本发明涉及钻井领域，特别是涉及一种井筒溢流检测系统及检测方法。
背景技术：
：钻井过程中，下钻产生激动压力、钻井液密度过低、地层压力异常等均会引起地层压力大于环空压力，造成地层气体侵入井底，发生气侵。在任何工况下，发生气侵时，环空与地层间存在负压差，若未及时检测到气侵并采取有效措施，随着气体向井口的运移，则会导致环空与地层间的负压差进一步增大，使气侵加剧，进一步恶化，容易诱发井喷等事故。常规情况下，气侵发生在井底或套管鞋处，但钻遇异常复杂地层时，气侵可能发生在裸眼段任何位置。从钻井安全角度考虑，气侵发现的越早越好，准确判断气侵位置，更有利于采取有效的措施抑止气侵，从根本上杜绝井喷事故的发生，保证钻井正常进行。目前，钻井现场已有多种气侵判断方法，如钻井液池液面检测法、dc指数法、页岩密度法、扭矩仪检测法、声波时差法、泵冲法等。最具典型的是声波时差法和泵冲法。其中，声波时差法的基本原理是，声波在含气钻井液中的传播速度与在不含气钻井液中的传播速度不同，未发生气侵时，声波在钻杆内钻井液中的传播速度与在环空内钻井液中的传播速度相等，发生气侵时，环空中的钻井液含有气体，井底发出的声波经环空中的含气钻井液传到地面所需的时间与经钻杆内的不含气钻井液传到地面所需的时间不同，根据此时间差大小可判断出井下是否发生了气侵。泵冲法的基本原理是，在钻井泥浆泵工作时，泵内活塞产生压力脉冲，这一压力脉冲进入循环系统，在钻柱、井下动力钻具、随钻测试系统、钻头喷嘴中传播，然后沿环空上返至地面，该方法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。然而，国内外钻井行业的气侵检测只局限于的气侵判断，尚无可快速、准确判断钻井过程中气侵位置的方法，无法满足微流量精确非常规压井的要求。精确判断气侵位置不仅有助于分析复杂的地层结构，而且能针对气侵具体位置采取有效的措施，如增加钻井液密度、加大回压或下套管封隔等方法来抑止气侵。如何准确判定气侵位置，已成为目前钻井工程中亟待解决的难题。因此，非常有必要提供一种快速、准确检测气侵位置的方法和装置。技术实现要素：鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种井筒溢流检测系统及检测方法，用于解决现有技术中气侵检测的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种井筒溢流检测系统，用于检测钻井系统的气侵位置，所述钻井系统包括：空心钻杆和立筒，所述立筒外壁用于和井孔内壁配合，所述空心钻杆外径小于所述立筒的内径；所述立筒上设有第二出浆管；所述井筒溢流检测系统包括：设置在所述空心钻杆上的第一压力传感器、设置在所述第二出浆管上的第二节流阀、设置在所述第二出浆管上的第二压力传感器、及设置在所述第二出浆管上的气液流量计。可选的，所述立筒上设有分浆器，所述分浆器包括：套筒，所述套筒上下两端沿环向边沿靠近内侧设有环板；胀芯，所述胀芯为橡胶材质，所述包括弧形拱圈，所述弧形拱圈向套筒的中心线一侧凸出，所述弧形拱圈的凹陷一侧和所述套筒内壁形成液压通道，所述弧形拱圈的两端分别卡在所述环板的内侧；所述套筒侧壁上开设有液压口，所述液压口用于向所述液压通道内通入液压液，以及用于将所述液压通道内的液压液排出，所述液压通道内的液压液能够将所述弧形拱圈部分胀大变形；所述套筒下端设有连接筒，所述连接筒侧壁上设有分浆口，所述分浆口上设有第一出浆管。可选的，所述胀芯还包括位于所述弧形拱圈上下两端的卡位圈，两个所述卡位圈分别和所述弧形拱圈固定，所述卡位圈和所述环板内侧卡位配合。一种检测方法，包括如下步骤：气侵判断步骤，根据气液流量记录的第二出浆管内的气液流量情况判断是否发生气侵，当所述气液流量计检测到气体时，则井底发生气侵。一种检测方法，包括如下步骤：调节第二节流阀的开度，液动节流阀动作产生的压力波为波源，波动沿环空向井底传播，分空心钻杆、环空两条回路返回井口；基于压力波在含气钻井液和不含气钻井液中的传播速度不同，根据第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的时间差判断发生是否发生气侵，当所述第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的存在时间差时，则井底发生气侵。