專利名稱：一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波檢測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置。
背景技術(shù)：
氣體鉆井技術(shù)是利用氣體循環(huán)介質(zhì)替代傳統(tǒng)液體循環(huán)介質(zhì)的鉆井新方法，它較常規(guī)鉆井液鉆井而言具有以下幾點優(yōu)勢:大幅度提高機械鉆速，縮短建井周期；減少和避免漏失問題；有效保護儲層，最大限度地發(fā)揮地層原始產(chǎn)能。但“氣體鉆井怕水”一直是困擾氣體鉆井發(fā)展的難題，地層出水后，若不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，一方面，井底的巖屑吸水膨脹、粘結(jié)成團甚至形成泥餅環(huán)，進而堵塞環(huán)空通道，導致卡鉆、鉆具泥包和井下燃爆等復雜情況的發(fā)生，給鉆井帶來巨大的經(jīng)濟損失；另一方面，地層產(chǎn)出的水被氣體舉升至水敏性井段時，可能會造成井壁的水化失穩(wěn)，垮塌的巖屑聚集在井下導致鉆具被埋、井眼報廢等事故的發(fā)生，嚴重威脅井下安全。目前預測地層出水的方法主要有三類:利用已有的測井資料對出水地層進行鉆前預測；鉆井過程中，對地層水進行實時監(jiān)測；現(xiàn)場鉆井施工過程中通常根據(jù)地面反應出的各種參數(shù)、現(xiàn)象來判斷地層出水情況，如立管壓力、轉(zhuǎn)盤扭矩變化、排砂管線噴勢等。前兩類方法大多基于測井數(shù)據(jù)和已有的滲流力學模型來對地層出水進行預測，由于存在測量誤差且采用理想化模型的緣故，得出的結(jié)果同實際數(shù)據(jù)往往存在相當?shù)牟罹啵欢笠活惉F(xiàn)場采用的簡易判斷方法，對于地層出水量較小及剛鉆遇水層時，均無法實現(xiàn)及時準確的判斷，c.L.Moore, V.A.Lafave等人指出，少量的出水比大量出水更易造成氣體鉆井井下復雜情況，因為少量的出水只能使返出地面巖屑的數(shù)量有所減少，而其他現(xiàn)象變化不明顯，由此可見地層少量出水的監(jiān)測問題顯得尤為重要?？傊?，若能 根據(jù)現(xiàn)場要求對氣體鉆井地層出水監(jiān)測問題進行深入研究，并形成一套成熟的氣體鉆井地層出水隨鉆監(jiān)測裝置，對全面推廣氣體鉆井、提高鉆井效率、加快油氣的勘探與開發(fā)具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，其目的在于可精確檢測氣體鉆井地層出水情況，打破傳統(tǒng)預測方法反應慢、不夠準確以及在剛鉆遇水層、出水量較小時無法及時準確地進行判斷，為氣體鉆井的順利實施提供安全保障。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是:—種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，其基本思想是基于微波諧振腔的微擾原理，即當氣體混合物流過微波諧振腔時，微波諧振腔的諧振頻率會隨腔內(nèi)電介質(zhì)的介電常數(shù)變化而發(fā)生偏移，通常情況下空氣的介電常數(shù)為1，水的介電常數(shù)為81.5，所以含水量是影響其介電常數(shù)變化的主要因素，通過準確檢測諧振腔諧振頻率的偏移就可以得到氣體混合物的介電常數(shù)，進而確定混合流動氣體的濕度。
上述一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，主要由排砂管、采氣管、微波傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲分析及顯示系統(tǒng)、溫度壓力傳感器組成。所述微波傳感器系統(tǒng)、包括微波發(fā)生器、頻率合成器、微波傳感器、模擬射頻檢測系統(tǒng)、通信、控制、供電等微處理器、通信收發(fā)系統(tǒng)與驅(qū)動。其中微波傳感器包括氣管快插接頭、絕緣筒體、矩形波導、耦合小孔、導體層、排污口、固定螺釘、環(huán)形分隔器、尾氣管。同時絕緣筒體兩端開口，中間設有微波矩形波導接口，絕緣筒體內(nèi)設置有環(huán)形分隔器，與導體層共同組成微波諧振腔，空氣鉆井過程中的返排空氣經(jīng)分流采氣管進入微波諧振腔，引起諧振腔介電常數(shù)改變，通過檢測諧振頻率和諧振點時的信號幅度變化可精確預測地層出水情況。