CN116856917A - 模拟气侵装置及气侵模拟实验方法和判断气侵位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟气侵装置及气侵模拟实验方法和判断气侵位置的方法。本发明利用了压力波技术的原理，模拟井筒发生不同深度位置的气侵，通过压力激励装置向井筒内激发激励压力波，压力波在传播过程中携带着有效的泄漏点信息，传播过程中受到钻井液流体、井眼轨迹等因素的影响，通过入口管路和出口管路的压力传感器进行压力波检测，获得对应的理论压力波响应频谱曲线，并通过真实发生气侵时实测的压力波响应频谱曲线与其进行对比，可准确地确定实际发生气侵的位置。本发明具有检测准确、即时性强的优势，且实现成本较低、操作简单，可广泛应用于各类钻井过程中气侵位置的检测。

Description

模拟气侵装置及气侵模拟实验方法和判断气侵位置的方法

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，特别涉及一种模拟气侵装置及气侵模拟实验方法和判断气侵位置的方法。

背景技术

随着国内油气勘探朝着更深、更复杂的储层迈进，深层钻探钻遇的岩性错综复杂，自上而下发育多套压力体系，钻遇气层时极易发生气体进入井筒，造成气侵溢流频发，干扰地质录井和钻井液性能的正常维护，而且有可能引发卡钻、井喷、坍塌等一些列复杂问题，严重制约钻井工程进度。

在钻井过程中，由于下钻产生的激动压力、钻井液密度低、地层压力异常等问题，可能会导致地层压力大于环空压力，从而造成气体侵入井底，发生气侵情况。在任何工况环境下，当发生气侵时，环空与地层之间形成负压差。如果未及时检测到气侵并采取有效措施，随着气体向井口的迁移，环空与地层的负压差将进一步增大，从而加剧气体入侵，使情况进一步恶化，容易诱发井喷等事故。通常情况下，气侵发生在井底或套管鞋处，但在异常复杂的地层中钻井时，气侵可能发生在裸眼段的任何地方。从钻井安全的角度来看，越早发现气侵越好。可以更准确判断气侵位置，更有利于采取有效措施抑止气侵，从根本上杜绝井喷事故，保证钻井工作正常进行。

国内外钻井行业的气侵检测仅限于是否发生气侵的判断，在钻井过程中采取快速准确判断气侵位置的方法，可以准确确定气侵位置，不仅有助于分析复杂的地层结构，而且可以针对气侵的具体位置采取有效措施，如提高钻井液密度、加大回压或下套管封隔等方法来抑制气侵。如何准确确定气侵位置已成为钻井工程中亟待解决的问题。因此，提供一种快速、准确检测气侵位置的方法和装置是非常必要的。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种模拟气侵装置及气侵模拟实验方法和判断气侵位置的方法。

第一方面，本发明实施例提供一种模拟气侵装置，包括：模拟井筒、模拟钻柱、入口管路、入口压力传感器、出口管路，出口压力传感器、钻井泵和储液罐；激励装置、多个气侵阀、进气阀和空压机；液压节流阀、气液流量计和工控机；其中：

所述模拟钻柱设置于模拟井筒内；所述钻井泵连接储液罐，所述储液罐通过入口管路和出口管路连通所述模拟钻柱和所述模拟井筒；

所述出口压力传感器设置于出口管路的出口附近；所述入口压力传感器设置于入口管路的入口附近；

所述入口压力传感器、所述出口压力传感器、所述液压节流阀和所述气液流量计依次设置于出口管路上，并且通过传输线路连接所述工控机；

所述激励装置与所述出口管路连接，且设置于出口压力传感器和气液流量计之间；

多个气侵阀分别设置于高低不同的多个气侵模拟管路上，所述多个气侵模拟管路一端与井筒的不同深度处相连通，另一端通过进气阀连接空压机；所述多个气侵阀用于打开以模拟气侵的发生；

所述工控机，用于实时监测所述气液流量计采集的气体和/或钻井液流量信号数据，并通过所述液压节流阀对管路中的液体流量进行控制，并在不同气侵阀打开模拟不同位置处的气侵发生时，获得所述出口压力传感器采集的出口压力波信号数据、所述入口压力传感器采集的入口压力波信号数据并进行处理，得到不同气侵位置处的压力波响应曲线。

在一个实施例中，所述激励装置，包括：液压枪、液压管线和单向阀；

所述液压管线一端连接所述出口管路，所述液压管线另一端连接所述液压枪；所述单向阀设置于所述液压管线与所述出口管路的交汇处；所述液压枪设置有激励扳手，以完成激励后复位。

在一个实施例中，所述工控机用于在所述液压枪完成激励后，持续采集所述入口压力传感器的压力波信号和出口压力传感器的压力波信号，直至激励压力波消失后延迟预设时长；对采集的压力波信号数据进行去噪处理；将去噪后的压力波信号数据进行快速傅里叶变换，以转换得到对应的频域信号，通过预先建立的模拟井筒环空系统压力变量响应函数，导出发生气侵位置的响应频谱曲线。

