專利名稱：石油鉆井返出流量測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油鉆井返出流量測量方法與裝置，屬于石油天然氣鉆井測試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石油鉆井過程中，出口返出流量是石油及地質(zhì)鉆探工作中重要的參數(shù)之一，如何準(zhǔn)確測量出口流量成為石油鉆井中一直探索的問題，其實(shí)就鉆井來說，測量出口返出流量的根本目的是確定出口流量在正常的基礎(chǔ)上是否發(fā)生變化及其變化大小，判斷是否有溢流等異常情況發(fā)生，從而及早采取措施，避免事故的發(fā)生，減少生命和財(cái)產(chǎn)損失。
多年來對于出口流量的測量出現(xiàn)過幾種方案，其中出現(xiàn)早、使用時(shí)間最長的是擋板式流量計(jì)，從環(huán)空返出的泥漿，通過架空管線、泥漿槽，流向振動(dòng)篩，進(jìn)入泥漿池，將擋板流量計(jì)裝在架空管線上，當(dāng)泥漿流動(dòng)時(shí)，沖擊擋板，擋板在泥漿作用下，隨泥漿液面向上運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與連結(jié)軸相連的電位器軸轉(zhuǎn)動(dòng)，引起電位器的輸出電阻值也隨之發(fā)生變化。顯然，這種方法是通過檢測電阻值(或電壓值)來確定擋板上升高度，從而確定流量的變化情況。這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，方便耐用。缺點(diǎn)是現(xiàn)在的返出流量測量都在返出管線上測量，而該管線上鉆井液流動(dòng)截面非常大，使得測量分辨率很低，此外擋板經(jīng)常被泥漿粘住，使擋板的上升高度發(fā)生變化，導(dǎo)致測量精度降低，并需要頻繁的清洗維護(hù)。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)返出流量從24L/s增加到25L/s的時(shí)候，考慮到液面面積很大以及泥漿在擋板上的粘附，升高幅度只有2％左右，大部分擋板式流量計(jì)達(dá)不到這種精度，使得擋板式流量計(jì)這種測量方法不可行。
另外一種是間接的測量方法，通過測量泥漿池液面高度變化量，反推出出口流量的變化情況，這種方法使用的是浮子液位計(jì)，但由于泥漿池截面積太大，使得泥漿池液面的變化不能及時(shí)反映出口流量的變化，滯后時(shí)間太長，誤差大，精度低，在很大程度上影響了測量的意義。經(jīng)計(jì)算，在一個(gè)長寬均為5m的泥漿池中，假設(shè)返出流量從24L/s增加到25L/s，一個(gè)小時(shí)后泥漿池液面僅升高144mm，這種精度根本滿足不了現(xiàn)場的需要。
另外一些流量計(jì)，像電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等雖然測量精度較高，也都因?yàn)槌隹谀酀{不滿管以及返出管線的尺寸不規(guī)則而大大影響了測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種鉆井過程實(shí)時(shí)檢測返出流量的方法與裝置，解決鉆井工程中返出流量測量誤差大的難題。
使用低成本的裝置實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測返出流量，為安全井控贏得時(shí)間，為快速鉆進(jìn)提供技術(shù)支持。
本發(fā)明的工作原理本方法主要出發(fā)點(diǎn)是在小截面上測量，能夠非常敏感地反映流量變化。石油鉆井返出流量測量方法與裝置，方法之一為分流式小截面測量，其關(guān)鍵在于在泥漿返出管線以下安裝一個(gè)與返出管線平行的小直徑的分支管，采用電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等測量流量，實(shí)現(xiàn)小截面測量。根據(jù)測得的分支管流量與返出流量的對應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算出鉆井返出流量；方法之二為對井口防溢管進(jìn)行非接觸小截面環(huán)空流量測量，其關(guān)鍵在井口防溢管上可以采用多普勒等測量流量，實(shí)現(xiàn)小截面測量。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的在易于安裝分支管的工況下，使用分流式小截面測量裝置。此時(shí)，在泥漿返出管線以下30cm處安裝一個(gè)與返出管線平行的分支管，選擇30cm是考慮分支管的安裝要方便和安全，如果分支管離泥漿返出管線太遠(yuǎn)，對安全生產(chǎn)不利。
分支管由高靈敏流量計(jì)一分為二，第一段分支管長度為1m，選擇其長度為1m，是考慮到在流體剛進(jìn)入分支管長度為20cm以內(nèi)形成了一個(gè)負(fù)壓吸附區(qū)，在這個(gè)區(qū)域流體類似漩渦，流量不穩(wěn)定，只有當(dāng)分支管長度超過一定數(shù)值后，才能有較穩(wěn)定的流量，因此測分支管流量時(shí)流量傳感器必須安裝在20cm以外。研究表明，在分支管直徑一定時(shí)，當(dāng)分支管長度為1m時(shí)，分支管流量較大而且穩(wěn)定，所以將分支管長度定為1m。第一段分支管的直徑視情況而定，這是因?yàn)楫?dāng)分支管長度一定時(shí)，隨著分支管直徑變大，分支管流量變大，因此在現(xiàn)場情況允許的情況下，應(yīng)盡可能的加大分支管直徑。
