專利名稱：用于鉆井筒中返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固相顆粒計量的檢測系統(tǒng)及檢測方法，尤其是用于鉆井返出固相顆粒中質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)及檢測方法。
背景技術(shù)：
隨著鉆井工藝技術(shù)水平的提聞和提聞單井廣能的需要，大斜度定向井及大位移水平井占總鉆井工作量的比例越來越高。基于大位移水平井可以最大限度的揭露儲層，在老油田的增儲上產(chǎn)、稠油儲層、低滲儲層以及施工環(huán)境受限井位等情況下，這種施工工藝已近逐漸成為整個鉆井工程不可缺少的組成部分。實踐表明，采用大位移井鉆井工藝能夠有效提高特定儲層的開發(fā)效率，大幅度降低建井和完井成本。但由于鉆井的斜度和位移大，大大增加了巖屑等固相顆粒攜帶、運(yùn)移的難度，影響了鉆屑等固相顆粒的及時清理，給正常的鉆井及完井作業(yè)造成鉆速低、起下鉆摩阻大、加不上鉆壓等困難，甚至?xí)斐煽ㄣ@、卡電纜等故障。如果能有效檢測到鉆井返出流體中鉆屑等固相顆粒的質(zhì)量流量，將有助于解決鉆井過程中及時清理鉆屑等固相顆粒的難題。流體撞擊或摩擦固體表面、固相顆粒之間撞擊或固相顆粒撞擊固體表面時都可以激發(fā)彈性波，這個過程中既含有流體撞擊產(chǎn)生的連續(xù)型聲發(fā)射源，也有固體顆粒撞擊產(chǎn)生的突發(fā)型聲發(fā)射源。固體顆粒的質(zhì)量信息可以通過沖擊振動信號來檢測，專利申請?zhí)枮?201020276657. 8的專利“一種用于油氣井出砂監(jiān)測的高頻信號感受裝置”公開了一種用于油氣井出砂監(jiān)測的高頻信號感受裝置，該裝置就是采用固體顆粒的沖擊振動信號檢測油氣井中出砂的質(zhì)量信息。但是，該裝置的噴嘴為喇叭狀，僅適用于顆粒較為細(xì)小的砂粒，當(dāng)流體中的固相顆粒尺寸較大時，極易阻塞該噴嘴造成故障。流量的檢測目前有兩種手段，即采用多普勒流量計和單一利用聲發(fā)射技術(shù)來檢測流量，但二者都存在一定的問題(I)多普勒流量計可以檢測含有一定固體顆?；驓馀莸牧黧w，但在現(xiàn)場鉆井條件下，由于巖屑顆粒的不規(guī)則性和鉆井液流態(tài)的不穩(wěn)定性，極大影響了流量檢測的精度；(2)單一利用聲發(fā)射技術(shù)測量巖屑流量的機(jī)理尚不成熟，計量誤差大，難以推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能精確檢測鉆井返出固相顆粒的質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)及檢測方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是用于鉆井筒中返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)，包括測量管路、超聲波測量組件、沖擊檢測組件、超聲信號收集儀、沖擊信號收集儀和計算機(jī)處理單元，超聲波測量組件通過超聲信號收集儀與計算機(jī)處理單元相連，沖擊檢測組件通過沖擊信號收集儀與計算機(jī)處理單元相連。優(yōu)選的是，所述超聲波測量組件緊貼在測量管路的外壁上，所述沖擊檢測組件通過連接部件與測量管路相連。
優(yōu)選的是，所述超聲波測量組件位于沖擊檢測組件的前方，且超聲波測量組件與沖擊檢測組件的中心軸間距為5 10倍管徑。優(yōu)選的是，所述超聲波測量組件包括超聲波傳感器，所述測量管路的管軸線上設(shè)有組件槽，超聲波傳感器卡放在組件槽上的槽位內(nèi)，所述超聲波傳感器對稱分布在測量管路的兩側(cè)。優(yōu)選的是，所述組件槽上的槽位至少有一組，所述槽位均勻分布在組件槽上。優(yōu)選的是，所述組件槽上設(shè)有四個槽位，每個槽位中固定一個超聲波檢測器，所述超聲波傳感器通過螺紋固定在組件槽的槽位內(nèi)。優(yōu)選的是，所述超聲波檢測器具備獨(dú)立的發(fā)射電路和接收電路，所有的超聲波傳感器實現(xiàn)信號的同步發(fā)射及接收。優(yōu)選的是，所述超聲波傳感器包括傳感器殼體、聲楔、匹配元件和壓電晶片，傳感器殼體內(nèi)填充有娃膠。優(yōu)選的是，所述沖擊檢測組件包括高壓保護(hù)罩和固定在高壓保護(hù)罩內(nèi)的噴嘴、沖擊感受鼓膜以及振動傳感器，所述噴嘴的小孔徑開口面向沖擊感受鼓膜，沖擊感受鼓膜背向噴嘴的一側(cè)與振動傳感器緊密粘結(jié)，所述噴嘴為流線型弧狀。