在一个实施例中，所述入口管路与所述模拟井筒中的模拟钻柱的顶端连接，另一端与所述钻井泵连接；

所述出口管路的一端与所述模拟井筒和模拟钻柱之间的环空的出口连接，另一端与储液罐连接。

在一个实施例中，所述储液罐用于盛装钻井液；所述钻井泵用于在模拟气侵之前将储液罐中的钻井液泵出并循环直至模拟井筒和模拟钻柱内充满所述钻井液。

第二方面，本发明实施例提供一种使用如前述的模拟气侵的装置进行气侵模拟实验的方法，包括：

启动所述钻井泵，将储液罐中的钻井液泵出并在入口管路、所述模拟钻柱、模拟井筒环空和出口管路中循环直至模拟井筒和模拟钻柱内充满所述钻井液；

在满足预设的激励条件后，对所述激励装置进行加压，直至预设的压力值；

打开空压机，关闭所有气侵阀，并开启进气阀；

打开预设位置的气侵阀，并关闭其他位置的气侵阀，保持进气阀开启，记录流量计示数；

触发激励装置发射激励压力波信号，并采集入口传感器处的压力波信号和出口传感器处的压力波信号，直至激励压力波消失后延迟预设时长；

对采集的压力波信号数据进行去噪处理；

将去噪后的压力波信号进行快速傅里叶变换，将压力波时域信号转换至频域信号，通过预先建立的模拟井筒环空系统压力变量响应函数，导出发生气侵位置的响应频谱曲线。

在一个实施例中，若所述实验方法需连续模拟模拟井筒不同位置的气侵情况时，则在上一个位置的气侵模拟结束后，关闭所有气侵阀，并循环钻井液达到预设的时长，直至模拟井筒和模拟钻柱无气体存在；然后打开当前位置的气侵阀，继续模拟当前位置的气侵情况。

第三方面，本发明实施例提供一种判断气侵位置的方法，包括：

若检测到发生气侵，在井筒出口处通过激励装置发射激励压力波信号，并通过地面节流管会和立管处的压力传感器采集原始压力波信号；

对采集到的所述原始压力波信号进行去噪处理；

将去噪处理的信号经快速傅里叶变换，获得压力波响应频谱曲线，所述压力波响应频谱曲线保留有低频特征；

通过将所述压力波响应频谱曲线，与模拟得到的井筒各位置气侵时的压力波响应频谱曲线进行对比，确定实际发生气侵的位置；

所述模拟得到的井筒各位置气侵时的压力波响应频谱曲线，是通过如如前述的气侵模拟实验的方法得到的。

在一个实施例中，对采集到的所述原始压力波信号进行去噪处理，包括：

通过变分模态分解VMD算法或者小波变换算法对原始压力波信号进行去噪。

在一个实施例中，通过将所述压力波响应频谱曲线，与模拟得到的各位置的气侵时的压力波响应频谱曲线进行对比，确定发生气侵的位置，包括：

将实测的压力波响应频谱曲线，与模拟井筒多个不同位置处发生气侵时的压力波响应频谱曲线进行对比；

根据曲线峰值位置和变化趋势，采用二分法定位实测的压力波响应频谱曲线的实际发生位置。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例采用压力波技术的原理，即：通过压力激励装置向井筒内激发一个适当强度的激励压力波，激励波沿着井筒向井下传播过程中遇到溢流点后产生压力波反射和折射，反射波从溢流处向井口传播，而原始激励波受折射的影响，其波形发生改变，继续向井下传播，到达井底后由钻头进入钻柱内，再向井口传播。压力波在传播过程中携带着有效的泄漏点信息，由于传播过程中受到钻井液流体、井眼轨迹等因素的影响，因此对地面节流管会和立管处的压力波进行检测并提取特征信息，确定溢流层位。通过上述方式，模拟井筒发生不同深度位置的气侵，并获得对应的压力波响应频谱曲线，并通过真实发生气侵时实测的压力波响应频谱曲线与其进行对比，可准确地确定实际发生气侵的位置。具有检测准确、即时性强，并且由于不需要对井场进行大规模改进，通过液压激励装置产生压力波，通过压力传感器采集压力波数据，实现成本较低、操作简单，可广泛应用于各类钻井过程中气侵位置的检测。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中模拟气侵装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中气侵模拟实验的方法的流程图；

图3A和3B为本发明实施例中实施例一和实施例二中实测压力波频域曲线与函数频域曲线的示意图；

图4为本发明实施例中井筒环空系统的示意图；

图5为本发明实施例中判断气侵位置的方法的流程图。

附图标记说明：

1、模拟井筒；2、模拟钻柱；3、入口压力传感器；4、入口管路；5、出口压力传感器；6、钻井泵；7、吸入管路；8、储液罐；9、出口管路；10、单向阀；11、液压管线；12、液压枪；13、第1气侵阀；14、第2气侵阀；15、第3气侵阀；16、气体管线；17、进气阀；18、空压机；19、入口传感器的传输线；20、出口传感器的传输线；21、信号输出线；22、工控机；23、计算机；24、气液流量计传输线；25、液压节流阀传输线；26、气液流量计；27、液压节流阀。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

下面结合附图，对本发明提供的模拟气侵装置及气侵模拟实验方法和判断气侵位置的方法的具体实施方式进行详细说明。

(一)模拟气侵装置的实施例：

本发明实施例提供了一种模拟气侵装置，参照图1所示，包括：模拟井筒1、模拟钻柱2、入口管路4、入口压力传感器3、出口管路9，出口压力传感器5、钻井泵6和储液罐8；激励装置、多个气侵阀、进气阀17和空压机18；液压节流阀25、气液流量计26和工控机22；其中：