第二段分支管管線要加粗，這樣可以減少摩擦阻力，保證有較大的流量，提高測量精度。
在兩段分支管之間加裝高精度流量計(jì)，組成信號采集單元，通過防干擾信號線與信號調(diào)理單元相連，用于采集分支管內(nèi)流動(dòng)信號。
調(diào)理后的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)線提供給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理單元。
利用處理軟件建立流壓流量轉(zhuǎn)換模型，利用該模型可以讀取測得的鉆井液分支管流壓數(shù)字信號將，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算鉆井液環(huán)空流量。
經(jīng)過軟件模擬及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，可以得到分支管流量變化Q1與環(huán)空流量變化Q2之間的關(guān)系為線形關(guān)系Q2＝0.818Q1-0.8256通過對中原油田4口實(shí)際生產(chǎn)井及1口實(shí)驗(yàn)井的測試，表明本發(fā)明能夠運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)，指導(dǎo)鉆進(jìn)。
對于不便于安裝分支管的工況，可以使用非接觸式多普勒測量裝置。在套管外壁上不同層位裝上4組多普勒流量計(jì)。每組多普勒流量計(jì)之間的上下間距為20cm，普勒流量計(jì)發(fā)射裝置和接收裝置之間的夾角為90°，為了保證測量的全方位性，安裝多普勒流量計(jì)時(shí)按照水平投影均勻分布的原則進(jìn)行。
各組多普勒流量計(jì)信號通過防干擾信號線進(jìn)入調(diào)理單元，用于采集各組環(huán)空流動(dòng)信號。
調(diào)理后的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)線提供給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理單元。
建立流量轉(zhuǎn)換和處理模型，利用該模型可以讀取和優(yōu)化各組信號，并對4組信號取平均值即為鉆井液環(huán)空流量。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、可以實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井環(huán)空流量變化，測試精度高，數(shù)據(jù)誤差小。
2、在遇到由于氣侵等造成的溢流井涌事故時(shí)，能夠及時(shí)監(jiān)測到流量變化，為安全井控贏得時(shí)間。
3、非接觸式多普勒測量裝置安裝方便，不需在套管壁上打孔。


圖1為本發(fā)明的原理示意圖。
圖2為分流式小截面測量裝置安裝示意圖。
圖3為非接觸式多普勒測量裝置現(xiàn)場安裝示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、2、3所示，分流式小截面測量裝置設(shè)有分流單元1、流量信號轉(zhuǎn)換單元2、信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換單元4、計(jì)算機(jī)采集與處理單元3。其中，分流單元1由直徑不同的分支管8組成，被流量信號轉(zhuǎn)換單元2一分為二，流量信號轉(zhuǎn)換單元2由高靈敏流量計(jì)7組成。流量信號轉(zhuǎn)換單元2與信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換單元4之間由防干擾信號線相連，信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換單元4與計(jì)算機(jī)采集與處理單元3之間由數(shù)據(jù)線相連。
在泥漿返出管線6以下30cm處安裝一個(gè)與返出管線平行的分支管8，選擇30cm是考慮分支管的安裝要方便和安全，如果分支管離泥漿返出管線太遠(yuǎn)，對安全生產(chǎn)不利。
分支管8由高靈敏流量計(jì)7一分為二，第一段分支管長度為1m，選擇其長度為1m，是考慮到在流體剛進(jìn)入分支管長度為20cm以內(nèi)形成了一個(gè)負(fù)壓吸附區(qū)，在這個(gè)區(qū)域流體類似漩渦，流量不穩(wěn)定，只有當(dāng)分支管長度超過一定數(shù)值后，才能有較穩(wěn)定的流量，因此測分支管流量時(shí)流量傳感器必須安裝在20cm以外。研究表明，在分支管直徑一定時(shí)，當(dāng)分支管長度為1m時(shí)，分支管流量較大而且穩(wěn)定，所以將分支管長度定為1m。第一段分支管的直徑視情況而定，這是因?yàn)楫?dāng)分支管長度一定時(shí)，隨著分支管直徑變大，分支管流量變大，因此在現(xiàn)場情況允許的情況下，應(yīng)盡可能的加大分支管直徑。
第二段分支管管線要加粗，這樣可以減少摩擦阻力，保證有較大的流量，提高測量精度。
在兩段分支管之間加裝高靈敏流量計(jì)7，組成流量信號轉(zhuǎn)換單元，通過防干擾信號線與信號調(diào)理單元4相連，用于采集鉆井液的分支管流動(dòng)信號，并轉(zhuǎn)換為4-20mA電流信號，所提到的防干擾信號線可以保證采集到的信號避免受到外界干擾。