上述一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，所述微波諧振腔為反射式，只有一個稱合機構(gòu)，兼做信號輸入和輸出，諧振腔與矩形波導之間靠磁場稱合，I禹合裝置為耦合小孔，諧振頻率點諧振腔與矩形波導相匹配，實現(xiàn)最大信號的輸出。上述一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，所述環(huán)形分隔器與諧振腔同軸，位于諧振腔兩端，保證諧振腔兩端在電氣上短路，使電磁波在兩端發(fā)生全反射，使諧振腔發(fā)生諧振，同時通過諧振腔內(nèi)的混合氣流平穩(wěn)均勻，便于精確測量氣流濕度。上述一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，所述導體層有良好的導體層銀，提高諧振腔品質(zhì)因素，使頻率的變化能準確反映混合氣流濕度的變化，即可間接反映出地層出水情況。本發(fā)明的有益效果是:使用本發(fā)明基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，將混合流動氣流濕度信號轉(zhuǎn)換成易于監(jiān)測的微波諧振腔頻率信號，使測量裝置簡化，測量精度提高，打破傳統(tǒng)預測方法反應慢、不夠準確以及在剛鉆遇水層、出水量較小時無法及時準確地進行判斷的弊端，實現(xiàn)了在氣體鉆井過程中精確、方便、連續(xù)的預測地層出水情況，為氣體鉆井實施的可行性提供科學的決策依據(jù)。


圖1為氣體鉆井地層出水微波技術(shù)監(jiān)測流程示意圖。圖2為微波傳感器系統(tǒng)不意圖。圖3為微波傳感器示意圖。圖中:1-排砂管，2-采氣管，3-微波傳感器系統(tǒng)，4-數(shù)據(jù)存儲分析及顯示系統(tǒng)，5-溫度壓力傳感器，6-微波發(fā)生器，7-頻率合成器，8-微波傳感器，9-模擬射頻檢測系統(tǒng)，10-通信、控制、供電等微處理器，11-通信收發(fā)系統(tǒng)與驅(qū)動，12-微波傳感器網(wǎng)絡，13-氣管快插接頭，14-絕緣筒體，15-矩形波導，16-耦合小孔，17-導體層，18-排污口，19-固定螺釘，20-環(huán)形分隔器，21-尾氣管。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本發(fā)明一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，包括排砂管1、采氣管2、微波傳感器系統(tǒng)3、數(shù)據(jù)存儲分析及顯示系統(tǒng)4、溫度壓力傳感器5 ;溫度壓力傳感器5測量 進入傳感器混合氣流的初始溫度與壓力數(shù)據(jù)，以確定諧振腔諧振頻率的偏移起始點。采氣管2為排砂管I的一個采集分支，用于獲取氣體鉆井過程中返排的混合氣流，流動的混合氣流通過微波傳感器系統(tǒng)3，引起諧振腔內(nèi)介質(zhì)常數(shù)的變化，且介質(zhì)常數(shù)與微波諧振頻率和諧振點的信號幅度存在一定的關(guān)系，將所測諧振頻率和諧振點時的信號幅度變化反饋給數(shù)據(jù)存儲分析及顯示系統(tǒng)4，即可反應混合氣流的濕度大小，據(jù)此判斷地層出水情況。如圖2所示，微波傳感器系統(tǒng)包括微波發(fā)生器6、頻率合成器7、微波傳感器8、模擬射頻檢測系統(tǒng)9、通信、控制、供電等微處理器10、通信收發(fā)系統(tǒng)與驅(qū)動11、微波傳感器網(wǎng)絡12 ;微波發(fā)生器6產(chǎn)生的信號經(jīng)頻率合成器7輸送至微波傳感器8，諧振腔的諧振頻率的變化信號由模擬射頻的探測頭檢測，當待測氣流的含水量發(fā)生變化時，其介質(zhì)常數(shù)也會隨之變化，從而引起輸出信號的改變，檢測到的頻率或幅度信號經(jīng)過系列后續(xù)處理經(jīng)微波傳感器網(wǎng)絡12輸送到數(shù)據(jù)存儲分析及顯示系統(tǒng)4。如圖3所示，微波傳感器8包括氣管快插接頭13、絕緣筒體14、矩形波導15、耦合小孔16、導體層17、排污口 18、固定螺釘19、環(huán)形分隔器20、尾氣管21 ;采氣管2經(jīng)氣管快插接頭13螺紋連接于微波傳感器8上，混合氣流經(jīng)環(huán)形分隔器20后進入微波諧振腔，混合氣流純凈、均勻且流速較穩(wěn)定，排污口 18可排放過濾掉的雜質(zhì)；環(huán)形分隔器20與導體層17共同組成微波諧振腔，環(huán)形分隔器20由高強度且耐腐蝕的金屬細絲構(gòu)成，固定螺釘19可調(diào)節(jié)環(huán)形分隔器20的位置；導體層表面涂有良好導體銀，提高諧振腔品質(zhì)因素；該微波諧振腔為反射式，只有一個稱合機構(gòu)，兼做信號輸入和輸出，諧振腔與矩形波導15之間靠磁場耦合，耦合裝置為耦合小孔16，環(huán)形分隔器20與諧振腔同軸，位于諧振腔兩端，保證諧振腔兩端在電氣上短路，使電磁波在兩端發(fā)生全反射，使諧振腔發(fā)生諧振，諧振頻率點諧振腔與矩形波導相匹配，實現(xiàn)最大信號的輸出，所測信號為連續(xù)信號，可合成信號曲線，根據(jù)曲線走勢即可判斷地層出水情況。該 裝置具有安全性、可靠性和有效性，并能降低裝置成本，具有較大的實際應用性。
