CN102230812B

CN102230812B - L型连通管钻井液返出流量测量装置及其测量方法

Info

Publication number: CN102230812B
Application number: CN 201110086020
Authority: CN
Inventors: 闫铁; 孙晓峰; 李玮; 毕雪亮
Original assignee: Northeast Petroleum University
Current assignee: Northeast Petroleum University
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: CN102230812A

Abstract

本发明涉及的是L型连通管钻井液返出流量测量装置及其测量方法，其中的L型连通管钻井液返出流量测量装置由光学液位传感器、L型连通管、喇叭管、连通管托架、信号调理与预处理装置、数据采集单元、客户端计算机、声光报警装置组成，喇叭管管线加装L型连通管，L型连通管与喇叭管共同构成连通器；L型连通管开窗口垂向位置位于喇叭管管线法兰盘与返出管线下缘之间；L型连通管开窗口周向方位以返出管线与喇叭管管线的交线为始边，逆时针旋转至返出管线中心线的延长线之间，光学液位传感器安装在L型连通管托架上。本发明预警时间早，检测精度高，能够给钻井现场工作人员更充裕的时间关井，有效地预防井喷事故发生。

Description

L型连通管钻井液返出流量测量装置及其测量方法

一、技术领域：

本发明涉及的是在石油天然气钻井随钻检测领域中溢流快速识别技术，具体涉及的是L型连通管钻井液返出流量测量装置及其测量方法。

二、背景技术：

石油天然气资源钻井过程中如果地层压力大于井内钻井液压力将会出现地层流体侵入井眼的现象，称为溢流，如果处理不当将会导致井喷甚至失去控制，造成恶性安全事故。预防井喷的关键是及时发现溢流，溢流发现越早，溢流量越小，处理溢流的难度也越小，发生井喷的概率就越低，这就要求钻井现场溢流检测装置做出快速准确的预警，及时关井，重新建立压力平衡。

与溢流检测相关的井口防喷装备通常由防喷器、喇叭管（溢流管）、喇叭管开窗（返出口）、钻井液返出管线（海洋钻井平台亦称高架槽）和钻井液池构成。

钻井现场普遍应用的溢流检测方法是钻井液池液位检测方法，该方法通过观察或测量钻井液池内液面高度变化来估计钻井液总量增减，判断是否有地层流体侵入。但该方法有以下问题，一是在较小溢流量时，因钻井液池底面积较大，液面高度变化不明显。二是侵入的流体需流经返出管线后到钻井池积累，体积积累效应导致报警延迟。另外为保证钻井液在池内不发生沉淀，需应用搅拌器，搅拌器旋转导致池内液面波动，严重影响测量精度和溢流预警时间。

另一种精度较高的溢流检测方法是流量差法，该方法分别测量泵入井内和返出的钻井液流量，并依据其差值判断溢流或井漏，泵入井内的钻井液流量可以通过泵冲计数器较精确的获得，但在井口处测量返出流量却非常困难，原因是喇叭管返出口存在自由液面（非有压管路）和方钻杆旋转等因素影响，该方法无法在常规钻机上普及，仅有少数具备全封闭钻井液循环系统的钻机（如控压钻井系统）才能实现流量差法溢流检测。

常规钻机喇叭管内直接测量钻井液返出流量的难点：

一、应用接触式流量测量仪器（如涡轮流量计）

应用该类型流量计需要下至喇叭管内，与环空的钻井液直接接触测量。问题主要以下两点：

①由于更换钻头、固井、电测等作业时需要起下钻柱，钻柱或钻头很难避免与管内测量仪器发生碰撞。

②因为环空（指方钻杆或钻杆与喇叭管之间的环形空间）中钻井液存在自由液面、方钻杆或钻杆（顶驱时为钻杆）高速旋转、喇叭管存在横向返出口等因素影响，导致钻井液在喇叭管内产生带有横向开窗的环空螺旋流，速度为周向和轴向速度的耦合，流动规律及其复杂。我们期望能得到的轴向平均速度而精确计算出返出流量，但轴向速度仅仅是环空螺旋流速度的一个分量，目前任何接触式测量仪器测量的均是耦合速度，还无法直接测量轴向速度。

二、非接触式流量测量仪器

目前常用于钻井工业的非接触式流量测量仪器有以下三大类：

①电磁流量计：目前该类流量计还无法测量喇叭管内的环空螺旋流流量，这是其工作原理所决定的，其原理是流体流动过程中切割磁感线产生电信号，转换为流量信息。但由于喇叭管内的方钻杆（或钻杆）内钻井液竖直向下流动，环空返出的钻井液为螺旋流向上流动，也就是说喇叭管内同时存在同时向上和向下流动的流体，其切割磁场产生的电信号混乱，无法识别。

