的一個(gè)入口相連；注氣組件包括空壓機(jī)19,空壓機(jī)19通 過注氣管線與氣液混合器13的另一個(gè)入口連接；
[0038] 鉆井組件包括鉆頭2、傳感器3、壓力脈沖發(fā)生器4、鉆柱5、環(huán)空6、井筒7、返出口 8、井口組合9和水龍頭10。鉆頭2上安裝有合適的噴嘴1，盡量提高注入壓力，一方面有助 于鉆井的高效破巖，另一方面可以大幅度提高最大注氣量下壓力脈沖信號(hào)的可達(dá)深度。盡 量選用大功率的井下壓力脈沖發(fā)生器4,有助于提高壓力脈沖信號(hào)的傳輸距離。
[0039] 傳感器3設(shè)置于壓力脈沖發(fā)生器4下方且與壓力脈沖發(fā)生器4電連接，鉆柱5與 井筒7之間形成環(huán)空6。返出口 8和井口組合9設(shè)置于井筒7的頂部，壓力脈沖發(fā)生器4設(shè) 置于鉆柱5的底部，水龍頭10設(shè)置于鉆柱5的頂部，水龍頭10通過立管11和高壓注入管 線28與氣液混合器13的出口相連；
[0040] 返出分離組件通過返出管線30與返出口 8相連；返出分離組件包括氣液固三相分 離器23和液相輸送泵27,返出口 8通過返出管線30與氣液固三相分離器23的入口連接， 氣液固三相分離器23的液相25的出口通過液相輸送泵27與泥漿罐21相連，氣相24和固 相26分別從氣液固三相分離器23排出；
[0041] 在充氣鉆井條件下使用泥漿脈沖傳輸井下信號(hào)的裝置還包括信號(hào)接收傳感器12 和注氣流量自動(dòng)控制單元17,信號(hào)接收傳感器12設(shè)置在立管11上；注氣流量自動(dòng)控制單 元17包括注氣流量