本發(fā)明涉及石油鉆井氣侵早期監(jiān)測技術領域，具體地，涉及一種基于Lamb波的隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測方法及系統。

背景技術：

隨著石油需求的增長和石油工業(yè)技術的發(fā)展，石油開發(fā)已經進軍領域。井筒復雜的鉆井工況等因素使得鉆井更加危險，國內外都曾發(fā)生過多起惡性井噴事故。導致井噴的工程技術原因主要有如下兩個：

(1)鉆頭鉆遇超壓地層時，高壓氣體會突然進入井孔并經由隔水管向井口移動并形成井噴。目前監(jiān)測氣體侵入的手段少，可靠性差；

(2)現有氣侵監(jiān)測系統報警遲緩，井噴一旦發(fā)生便難以及時進行井控，危害極大。目前的鉆井含氣監(jiān)測方法雖有很多種，但都存在一定的局限性。因此，研究隔水管氣侵早期監(jiān)測方法，在氣體剛剛進入隔水管就能及時識別和發(fā)現，將對鉆井具有重要意義。

目前，國內外關于鉆井氣侵的早期監(jiān)測主要有鉆井參數異常變化監(jiān)測法、氣測值分析法、鉆井液池液面監(jiān)測法、流量監(jiān)測法、LWD溢流監(jiān)測法、APWD溢流監(jiān)測法等。這些方法都有其優(yōu)勢，但也有如下局限性：

1)鉆井參數異常變化監(jiān)測法對鉆遇地層的參數變化反應靈敏，但是影響因素多，判斷溢流有困難。

2)氣測值分析法對氣體的反應較靈敏，但監(jiān)測速度慢，難以應用于氣侵早期監(jiān)測。

3)鉆井液池液面監(jiān)測法在許多情況下監(jiān)測溢流有效,但實時性太差。

4)流量監(jiān)測法在許多情況下監(jiān)測溢流都非常有效，但對氣侵量較小或油基鉆井液在一定的泡點壓力范圍內的情況監(jiān)測效果差。

5)LWD溢流監(jiān)測法能夠第一時間識別鉆遇地層(包括油氣藏)的性質，但不能評價溢流發(fā)生的時間及發(fā)生程度，需要借助專用軟件并由專業(yè)人員判斷。

6)APWD溢流監(jiān)測法能夠實時測量井底環(huán)空壓力變化，但測量分辨率不高，對于氣侵強度較低的情況監(jiān)測較慢。

技術實現要素：

本發(fā)明實施例提供了一種隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測方法及系統，以在不破壞隔水管系統原有機械結構及強度的前提下，判斷隔水管內混合流體中的氣體含量，對隔水管內氣侵進行早期聲波監(jiān)測。

為了實現上述目的，本發(fā)明實施例提供了一種隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測系統，該隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測系統包括：隔水管系統以及聲波測量系統；

所述隔水管系統設置于海水中，所述隔水管系統由內向外的介質依次為水眼、鉆柱、隔水管內混合流體及隔水管；

所述聲波測量系統由套設在所述隔水管外側的至少一個發(fā)射換能器及多個接收換能器組成，所述發(fā)射換能器用于在所述隔水管內外空間激發(fā)聲場，在所述隔水管本體材料內產生聲波，所述接收換能器接收所述聲波，并根據所述聲波判斷隔水管內的混合流體的含氣量的變化。

一實施例中，所述多個接收換能器接收到的隔水管中的聲波為S₀模式Lamb波，通過分析所述S₀模式Lamb波的幅度和衰減系數隨時間變化的關系判斷隔水管內的混合流體的含氣量的變化。

一實施例中，所述聲場的激發(fā)頻率低于20kHz。

一實施例中，所述接收換能器的個數至少為2個，與所述發(fā)射換能器間隔套設在所述隔水管外側的底部。

一實施例中，所述發(fā)射換能器與所述接收換能器之間的間隔大于或等于1米，相鄰的接收換能器之間的間隔大于或等于10cm。

一實施例中，所述發(fā)射換能器及接收換能器為環(huán)狀結構，與所述隔水管的外壁契合。

為了實現上述目的，本發(fā)明實施例提供了一種隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測方法，該隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測方法包括：