②超声波多普勒流量计：超声波多普勒流量原理是测量发射和遇到固体颗粒反射的超声波频率差，这个频率差是流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移，正比于流体流速，进而换算可以得到流体的流量。该类流量计无法测量喇叭管内钻井液返出流量的原因是方钻杆或钻杆旋转导致钻井液内的固相颗粒周向运动速度远高于轴向运动速度，所以该流量计测量出的固相颗粒流速并非我们期望得到的轴向流速，换算出的结果也并不是真实返出流量。

②液位传感器（光学，超声波）：一是防碰问题依然很难克服，另外因方钻杆高速旋转导致的自由液面波动问题给喇叭管内测量带来了非常大的困难，旋转导致喇叭管内钻井液液面呈现凹状，凹陷深度随方钻杆转数增加而加深，这就导致光学或超声波液位传感器无法准确识别液面变化是由溢流引起还是方钻杆旋转引起。

三、发明内容：

本发明的一个目的是提供一种L型连通管钻井液返出流量测量装置，本发明的另一个目的是提供这种L型连通管钻井液返出流量测量装置的测量方法，它用于解决现有钻井液返出流量无法在井口位置实现精确测量的问题，在常规钻机上实现流量差法溢流快速识别。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种L型连通管钻井液返出流量测量装置由光学液位传感器、L型连通管、喇叭管、连通管托架、信号调理与预处理装置、数据采集单元、客户端计算机、声光报警装置组成，喇叭管管线加装L型连通管，L型连通管与喇叭管共同构成连通器；L型连通管开窗口垂向位置位于喇叭管管线法兰盘与返出管线下缘之间；L型连通管开窗口周向方位以返出管线与喇叭管管线的交线为始边，逆时针旋转至返出管线中心线的延长线之间，光学液位传感器安装在L型连通管托架上。

上述方案中L型连通管开窗口垂向位置靠近法兰盘处，以避免受到喇叭管内方钻杆旋转影响。

上述方案中L型连通管与喇叭管之间设置返流管，返流管与L型连通管的夹角在0°到45°之间，返流管在喇叭管上开窗口垂向位置位于返出管线上缘之上，返流管开窗口周向方位以返出管线与喇叭管管线的交线为始边，逆时针旋转至返出管线中心线的延长线之间。当流量过大时，L型连通管内液体将从返流管返流回喇叭管内，避免钻井液冲向光学液位传感器，损坏仪器。

上述方案中L型连通管底部水平管处安装排泥管，排泥管中安装活塞除泥器。这样可防止喇叭管下开窗口出现泥堵，当出现泥堵时，通过手动或液压活塞除泥器除泥即可。

上述L型连通管钻井液返出流量测量装置的测量方法，通过实时检测L型连通管内的液面高度得到钻井液返出流量，具体如下：

步骤一：在喇叭管靠近法兰盘位置开窗打圆形孔，加装L型连通管，使喇叭管与L型连通管共同构成连通器，L型连通管下开窗口轴向位置位于喇叭管法兰盘与返出管线下缘之间，应尽可能靠近法兰盘； L型连通管上下开窗口周向方位以返出管线与喇叭管管线的交线为始边，逆时针旋转至返出管线中心线的延长线之间；

步骤二：将光学液位传感器安装在L型连通管托架处；

步骤三：步骤二中传感器实时测量L型连通管内液面高度，并输出模拟辅助变量信号至信号调理与预处理装置；

步骤四：信号调理与预处理装置将步骤三信号预处理后输出数字辅助变量信号；

步骤五：数据采集单元实时采集数字辅助变量信号，并输入辅助变量数据至客户端计算机；

步骤六：客户端计算机的软测量系统计算得到钻井液出口流量Q值，并依据Q值判断是否启动声光报警装置。

有益效果：

1．本发明在井队现有井口装置上进行改进，在喇叭管上加装L型连通管，与喇叭管形成连通器。通过测量L型连通管内液位高度间接非接触式测量钻井液返出流量，与钻井液池液位检测法相比预警时间大幅度提前，检测精度大幅提高，能够给钻井现场工作人员更充裕的时间关井，有效地预防井喷事故发生，该发明实时检测溢流的同时亦可监测钻进过程中井漏是否发生。

2．本发明将L型连通管液位测量与钻井液返出流量结合起来，通过实时测量L型连通管液位变化就可以实时监测泵入和返出的钻井液流量差，准确早期地判断是否发生溢流，是突破目前溢流快速识别瓶颈的一项重大的技术探索。

3．本发明应用的L型连通管方案解决了因起下钻柱与测量仪器防碰问题。

4．通过L型连通管液位测量钻井液返出流量，解决了方钻杆或钻杆旋转引起自由液面波动而影响返出流量测量精度的问题。

5．本发明选用的光学液位传感器安装在带有反流管结构的L型连通管顶端，连续测量L型连通管内液位高度，不与钻井液接触，即使流量变化较大也不会造成钻井液冲蚀仪器，影响测量精度。