信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換單元4主要包括濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換功能，可以把信號進(jìn)行放大和濾波處理，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)線提供給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理單元3。
利用處理軟件建立流量轉(zhuǎn)換和處理模型，利用該模型可以讀取并優(yōu)化測得的分支管流量信號，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算鉆井液環(huán)空流量。
非接觸式多普勒測量裝置，需要使用多組由發(fā)射裝置10和接收裝置11組成的多普勒流量計(jì)。在隔水管9外壁上裝上4組多普勒流量計(jì)。每組多普勒流量計(jì)之間的上下間距為20cm，各組多普勒流量計(jì)發(fā)射裝置10和接收裝置11之間的距離選擇為90°，為了保證測量的全方位性，安裝多普勒流量計(jì)時(shí)按照水平投影均勻分布的原則進(jìn)行。
各組多普勒流量計(jì)通過防干擾信號線與信號調(diào)理單元相連，用于采集各組環(huán)空流動(dòng)信號。
調(diào)理后的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)線提供給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理單元。
建立流量轉(zhuǎn)換和處理模型，利用該模型可以讀取和優(yōu)化各組信號，并對4組信號取平均值即為鉆井液環(huán)空流量。
權(quán)利要求
1.石油鉆井返出流量測量方法，其特征在于現(xiàn)在的返出流量測量都在返出管線上測量，而該管線上鉆井液流動(dòng)截面非常大，使得測量分辨率很低，本方法是在小截面上測量，能夠非常敏感地反映流量變化。方法之一為分流式小截面測量，其關(guān)鍵在于在泥漿返出管線以下安裝一個(gè)與返出管線平行的小直徑的分支管，采用電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等測量流量，實(shí)現(xiàn)小截面測量。根據(jù)測得的分支管流量與返出流量的對應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算出鉆井返出流量；方法之二為對井口防溢管進(jìn)行非接觸小截面環(huán)空流量測量，其關(guān)鍵在井口防溢管上可以采用多普勒等測量流量，實(shí)現(xiàn)小截面測量。
2.石油鉆井返出流量測量裝置，其特征在于分流式小截面測量裝置包括分流單元、流量信號轉(zhuǎn)換單元、信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換單元、計(jì)算機(jī)采集與處理單元。非接觸式多普勒測量裝置包括流量信號轉(zhuǎn)換單元組、信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換單元、計(jì)算機(jī)采集與處理單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石油鉆井返出流量測量裝置，其特征在于所述的分流單元是由接在套管上位于返出管線下方并與返出管線平行的小直徑圓管組成的，可以給流量信號轉(zhuǎn)換單元提供滿管流體，以便于提高測量精度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石油鉆井返出流量測量裝置，其特征在于所述的流量信號轉(zhuǎn)換單元組是由多組不同方位、不同層位的超聲波多普勒流量計(jì)組成的，可以通過對不同方位、不同層位鉆井環(huán)空流量的測量得出精度較高的鉆井返出流量。
全文摘要
分流式小截面測量裝置包括分流單元、流量信號轉(zhuǎn)換單元、信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換單元、計(jì)算機(jī)采集與處理單元。分支管流量通過電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)化為電信號，并與信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換單元相連，信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換單元主要包括濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換功能，由此得到的數(shù)字信號通過防干擾信號線與計(jì)算機(jī)采集與處理單元相連，通過軟件計(jì)算出分支管流量的實(shí)際大小，并據(jù)此推斷石油鉆井返出流量。非接觸式多普勒測量裝置包括流量信號轉(zhuǎn)換單元組、信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換單元、計(jì)算機(jī)采集與處理單元。流量信號轉(zhuǎn)換單元組通過對不同方位、不同層位鉆井環(huán)空流量的測量得出精度較高的鉆井返出流量。本裝置對鉆井液返出流量進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，測試精度高，數(shù)據(jù)誤差小。
文檔編號E21B21/00GK1970990SQ200610145028
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月29日
發(fā)明者李相方, 隋秀香, 李志斌 申請人:中國石油大學(xué)(北京)