模拟钻柱2设置于模拟井筒1内；钻井泵6连接储液罐8，储液罐8通过入口管路4和出口管路9连通模拟钻柱2和模拟井筒1；

出口压力传感器3设置于出口管路9的出口附近；入口压力传感器3设置于入口管路的入口附近；

入口压力传感器3、出口压力传感器5、液压节流阀25和气液流量计26依次设置于出口管路9上，并且通过传输线路连接所述工控机22；

激励装置与出口管路9连接，且设置于出口压力传感器5和气液流量计26之间；

多个气侵阀(例如图1所示的第1气侵阀13、第2气侵阀14和第3气侵阀15，但本发明实施例不限于3个气侵阀)分别设置于高低不同的多个气侵模拟管路上，多个气侵模拟管路一端与井筒的不同深度处相连通，另一端通过进气阀17连接空压机；多个气侵阀用于打开时以模拟气侵的发生；

工控机22，用于实时监测所述气液流量计采集的气体和/或钻井液流量信号数据，并通过所述液压节流阀对管路中的液体流量进行控制，并在不同气侵阀打开模拟不同位置处的气侵发生时，获得所述出口压力传感器3采集的出口压力波信号数据、所述入口压力传感器3采集的入口压力波信号数据并进行处理，得到不同气侵位置处的压力波响应曲线。

储液罐8用于盛装钻井液(或实验用清水)，待后续模拟井筒1钻井液循环使用。钻井泵6用于在模拟气侵之前将储液罐中的钻井液泵出并循环直至模拟井筒1和模拟钻柱2内充满所述钻井液。

图1所示的模拟气侵装置的结构中，包括3个气侵阀，分别设置于模拟井筒1的预设的几个不同的深度处，例如设置于模拟井筒1的1/2、1/3、2/3处等等，本发明实施例并不限于具体的深度的位置，同时，也不限定气侵阀的具体数量。

入口管路4与模拟井筒1中的模拟钻柱2的顶端连接，另一端与钻井泵6连接；

出口管路9的一端与模拟井筒1和模拟钻柱2之间的环空的出口连接，另一端与储液罐8连接。

可以通过可视化的材质(透明或者半透明材质)仿真井筒内的管柱结构，例如采用内外同心管套管分别来模拟钻柱和井筒，例如可以选PC管，钻井液由钻井泵加压后从内管(模拟钻柱)一端进入，流至内管另一端后从内外管之间的环空内做反向流动，直至循环至清水罐。此模拟井筒1采用可视化材质可以更加直观观测钻井液在内外管环空的循环状况，有助于快速排除实验环境因素的干扰，同时便于观察记录实验过程。

在井筒内管柱结构完整的前提下，模拟气侵装置中每种模拟管组上配备有快速接头，在井筒内模拟钻柱2顶端安装入口管路的一端，另一端与钻井泵6连接，再将钻井泵6与储液罐8连接，完成上述管路连接，钻井液即可从储液罐8进入井筒内模拟钻柱2与环空；将环空出口与出口管路9一端连接，出口管路9的另一端与储液罐8连接，完成上述管线连接，钻井液即可从井筒内模拟钻柱2与环空重新回到储液罐8中，将两部分管路连接即可完成钻井液循环。

进一步地，上述激励装置，参照图1所示，具体包括：液压枪12、液压管线11和单向阀10；

液压管线11一端连接出口管路，液压管线11另一端连接液压枪12；单向阀10设置于液压管线11与出口管路9的交汇处；液压枪12设置有激励扳手，以完成激励后复位。

液压枪12装置附有激励扳手，完成激励后可复位，激励前需将提前准备好的部分钻井液注入液压枪12内部，通过外部加压，使内部钻井液压力发生变化，直至加压到实验所需压力值。达到实验所需的激励压力值后，需先打开单向阀10，再扣动激励扳手，内部加压后的钻井液通过液压管线11进入节流管汇，完成激励操作。此激励装置具有即时性强、成本低、操作简单的特点。

钻井泵6的规格，例如可以选排量为0～4.5m3/h变频可调，扬程16m，进出口通过法兰连接，循环泵配备的变频电机可满足不同规格模拟管组的实验需求。钻井液储存罐材质例如可以为材料304不锈钢，容积200L。

工控机22用于在液压枪12完成激励后，持续采集所述入口压力传感器3的压力波信号和出口压力传感器5的压力波信号，直至激励压力波消失后延迟预设时长；对采集的压力波信号数据进行去噪处理；将去噪后的压力波信号数据进行快速傅里叶变换，以转换得到对应的频域信号，通过预先建立的模拟井筒环空系统压力变量响应函数，导出发生气侵位置的响应频谱曲线。

在工控机22上，可以安装控制程序，该控制程序例如可以由钻井液流量、压力、漏失量、气体流量等测量模块组成，实时监测测试过程中的钻井液流量、压力、漏失量、气体流量的变化。

压力测量系统可由高精度压力传感器和耐震压力表组成，主要测试记录实验过程中流程压力，压力传感器采用高精度压力传感器，测试精度高，漂移小。流量测量由气体流量计实现，气侵量测量则由高精度微小气体流量计组成。高频传感器对脉冲波形进行采集，采样率为14KHz，采用双通道，且采样率可根据实验需要进行调整。

