專利名稱：L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是在石油天然氣鉆井隨鉆檢測(cè)領(lǐng)域中溢流快速識(shí)別技術(shù)，具體涉及的是 L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。二背景技術(shù)：
石油天然氣資源鉆井過(guò)程中如果地層壓力大于井內(nèi)鉆井液壓力將會(huì)出現(xiàn)地層流體侵入井眼的現(xiàn)象，稱為溢流，如果處理不當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致井噴甚至失去控制，造成惡性安全事故。 預(yù)防井噴的關(guān)鍵是及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流，溢流發(fā)現(xiàn)越早，溢流量越小，處理溢流的難度也越小，發(fā)生井噴的概率就越低，這就要求鉆井現(xiàn)場(chǎng)溢流檢測(cè)裝置做出快速準(zhǔn)確的預(yù)警，及時(shí)關(guān)井，重新建立壓力平衡。與溢流檢測(cè)相關(guān)的井口防噴裝備通常由防噴器、喇叭管(溢流管)、喇叭管開窗(返出口)、鉆井液返出管線(海洋鉆井平臺(tái)亦稱高架槽)和鉆井液池構(gòu)成。鉆井現(xiàn)場(chǎng)普遍應(yīng)用的溢流檢測(cè)方法是鉆井液池液位檢測(cè)方法，該方法通過(guò)觀察或測(cè)量鉆井液池內(nèi)液面高度變化來(lái)估計(jì)鉆井液總量增減，判斷是否有地層流體侵入。但該方法有以下問(wèn)題，一是在較小溢流量時(shí)，因鉆井液池底面積較大，液面高度變化不明顯。二是侵入的流體需流經(jīng)返出管線后到鉆井池積累，體積積累效應(yīng)導(dǎo)致報(bào)警延遲。另外為保證鉆井液在池內(nèi)不發(fā)生沉淀，需應(yīng)用攪拌器，攪拌器旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致池內(nèi)液面波動(dòng)，嚴(yán)重影響測(cè)量精度和溢流預(yù)警時(shí)間。另一種精度較高的溢流檢測(cè)方法是流量差法，該方法分別測(cè)量泵入井內(nèi)和返出的鉆井液流量，并依據(jù)其差值判斷溢流或井漏，泵入井內(nèi)的鉆井液流量可以通過(guò)泵沖計(jì)數(shù)器較精確的獲得，但在井口處測(cè)量返出流量卻非常困難，原因是喇叭管返出口存在自由液面 (非有壓管路)和方鉆桿旋轉(zhuǎn)等因素影響，該方法無(wú)法在常規(guī)鉆機(jī)上普及，僅有少數(shù)具備全封閉鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的鉆機(jī)(如控壓鉆井系統(tǒng))才能實(shí)現(xiàn)流量差法溢流檢測(cè)。常規(guī)鉆機(jī)喇叭管內(nèi)直接測(cè)量鉆井液返出流量的難點(diǎn) 一、應(yīng)用接觸式流量測(cè)量?jī)x器(如渦輪流量計(jì))
應(yīng)用該類型流量計(jì)需要下至喇叭管內(nèi)，與環(huán)空的鉆井液直接接觸測(cè)量。問(wèn)題主要以下兩點(diǎn)
①由于更換鉆頭、固井、電測(cè)等作業(yè)時(shí)需要起下鉆柱，鉆柱或鉆頭很難避免與管內(nèi)測(cè)量?jī)x器發(fā)生碰撞。②因?yàn)榄h(huán)空(指方鉆桿或鉆桿與喇叭管之間的環(huán)形空間)中鉆井液存在自由液面、 方鉆桿或鉆桿(頂驅(qū)時(shí)為鉆桿)高速旋轉(zhuǎn)、喇叭管存在橫向返出口等因素影響，導(dǎo)致鉆井液在喇叭管內(nèi)產(chǎn)生帶有橫向開窗的環(huán)空螺旋流，速度為周向和軸向速度的耦合，流動(dòng)規(guī)律及其復(fù)雜。我們期望能得到的軸向平均速度而精確計(jì)算出返出流量，但軸向速度僅僅是環(huán)空螺旋流速度的一個(gè)分量，目前任何接觸式測(cè)量?jī)x器測(cè)量的均是耦合速度，還無(wú)法直接測(cè)量軸向速度。二、非接觸式流量測(cè)量?jī)x器
目前常用于鉆井工業(yè)的非接觸式流量測(cè)量?jī)x器有以下三大類①電磁流量計(jì)目前該類流量計(jì)還無(wú)法測(cè)量喇叭管內(nèi)的環(huán)空螺旋流流量，這是其工作原理所決定的，其原理是流體流動(dòng)過(guò)程中切割磁感線產(chǎn)生電信號(hào)，轉(zhuǎn)換為流量信息。但由于喇叭管內(nèi)的方鉆桿(或鉆桿)內(nèi)鉆井液豎直向下流動(dòng)，環(huán)空返出的鉆井液為螺旋流向上流動(dòng)，也就是說(shuō)喇叭管內(nèi)同時(shí)存在同時(shí)向上和向下流動(dòng)的流體，其切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的電信號(hào)混亂，無(wú)法識(shí)別。