優(yōu)選的是，所述的計算機(jī)處理單元包括流量測量模塊、沖擊檢測模塊和數(shù)據(jù)耦合模塊，所述流量測量模塊與超聲信號采集儀相連，所述沖擊檢測模塊與沖擊信號采集儀相連，所述數(shù)據(jù)耦合模塊與流量測量模塊、沖擊檢測模塊分別連接。用于鉆井筒中返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測方法，包括以下步驟(I)將超聲波測量組件緊貼安裝在檢測管路的外壁上，將沖擊檢測組件安裝在超聲波測量組件后方的檢測管路上，將超聲波測量組件通過超聲信號收集儀與計算機(jī)處理單元相連，沖擊檢測組件通過沖擊信號收集儀與計算機(jī)處理單元相連；(2)初始化檢測系統(tǒng)，通過功能選擇模塊設(shè)置采集通道、采集速率和采集頻率閾值；(3)通過參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置管道內(nèi)徑、最大流速、校準(zhǔn)系數(shù)、阻尼系數(shù)、增益倍數(shù)和測量單位；(4)啟動包括流量測量模塊和沖擊檢測模塊的數(shù)據(jù)采集模塊，所述流量測量模塊進(jìn)行脈沖收發(fā)和預(yù)處理后，利用公式(6)得出鉆井液體積流量Qfv，所述沖擊檢測模塊進(jìn)行濾波處理和時頻分析后，利用公式(9)得出巖屑質(zhì)量濃度Cnbi ；各字符代表參數(shù)鉆井液流速Uf，測量管路的截面面積A，固相顆粒聲發(fā)射能量Wi, 固相顆粒流經(jīng)噴嘴撞擊鼓膜速度us，噴嘴流速系數(shù)B，固相顆粒撞擊鼓膜聲壓Pi ;鼓面截面積S，聲壓轉(zhuǎn)化效率η ；Qfv = Auf (6)= (9)(5)啟動數(shù)據(jù)篩查模塊，對步驟(4)中所采數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查，并將篩查出的正確數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)耦合模塊進(jìn)行耦合計算，利用公式(10)得出巖屑質(zhì)量流量Qm;
權(quán)利要求
1.用于鉆井筒返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)，其特征在于包括測量管路、位于測量管路上的超聲波測量組件和沖擊檢測組件、超聲信號收集儀、沖擊 信號收集儀以及計算機(jī)處理單元，超聲波測量組件通過超聲信號收集儀與計算機(jī)處理單元相連，沖擊檢測組件通過沖擊信號收集儀與計算機(jī)處理單元相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于鉆井筒返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波測量組件緊貼在測量管路的外壁上，所述沖擊檢測組件通過連接部件與測量管路相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于鉆井筒返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波測量組件位于沖擊檢測組件的前方，且超聲波測量組件與沖擊檢測組件的中心軸間距為5 10倍管徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于鉆井筒返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波測量組件包括超聲波傳感器，所述測量管路的管軸線上設(shè)置有組件槽，超聲波傳感器卡放在組件槽上的槽位內(nèi)，所述超聲波傳感器對稱分布在測量管路的兩側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于鉆井筒返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)，其特征在于所述組件槽上的槽位至少有一組，所述槽位均勻分布在組件槽上，每個槽位中固定一個超聲波檢測器，所述超聲波傳感器通過螺紋固定在組件槽的槽位內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于鉆井筒返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