程序的软件界面依据项目实验需求进行针对性开发，导出数据包括采样率、激励压力、流量、流程压力、漏失量、气侵位置等。其中采样率、激励压力、气侵位置可以为手输实验信息，液体流量、气体流量、流程压力、漏失量为传感器采集内容。实验数据以文件形式导出至工控机硬盘指定位置，文件名自定义。实验数据生成文件可编辑，能截取一段另存。

(二)气侵模拟实验的方法的实施例：

基于上述模拟气侵装置，本发明实施例还提供了一种使用前述模拟气侵装置进行气侵模拟实验的方法，参照图2所示，该方法包括下述步骤：

S21、启动钻井泵，将储液罐中的钻井液泵出并在入口管路、模拟钻柱、模拟井筒环空和出口管路中循环直至模拟井筒和模拟钻柱内充满所述钻井液；

S22、在满足预设的激励条件后，对所述激励装置进行加压，直至预设的压力值；

S23、打开空压机，关闭所有气侵阀，并开启进气阀；

S24、打开预设位置的气侵阀，并关闭其他位置的气侵阀，保持进气阀开启，记录流量计示数；

S25、触发激励装置发射激励压力波信号，并采集入口传感器处的压力波信号和出口传感器处的压力波信号，直至激励压力波消失后延迟预设时长；

S26、对采集的压力波信号数据进行去噪处理；

S27、将去噪后的压力波信号进行快速傅里叶变换，将压力波时域信号转换至频域信号，通过预先建立的模拟井筒环空系统压力变量响应函数，导出发生气侵位置的响应频谱曲线。

进一步地，若实验方法需连续模拟模拟井筒不同位置的气侵情况时，则在上一个位置的气侵模拟结束后，关闭所有气侵阀，并循环钻井液达到预设的时长，直至模拟井筒和模拟钻柱无气体存在；然后打开当前位置的气侵阀，继续模拟当前位置的气侵情况。

下面以两个实施例(实施例一和实施例二)说明上述气侵模拟实验的方法。

该两个实施例步骤的具体实施过程，结合图1所示的模拟气侵装置的结构来详细说明，具体实施过程如下。

实施例一：

步骤1：在储液罐8内配置实验用清水或常规体系钻井液，待后续模拟井筒钻井液循环使用。

步骤2：将液压枪和液压管线连接至节流管汇处。

液压枪加压前，观察压力表是否处于初始位置。若压力表指针不在初始位置，需调节压力表恢复到初始位置。

步骤3：检查钻井液循环装置、模拟井筒内柱和环空的外观特征，是否存在明显的泄漏状况。

若无明显的泄漏，打开钻井泵6，钻井液循环流动十分钟左右，在此期间需持续观察，透明井筒内是否有气体存在钻井液中。

若模拟井筒内还有气体存在，需继续循环钻井液，打开模拟井筒节流管汇处排气阀，利用钻井液循环将模拟井筒内的气体通过排气阀全部排出，直至模拟井筒1和模拟钻柱2内充满实验用清水或常规体系钻井液。

步骤4：观察流量计和透明模拟井筒，钻井液循环流量保持稳定且连接液压枪和液压管线连接好后模拟井筒内无气体存在后，启动工控机22和计算机23，打开程序控制页面。

启动工控机22和计算机23后，检查工控机是否运转正常，若不能正常运转，需及时排除故障，检查计算机初始页面是否异常。

步骤5：打开信号采集程序控制页面后，点击双通道采集模式，输入压力传感器采集频率14KHz，点击信号采集按钮，从这一时刻开始，压力传感器3、压力传感器5开始采集井筒内柱入口和环空出口处的压力波信号。

在信号采集页面观察压力传感器采集到的压力波的波动状况是否处于平稳，在可控范围内，若压力波的波动较大或者异常失真，应及时检查钻井液循环装置是否异常以及信号采集装置是否异常，及时排除故障。

步骤6：观察各仪表的状况，在钻井液循环正常的情况下，检查各仪表的运行是否在正常可控范围内。

步骤7：在满足激励条件后，对液压枪12进行加压，观察液压表盘的变化，增压至实验所需的压力值。

步骤8：打开空压机，关闭第1气侵阀13；第2气侵阀14；第3气侵阀15；打开进气阀17。

步骤9：完成步骤8后，打开第1气侵阀13，保持进气阀17打开，记录气体流量计的示数。

步骤10：打开单向阀10，重置信号采集通道按钮，从这一时刻开始采集压力波信号，当压力波信号，在采集开始后的3～5秒后，快速触发液压枪触发装置，产生流量变量Δq。

步骤11：完成液压枪激励后，入口压力传感器3和出口传感器5，双通道采集压力波信号，直至记录到激励压力波波形消失后的3～5秒，点击停止按钮。

步骤12：完成步骤11后，将采集的压力波信号存储至计算机对应的文件夹。

步骤13：在对应的文件夹中提取采集的压力波信号数据，进行数据处理，因实验环境因素，采集到的压力波中包含了大量的噪声信号，给频谱分析造成困难，因此，需要对信号进行去噪处理。