②超聲波多普勒流量計(jì)超聲波多普勒流量原理是測(cè)量發(fā)射和遇到固體顆粒反射的超聲波頻率差，這個(gè)頻率差是流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移，正比于流體流速，進(jìn)而換算可以得到流體的流量。該類流量計(jì)無(wú)法測(cè)量喇叭管內(nèi)鉆井液返出流量的原因是方鉆桿或鉆桿旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致鉆井液內(nèi)的固相顆粒周向運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)高于軸向運(yùn)動(dòng)速度，所以該流量計(jì)測(cè)量出的固相顆粒流速并非我們期望得到的軸向流速，換算出的結(jié)果也并不是真實(shí)返出流量。②液位傳感器(光學(xué)，超聲波)一是防碰問(wèn)題依然很難克服，另外因方鉆桿高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的自由液面波動(dòng)問(wèn)題給喇叭管內(nèi)測(cè)量帶來(lái)了非常大的困難，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致喇叭管內(nèi)鉆井液液面呈現(xiàn)凹狀，凹陷深度隨方鉆桿轉(zhuǎn)數(shù)增加而加深，這就導(dǎo)致光學(xué)或超聲波液位傳感器無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別液面變化是由溢流引起還是方鉆桿旋轉(zhuǎn)引起。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這種L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置的測(cè)量方法，它用于解決現(xiàn)有鉆井液返出流量無(wú)法在井口位置實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的問(wèn)題，在常規(guī)鉆機(jī)上實(shí)現(xiàn)流量差法溢流快速識(shí)別。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是這種L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置由光學(xué)液位傳感器、L型連通管、喇叭管、連通管托架、信號(hào)調(diào)理與預(yù)處理裝置、數(shù)據(jù)采集單元、客戶端計(jì)算機(jī)、聲光報(bào)警裝置組成，喇叭管管線加裝L型連通管，L型連通管與喇叭管共同構(gòu)成連通器；L型連通管開窗口垂向位置位于喇叭管管線法蘭盤與返出管線下緣之間；L型連通管開窗口周向方位以返出管線與喇叭管管線的交線為始邊，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至返出管線中心線的延長(zhǎng)線之間，光學(xué)液位傳感器安裝在L型連通管托架上。上述方案中L型連通管開窗口垂向位置靠近法蘭盤處，以避免受到喇叭管內(nèi)方鉆桿旋轉(zhuǎn)影響。上述方案中L型連通管與喇叭管之間設(shè)置返流管，返流管與L型連通管的夾角在 0°到45°之間，返流管在喇叭管上開窗口垂向位置位于返出管線上緣之上，返流管開窗口周向方位以返出管線與喇叭管管線的交線為始邊，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至返出管線中心線的延長(zhǎng)線之間。當(dāng)流量過(guò)大時(shí)，L型連通管內(nèi)液體將從返流管返流回喇叭管內(nèi)，避免鉆井液沖向光學(xué)液位傳感器，損壞儀器。上述方案中L型連通管底部水平管處安裝排泥管，排泥管中安裝活塞除泥器。這樣可防止喇叭管下開窗口出現(xiàn)泥堵，當(dāng)出現(xiàn)泥堵時(shí)，通過(guò)手動(dòng)或液壓活塞除泥器除泥即可。上述L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置的測(cè)量方法，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)L型連通管內(nèi)的液面高度得到鉆井液返出流量，具體如下
步驟一在喇叭管靠近法蘭盤位置開窗打圓形孔，加裝L型連通管，使喇叭管與L型連通管共同構(gòu)成連通器，L型連通管下開窗口軸向位置位于喇叭管法蘭盤與返出管線下緣之間，應(yīng)盡可能靠近法蘭盤；L型連通管上下開窗口周向方位以返出管線與喇叭管管線的交線為始邊，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至返出管線中心線的延長(zhǎng)線之間； 步驟二 將光學(xué)液位傳感器安裝在L型連通管托架處；