)，其特征在于所述沖擊檢測組件包括高壓保護(hù)罩和固定在高壓保護(hù)罩內(nèi)的噴嘴、沖擊感受鼓膜以及振動傳感器，所述噴嘴的小孔徑開口面向沖擊感受鼓膜，沖擊感受鼓膜背向噴嘴的一側(cè)與振動傳感器緊密粘結(jié)，所述噴嘴為流線型弧狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于鉆井筒返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的計算機(jī)處理單元包括流量測量模塊、沖擊檢測模塊和數(shù)據(jù)耦合模塊，所述流量測量模塊與超聲信號采集儀相連，所述沖擊檢測模塊與沖擊信號采集儀相連，所述數(shù)據(jù)耦合模塊與流量測量模塊、沖擊檢測模塊分別連接。
8.用于鉆井筒中返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測方法，其特征在于包括以下步驟(1)將超聲波測量組件緊貼安裝在檢測管路的外壁上，將沖擊檢測組件安裝在超聲波測量組件后方的檢測管路上，將超聲波測量組件通過超聲信號收集儀與計算機(jī)處理單元相連，沖擊檢測組件通過沖擊信號收集儀與計算機(jī)處理單元相連；(2)初始化檢測系統(tǒng)，通過功能選擇模塊設(shè)置采集通道、采集速率和采集頻率閾值；(3)通過參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置管道內(nèi)徑、最大流速、校準(zhǔn)系數(shù)、阻尼系數(shù)、增益倍數(shù)和測量單位；(4)啟動包括流量測量模塊和沖擊檢測模塊的數(shù)據(jù)采集模塊，所述流量測量模塊進(jìn)行脈沖收發(fā)和預(yù)處理后，利用公式(6)得出鉆井液體積流量Qfv，所述沖擊檢測模塊進(jìn)行濾波處理和時頻分析后，利用公式(9)得出巖屑質(zhì)量濃度Cnbi ；各字符代表參數(shù)鉆井液流速Uf，測量管路的截面面積A，固相顆粒聲發(fā)射能量Wi,固相顆粒流經(jīng)噴嘴撞擊鼓膜速度us，噴嘴流速系數(shù)B，固相顆粒撞擊鼓膜聲壓Pi ;鼓面截面積S， 聲壓轉(zhuǎn)化效率H ;Qfv = Auf (6)
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于鉆井筒中返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測方法，其特征在于所述公式(6)的推導(dǎo)過程如下多普勒法測量液流速度u與頻差值△ f的關(guān)系如下
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于鉆井筒中返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測方法，其特征在于所述公式(9)的推導(dǎo)過程如下由沖擊檢測組件得出巖屑沖擊能量Wi與巖屑質(zhì)量濃度Cnbi關(guān)系，巖屑流經(jīng)噴嘴撞擊鼓膜速度Us等于噴嘴流速系數(shù)B乘以鉆井液流速uf，其中Pi為巖屑撞擊鼓膜聲壓；S為鼓面截面積，H為聲壓轉(zhuǎn)化效率，可得
全文摘要
用于鉆井筒中固相顆粒質(zhì)量流量的檢測系統(tǒng)，包括測量管路、超聲波測量組件、沖擊檢測組件、超聲信號收集儀、沖擊信號收集儀和計算機(jī)處理單元，超聲波測量組件通過超聲信號收集儀與計算機(jī)處理單元相連，沖擊檢測組件通過沖擊信號收集儀與計算機(jī)處理單元相連。超聲波測量組件緊貼在測量管路的外壁上，沖擊檢測組件通過連接部件與測量管路相連。超聲波測量組件位于沖擊檢測組件前方5～10倍管徑的位置。本發(fā)明還提供了一種用于鉆井筒中返出固相顆粒質(zhì)量流量的檢測方法。本發(fā)明采用了超聲波檢測組件和沖擊檢測組件，可同時得到鉆井筒中流體流量和固相顆粒的質(zhì)量信息，從而實現(xiàn)了鉆井筒中返出固相顆粒的質(zhì)量流量的在線檢測，為現(xiàn)場施工提供有利參考。
文檔編號E21B49/08GK102606135SQ201210092730
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者劉剛, 劉勍, 金業(yè)權(quán), 錢致穎, 陳超, 韓金良 申請人:中國石油大學(xué)(華東)