步骤14：完成步骤13后，将去噪后的信号经快速傅里叶变换(FFT)，将压力波时域信号转换到频谱进行分析。

步骤15：通过建立的模拟井筒环空系统压力变量响应函数Δh_D(ω)，导出在模拟井筒1/2处发生气侵的理论响应曲线。

从函数频域曲线分析，压力波属于低频信号，在频谱上表现为逐渐衰减的趋势，且振幅的第一个峰值最大，后面的振幅峰值依次降低。

步骤16：完成步骤14和步骤15后，将实测的压力波频域曲线和函数频域曲线进行比较；

通过比较，结合图3A所示，实测的压力波频域曲线振幅峰值与函数频域曲线振幅峰值基本保持一致。

系统传递函数仅与环空本身特性有关，操作特性(激励操作)保持不变，因此从压力变量频谱可以判断井筒环空发生气侵的位置在井筒的1/2处。

实施例二：

步骤1：在储液罐8内配置实验用清水或常规体系钻井液，待后续模拟井筒钻井液循环使用。

步骤2：将液压枪和液压管线连接至节流管汇处。

步骤3：检查钻井液循环装置、模拟井筒内柱和环空的外观特征，是否存在明显的泄漏状况。

若无明显的泄漏，打开钻井泵6，钻井液循环流动十分钟左右，在此期间需持续观察，透明井筒内是否有气体存在钻井液中。

若模拟井筒内还有气体存在，需继续循环钻井液，打开模拟井筒节流管汇处排气阀，利用钻井液循环将模拟井筒内的气体通过排气阀全部排出，直至模拟井筒1和模拟钻柱2内充满实验用清水或常规体系钻井液。

液压枪加压前，观察压力表是否处于初始位置。若压力表指针不在初始位置，需调节压力表恢复到初始位置。

若实验连续检测模拟井筒的气侵发生位置，操作步骤1、步骤2、步骤3均可跳过不执行，关闭所有气侵阀门，需重复实验步骤2中的钻井液继续循环十分钟左右，直至透明环空内无气体存在，同时避免了因上组实验激励波引起的压力波动对该组实验造成影响。

步骤4：观察流量计和透明模拟井筒，钻井液循环流量保持稳定且连接液压枪和液压管线连接好后模拟井筒内无气体存在后，启动工控机22和计算机23，打开溢流分析软件。

启动工控机22和计算机23后，检查工控机是否运转正常，若不能正常运转，需及时排除故障，检查计算机初始页面是否异常。

步骤5：打开信号采集程序控制页面后，打开双通道采集模式，输入压力传感器采集频率14KHz，点击信号采集按钮，从这一时刻开始，压力传感器3、压力传感器5开始采集井筒内柱入口和环空出口处的压力波信号。

在信号采集页面观察压力传感器采集到的压力波的波动状况是否处于平稳，在可控范围内，若压力波的波动较大或者异常失真，应及时检查钻井液循环装置是否异常以及信号采集装置是否异常，及时排除故障。

步骤6：观察各仪表的状况，在钻井液循环正常的情况下，检查各仪表的运行是否在正常可控范围内。

步骤7：满足激励条件后，对液压枪12进行加压，观察液压表盘的变化，增压至实验所需的压力值。

步骤8：打开空压机，关闭第1气侵阀13；第2气侵阀14；第3气侵阀15；打开进气阀17。

步骤9：完成步骤8后，打第2气侵阀14，保持进气阀17打开，记录气体流量计的示数。

步骤10：打开单向阀10，重置信号采集通道按钮，从这一时刻开始采集压力波信号，当压力波信号，在采集开始后的3～5秒后，快速触发液压枪触发装置，产生流量变量Δq。

步骤11：完成液压枪激励后，入口压力传感器3和出口传感器5，双通道采集压力波信号，直至记录到激励压力波波形消失后的3～5秒，点击停止按钮。

步骤12：完成步骤11后，将采集的压力波信号存储至计算机对应的文件夹。

步骤13：在对应的文件夹中提取采集的压力波信号数据，进行数据处理，因实验环境因素，压力波包含了大量的噪声信号，给频谱分析造成困难，进行信号去噪处理。

步骤14：完成步骤13后，将去噪后的信号经FFT变换，将压力波时域信号转换到频谱进行分析。

步骤15：通过建立的模拟井筒环空系统压力变量响应函数Δh_D(ω)，导出在2/3处发生气侵的理论响应曲线。从函数频域曲线分析，压力波属于低频信号，在频谱曲线上表现为振幅第一个峰值衰减，第二个振幅峰值再次升高，后面的振幅随着频率增大快速衰减。

步骤16：完成步骤14和步骤15后，将实测的压力波频域曲线和函数频域曲线进行比较，结合图3B，通过比较，实测的压力波频域曲线振幅峰值与函数频域曲线振幅峰值随着频率增大基本保持一致，操作特性保持一致，比较频谱曲线从而可以判断井筒环空发生气侵的位置在井筒的2/3处。