可选的，还包括气侵位置判断步骤：当判断发生气侵时，调节第二节流阀的开度，液动节流阀动作产生的压力波为波源，波动沿环空向井底传播，分空心钻杆、环空两条回路返回井口；基于压力波在含气钻井液和不含气钻井液中的传播速度不同，根据第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的时间差判断发生气侵的位置。可选的，当发生气侵时，减小第一节流阀的开度。可选的，气侵位置判断步骤中包括：环空离散成n个网格，井口处为第一个网格，第一个网格的井深h0＝0m，第一个网格的波速为c0，根据井口的井深和波速用龙格库塔法可迭代计算下一网格的井深h1和波速c1，依次求得第i个网格的井深hi和波速ci，根据第i个网格的井深和波速计算出对应网格内压力波传播的时间，压力波在环空内前i(i≤n)个网格中的传播时间之和t1，空心钻杆内的压力波从环空内第i个网格对应的井深传播到井口所需的时间为t2，压力波时差为△t，第一压力传感器和第二压力传感器检测到压力波在两条路径中传播的时间差为tc；其中：式中c——压力波在不含气的单相钻井液中的传播速度；δt＝t1-t2；当|tc-(t1-t2)|＜δ时，i≤n，δ——气侵漏点计算精度。可选的，δ在0.01至0.1之间。可选的，直至所述第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的时间差为零时，停止调节一节流阀。如上所述，本发明的井筒溢流检测系统及检测方法，至少具有以下有益效果：本检测系统设置气液流量计，使得其可以直接通过气液流量计判断井底是否存在气侵，通过设置第一压力传感器和第二压力传感器，可以分别测量空心钻杆和立筒的压力，并通过调整第二节流阀的开度产生压力波，通过压力波受气侵影响而波速不同，根据第一压力传感器和第二压力传感器的压力波动时间差也能够判断是否发生气侵，以及确定气侵的位置。附图说明图1显示为本发明的钻井系统的实施方式一的示意图。图2显示为本发明的钻井系统的实施方式二的示意图。表一为本发明实施例的油井参数及钻井液特性。表二为本发明实施例的检测的数据和检测的结果。元件标号说明1套筒2胀芯11环板21弧形拱圈12液压口13连接筒131分浆口22卡位圈3空心钻杆4立筒5井孔1311第一出浆管13111第一节流阀41第二出浆管411第二节流阀31第一压力传感器32第二压力传感器412流量计具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。以下各个实施例仅是为了举例说明。各个实施例之间，可以进行组合，其不仅仅限于以下单个实施例展现的内容。请参阅图1，本发明提供一种井筒溢流检测系统的实施例，用于检测钻井系统的气侵位置，所述钻井系统包括：空心钻杆3和立筒4，所述立筒4外壁用于和井孔5内壁配合，所述空心钻杆3外径小于所述立筒4的内径；还包括第二出浆管41，所述第二出浆管41设置在所述立筒4上，所述第二出浆管41与所述立筒4内壁和所述空心钻杆3外壁之间的空间连通。通过第二出浆管41的设置，其能够增加泥浆排出的调节量，增加了整个钻井系统的安全性。所述第二出浆管41上设有第二节流阀411。通过第二节流阀411的设置，其能够控制第二出浆管41的开闭以及开闭大小，从而实现不同排出量的调节，从而实现立筒4内的不同压力大小的释放。所述空心钻杆3上设有第一压力传感器31，所述第二出浆管41设有第二压力传感器32。能够监控空心钻杆3上泥浆进入时的压力，还能够监控泥浆从第二出浆管41的压力，对其进行对比，可以实现判断是否发生气侵。可选的，所述第二出浆管41上还设有气液流量计412。气液流量计412为气液气液流量计412，其能够测量第二出浆管41内的泥浆流量，以及发生气侵时的气体流量。计算机采集了压力数据、泥浆流量数据、气体流量数据后，能够计算出具体的气侵位置，从而控制节流阀的开度进行调整，控制更加准确，钻井系统的安装性能更高。所述井筒溢流检测系统包括：设置在所述空心钻杆上3的第一压力传感器31、设置在所述第二出浆管41上的第二节流阀411、设置在所述第二出浆管41上的第二压力传感器32、及设置在所述第二出浆管41上的气液流量计412。本检测系统设置气液流量计，使得其可以直接通过气液流量计判断井底是否存在气侵，通过设置第一压力传感器和第二压力传感器，可以分别测量空心钻杆和立筒的压力，并通过调整第二节流阀的开度产生压力波，通过压力波受气侵影响而波速不同，根据第一压力传感器和第二压力传感器的压力波动时间差也能够判断是否发生气侵，以及确定气侵的位置。