CN102031962A - 油气井井下微流量测量系统及方法 - Google Patents

油气井井下微流量测量系统及方法 Download PDF

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本发明公开一种油气井井下微流量测量系统及方法，该系统由主体、节流元件、压力传感器、电路板、中心管、电池和引导头组成，主体内置有微处理器芯片，主体外圆壁上设置节流元件，中心管轴向设在主体中心，中心管一端设有堵头，另一端设有电池，电池、电器接头和多芯接头依次连接；中心管由哈弗连接头连接到引导头，节流元件两侧的主体上设有充满油的内孔，由储油囊密封，压力传感器设在内孔中与环空流体接触；主体上开有安装电路板的凹槽，压力传感器、微处理器芯片和电池的引线通过主体上设置的引线孔与电路板连接；主体外围设有用于密封保护电路板、引线孔、微处理器芯片及压力传感器的保护外壳。它及时准确、精确度高、使用方便、安全可靠。

Description

油气井井下微流量测量系统及方法
技术领域
本发明涉及油气井井下环空流量的测量系统及方法，具体是一种油气井井下微流量测量系统及方法。它是在油气钻探过程中能够随钻实时测量井下环空流量，以判断井下溢流或井漏情况，及时采取相应措施进行井控，适用于泥浆钻井、气体钻井和欠平衡钻井等各种钻井工艺。
背景技术
现有的油气开采对随钻监测环空压力技术存在一定的滞后性，对于气井，如果不能早期发现并监测溢流或井漏情况，极易酿成重大的安全事故。国内典型低渗气藏在这类具有窄安全密度窗口特征的地层钻进时，均面临着井漏和溢流等复杂情况。处理这类井下复杂情况，既耽误钻井施工进度，又极大地增加了钻井成本，严重阻碍着天然气勘探开发的进程，因此急需研发一种能够及早发现并监测溢流或井漏的井下随钻测量工具及方法。
为此，许多油气钻探企业也在大力研发相关井下微流量测量工具，各种公开出版物上也屡见相关报道，例如《油气井测试》，2006年第15卷第1期“集流型井下流量计的改进设想”、《采油工程》，2006年第3期“智能完井技术”，以及中国专利文献公开的“压差式电子流量计”（公开号: CN2527972，公开日: 2002.12.25）、“一种井下文丘利流量计”（公开号: CN2685832，公开日: 2005.03.16）等，这些技术以电缆方式进行信号传输，在抗振性、耐磨性方面也无特殊考虑，它们要么应用于采油过程中，要么应用于完井过程中，无实时性，安全可靠性低。这些出版物公开的相关报道，未见有与本发明相同内容。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种油气井井下微流量测量系统及方法，它通过随钻监测井下环空流量的微小变化就能判断井下溢流或井漏等复杂情况。
本发明采用的技术方案是：
一种油气井井下微流量测量系统，该系统由主体、节流元件、压力传感器、电路板、中心管、电池和引导头组成，所述主体内置有微处理器芯片，主体外圆壁上设置节流元件，中心管轴向设在主体中心，中心管一端设有中心管堵头，另一端设有电池，电池、电器接头和多芯接头依次连接，中心管另一端由哈弗连接头连接到引导头；节流元件两侧的主体上设有内孔，内孔充满油，并由储油囊密封，压力传感器设在该内孔中，通过内孔与环空流体接触；节流元件一侧的主体上开有凹槽，该凹槽内安装有电路板，压力传感器、微处理器芯片、电池的引线通过主体上设置的引线孔与电路板连接；主体外围设有用于密封保护电路板、引线孔、微处理器芯片及内孔中压力传感器的保护外壳。
所述电路板具有信号调理电路、数据存储电路和MWD通信电路。 
所述主体的两端为螺纹结构。
所述电路板具有抗振缓冲片。
所述节流元件表面设有耐磨颗粒。
结合上述测量系统进行油气井井下微流量测量的方法，该方法为节流压差测试法，按以下操作步骤测量计算：
（1）、将测量系统安装在靠近钻头处，开启测量系统主体上的电源开关，使系统开始工作；进行下钻；
（2）、钻进时，从测量系统的主体内孔流道中泵入循环流体，循环流体向下流动，并沿测量系统的节流元件与井壁所形成的通道上返，循环流体返至测量系统的节流元件时，产生压差，主体上的压力传感器测量所在点的压力值，并通过压力传感器实现被测压力信号由非电量到电信号的转换；
（3）、压力传感器输出的信号通过在电路板中的信号调理电路对信号进行信号放大滤波，放大后的信号送入系统的主体内置微处理器芯片进行A/D转换，将得到的数字量送到电路板中的数据存储电路中，并通过多芯接头与地面接收终端机之间的MWD进行数据通讯，将所测得数据传回地面进行分析处理，得到井下环空流量的变化情况；
（4）、将所测得的数据应用测得的压差值，通过计算处理，计算出每个瞬时的环空上返流体的流量，压差与环空流量之比满足关系式：
Figure 731708DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 341812DEST_PATH_IMAGE002
——节流元件两端压差；
Figure 950648DEST_PATH_IMAGE003
——节流元件前端压力；
——节流元件后端压力；
——沿程水头损失；
Figure 165095DEST_PATH_IMAGE006
——局部水头损失；
Figure 596249DEST_PATH_IMAGE007
——环空流量；
Figure 370170DEST_PATH_IMAGE008
——节流元件处环空流速，是