由于压力波在环空内传播，气侵位置处的有效信息包含在压力波信号特征中，从频谱分析更加明显直观，可以有效的定位气侵位置。

(三)上述模拟气侵装置和气侵模拟实验的原理说明：

上述实施例提供的模拟气侵装置和气侵模拟实验的方法，基于真实的环空内的压力和流量传递模型的原理来实现。下面对该模拟气侵装置和气侵模拟实验的方法的原理进行说明：

模拟气侵装置是模拟井筒环空系统，通过激励压力波脉冲响应的方法获得模拟频率响应曲线。

采集的波形是采集的压力波时域波形，需要快速傅里叶变换得到激励压力波频域响应频谱。

参照图4所示，因井筒某一位置处发生气侵，井筒环空系统被分为两部分，井筒环空系统1和环空系统2。研究因确定激励信号引起环空内瞬变流问题，可采用传递矩阵法，由分布参数理论可知对于长度固定的井筒，其终端压力与流量，可用始端压力与流量来表示。

环空内任意一处的压力和流量的函数为：

当x＝l时，一维管道的场矩阵方程可表示为

环空因发生气侵，在气侵处H_U2＝H_D1；Q_U2＝Q_D1-Q_l＝Q_U1-H_D1/Z_L关系式成立，因此气侵处的传递矩阵方程为从而可以得到井筒环空系统总传递矩阵方程为

环空系统的传递函数：

井筒环空内任意一点的阻抗定义为：Z(x)＝H(x)/Q(x)，即井筒环空系统的传递函数。

当环空未发生气侵时，因环空始端为恒压源，所以入口处波动压力为H_U＝0，环空入口处阻抗为Z_U＝H_U/Q_U＝0；环空系统的输出阻抗为：

从环空未发生气侵时的系统的输出阻抗式中可以看出，入口处未发生波动时，井筒环空系统传递函数仅与系统的特性阻抗、环空内传播常数和环空固定长度相关，因此当环空未发生气侵时，系统传递函数不会发生改变。

当环空发生气侵时，因环空始端为恒压源，所以环空入口处波动压力为H_U1＝0，环空入口处阻抗为Z_U1＝H_U1/Q_U1＝0；环空的横截面积不变，因此γ＝γ₁＝γ₂及Z_C＝Z_C1＝Z_C2成立。

环空系统的输出阻抗为：

(H_D2、Q_D2已由上述井筒环空系统压力和流量总传递矩阵求出)

从环空发生气侵时的系统的输出阻抗式中可以看出，入口处未发生波动时，因井筒某一位置处发生气侵，井筒环空系统被分为两部分，井筒环空系统1和环空系统2，因此整个环空系统传递函数由环空系统1的压力和流量的传递矩阵、漏点处传递矩阵、环空系统2的压力和流量传递矩阵求出。

根据模拟井筒1整体传递函数分析模拟井筒系统特性，忽略管道摩擦时，和成立，则模拟井筒1与模拟钻柱2之间的环空输出阻抗为：

由井筒环空系统传递矩阵可以得到系统的传递函数只与系统本身特性相关，系统特性一旦发生改变，系统传递函数也会随之发生改变，因此井筒发生气侵时，会显著的影响系统特性。

脉冲响应方法的说明：

环空始端为恒压源，环空出口处瞬间液压激励而被强加于脉冲流量Δq_D(t)，相对流量引起类似阶跃信号的变化：脉冲流量函数的傅里叶变换：频域幅值模函数Δq(ω_r)：式中Δq′表示环空稳态流量减去阀门关闭后的平均流量；表示环空半周期。

液压激励瞬间部分关闭产生激励脉冲流量，根据傅里叶变换卷积定理，可以求出相对于响应函数和脉冲流量的压力水头函数Δh_D(t)：当环空顶部压力恒定，环空出口处因液压激励瞬间部分关闭被强加于脉冲流量，对单位脉冲函数进行傅里叶变换为：应用叠加原理，当环空出口被强加于脉冲压力时，可以求出环空任意处的脉冲压力响应和流量响应：

根据时域内脉冲压力响应和流量响应可以利用傅里叶变换，将时域响应转换为脉冲压力的频域响应。应用傅里叶卷积定理，压力变量的傅里叶变换为响应函数的傅里叶变换和流量变量的傅里叶变换的乘积：Δh_D(ω)＝H_D(ω)Δq_D(ω)＝Z_D(ω)Δq_D(ω)。此式表明，对于一个阀门瞬间部分关闭的操作，压力水头频谱由系统传递函数傅里叶变换和流量变量的傅里叶变换两部分组成。前者只与系统的特性有关，后者只与阀门操作特性相关，且压力水头频谱与流量变量的傅里叶变换为线形关系。

在钻井液出口端产生压力波是实施激励压力波检测井漏的前提条件，此压力波是通过钻井现场压力表接口接入一个压力波激动装置来实现。分析激动装置产生的压力波特性，设计合理的压力脉冲强度和控制程序。通过采用不同几何尺寸的套管、裸眼井壁、钻头等组成，采集不同形态和流道特性下的压力波，研究其传播规律。漏层或溢层的位置和漏层或溢层量的不同会发生改变井筒流道的固有特性，压力波在漏层或溢层处的反射和折射其波形和频谱性也会发生相应的改变。记录激励压力波在漏层或溢层处反射和折射波，研究其传播特性，建立适合压力波检测漏层或溢层的时域和频域数学模型。

压力测量系统由高精度压力传感器组成，主要测试记录实验过程中流程压力信号，高频传感器对脉冲波形进行采集，采样率为14KHz，采用双通道，且采样率可根据实验需要进行调整。

对测量的压力波信号进行分析，应用傅里叶卷积定理，压力变量的傅里叶变换为响应函数的傅里叶变换和流量变量的傅里叶变换的乘积。通过频谱分析确定系统响应函数与实测结果进行对比，判断气侵位置。