步驟三步驟二中傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量L型連通管內(nèi)液面高度，并輸出模擬輔助變量信號(hào)至信號(hào)調(diào)理與預(yù)處理裝置；
步驟四信號(hào)調(diào)理與預(yù)處理裝置將步驟三信號(hào)預(yù)處理后輸出數(shù)字輔助變量信號(hào)； 步驟五數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)采集數(shù)字輔助變量信號(hào)，并輸入輔助變量數(shù)據(jù)至客戶端計(jì)算機(jī)；
步驟六客戶端計(jì)算機(jī)的軟測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算得到鉆井液出口流量Q值，并依據(jù)Q值判斷是否啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置。有益效果
1.本發(fā)明在井隊(duì)現(xiàn)有井口裝置上進(jìn)行改進(jìn)，在喇叭管上加裝L型連通管，與喇叭管形成連通器。通過(guò)測(cè)量L型連通管內(nèi)液位高度間接非接觸式測(cè)量鉆井液返出流量，與鉆井液池液位檢測(cè)法相比預(yù)警時(shí)間大幅度提前，檢測(cè)精度大幅提高，能夠給鉆井現(xiàn)場(chǎng)工作人員更充裕的時(shí)間關(guān)井，有效地預(yù)防井噴事故發(fā)生，該發(fā)明實(shí)時(shí)檢測(cè)溢流的同時(shí)亦可監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)過(guò)程中井漏是否發(fā)生。2.本發(fā)明將L型連通管液位測(cè)量與鉆井液返出流量結(jié)合起來(lái)，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量L型連通管液位變化就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵入和返出的鉆井液流量差，準(zhǔn)確早期地判斷是否發(fā)生溢流，是突破目前溢流快速識(shí)別瓶頸的一項(xiàng)重大的技術(shù)探索。3.本發(fā)明應(yīng)用的L型連通管方案解決了因起下鉆柱與測(cè)量?jī)x器防碰問(wèn)題。4.通過(guò)L型連通管液位測(cè)量鉆井液返出流量，解決了方鉆桿或鉆桿旋轉(zhuǎn)引起自由液面波動(dòng)而影響返出流量測(cè)量精度的問(wèn)題。5.本發(fā)明選用的光學(xué)液位傳感器安裝在帶有反流管結(jié)構(gòu)的L型連通管頂端，連續(xù)測(cè)量L型連通管內(nèi)液位高度，不與鉆井液接觸，即使流量變化較大也不會(huì)造成鉆井液沖蝕儀器，影響測(cè)量精度。6.避免目前喇叭管內(nèi)直接測(cè)量返出流量所涉及到的問(wèn)題和測(cè)量難點(diǎn)。因L型連通管內(nèi)鉆井液不旋轉(zhuǎn)，所以開窗口位置的壓力直接決定了液面的高度，而開窗口越靠近法蘭盤位置(遠(yuǎn)離自由液面)受到喇叭管內(nèi)方鉆桿旋轉(zhuǎn)的影響越小，這種影響在滿足工程精度要求時(shí)可以忽略不計(jì)或通過(guò)系數(shù)適當(dāng)修正。當(dāng)發(fā)生溢流時(shí)，井底增壓，壓力波傳至連通器內(nèi)時(shí)L型連通管內(nèi)液面開始增高，光學(xué)液位傳感器可以直接測(cè)量液位變化得到鉆井液返出流量。四

圖1是本發(fā)明測(cè)量裝置示意圖2是本發(fā)明測(cè)量流程框圖3是L型連通管開窗口周向方位角度俯視示意圖。1防噴器；2活塞除泥器；3 L型連通管開窗口；4 L型連通管；5 L型連通管內(nèi)液位；6返流管開窗口 ；7返流管；8 L型連通管托架；9光學(xué)液位傳感器；10方鉆桿；11喇叭管；12喇叭管法蘭盤；13喇叭管返出管線；14返出管線與喇叭管交線；15信號(hào)調(diào)理與預(yù)處理裝置；16數(shù)據(jù)采集單元；17客戶端計(jì)算機(jī)；18聲光報(bào)警燈；19返出管線中心線；20 L型
權(quán)利要求
1.一種L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置，其特征在于這種L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置由光學(xué)液位傳感器(9)、L型連通管(4)、喇叭管(11)、連通管托架(8)、信號(hào)調(diào)理與預(yù)處理裝置(15)、數(shù)據(jù)采集單元(16)、客戶端計(jì)算機(jī)(17)、聲光報(bào)警裝置組成，喇叭管(11)管線加裝L型連通管(4)，L型連通管(4)與喇叭管(11)共同構(gòu)成連通器；L型連通管開窗口(3)垂向位置位于喇叭管管線法蘭盤(12)與返出管線(13)下緣之間；L型連通管開窗口(3)周向方位以返出管線(13)與喇叭管(11)管線的交線為始邊，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至返出管線中心線(19 )的延長(zhǎng)線之間，光學(xué)液位傳感器(9 )安裝在L型連通管托架(8 )上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置，其特征在于所述的L 型連通管開窗口(3)垂向位置靠近法蘭盤(12)處。