套設在隔水管外側的至少一環(huán)狀發(fā)射換能器在所述隔水管內外空間激發(fā)聲場，在所述隔水管材料本體內產生聲波；

套設在隔水管外側的多個環(huán)狀接收換能器接收所述聲波；

多個所述環(huán)狀接收換能器通過分析接收到的所述聲波來判斷隔水管內的混合流體的含氣量的變化。

一實施例中，所述多個接收換能器接收到的隔水管中的聲波為S₀模式Lamb波，通過分析所述S₀模式Lamb波的幅度和衰減系數隨時間變化的關系判斷隔水管內的混合流體的含氣量的變化。

一實施例中，所述聲場的激發(fā)頻率低于20kHz。

一實施例中，所述接收換能器的個數至少為2個，與所述發(fā)射換能器間隔套設在所述隔水管外側的底部。

一實施例中，所述發(fā)射換能器與所述接收換能器之間的間隔大于或等于1米，相鄰的接收換能器之間的間隔大于或等于10cm。

一實施例中，所述發(fā)射換能器及接收換能器為環(huán)狀結構，與所述隔水管的外壁契合。

利用本發(fā)明，可以在不破壞隔水管系統原有機械結構及強度的前提下，判斷隔水管內混合流體中的氣體含量，對隔水管內氣侵進行早期監(jiān)測。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例的隔水管系統的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測系統的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明一實施例的隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測方法流程圖；

圖4為本發(fā)明另一實施例的隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測方法流程圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

自H.Lamb首次發(fā)現了固體板中的蘭姆波以來，許多學者對將它應用于無損監(jiān)測方面做了大量的研究，在定量無損評價方面被國際學術界與工業(yè)界寄予厚望。本發(fā)明基于Lamb波測量技術，考慮侵入氣對隔水管內流體的彈性參數帶來的影響，通過隔水管內氣液兩相介質的含氣量與Lamb波幅度之間的關系，以期在氣體侵入隔水管中下部時就能及時有效地監(jiān)測到，為安全井控贏得時間。在隔水管底部外側布置聲波換能器，采用一發(fā)多收的工作方式，通過接收波形中特定模式波的幅度和衰減系數隨時間變化的關系，來實現氣侵的早期監(jiān)測。

實施例一

基于此，本發(fā)明提供了一種隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測系統，該隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測系統包括：隔水管系統以及聲波測量系統。

如圖1所示，隔水管系統設置于海水中，隔水管系統由內向外的介質依次為水眼101、鉆柱102、隔水管內混合流體103及隔水管104。

如圖1所示，水眼101、鉆柱102、隔水管內混合流體103及隔水管104的外徑分別為r₀、r₁、r₂和r₃。鉆柱101的內側為鉆井液。鉆柱102的外側為攜帶巖屑的循環(huán)泥漿，為氣液兩相混合流體。隔水管104的外側為海水。

聲波測量系統由套設在隔水管104外側的至少一個發(fā)射換能器及多個接收換能器組成，發(fā)射換能器可以用于在隔水管內外空間激發(fā)聲場，在隔水管本體材料內產生聲波，接收換能器可以接收該聲波，并聲波判斷隔水管內的混合流體的含氣量的變化。

一實施例中，接收換能器的個數為兩個。如圖2所示，聲波測量系統由套設在隔水管104外側的一個發(fā)射換能器T及接收換能器R₁及接收換能器R₂組成，發(fā)射換能器T用于在隔水管內外空間激發(fā)聲場，在隔水管104本體材料內產生聲波，接收換能器R₁及接收換能器R₂接收該聲波，并根據聲波判斷隔水管內的混合流體的含氣量的變化。

一實施例中，聲場的激發(fā)頻率低于20kHz?？蛇x地，聲波的測量頻率范圍為500Hz～20kHz。

一實施例中，發(fā)射換能器激勵起隔水管中的S₀模式Lamb波(又稱為對稱模式波S₀)，該模式波的幅度和衰減對管內混合流體中的含氣量敏感。通過分析該S₀模式Lamb波的幅度和衰減系數隨時間變化的關系判斷隔水管內的混合流體的含氣量的變化，具體原理如下：

