一种井筒液位测量的供气装置及测量装置和测试方法
技术领域
本发明涉及一种井筒液位测量的装置及方法，应用于油气勘探开发技术领域，特别是指一种适用于油气钻井施工过程中现场进行井筒环空液位测量的井筒液位测量的供气装置及测量装置和测试方法。
背景技术
油气行业钻井施工过程中常常发生井涌和井漏事故，井控作业是钻井安全的重中之重，掌握钻井施工过程中井筒环空液面的位置是井控作业的重要基础，是采取灌浆、堵漏、强行钻进等下步措施的重要依据。利用井筒液位仪进行环空液位测量，结合录井作业对钻井过程的监控，可以快速准确的分析井下状态，计算环空压力、地层压力以及需要的环空当量密度，为配备泥浆体系提供可靠的科学依据。为防止事故的发生和发展，降低作业风险和安全高效钻井提供可靠的保障。
目前，钻井施工过程中的井筒液位测量由专业队伍实施点测完成，当钻井钻进到高温、高压、易漏层位或发生井漏事故时，安排专业施工队伍上井由钻井作业人员配合完成安装和测量，存在的不足主要表现一下几点:
一是发生井涌、井漏等各种事故是不可预测时间的，安排专业队伍可能存在过早或过晚，从而造成耽误施工或等待时间很长。
二是单独的井下液位测量不能结合现场录井形成相对准确的预测和预判，从而没有完成的证据链。
三是传统的安装测量方法耽误钻井施工，需要钻井队作业配合进行开井、关井作业以及开关多个阀门，存在操作方面的安全隐患。
四是传统的点测方法由于测量受到钻井施工的影响，往往测量密度不够，不能及时掌握井下动态，不能及时为井控作业提供科学依据；
五是传统测量方法使用高压氮气瓶供气，存在高压气瓶频繁更换和运输问题，因为高压气体运输需要专业车辆，成本较高。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种井筒液位测量的供气装置，基于氮气供气装置的特点，其结构简单，自动化程度高，使用成本低廉，性能可靠，安全系数高，便于搬迁，运输简单方便，可以实现对井筒液位测量气枪的连续供气。
本发明的目的之二在于提供一种基于上述供气装置用于井筒液位测量的测量装置。
本发明的目的之三在于提供一种基于上述测量装置的井筒液位测量方法。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
作为第一方面的井筒液位测量的供气装置，包括空压机、氮气发生器和增压装置，所述空压机的压缩空气出口与所述氮气发生器的压缩空气入口和增压装置的压缩空气入口连接，所述氮气发生器的低压氮气出口与所述增压装置的低压氮气入口连接，在所述增压装置上设置有高压氮气出口。
在本发明的一个优选实施例中，所述空压机的出口通过一三通与所述氮气发生器的空气入口和增压装置的空气入口连接。
在本发明的一个优选实施例中，所述增压装置包括一低压氮气罐、一高压氮气罐和一增压泵，所述增压装置的低压氮气入口设置在所述低压氮气罐上，所述增压装置的高压氮气出口设置在所述高压氮气罐上，在所述低压氮气罐上设置有低压氮气出口，在所述高压氮气罐上设置有高压氮气入口，所述低压氮气出口通过增压泵与所述高压氮气入口连接，所述增压泵的泵头与所述增压装置的压缩空气入口连接，以压缩空气为动力，将所述低压氮气罐内的低压氮气压缩到所述高压氮气罐内。
在本发明的一个优选实施例中，在所述高压氮气罐的高压氮气出口上增设一调压阀，用以调节所述高压氮气罐的高压氮气出口上的高压氮气的输出压力。
在本发明的一个优选实施例中，所述输出压力依据如下公司计算：
P＝7Pa+Ps
其中，P为输出压力，Pa为驱动压力，Ps为低压氮气罐的低压氮气压力，所述驱动压力为在所述空压机提供气源的基础上，所述调节阀调节的气体压力。
在本发明的一个优选实施例中，在所述高压氮气罐上设置有一压力解除阀，在所述低压氮气罐的低压氮气入口设置有低压氮气阀，在所述高压氮气罐上的高压氮气入口设置有高压氮气阀；所述增压装置还包括增压泵开关、低压氮气开关、高压氮气开关和压力解除开关，所述增压泵开关与所述增压泵控制连接，完成所述增压泵工作和停止的状态转换；所述低压氮气开关与所述低压氮气阀控制连接，完成所述低压氮气罐的低压氮气入口的起开和关闭，所述高压氮气开关与所述高压氮气阀控制连接，完成所述高压氮气罐上的高压氮气入口的起开和关闭，所述压力解除开关与所述压力解除阀控制连接，完成所述高压氮气罐内的高压氮气的压力释放。
在本发明的一个优选实施例中，所述增压装置还包括低压氮气指示表、高压氮气指示表和驱动气压指示表，所述低压氮气指示表指示所述低压氮气罐内的低压氮气压力，也就是氮气发生器产生的低压氮气压力；所述高压氮气指示表指示所述高压氮气罐内的高压氮气压力；所述驱动气压指示表指示所述驱动压力，所述驱动压力为在所述空压机提供气源的基础上，所述调节阀调节的气体压力。
