一種基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測的方法及系統與流程

本發明屬于油氣藏井勘探技術領域，尤其涉及一種基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測的方法及系統。

背景技術：

目前，溢流監測主要通過檢測鉆井液池液位的變化來反推溢流是否發生，而鉆井液池液位變化的監測主要由人工判斷和鉆井液液位檢測儀來完成。人工判斷檢測雖然可以做到實時性，但是，可靠性極差；液位檢測儀受鉆井液結垢等因素影響錯報誤報率非常高。此外，通過鉆井液池液位變化反推實際的地層流體進入井筒的情況之間存在較大滯后性，當鉆井液池液面變化一定的高度時，實際溢流已經十分嚴重。在高壓油氣藏鉆井中，出現液面變化到發生井噴時間極短，從發生溢流到井噴只有5～10min，高壓油氣藏時間更短，甚至溢流和井噴同時發生。特別是在高溫、高壓、高含硫的油氣藏開發過程中，更加復雜的地質環境使得溢流更容易發生。其他溢流監測的方法：鉆井液流量計監測法、基于綜合錄井技術的監測方法、井口導管液面監測法、分離器液面監測法、環空動液面監測技術、井下微流量監測法等。綜合分析上述溢流監測方法，每種方法都具有各自的優點。但是，現有監測方法的本質都是通過間接測量反推實現溢流監測,因而具有時效性、準確性不高等缺陷，尤其是在高壓、超高壓油氣藏或者深井、超深井開發過程中，基于間接測量實現的溢流監測的較低的時效性和準確性往往會錯過最佳井控時機，并導致井噴等事故發生。

綜上所述，目前的溢流監測方法存在時效性、準確性不高，往往會錯過最佳井控時機，并導致井噴等事故發生。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測的方法及系統，旨在解決目前的溢流監測方法存在時效性不高，往往會錯過最佳井控時機，并導致井噴等事故發生的問題。

本發明是這樣實現的，一種基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測系統，所述基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測系統設置有：

光源模塊；

電源模塊置于隨鉆短接內為光源模塊供電；

流體檢測通道出入口布置在細長主體短節的同側或異側；

光纖束連接流體檢測通道；

流體檢測裝置連接光纖束；

上位機通過信號傳輸裝置與流體檢測裝置建立通訊，并完成實施監測。

進一步，所述流體檢測裝置設置有：

流體檢測通道入口、流體檢測通道出口分別布置在細長主體短節的同側或異側；

光源模塊發出的近紅外光信號通過入射光窗口，穿過流體檢測室內的流體透過出射光窗口；

出射光攜帶所測信號通過連接出射光窗口的光纖束的傳輸路徑進入流體檢測裝置。

進一步，所述流體檢測裝置設置有：

將不同波段內的光信號輸入流體檢測器裝置。

進一步，可采用鍺、銦鎵砷、砷化銦、硫化鉛或硒化鉛探測器。探測器置于流體檢測裝置內，由光纖束連接。

本發明的另一目的在于提供一種所述基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測系統的基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測方法，所述基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測方法包括：

步驟一，近鉆頭環空流體通過流體檢測通道經檢測模塊后，由流體檢測通道出口排到環空；

步驟二，入射近紅外檢測信號照射穿過流體檢測通道的流體，出射近紅外檢測信號進入檢測器并通過信號傳輸系統與上位機建立通訊并完成隨鉆監測；

步驟三，上位機結合適當的電子設備和處理系統控制隨鉆近紅外測量工具同時分析、顯示隨鉆監測數據判斷溢流是否發生及發生的程度。

進一步，所述基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測方法流體成分分析系統接收信號傳輸系統上傳的信號數據進行解碼得到測試信號，對比已知物質的指紋譜圖確定侵入流體物質，利用所測物質的吸光度確定所含物質濃度；

