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(hào)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)?；谶@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(hào)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(hào)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(hào)頻譜形狀識(shí)別流型變化來進(jìn)行氣侵檢測的兩級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)驗(yàn)證。通過不同的報(bào)警級(jí)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(tái)。其中清水實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(hào)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