请参阅图2，本发明提供一种井筒溢流检测系统的另一实施例，所述立筒4上设有分浆器，包括：套筒1和胀芯2，所述套筒1上下两端沿环向边沿靠近内侧设有环板11；所述胀芯2为橡胶材质，橡胶材质能够变形胀开实现密封，所述包括弧形拱圈21，所述弧形拱圈21向套筒1的中心线一侧凸出，所述弧形拱圈21的凹陷一侧和所述套筒1内壁形成液压通道，所述弧形拱圈21的两端分别卡在所述环板11的内侧；所述套筒1侧壁上开设有液压口12，所述液压口12用于向所述液压通道内通入液压液，以及用于将所述液压通道内的液压液排出，所述液压通道内的液压液能够将所述弧形拱圈21部分胀大变形；所述套筒1下端设有连接筒13，所述连接筒13侧壁上设有分浆口131。所述分浆器安装在所述立筒4的上端，所述连接筒13和所述立筒4同轴可拆卸连接，可拆卸连接具体比如通过法兰结构，可拆卸的结构能够实现分浆器的反复使用以及故障时更换，特别是胀芯2部分，其和空心钻杆3的外壁挤压接触，相对于外壳来说其更容易损坏，当胀芯2损坏时，可以更换胀芯2，然后再将其安装在立筒4上使用，所述空心钻杆3轴向穿过所述弧形拱圈21；所述分浆口131上设有第一出浆管1311，在使用时，连接筒13和以下钻井系统中提到的立筒上端连接固定，具体连接方式可以通过法兰密封，也可以是连接筒13和立筒上端焊接等方式，胀芯2设置为弧形拱圈21结构，其在受到液压液的张力时，其发生膨胀，实现周向均匀的对一下钻井系统提到的空心钻杆进行挤压，实现密封，同时设置分浆口131，使得其实现密封的同时，还能够保证泥浆的排出，此处的分浆口131可作为主要排泥浆的通道，也可以是作为辅助排泥浆的通道，平时未出现气侵状态时，可以将其关闭，当发生气侵时，其打开排出泥浆进行立筒内的压力调整，能够增加压力调节的范围，从而保证钻井工作的安全可靠。液压口12进出液压可以通过液压泵从液压源件液压油泵出和泵回液压源。可选的，所述第一出浆管1311上设有第一节流阀13111。通过第一节流阀13111控制第一出浆管1311的开闭以及开闭的大小，从而控制泥浆的进出，从而实现立筒4内压力的调节。所述第一节流阀13111和所述第二节流阀411可以为液压驱动形式。液压驱动能够承受较大的压力，可靠性更高。请参阅图2，胀芯2的一种实施例，所述胀芯2还包括位于所述弧形拱圈21上下两端的卡位圈22，两个所述卡位圈22分别和所述弧形拱圈21固定，所述卡位圈22和所述环板11内侧卡位配合。卡位圈22可以和弧形拱圈21一体成型，卡位圈22的设置能够让弧形拱圈21的两端的卡位结构更加可靠，卡位圈22的和环板11、以及套筒1内侧壁的接触面积较大。一种检测方法实施方式一，包括如下步骤：第一步，根据气液流量记录的第二出浆管内的气液流量情况判断是否发生气侵，当所述气液气液流量计检测到气体时，则井底发生气侵，当所述气液气液流量计未检测到气体时，则井底未发生气侵。第二步，当第一步判断发生气侵时，减小第二节流阀的开度，液动节流阀动作产生的压力波为波源，波动沿环空向井底传播，分空心钻杆、环空两条回路返回井口；基于压力波在含气钻井液和不含气钻井液中的传播速度不同，根据第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的时间差判断发生气侵的位置。第三步，可选的，当所述第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的时间差为零时，停止调节一节流阀。一种检测方法实施方式二，包括如下步骤：第一步，调小或者调大第二节流阀的开度，液动节流阀动作产生的压力波为波源，波动沿环空向井底传播，分空心钻杆、环空两条回路返回井口；基于压力波在含气钻井液和不含气钻井液中的传播速度不同，根据第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的时间差判断发生是否发生气侵，当所述第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的存在时间差时，则井底发生气侵。第二步，当第一步判断发生气侵时，减小第二节流阀的开度，液动节流阀动作产生的压力波为波源，波动沿环空向井底传播，分空心钻杆、环空两条回路返回井口；基于压力波在含气钻井液和不含气钻井液中的传播速度不同，根据第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的时间差判断发生气侵的位置。第三步，可选的，当所述第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的时间差为零时，停止调节一节流阀。