Figure 235358DEST_PATH_IMAGE007
的函数；
Figure 187264DEST_PATH_IMAGE009
——钻铤处环空流速，是
Figure 770692DEST_PATH_IMAGE007
的函数；
（5）、根据压力的变化判断井下溢流或井漏情况，及时采取相应措施进行井控。
本发明的有益效果是：上述结构的测量系统，安装在靠近钻头处，随钻深入井下，在钻井过程中实时监测井下微流量的变化，实时地将井下微流量的变化快速反映到地面进行分析处理，得出压力变化情况，根据压力变化判断出井下溢流或井漏等复杂情况，及时采取相应措施进行井控。
上述测量方法与测量系统相配合，实时准确地将井下微流量的变化快速计算出压力变化，以便及时采取相应措施进行井控，精确度高，计算快。
本发明具有及时准确、精确度高、使用方便、安全可靠和抗振性好等特点。对于安全高效的开发低渗气藏，特别是喷漏同存井段或喷漏同层地层来说，起着至关重要的作用。
附图说明
图1是本发明测量系统的一种结构示意图。
图中代号含义：1、6—压力传感器；2—保护外壳；3—中心管堵头；4—主体；5—节流元件；7—引线孔；8—电路板；9—中心管；10—电池；11—电器接头；12—哈弗连接头；13—多芯接头；14—引导头。
具体实施方式
参见图1：本发明的测量系统由标准钻杆螺纹连接到上部钻具。本测量系统由主体4、节流元件5、压力传感器（1、6）、电路板8、中心管9、电池10和引导头14组成，主体4的两端为螺纹结构，可以通过转换接头与对应各种尺寸接头的钻铤或其他仪器连接。主体4内置有微处理器芯片，主体4外圆壁上设置节流元件5，为了防止节流元件5磨损，在节流元件5表面设有耐磨颗粒。中心管9轴向设在主体4中心，中心管9的下端设有中心管堵头3，将其密封围堵，中心管9的上端设有电池10，电池10、电器接头11和多芯接头13依次连接，多芯接头13穿入引导头14内，由引导头14将多芯接头13与上部钻具的连接头接合，从而接通信号传输通道，中心管9的上端由哈弗连接头12连接到引导头14。节流元件5前、后两侧的主体4上设有内孔，内孔充满油，并由储油囊密封，压力传感器（1、6）设在该内孔中，通过内孔与环空流体接触，压力传感器1设在节流元件5前侧的主体4内孔中，压力传感器6设在节流元件5后侧的主体4内孔中，由压力传感器测量到节流元件前、后的环空压力，通过计算可了解井下泥浆等微流量的实时变化。在节流元件5后侧的主体4上开有凹槽，凹槽内安装有电路板8，该电路板8具有信号调理电路、数据存储电路和MWD通信电路，由于本测量系统用于随钻过程中，振动性大，为防止内部电子器件受损坏，在电路板8上设有抗振缓冲片，能承受20g的振动冲击。压力传感器（1、6）、微处理器芯片、电池10的引线通过主体4上设置的引线孔7与电路板8连接，该引线孔7为两个，一个设在节流元件5前侧的主体4上，并与中心管堵头3穿通，另一个设在节流元件5后侧的主体4上，具体在电池10的安装槽内，与中心管9接通。主体外围设有保护外壳2，用于密封保护电路板8、引线孔7、微处理器芯片及内孔中的压力传感器（1、6）等部件。
应用中，本测量系统是设在靠近钻头裸眼处进行环空流量测量，由于井径会发生变化，需要专用软件对测量结果进行处理来得到流量值。
本测量系统应用时安装在靠近钻头处，在下钻前打开主体4上的电源开关，此时系统开始工作。在钻井过程中，泵入的循环流体从主体4内孔流道向下流动，并沿节流元件5与井壁所形成的通道按一定速度上返，当循环流体在上返过程中经过节流元件5时，在节流元件5两端产生一定的压差，安装在主体4上节流元件5前、后两侧的压力传感器（1、6）分别测量所在点的压力值，并通过压力传感器（1、6）实现被测压力信号由非电量到电信号的转换。由于压力传感器（1、6）输出信号微弱需要通过在电路板8中的信号调理电路对信号进行信号放大滤波，放大后的信号送入系统的主体内置微处理器芯片进行A/D转换，将得到的数字量送到电路板8中的数据存储电路中，并通过多芯接头13与上位机（地面接收终端）之间的MWD进行数据通讯，将所测得数据传回地面进行分析处理，得到井下环空流量的变化情况。并将所测得的数据应用测得的压差值，计算出每个瞬时的环空上返流体的流量，压差与环空流量之比满足关系式：
Figure 82725DEST_PATH_IMAGE001
其中， ——节流元件两端压差；
Figure 377757DEST_PATH_IMAGE003
——节流元件前端压力；
Figure 760066DEST_PATH_IMAGE004
——节流元件后端压力；——沿程水头损失；——局部水头损失；
Figure 196229DEST_PATH_IMAGE007
——环空流量；
Figure 301720DEST_PATH_IMAGE008
——节流元件处环空流速，是
Figure 158817DEST_PATH_IMAGE007
的函数；
Figure 915421DEST_PATH_IMAGE009
——钻铤处环空流速，是
Figure 566982DEST_PATH_IMAGE007
的函数。在正常工况下，环空上返流量趋于稳定，所以流体通过节流元件5所产生的压差也保持不变；当发生溢流或井漏等异常情况时，通过节流元件5的环空上返流体的流量会发生微小变化，这个微小变化就会反应到节流元件5前、后两侧压差的变化上，通过接收仪器传送的数据，在地面上也可以同时检测到压力的变化情况，根据压力的变化就可以判断井下溢流或井漏等复杂情况，并及时采取相应措施进行井控。