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置，其特征在于所述的 L型連通管(4)與喇叭管(11)之間設(shè)置返流管(7)，返流管(7)與L型連通管(4)的夾角在 0°到45°之間，返流管(7)在喇叭管上開窗口垂向位置位于返出管線(13)上緣之上，返流管開窗口(6)周向方位以返出管線(13)與喇叭管(11)管線的交線為始邊，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至返出管線中心線(19)的延長(zhǎng)線之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置，其特征在于所述的L 型連通管(4)底部水平管處安裝排泥管，排泥管中安裝活塞除泥器(2)。
5.一種權(quán)利要求1所述的L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于它通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)L型連通管(4)內(nèi)的液面高度得到鉆井液返出流量，具體如下步驟一在喇叭管(11)靠近法蘭盤(12)位置開窗打圓形孔，加裝L型連通管(4)，使喇叭管(11)與L型連通管(4)共同構(gòu)成連通器，L型連通管開窗口(3)軸向位置位于喇叭管法蘭盤(12)與返出管線(13)下緣之間，應(yīng)盡可能靠近法蘭盤(12) ;L型連通管開窗口(3) 周向方位以返出管線(13)與喇叭管(11)管線的交線為始邊，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至返出管線中心線(19)的延長(zhǎng)線之間；步驟二 將光學(xué)液位傳感器(9)安裝在L型連通管托架(8)處；步驟三步驟二中傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量L型連通管(4)內(nèi)液面高度，并輸出模擬輔助變量信號(hào)至信號(hào)調(diào)理與預(yù)處理裝置(15)；步驟四、信號(hào)調(diào)理與預(yù)處理裝置(15)將步驟三信號(hào)預(yù)處理后輸出數(shù)字輔助變量信號(hào)；步驟五、數(shù)據(jù)采集單元(16)實(shí)時(shí)采集數(shù)字輔助變量信號(hào)，并輸入輔助變量數(shù)據(jù)至客戶端計(jì)算機(jī)(17);步驟六、客戶端計(jì)算機(jī)(17)的軟測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算得到鉆井液出口流量Q值，并依據(jù)Q值判斷是否啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于所述的L型連通管(4)與喇叭管(11)之間設(shè)置返流管(7)，返流管(7)與L型連通管(4) 的夾角在0°到45°之間，返流管(7)在喇叭管上開窗口垂向位置位于返出管線(13)上緣之上，返流管開窗口(6)周向方位以返出管線(13)與喇叭管(11)管線的交線為始邊，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至返出管線中心線(19)的延長(zhǎng)線之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，其中的L型連通管鉆井液返出流量測(cè)量裝置由光學(xué)液位傳感器、L型連通管、喇叭管、連通管托架、信號(hào)調(diào)理與預(yù)處理裝置、數(shù)據(jù)采集單元、客戶端計(jì)算機(jī)、聲光報(bào)警裝置組成，喇叭管管線加裝L型連通管，L型連通管與喇叭管共同構(gòu)成連通器；L型連通管開窗口垂向位置位于喇叭管管線法蘭盤與返出管線下緣之間；L型連通管開窗口周向方位以返出管線與喇叭管管線的交線為始邊，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至返出管線中心線的延長(zhǎng)線之間，光學(xué)液位傳感器安裝在L型連通管托架上。本發(fā)明預(yù)警時(shí)間早，檢測(cè)精度高，能夠給鉆井現(xiàn)場(chǎng)工作人員更充裕的時(shí)間關(guān)井，有效地預(yù)防井噴事故發(fā)生。
文檔編號(hào)G01F1/52GK102230812SQ201110086020
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者孫曉峰, 李瑋, 畢雪亮, 閆鐵 申請(qǐng)人:東北石油大學(xué)