在本发明的一个优选实施例中，所述氮气发生器采用PSA(Pressure SwingAdsorption)变压吸附制氮原理，作为井筒液位测量的安全气源，产气量10到15升/分钟，输出氮气压力0.65兆帕。
在本发明的一个优选实施例中，在所述低压氮气罐内的压力低至0.4兆帕时，所述增压泵停止工作，不会因所述氮气发生器的产气量低于所述增压泵的增压抽氮气速度而导致所述低压氮气罐内产生负压。
作为第二方面的井筒液位测量的测量装置，包括建立在井筒液位仪的气枪与井筒环空之间能连续测量的声波测量通道，所述供气装置给所述井筒液位仪的气枪供给高压氮气。
在本发明的一个优选实施例中，所述声波测量通道建立在井筒液位仪的气枪与安装在井筒上的防溢管之间。
在本发明的一个优选实施例中，所述声波测量通道包括相互连接的导声管和测试管，所述导声管的另一端与所述井筒液位仪的气枪上的测试接口连接，所述测试管的另一端与所述防溢管连通。
在本发明的一个优选实施例中，所述测试管与所述防溢管的连接位置距离所述防溢管的上管口大于200mm，以保证反射回来的首波信号幅度大于15mV，有较好的信噪比，因为距离上管口越近声波能量损失越大。
在本发明的一个优选实施例中，所述测试管的轴线与所述防溢管的轴线之间的夹角不大于30°，以保证次声波在垂直向下的矢量方向能力最大，同时也保证了测试管的加工和焊接的难度不高。
在本发明的一个优选实施例中，所述导声管为弹性塑料软管，在所述弹性塑料软管的管壁内设置有不锈钢螺线。
在本发明的一个优选实施例中，所述井筒液位仪的气枪上的高压氮气入口与所述供气装置中的增压装置上的高压氮气出口通过一工作压力不小于3兆帕的气管线连接。
作为本发明的第三方面的基于上述测量装置的井筒液位测量方法，其特征在于采用所述供气装置、井筒液位仪和声波测量通道对井筒液位进行测量，并通过设置在所述井筒液位仪的软件控制所述井筒液位仪工作。
由于采用了如上的技术方案，本发明所提供的装置及测试方法，结构简单，成本低廉，安全性高，性能可靠，工作过程中钻井施工不受影响，可以在非关井状态下进行连续测量，适用于石油勘探现场钻井施工过程中的井筒液位测量，为井控作业提供安全预警。
附图说明
图1为本发明中的供气装置与测量装置之间的安装连接结构示意图；
图2为本发明中的供气装置与测量装置之间的安装连接原理示意图；
图3为本发明增压的工作原理图；
图4为本发明中的测试管焊接到防溢管上的结构示意图；
图5为本发明井筒液位仪的测试操作界面示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实例，对本发明做进一步阐述。
参见图1和图2，图中所示的井筒液位测量的供气装置，设置在图1中虚线框内，虚线框为安全区，安装在仪器房内。其包括空压机11、氮气发生器10和增压装置9。空压机11可提供0.65Mpa的空气压力，空压机11的压缩空气出口11a与氮气发生器10的压缩空气入口10a和增压装置9的压缩空气入口9a之间通过一个三通12连接，氮气发生器10的低压氮气出口10b与增压装置9的低压氮气入口9b连接，在增压装置9上设置有高压氮气出口9c。
参见图3，增压装置9包括一低压氮气罐91、一高压氮气罐92和一增压泵93，增压装置9的低压氮气入口9b设置在低压氮气罐91上，增压装置9的高压氮气出口9c设置在高压氮气罐92上，在低压氮气罐91上设置有低压氮气出口91a，在高压氮气罐92上设置有高压氮气入口92a，低压氮气出口91a通过增压泵93与高压氮气入口92a连接。
增压泵93的泵头93a通过一球阀93b与增压装置的压缩空气入口9a连接，
以压缩空气为动力，将低压氮气罐91内的低压氮气压缩到高压氮气罐92内。
在高压氮气罐92的高压氮气出口9c上增设一调压阀92b，用以调节高压氮气罐92的高压氮气出口9c上的高压氮气的输出压力。
输出压力依据如下公司计算：
P＝7Pa+Ps
其中，P为输出压力，Pa为驱动压力，Ps为低压氮气罐91的低压氮气压力，驱动压力为在空压机11提供气源的基础上，调节阀92b调节的气体压力。
在高压氮气罐92上设置有一压力解除阀92c，在低压氮气罐91的低压氮气入口9b设置有低压氮气阀91b，在高压氮气罐92上的高压氮气入口92a设置有高压氮气阀92d。