Claims (6)

1.一种油气井井下微流量测量系统，其特征在于：该系统由主体（4）、节流元件（5）、压力传感器、电路板（8）、中心管（9）、电池（10）和引导头（14）组成，所述主体（4）内置有微处理器芯片，主体（4）外圆壁上设置节流元件（5），中心管（9）轴向设在主体（4）中心，中心管（9）一端设有中心管堵头（3），另一端设有电池（10），电池（10）、电器接头（11）和多芯接头（13）依次连接，中心管（9）另一端由哈弗连接头（12）连接到引导头（14）；节流元件（5）两侧的主体（4）上设有内孔，内孔充满油，并由储油囊密封，压力传感器设在该内孔中，通过内孔与环空流体接触；节流元件（5）一侧的主体（4）上开有凹槽，该凹槽内安装有电路板（8），压力传感器、微处理器芯片、电池（10）的引线通过主体（4）上设置的引线孔（7）与电路板（8）连接；主体（4）外围设有用于密封保护电路板（8）、引线孔（7）、微处理器芯片及内孔中压力传感器的保护外壳（2）。
2.根据权利要求1所述油气井井下微流量测量系统，其特征在于：所述电路板（8）具有信号调理电路、数据存储电路和MWD通信电路。 
3.根据权利要求1所述的油气井井下微流量测量系统，其特征在于：所述主体（4）的两端为螺纹结构。
4.根据权利要求1或2所述的油气井井下微流量测量系统，其特征在于：所述电路板（8）具有抗振缓冲片。
5.根据权利要求1所述的油气井井下微流量测量系统，其特征在于：所述节流元件（5）表面设有耐磨颗粒。
6.一种油气井井下微流量测量方法，该方法为节流压差测试法，按以下操作步骤测量计算：
（1）.将测量系统安装在靠近钻头处，开启测量系统主体上的电源开关，使系统开始工作；进行下钻；
（2）.钻进时，从测量系统的主体内孔流道中泵入循环流体，循环流体向下流动，并沿测量系统的节流元件与井壁所形成的通道上返，循环流体返至测量系统的节流元件时，产生压差，主体上的压力传感器测量所在点的压力值，并通过压力传感器实现被测压力信号由非电量到电信号的转换；
（3）.压力传感器输出的信号通过在电路板中的信号调理电路对信号进行信号放大滤波，放大后的信号送入系统的主体内置微处理器芯片进行A/D转换，将得到的数字量送到电路板中的数据存储电路中，并通过多芯接头与地面接收终端机之间的MWD进行数据通讯，将所测得数据传回地面进行分析处理，得到井下环空流量的变化情况；
（4）.将所测得的数据应用测得的压差值，通过计算处理，计算出每个瞬时的环空上返流体的流量，压差与环空流量之比满足关系式： 
Figure 360365DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 539674DEST_PATH_IMAGE002
——节流元件两端压差；
Figure 814797DEST_PATH_IMAGE003
——节流元件前端压力；
Figure 458268DEST_PATH_IMAGE004
——节流元件后端压力；
Figure 731118DEST_PATH_IMAGE005
——沿程水头损失；
——局部水头损失；
Figure 975072DEST_PATH_IMAGE007
——环空流量；
Figure 473050DEST_PATH_IMAGE008
——节流元件处环空流速，是
Figure 182380DEST_PATH_IMAGE007
的函数；
Figure 133018DEST_PATH_IMAGE009
——钻铤处环空流速，是
Figure 953207DEST_PATH_IMAGE007
的函数；
（5）.根据压力的变化判断井下溢流或井漏情况，及时采取相应措施进行井控。
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