上述公式中：

l：环空长度；l₁：环空1长度；l₂：环空2长度；H_U：始端压力；Q_U：始端流量；H_D：终端压力；Q_D：终端流量；Q_l：泄漏流量；H_U1：环空1入口处压力；H_U2：环空2入口处压力；H_D1：环空1出口处压力；H_D2：环空2出口处压力；g：重力加速度；

A：环空管道横截面积；a：压力波速度；D：环空管道内径；f：Darcy-Weibach摩擦系数；传播常数；γ₁：环空1传播常数；γ₂：环空2传播常数；Z_C＝γ/Cs：环空特性阻抗；Z_C1：环空1特性阻抗；Z_C2：环空2特性阻抗；L＝1/gA：单位长度感抗；

s＝iω：拉氏变量；i：复数单位ω：频率；C＝gA/a²：单位长度容抗；q：流量

R＝fq²/(2gDA²)：单位长度阻抗；Z_D：环空系统的输出阻抗；Z_U1：环空1入口处阻抗；

Z_D2：环空出口处阻抗；Z_L：泄漏点处动态阻抗。Δq_D：环空出口处流量变量；

Δq(ω_r)：流量变量频域幅值模函数；Δq′：环空稳态流量减去阀门关闭后的平均流量；

环空半周期；H_D(t)：压力响应函数；Δh_D(t)：压力水头函数。

利用上述实验模拟的方法，可以模拟出不同井筒深度的压力波响应频谱曲线，有了这些不同位置的压力波响应频谱曲线以后，可以在实际监测气侵过程中，利用类似的原理，获得实际的压力波响应频谱曲线，与模拟时获得的压力波响应频谱曲线进行对比，确定实际发生气侵的位置。

(四)判断气侵位置的方法的实施例：

基于上述原理的说明，本发明实施例还提供了一种判断气侵位置的方法，参照图5所示，包括：

S51、若检测到发生气侵，在井筒出口处通过激励装置发射激励压力波信号，并通过地面节流管会和立管处的压力传感器采集原始压力波信号；

S52、对采集到的所述原始压力波信号进行去噪处理；

S53、将去噪处理的信号经快速傅里叶变换，获得压力波响应频谱曲线，所述压力波响应频谱曲线保留有低频特征；

S54、通过将所述压力波响应频谱曲线，与模拟得到的井筒各位置气侵时的压力波响应频谱曲线进行对比，确定实际发生气侵的位置；

上述模拟得到的井筒各位置气侵时的压力波响应频谱曲线，是通过如前述的气侵模拟实验的方法得到的。

进一步地，上述步骤S52可以通过变分模态分解(VMD，Variational ModeDecomposition)算法或者小波变换算法对原始压力波信号进行去噪。

进一步地，上述步骤S54中，可以通过将实测的压力波响应频谱曲线，与模拟井筒多个不同位置处发生气侵时的压力波响应频谱曲线进行对比；

根据曲线峰值位置和变化趋势，采用二分法定位实测的压力波响应频谱曲线的实际发生位置。

二分法是通过递归的方法，不断地以二分的形式，缩小比较空间，以达到快速确定实际发生气侵位置的目的。

例如，将采集到实测数据后和模拟的频谱曲线先对比，对比峰值位置和突降位置，判断气侵所在区间段，再用二分法将区间段分成两部分，缩小区间范围，继续模拟此区间段的频率响应曲线，例如模拟1/3、1/2、2/3处发生气侵时的压力波频谱曲线，若实测曲线变化趋势与1/3和1/2处之间发生气侵的模拟曲线趋势相同，再和1/3和1/2处之间的5/12处的模拟曲线再进行比对，若和5/12处曲线拟合度很高，气侵位置即井深×5/12处附近。

本发明实施例采用压力波技术的原理，即：通过压力激励装置向井筒内激发一个适当强度的激励压力波，激励波沿着井筒向井下传播过程中遇到溢流点后产生压力波反射和折射，反射波从溢流处向井口传播，而原始激励波受折射的影响，其波形发生改变，继续向井下传播，到达井底后由钻头进入钻柱内，再向井口传播。压力波在传播过程中携带着有效的泄漏点信息，由于传播过程中受到钻井液流体、井眼轨迹等因素的影响，因此对地面节流管会和立管处的压力波进行检测并提取特征信息，确定溢流层位。通过上述方式，模拟井筒发生不同深度位置的气侵，并获得对应的理论压力波响应频谱曲线，并通过真实发生气侵时实测的压力波响应频谱曲线与其进行对比，可准确地确定实际发生气侵的位置。

与现有技术相比，本发明实施例提供的模拟气侵装置及气侵模拟实验方法和判断气侵位置的方法，具有如下的技术效果：

1、检测准确：常规的气侵检测装置虽能判断出是否发生气侵，但无法准确地检测出气侵位置，本发明基于压力激励波检测法，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准确判断气侵位置的缺陷，有效提高了工作效率。

2、即时性强：本发明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：本发明不需要对井场进行大规模改进，通过液压枪产生压力波，采用压力传感器检测井口压力，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：本发明是可广泛应用于欠平衡钻井、控压钻井、微流量钻井等钻井过程中气侵位置的检测。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种模拟气侵装置，其特征在于，包括：模拟井筒、模拟钻柱、入口管路、入口压力传感器、出口管路，出口压力传感器、钻井泵和储液罐；激励装置、多个气侵阀、进气阀和空压机；液压节流阀、气液流量计和工控机；其中：