當隔水管和鉆柱形成的環(huán)空中的鉆井液(混合流體)的含氣量發(fā)生變化時，隔水管中不同模式的Lamb波的幅度和聲衰減會發(fā)生變化。

例如，當鉆井液含氣量為0時，在Lamb波沿隔水管的本體材料傳播的過程中，泄露到隔水管內混合流體中的聲波能量多。當鉆井液含氣量逐漸增多時，在Lamb波沿隔水管本體材料傳播的過程中，越來越少的能量泄露到隔水管內的混合流體中，表現為S₀模式套管波的幅度較大、聲衰減較小。當混合流體為純氣時，首波為S₀模式Lamb波，緊隨其后到達的波包為A₀模式Lamb波，首波(S₀模式Lamb波)在傳播過程中向隔水管內流體泄露的能量非常少，因此幾乎觀察不到由鉆柱反射后產生的次生S₀模式Lamb波，這與當隔水管內流體為純水時不同。在管內流體為純水時，在首波(S₀模式Lamb波)之后還存在一個波包，其傳播速度與首波一致，這個波包是由鉆柱處的反射波在隔水管內的混合流體中產生的次生S₀模式Lamb波，因此其波形特征以及傳播速度都與首波一致。此時，由于S₀模式Lamb波幅度較強，導致A₀模式Lamb波不易被觀察到。

基于上述原理可知，隔水管中的Lamb波傳播的過程中泄漏到隔水管內部的鉆井液中能量多少與隔水管內鉆井液的含氣量之間存在一定的聯系，這種能量的泄露會體現在接收波形的幅度上。因此，用Lamb波的幅度反映鉆井液氣體含量具有可行性。通過提取不同接收換能器接收到的Lamb波的幅度和衰減系數，就可利用Lamb評價鉆井液中的含氣量。當含氣量變化時，短源距和長源距的接收波形均可以看出隨著含氣量的線性增大，Lamb波的幅度變化在含氣量很小(低于5％)時變化劇烈。

聲波測量系統具體安裝時，接收換能器與多個發(fā)射換能器可以間隔套設在隔水管外側的底部。一實施例中，發(fā)射換能器與接收換能器之間的間隔大于或等于1米，相鄰的接收換能器之間的間隔大于或等于10cm。采用一發(fā)多收的工作方式，結合接收波形中特定模式波的幅度和衰減系數隨時間變化的關系，可以實現氣侵的早期監(jiān)測。

在一較佳實施例中，發(fā)射換能器及接收換能器均為環(huán)狀結構，使得發(fā)射換能器及接收換能器可以與隔水管的外壁契合。

由于Lamb波的幅度和衰減對低含氣量非常敏感，且這種基于Lamb波的隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測方法在應用時，只需要在原有的隔水管外側安裝聲波測量系統，不會破壞隔水管系統原有的機械結構和機械強度。并且這種基于Lamb波的隔水管氣侵內早期聲波監(jiān)測方法，對及時發(fā)現滲流，減少鉆井中的井噴事故的發(fā)生具有重要的意義。

實施例二

圖3為本發(fā)明實施例的隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測方法流程圖，如圖3所示，該隔水管內氣侵早期方法監(jiān)測方法包括：

S301：套設在隔水管外側的至少一環(huán)狀發(fā)射換能器在所述隔水管內外空間激發(fā)聲場，在所述隔水管材料本體內產生聲波。

S302：套設在隔水管外側的多個環(huán)狀接收換能器接收所述聲波。

S303：多個所述環(huán)狀接收換能器通過分析接收到的所述聲波來判斷隔水管內的混合流體的含氣量的變化。

該隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測方法可以應用于圖2所示的隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測系統，該隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測系統包括：隔水管系統以及聲波測量系統。如圖1所示，隔水管系統設置于海水中，隔水管系統由內向外的介質依次為水眼101、鉆柱102、隔水管內混合流體103及隔水管104。