在以上两个实施例的气侵位置判断步骤中包括：空心钻杆和立筒之间的空间为环空，环空离散成n个网格，井口处为第一个网格，第一个网格的井深h0＝0m，第一个网格的波速为c0，根据井口的井深和波速用龙格库塔法可迭代计算下一网格的井深h1和波速c1，依次求得第i个网格的井深hi和波速ci，根据第i个网格的井深和波速计算出对应网格内压力波传播的时间，压力波在环空内前i(i≤n)个网格中的传播时间之和t1，如式(1)所示；空心钻杆内的压力波从环空内第i个网格对应的井深传播到井口所需的时间为t2，如式(2)所示；压力波时差为△t，第一压力传感器和第二压力传感器检测到压力波在两条路径中传播的时间差为tc；按式(4)计算的两压力传感器检测到压力波在两条路径中传播的时间差tc与迭代计算出的波速时差△t之间的差值，若满足式(4)中精度δ要求，则结束运算，此时式(5)求得的h即为环空气侵位置。反之，i＝i+1，进入下一个网格，重复上述步骤至满足精度要求。δt＝t1-t2(3)|tc-(t1-t2)|＜δ(4)式中t1——沿环空返回的压力波传播的时间，s；t2——沿钻柱返回的压力波传播的时间，s；hi——第i个网格的高度，m；ci——压力波在第i个网格中的传播速度，m/s；c——压力波在不含气的单相钻井液中的传播速度，m/s；△t——计算出的压力波返回时差，s；tc——压力传感器检测到的压力波返回时差，s；δ——气侵漏点计算精度，m；h——气侵位置以上井段长度，m。其中δ可以在在0.01至0.1之间。此范围内能够有效保证定位精度，同时也避免了过度运算，从而提高响应速度。以下表一钻井的相关参数，以下表二为第一压力传感器和第二压力传感器检测到的压力波时间差的数据，以及气液流量计检测到的液体流量和气体流量，以及根据此参数以及以上的检测方法且δ取0.01时输出的检测结果。表一参数数值参数数值钻铤长度(m)200泥浆泵排量(l/s)37钻杆长度(m)3800管柱弹性模量(pa)2.07×1011钻头直径(m)0.2159钻井液密度(kg/m3)1460钻杆外径(m)0.127管柱泊松比0.3钻杆内径(m)0.1086钻井液压缩系数(1/kpa)5.7×10-8钻铤外径(m)0.1778地表温度(℃)25钻铤内径(m)0.078地面大气压(mpa)0.101钻杆粗糙度(mm)0.0154井壁粗糙度(mm)0.1表二综上所述，本发明：(1)检测准确：常规的气侵检测方法虽能判断出是否发生气侵，但无法准确地检测出气侵位置，本发明基于压力波时差法，不仅实现了常规气侵检测的功能，而且能准确确定气侵位置，弥补了现有装置出现无法判断气侵位置的缺陷，可有效提高工作效率。(2)即时性强：本发明装置采用压力传感器和气液流量计实时检测进口出口位置压力和流量的变化，不仅提高了气侵检测精度，且实现了钻井过程的实时监控，有效提高了检测的灵敏度。(3)设备成本低：本发明装置不需要对井场进行大规模改进，以井口的液动节流阀作为波动源，采用压力传感器和气液流量计检测井口压力和流量，数据传输线将各检测数据传送到工控机，通过工控机对各参数进行环空水力学计算，即可实现气侵位置的检测。(4)操作简单：只需打开工控机，连接各数据传输线，输入相关参数，观察工控机屏幕上的输出结果即可完成气侵检测及气侵位置确定。(5)应用范围广：本发明提供的方法及装置是可广泛应用于欠平衡钻井、非常规压井、微流量钻井等钻井过程中气侵位置的检测。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属
技术领域：
中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。当前第1页1 2 3
技术特征：
1.一种井筒溢流检测系统，其特征在于，用于检测钻井系统的气侵位置，所述钻井系统包括：
空心钻杆和立筒，所述立筒外壁用于和井孔内壁配合，所述空心钻杆外径小于所述立筒的内径；
所述立筒上设有第二出浆管；
所述井筒溢流检测系统包括：
设置在所述空心钻杆上的第一压力传感器、设置在所述第二出浆管上的第二节流阀、设置在所述第二出浆管上的第二压力传感器、及设置在所述第二出浆管上的气液流量计。
2.根据权利要求1所述的井筒溢流检测系统，其特征在于：所述立筒上设有分浆器，所述分浆器包括：
套筒，所述套筒上下两端沿环向边沿靠近内侧设有环板；
