气体钻井是一种新型钻井工艺,有提高单井产量、机械钻速等技术优点,在国内外越来越普遍的被应用。气体钻井以空气或氮气等气体为介质返回岩屑,在钻井中如果遇到地层出水,会造成卡钻和井壁垮塌,将给钻井正常进行带来重大风险。及时有效识别地层出水量、预测地层出水变化状况,对气体钻井的安全进行具有重大意义。同时,气体钻井现场通常在野外,有的地区存在移动运营商网络盲区,ZigBee网络能有效的解决移动网在油田等野外的盲区覆盖问题,且具有低功耗、多节点、可靠性强等特点,适用于气体钻井的现场监测,有利于技术的使用和推广。气体钻井过程中发生地层出水后,返回气体相对湿度会增大,因此可以通过监测返回气体湿度来判断地层出水现象。本课题采用了实验室设计的具有快速响应特性的新型湿度传感器,根据气体钻井地层出水现象在实验室中搭建了地层出水模拟环境,且结合ZigBee技术设计了多节点的监测系统。监测系统由三部分组成：模拟环境,监测返回气体相对湿度和温度数据的传感系统,以及基于C#语言开发的具有实时显示、预测等功能的监测中心程序。对湿度传感器的相对湿度值进行拟合量化,可以测量环境的相对湿度。搭建地层出水模拟环境,当模拟环境中水量不同时,该湿度传感器测得的返回气体相对湿度值不同,验证了模拟环境和监测方案的可行性。设计了基于ZigBee和CC2530的无线传感网硬件系统,完成返回气体湿度和温度的感知、显示、传送和接收。使用C#语言开发了监测中心程序,实现了ZigBee协调器和监测中心程序之间的串口通信,在监测中心程序上能够实时监测返回气体的相对湿度和温度。通过分析地层出水后返回气体相对湿度的变化趋势,选用灰色Verhulst数据预测模型,通过不同预测实例,确定了预测算法的相关参数。在实时采集的相对湿度数据基础上,实现对返回气体一段时间内相对湿度变化的预测,通过MATLAB和C#混合编程实现监测中心程序对数据预测算法的调用。进行系统联合调试,验证了采用新型湿度传感器且结合ZigBee技术的该系统对气体钻井地层出水监测的可行性,系统能够及时的监测出气体钻井模拟环境中所发生的地层出水状况,出水量越多时,相对湿度值越大,系统在一定程度上能识别地层出水量,同时系统对返回气体的相对湿度变化具有一定的预测功能,能在实时监测的同时预测地层出水量的变化。