如圖1所示，水眼101、鉆柱102、隔水管內混合流體103及隔水管104的外徑分別為r₀、r₁、r₂和r₃。鉆柱101的內側為鉆井液。鉆柱102的外側為攜帶巖屑的循環(huán)泥漿，為氣液兩相混合流體。隔水管104的外側為海水。

一實施例中，如圖4所示，該隔水管內氣侵早期聲波監(jiān)測方法還包括：

S401：在所述隔水管的外側套設所述發(fā)射換能器及接收換能器。

本發(fā)明實施例的接收換能器的個數至少為2個，聲波測量系統具體安裝時，接收換能器與發(fā)射換能器可以間隔套設在隔水管外側的底部。一實施例中，發(fā)射換能器與接收換能器之間的間隔大于或等于1米，相鄰的接收換能器之間的間隔大于或等于10cm。采用一發(fā)多收的工作方式，結合接收波形中特定模式波的幅度和衰減系數隨時間變化的關系，可以實現氣侵的早期監(jiān)測。

在一較佳實施例中，發(fā)射換能器及接收換能器均為環(huán)狀結構，使得發(fā)射換能器及接收換能器可以與隔水管的外壁契合。

一實施例中，發(fā)射換能器激發(fā)的聲場的激發(fā)頻率低于20kHz。可選地，聲波的測量頻率范圍為500Hz～20kHz。

一實施例中，發(fā)射換能器激勵起隔水管中的S₀模式Lamb波(對稱模式波S₀)，該模式波的幅度和衰減對管內混合流體中的含氣量敏感。通過分析該S₀模式Lamb波的幅度和衰減系數隨時間變化的關系判斷隔水管內的混合流體的含氣量的變化，具體原理如下：

當隔水管和鉆柱形成的環(huán)空中的鉆井液(混合流體)的含氣量發(fā)生變化時，隔水管中不同模式的Lamb波的幅度和聲衰減會發(fā)生變化。

例如，當鉆井液含氣量為0時，在Lamb波沿隔水管的本體材料傳播的過程中，泄露到隔水管內的混合流體中的聲波能量多。當鉆井液含氣量逐漸增多時，在Lamb波沿隔水管本體材料傳播的過程中，越來越少的能量泄露到隔水管內的混合流體中，表現為S₀模式套管波的幅度較大、聲衰減較小。當混合流體為純氣時，首波為S₀模式Lamb波，緊隨其后到達的波包為A₀模式Lamb波，首波(S₀模式Lamb波)在傳播過程中向隔水管內流體泄露的能量非常少，因此幾乎觀察不到由鉆柱反射后產生的次生S₀模式Lamb波，這與當隔水管內流體為純水時不同。在管內流體為純水時，在首波(S₀模式Lamb波)之后還存在一個波包，其傳播速度與首波一致，這個波包是由鉆柱處的反射波在隔水管內的混合流體中產生的次生S₀模式Lamb波，因此其波形特征以及傳播速度都與首波一致。此時，由于S₀模式Lamb波幅度較強，導致A₀模式Lamb波不易被觀察到。

基于上述原理可知，隔水管中的Lamb波傳播的過程中泄漏到隔水管內部的鉆井液中能量多少與隔水管內鉆井液的含氣量之間存在一定的聯系，這種能量的泄露會體現在接收波形的幅度上。因此，用Lamb波的幅度反映鉆井液氣體含量具有可行性。通過提取不同接收換能器接收到的Lamb波的幅度和衰減系數，就可利用Lamb評價鉆井液中的含氣量。當含氣量變化時，短源距和長源距的接收波形均可以看出隨著含氣量的線性增大，Lamb波的幅度變化在含氣量很小(低于5％)時變化劇烈。

由于Lamb波的幅度和衰減對低含氣量非常敏感，且這種基于Lamb波的隔水管內氣侵早期監(jiān)測方法在應用時，只需要在原有的隔水管外側安裝聲波測量系統，不會破壞隔水管系統原有的機械結構和機械強度。并且這種基于Lamb波的隔水管氣侵內早期聲波監(jiān)測方法，對及時發(fā)現滲流，減少鉆井中的井噴事故的發(fā)生具有重要的意義。

本發(fā)明中應用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。