首先，使用標準化學計量學方法測定所關注物質組分或性質的數據樣品作為標準樣品集，使用近紅外光譜測得標準樣品集近紅外譜圖；

然后，根據標準樣品集和標準樣品集的近紅外圖譜進行關聯從而建立定量數學模型，可采用人工神經網路、多遠線性回歸、主成分回歸、支持向量機等建立定量數學模型。本發明采用主成分回歸建立數學模型X＝TP^T+E，使用矩陣X主成分分析得到前n個向量得到矩陣T＝[t_1,,t₂,t₃,…,t_n]，代替吸光度進行多遠回歸得到主成分回歸模型y＝Tb+E；采用間隔偏最小二乘回歸法建立所關注地層物質的校正模型，對定量模型進行校正。將目標光譜區間等分為多個等寬子區間，對每個等寬子區間進行最小二乘回歸，找到交互驗證均方根誤差對應的區間，再以此區間為中心單向或雙向消減波長變量得到最佳波長區間；

最后，利用已建立定量數學模型和被測流體的吸光度預測被測地層流體的成分及濃度；早期溢流判別系統根據實時侵入流體實時濃度結合環空體積直接給出溢流量，根據侵入物質及溢流量得到溢流的程度及可能發生事故的風險程度。

本發明提供的基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測的方法及系統，本發明優選多個目標帶寬的低功耗光源裝置，光源信號穿透由環空內進入流體檢測通道裝置的流體，通過光纖束進入井下隨鉆光譜檢測裝置。采用多個帶寬的光源裝置，無需分光，檢測信號直接進入檢測器。出射光信號通過光電探測器完成光電轉換，然后通過泥漿脈沖器傳輸到上位機完成解碼分析，輸出溢流情況。泵抽裝置利用鉆井液壓力抽汲環空流體進入井下光譜短節，是流體無堆積、滯后保證流體分析的時效性。井下隨鉆光譜儀采用多組預設帶寬近紅外光源信號具有光通量大、譜圖信噪比高、無運動部件等，滿足井下隨鉆測量儀器抗震性、實時性、準確性的要求。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測的方法流程圖。

圖2是本發明實施例提供的井下近紅外隨鉆近紅外光譜短節的結構示意圖。

圖3是本發明實施例提供的井下近紅外隨鉆光譜檢測結構細節示意圖。

圖中：1、電源模塊；2、光源模塊；3、流體檢測通道；31、流體檢測通道入口；32、被測流體混合組件；33、流體檢測室；34、入射光窗口；35、出射光窗口；36、泵抽組件；37、流體檢測通道出口；4、光纖束；5、流體檢測裝置；6、信號傳輸裝置；7、上位機。

圖4是本發明實施例例中井下近紅外隨鉆光譜對隨鉆地層流體監測中一峰組內甲烷的吸收譜線圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發明實施例提供的基于井下近紅外隨鉆光譜早期溢流監測的方法包括以下步驟：

S101：流體通過流體檢測通道經檢測模塊后，由流體檢測通道出口排到環空；

S102：入射近紅外檢測信號照射穿過流體檢測通道的流體，出射近紅外檢測光信號進入檢測器并通過信號傳輸系統與上位機建立通訊并完成隨鉆測量分析；

S103：上位機結合適當的電子設備和處理系統控制隨鉆近紅外測量工具同時分析、顯示隨鉆監測數據判斷溢流是否發生及發生的程度。

圖2為本發明實施例的井下近紅外隨鉆光譜短節的結構示意圖；井下光譜短節以常規方式與位于鉆井井眼中鉆桿連接。鉆井施工過程中，由泵抽組件36抽汲隨鉆短節下端環空流體進入流體檢測通道的被測流體混合組件32，被測流體流經流體檢測通道3由流體檢測通道出口37排至隨鉆短節上端環空。

流體檢測通道入口31、流體檢測通道出口37分別布置在細長主體短節的同側或異側。裝配的流體檢測通道通過預設結構設置，利用鉆井液的壓力做為泵抽組件36的動力，從而建立隨鉆短節下端的流體檢測通道入口31、流體檢測室33、隨鉆短接上端流體檢測通道出口37在環空地層流體中的連通。被測流體進入流體檢測通道入口31后通過被測流體混合組件32實現充分混合，流經流體檢測室33并從隨鉆短節上端的流體檢測通道出口37排放到環空內。從而實現隨鉆測量過程中的被測流體無堆積、滯后流過檢測系統。