權(quán)利要求
1.一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，主要由排砂管(I)、采氣管(2)、微波傳感器系統(tǒng)(3)、數(shù)據(jù)存儲分析及顯示系統(tǒng)(4)，溫度壓力傳感器(5)構(gòu)成；其特征在于:微波傳感器系統(tǒng)(3)包括微波發(fā)生器(6)、頻率合成器(7)、微波傳感器(8)、模擬射頻檢測系統(tǒng)(9)、通信、控制、供電等微處理器(10)、通信收發(fā)系統(tǒng)與驅(qū)動(11)、微波傳感器網(wǎng)絡(12);微波傳感器(8)包括氣管快插接頭(13)、絕緣筒體(14)、矩形波導(15)、耦合小孔(16)、導體層(17)、排污口(18)、固定螺釘(19)、環(huán)形分隔器(20)、尾氣管(21);其中絕緣筒體(14)兩端開口，中間設有微波矩形波導(15)接口，絕緣筒體(14)內(nèi)置有環(huán)形分隔器(20)，與導體層(17)共同組成微波諧振腔，氣體鉆井過程中的返排的混合氣流經(jīng)分流采氣管進入微波諧振腔，通過檢測諧振頻率和諧振點時的信號幅度變化可精確預測地層出水情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，其特征在于:氣管快插接頭(13)螺紋連接于絕緣筒體(14)兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，其特征在于:環(huán)形分隔器(20)由強度高且耐腐蝕的金屬細絲構(gòu)成，固定螺釘(19)可調(diào)節(jié)環(huán)形分隔器(20)的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，其特征在于:環(huán)形分隔器(20)關(guān)于矩形波導(15)對稱分布，且與絕緣筒體同軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，其特征在于:矩形波導(15)與諧振腔之間靠磁場耦合，耦合裝置為耦合小孔(16)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，其特征在于:矩形波導(15)由金屬材料制成，截面為矩形，截面寬與高之比為2:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，其特征在于:導體層(1 7)表面鍍有良好的導體層銀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于微波技術(shù)實時監(jiān)測氣體鉆井地層出水的裝置，包括排砂管、采氣管、微波傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲分析及顯示系統(tǒng)、溫度壓力傳感器，其中微波傳感器的絕緣筒體兩端螺紋連接有氣管快插接頭，中間設有微波矩形波導接口，耦合裝置為耦合小孔，絕緣筒體內(nèi)置有環(huán)形分隔器，與導體層組成微波諧振腔，氣體鉆井過程中返排的混合氣流經(jīng)分流采氣管進入微波諧振腔，通過檢測諧振頻率和諧振點時的信號幅度變化可精確監(jiān)測地層出水情況，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，且具有監(jiān)測結(jié)果精度高，反應快速、連續(xù)等優(yōu)點，對氣體鉆井過程中地層出水情況實時監(jiān)測，為氣體鉆井向霧化或水基鉆井轉(zhuǎn)換提供科學依據(jù)。
文檔編號E21B7/18GK103244114SQ20131017749
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月15日
發(fā)明者劉清友, 包凱, 王其軍 申請人:西南石油大學