增压装置9还包括增压泵开关、低压氮气开关、高压氮气开关和压力解除开关，增压泵开关与增压泵93控制连接，完成增压泵93工作和停止的状态转换；低压氮气开关与低压氮气阀91b控制连接，完成低压氮气罐92的低压氮气入口的起开和关闭，高压氮气开关与高压氮气阀92d控制连接，完成高压氮气罐92上的高压氮气入口的起开和关闭，压力解除开关与压力解除阀92c控制连接，完成高压氮气罐92内的高压氮气的压力释放。
增压装置还包括低压氮气指示表91c、高压氮气指示表92e和驱动气压指示表，低压氮气指示表91c指示低压氮气罐91内的低压氮气压力，也就是氮气发生器10产生的低压氮气压力；高压氮气指示表92e指示高压氮气罐92内的高压氮气压力；驱动气压指示表指示驱动压力，驱动压力为在空压机提供气源的基础上，调节阀92b调节的气体压力。
氮气发生器10采用PSA(Pressure Swing Adsorption)变压吸附制氮原理，作为井筒液位测量的安全气源，产气量10到15升/分钟，输出氮气压力0.65兆帕。氮气发生器10的压缩空气入口10a通过压力表10c、气源调节阀10d与三通12连接。在氮气发生器10的低压氮气出口10b还可以安装输出压力调节阀，输出压力调节阀调节氮气发生器10的输出压力，当输出压力达到预先设定值(一般为0.65Mpa)时，氮气发生器10停止工作。
氮气发生器10产生输出压力最高为0.65Mpa的压力，一般小型氮气发生器10输出流量10到15升每分钟，而增压泵93的增压抽氮气的速度要远大于氮气发生器10产生的氮气流量，造成低压氮气罐91内的压力降低，因此，在低压氮气罐91内的压力低至0.4兆帕时，增压泵93停止工作，不会因氮气发生器10的产气量低于增压泵93的增压抽氮气速度而导致低压氮气罐91内产生负压。
在高压氮气罐92中的压力达到预设值(一般2.5Mpa)后，增压泵93自动停止工作。
本发明用于井筒液位测量的测量装置，包括建立在井筒液位仪的气枪2与井筒环空之间能连续测量的声波测量通道，尤其是建立在井筒液位仪的气枪2与安装在井筒的圆形BOP 8上的防溢管5之间。气枪2上的高压氮气入口2a与供气装置中的增压装置9上的高压氮气出口9c通过一工作压力不小于3兆帕的气管线3连接,通过供气装置中的增压装置9为井筒液位仪的气枪2提供高压氮气。在气管线3上设置有高压氮气输出阀(图中未示出)。在防溢管5上设置有泥浆出口7。
供气装置在使用时需要一个初始化过程，达到氮气压力输出要求后，就会处于一个平衡状态。氮气压力输出达到要求后，打开高压氮气输出阀，即为气枪2提供高压氮气，开始工作。小型氮气发生器10的产气量在10到15升每分钟，而井筒液位仪的气枪2用气量为4.4升/次，一般井筒液位仪的工作周期都使用大于1分钟的测量频率，由于气枪2用气量小于氮气发生器的产气量，所以可以达到连续工作的一个平衡状态。
参见图4，声波测量通道包括相互连接的导声管4和测试管6，导声管4的一端与测试管6的一端套接并采用绑扎带系牢。导声管4另一端拉到钻台面1上，套接在井筒液位仪的气枪2上的测试接口2b上并采用扎带箍紧密封连接。导声管4为弹性塑料软管，内径76.2nn，在弹性塑料软管的管壁内设置有不锈钢螺线。
测试管6为一根钢管，外径76mm，与防溢管5连接的一端设置有30°的焊接斜面。
在防溢管5的侧面离上管口大于200mm的位置开口，然后将测试管6的焊接斜面焊接在防溢管5侧面的开口上，使得测试管6的轴线与防溢管5的轴线之间的夹角为30°。测试管6与防溢管5的连接位置作为测试点。通过在防溢管5上焊接测试管6建立了通过防溢管5处的声波入口，实现了不耽误钻井作业的井筒液位测量，为实时监控钻井过程中的井下液位提供技术可行性方案。
本发明的测试方法采用供气装置、井筒液位仪和声波测量通道对井筒液位进行测量，并通过设置在所述井筒液位仪的软件控制所述井筒液位仪工作。
供气装置通过高压气管线为井筒液位仪的气枪2提供高压氮气，计算机通过无线方式控制井筒液位仪进行工作。在井台区，井筒液位仪安装在钻井平台的一个适当区域，通过导声管4连接到测试管6。
参见图5，仪器房内通过计算机以无线的方式控制钻台面上的井筒液位仪进行工作。计算机软件可以设置测量周期，也可以手工进行点测。软件可以同时接收录井仪器采集的参数进行分析，记录钻井过程，液面变化曲线，设置井涌和井漏报警和打印记录报告。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实例作了详细介绍，但描述内容不应被认为是对本发明的限制。在本行业或领域内技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