電源模塊1置于隨鉆短接內為光源模塊2供電，光源模塊2輸出預定一個或者幾個預定帶寬的近紅外光信號，光源發出的近紅外光信號通過入射光窗口34，穿過流體檢測室33內的流體透過出射光窗口35。出射光攜帶所測信號通過連接出射光窗口35的光纖束4的傳輸路徑進入流體檢測裝置5，該檢測器基于出射光生成電流，電流與入射光的量成比例。被測電流信號進入信號傳輸模塊，提供測量信號的編碼及上傳，采用泥漿脈沖法上傳編碼信號至上位機7。上位機7接收到來自井底上傳的信號數據進行解碼得到測試信號，對比已知物質的指紋譜圖確定流體成分；然后，對比根據已知濃度和吸光度建立的工作曲線，利用已知曲線和被測流體的吸光度計算得到被測流體中目標物質的濃度，輸出檢測結果。

上位機7接收到來自井底的信號，采用軟件的方法進行信號處理。可采用濾波法、背景扣除及信號分離法、基線扣除及校正法、數據統計法等，進行信號預處理。由于分子的近紅外光譜包含分子振動倍頻與和平的譜區。該譜區信息信息量豐富，而且在復雜物質近紅外光譜中每個波長點疊加了多種組分的信息，屬于復雜光譜。利用高性能的光學系統獲取校正集，通過校正中個樣品光譜的全部或者部分特征波長點組成的光譜數據來獲得各成分在光譜總體上的差異與特征。經過預處理后的光譜數據通過算法與待測量之間進行數學關聯。算法應用光譜定量分析中的化學計量法主成分回歸法、多元線性回歸法、偏小二乘回歸法、人工神經網絡、支持向量機等。

上位機7根據地層流體的侵入物質及各物質的侵入判斷時候有溢流發生和發生溢流后的溢流程度。

流體成分分析系統接收信號傳輸系統上傳的信號數據進行解碼得到測試信號，對比已知物質的指紋譜圖確定侵入流體物質，利用所測物質的吸光度確定所含物質濃度。首先，使用標準方法測定所關注物質組分或性質的數據樣品作為樣品集，使用近紅外光譜測得其近紅外光譜圖；然后，對比根據已知濃度和吸光度建立的工作曲線，對于多組分譜峰重疊可采用多元校正法，可采用主成分回歸法但不限于主成分回歸法、多元線性回歸法、偏小二乘回歸法、人工神經網絡、支持向量機等，本發明采用偏最小二乘回歸法建立多關注底層物質的校正模型。最后，利用已知曲線和被測流體的吸光度計算，得到被測流體的成分及濃度。早期溢流判別系統根據實時侵入流體實時濃度結合環空體積直接給出溢流量，根據侵入物質及溢流量得到溢流的程度及可能發生事故的風險程度。

圖3為流體檢測裝置5示意圖。穿過流體后的光信號通過光纖束進入不同的檢測器，檢測器將不同波段內的光強轉化為電流信號輸出。檢測器采用紅外光子檢測器或者電感耦合探測器，本發明采用紅外光子類銦鎵砷探測器，但不限于銦鎵砷可采用鍺、銦鎵砷、砷化銦、硫化鉛、硒化鉛等探測器。該光探測器基于入射光生成電流，電流與入射光的量成比例檢測器得到的信號輸入到井下信號傳輸模塊將檢測信息上傳到地面數據處理系統。圖4是本發明實施例提供的井下近紅外隨鉆光譜對隨鉆地層流體中一峰組內標準樣品集甲烷的吸收譜線圖。實際設備檢測甲烷的一組譜線。

本發明進行油氣藏鉆井過程中采用井下隨鉆光譜早期溢流監測的方法和設備。優選多組固定帶寬的低功耗光源模塊，出射近紅外信號通過光纖束進入井下隨鉆近紅外流體檢測裝置。采用多組固定帶寬的光源模塊，無需分光，檢測信號直接進入檢測器。出射光信號通過光電探測器完成光電轉換，然后通過泥漿脈沖器傳輸到上位機完成解碼分析，輸出溢流情況。泵抽裝置利用鉆井液壓力抽汲環空流體進入井下光譜短節，保證流體分析的時效性。井下隨鉆光譜儀具有光通量大、譜圖信噪比高、無運動部件等，滿足井下隨鉆測量儀器抗震性、準確性的要求，同時改變現有的溢流監測原理實現井下實時監測。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。