胀芯，所述胀芯为橡胶材质，所述包括弧形拱圈，所述弧形拱圈向套筒的中心线一侧凸出，所述弧形拱圈的凹陷一侧和所述套筒内壁形成液压通道，所述弧形拱圈的两端分别卡在所述环板的内侧；
所述套筒侧壁上开设有液压口，所述液压口用于向所述液压通道内通入液压液，以及用于将所述液压通道内的液压液排出，所述液压通道内的液压液能够将所述弧形拱圈部分胀大变形；
所述套筒下端设有连接筒，所述连接筒侧壁上设有分浆口，所述分浆口上设有第一出浆管。
3.根据权利要求2所述的井筒溢流检测系统，其特征在于：所述胀芯还包括位于所述弧形拱圈上下两端的卡位圈，两个所述卡位圈分别和所述弧形拱圈固定，所述卡位圈和所述环板内侧卡位配合。
4.根据权利要求1-3任一所述的检测系统的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
气侵判断步骤，根据气液流量记录的第二出浆管内的气液流量情况判断是否发生气侵，当所述气液流量计检测到气体时，则井底发生气侵。
5.根据权利要求1-3任一所述的检测系统的一种检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
调节第二节流阀的开度，液动节流阀动作产生的压力波为波源，波动沿环空向井底传播，分空心钻杆、环空两条回路返回井口；
基于压力波在含气钻井液和不含气钻井液中的传播速度不同，根据第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的时间差判断发生是否发生气侵，当所述第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的存在时间差时，则井底发生气侵。
6.根据权利要求4或5所述的检测方法，其特征在于：还包括气侵位置判断步骤：
当判断发生气侵时，调节第二节流阀的开度，液动节流阀动作产生的压力波为波源，波动沿环空向井底传播，分空心钻杆、环空两条回路返回井口；
基于压力波在含气钻井液和不含气钻井液中的传播速度不同，根据第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的时间差判断发生气侵的位置。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于：当发生气侵时，减小第一节流阀的开度。
8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于：气侵位置判断步骤中包括：
环空离散成n个网格，井口处为第一个网格，第一个网格的井深h0＝0m，第一个网格的波速为c0，根据井口的井深和波速用龙格库塔法可迭代计算下一网格的井深h1和波速c1，依次求得第i个网格的井深hi和波速ci，根据第i个网格的井深和波速计算出对应网格内压力波传播的时间，压力波在环空内前i(i≤n)个网格中的传播时间之和t1，空心钻杆内的压力波从环空内第i个网格对应的井深传播到井口所需的时间为t2，压力波时差为△t，第一压力传感器和第二压力传感器检测到压力波在两条路径中传播的时间差为tc；
其中：
δt＝t1-t2；
当|tc-(t1-t2)|＜δ时，
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：δ在0.01至0.1之间。
10.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：直至所述第一压力传感器和第二压力传感器接收到压力波的时间差为零时，停止调节一节流阀。
技术总结
本发明提供一种井筒溢流检测系统及检测方法，用于解决现有技术中气侵检测的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种井筒溢流检测系统，用于检测钻井系统的气侵位置，所述钻井系统包括：空心钻杆和立筒，所述立筒外壁用于和井孔内壁配合，所述空心钻杆外径小于所述立筒的内径；所述立筒上设有第二出浆管；所述井筒溢流检测系统包括：设置在所述空心钻杆上的第一压力传感器、设置在所述第二出浆管上的第二节流阀、设置在所述第二出浆管上的第二压力传感器、及设置在所述第二出浆管上的气液流量计。能够解决气侵位置检测的问题。
技术研发人员：张朝举;张俊波;姜国富;简加田;王梅;张弛;陈祎;杨小军;孔祥伟;李榕;李春林
受保护的技术使用者：中石化石油工程技术服务有限公司;中石化西南石油工程有限公司重庆钻井分公司
技术研发日：.10.17
技术公布日：.01.14