所述模拟钻柱设置于模拟井筒内；所述钻井泵连接储液罐，所述储液罐通过入口管路和出口管路连通所述模拟钻柱和所述模拟井筒；

所述出口压力传感器设置于出口管路的出口附近；所述入口压力传感器设置于入口管路的入口附近；

所述入口压力传感器、所述出口压力传感器、所述液压节流阀和所述气液流量计依次设置于出口管路上，并且通过传输线路连接所述工控机；

所述激励装置与所述出口管路连接，且设置于出口压力传感器和气液流量计之间；

多个气侵阀分别设置于高低不同的多个气侵模拟管路上，所述多个气侵模拟管路一端与井筒的不同深度处相连通，另一端通过进气阀连接空压机；所述多个气侵阀用于打开以模拟气侵的发生；

所述工控机，用于实时监测所述气液流量计采集的气体和/或钻井液流量信号数据，并通过所述液压节流阀对管路中的液体流量进行控制，并在不同气侵阀打开模拟不同位置处的气侵发生时，获得所述出口压力传感器采集的出口压力波信号数据、所述入口压力传感器采集的入口压力波信号数据并进行处理，得到不同气侵位置处的压力波理论响应曲线。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激励装置，包括：液压枪、液压管线和单向阀；

所述液压管线一端连接所述出口管路，所述液压管线另一端连接所述液压枪；所述单向阀设置于所述液压管线与所述出口管路的交汇处；所述液压枪设置有激励扳手，以完成激励后复位。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述工控机用于在所述液压枪完成激励后，持续采集所述入口压力传感器的压力波信号和出口压力传感器的压力波信号，直至激励压力波消失后延迟预设时长；对采集的压力波信号数据进行去噪处理；将去噪后的压力波信号数据进行快速傅里叶变换，以转换得到对应的频域信号，通过预先建立的模拟井筒环空系统压力变量响应函数，导出发生气侵位置的理论响应频谱曲线。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入口管路与所述模拟井筒中的模拟钻柱的顶端连接，另一端与所述钻井泵连接；

所述出口管路的一端与所述模拟井筒和模拟钻柱之间的环空的出口连接，另一端与储液罐连接。

5.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述储液罐用于盛装钻井液；所述钻井泵用于在模拟气侵之前将储液罐中的钻井液泵出并循环直至模拟井筒和模拟钻柱内充满所述钻井液。

6.一种使用如权利要求1-5任一项所述的模拟气侵的装置进行气侵模拟实验的方法，其特征在于，包括：

启动所述钻井泵，将储液罐中的钻井液泵出并在入口管路、所述模拟钻柱、模拟井筒环空和出口管路中循环直至模拟井筒和模拟钻柱内充满所述钻井液；

在满足预设的激励条件后，对所述激励装置进行加压，直至预设的压力值；

打开空压机，关闭所有气侵阀，并开启进气阀；

打开预设位置的气侵阀，并关闭其他位置的气侵阀，保持进气阀开启，记录流量计示数；

触发激励装置发射激励压力波信号，并采集入口传感器处的压力波信号和出口传感器处的压力波信号，直至激励压力波消失后延迟预设时长；

对采集的压力波信号数据进行去噪处理；

将去噪后的压力波信号进行快速傅里叶变换，将压力波时域信号转换至频域信号，通过预先建立的模拟井筒环空系统压力变量响应函数，导出发生气侵位置的理论响应频谱曲线。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，若所述实验方法需连续模拟模拟井筒不同位置的气侵情况时，则在上一个位置的气侵模拟结束后，关闭所有气侵阀，并循环钻井液达到预设的时长，直至模拟井筒和模拟钻柱无气体存在；然后打开当前位置的气侵阀，继续模拟当前位置的气侵情况。

8.一种判断气侵位置的方法，其特征在于，包括：

若检测到发生气侵，在井筒出口处通过激励装置发射激励压力波信号，并通过地面节流管会和立管处的压力传感器采集原始压力波信号；

对采集到的所述原始压力波信号进行去噪处理；

将去噪处理的信号经快速傅里叶变换，获得压力波响应频谱曲线，所述压力波响应频谱曲线保留有低频特征；

通过将所述压力波响应频谱曲线，与模拟得到的井筒各位置气侵时的压力波响应频谱曲线进行对比，确定实际发生气侵的位置；

所述模拟得到的井筒各位置气侵时的压力波响应频谱曲线，是通过如权利要求6或7所述的气侵模拟实验的方法得到的。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，对采集到的所述原始压力波信号进行去噪处理，包括：

通过变分模态分解VMD算法或者小波变换算法对原始压力波信号进行去噪。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，通过将所述压力波响应频谱曲线，与模拟得到的各位置的气侵时的压力波响应频谱曲线进行对比，确定发生气侵的位置，包括：

将实测的压力波响应频谱曲线，与模拟井筒多个不同位置处发生气侵时的压力波响应频谱曲线进行对比；

根据曲线峰值位置和变化趋势，采用二分法定位实测的压力波响应频谱曲线的实际发生位置。