6．避免目前喇叭管内直接测量返出流量所涉及到的问题和测量难点。因L型连通管内钻井液不旋转，所以开窗口位置的压力直接决定了液面的高度，而开窗口越靠近法兰盘位置（远离自由液面）受到喇叭管内方钻杆旋转的影响越小，这种影响在满足工程精度要求时可以忽略不计或通过系数适当修正。当发生溢流时，井底增压，压力波传至连通器内时L型连通管内液面开始增高，光学液位传感器可以直接测量液位变化得到钻井液返出流量。

四、附图说明：

图1是本发明测量装置示意图；

图2是本发明测量流程框图；

图3是 L型连通管开窗口周向方位角度俯视示意图。

1防喷器；2活塞除泥器；3 L型连通管开窗口；4 L型连通管；5 L型连通管内液位；6返流管开窗口；7返流管；8 L型连通管托架；9光学液位传感器；10方钻杆；11喇叭管；12喇叭管法兰盘；13喇叭管返出管线；14返出管线与喇叭管交线；15信号调理与预处理装置；16数据采集单元；17客户端计算机；18声光报警灯；19返出管线中心线；20 L型连通管开窗口周向方位角。

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明L型连通管钻井液返出流量测量装置由光学液位传感器9、L型连通管4、喇叭管11、L型连通管托架8、信号调理与预处理装置15、数据采集单元16、客户端计算机17、声光报警装置组成，目前，在石油钻井现场钻井液敞开式循环时，返出流量测量多为在井口处设置喇叭管11和环形防喷器1，喇叭管11和环形防喷器1在钻台平面下面，方钻杆10从喇叭管11穿出，喇叭管11处连接矩形槽，通过观察或测量矩形槽内液面高度变化来估计液体总量增减，判断是否有地层流体侵入。本发明与此不同，本发明在喇叭管11管线处加装L型连通管4，使喇叭管11与L型连通管4共同构成连通器，通过实时检测L型连通管内液位5高度得到钻井液返出流量，即将L型连通管4焊接在喇叭管11管线上，L型连通管开窗口3垂向位置位于喇叭管管线法兰盘12与返出管线13下缘之间，应尽可能靠近法兰盘12；结合图3所示，L型连通管开窗口3方位以返出管线13与喇叭管11管线的交线为始边，逆时针旋转至返出管线中心线19的延长线之间，即返出管线中心线19的反向延长线与返出管线13与喇叭管11管线的交线处之间的区域，该区间的最大夹角为L型连通管开窗口周向方位角20，L型连通管4可以任意设置在这个区间内，高精度光学液位传感器9安装在L型连通管托架8上；信号调理与预处理装置15、数字信号传输总线、数据采集单元16、客户端计算机17按照公知技术连接，声光报警装置为声光报警灯18。本发明中L型连通管4与喇叭管11之间设置返流管7，返流管7与L型连通管4的夹角在0°到45°之间，可避免钻井液冲向光学液位传感器9，损坏仪器。

图2是本发明测量流程框图，如图所示，这种L型连通管钻井液返出流量测量装置的测量方法通过实时检测L型连通管4内的液面高度得到钻井液返出流量，具体如下：

在喇叭管11靠近法兰盘12位置开窗打圆形孔，车丝扣，加装竖直小直径L型钢管连通管，与喇叭管11形成连通器，L型连通管4在喇叭管上开窗口轴向位置位于喇叭管法兰盘12与返出管线13下缘之间，应尽可能靠近法兰盘12；L型连通管开窗口3周向方位以返出管线13与喇叭管11管线的交线为始边，逆时针旋转至返出管线中心线19的延长线；再将高精度光学液位传感器9安装在L型连通管托架8处。安装后，高精度光学液位传感器9实时测量液面高度等辅助变量，输出模拟辅助变量信号至信号调理与预处理装置15，对模拟辅助变量信号进行放大、隔绝、滤波、运算等预处理，经信号调理与预处理装置15处理后输出数字辅助变量信号。数据采集单元16通过总线连接实时采集数字辅助变量信号，并通过客户端计算机17接口输入辅助变量数据至客户端计算机17。辅助变量数据经客户端计算机17的软测量系统计算得到钻井液出口流量Q值，最后客户端计算机17依据Q值是否达到报警上限执行是否启动声光报警灯18，软测量系统为软测量模型软件。软测量模型软件由以下关系确定，流量Q与液位高度H、转速N等参数有如下关系：

Figure 2011100860201100002DEST_PATH_IMAGE001

，其中，

为动能修正系数，

Figure 2011100860201100002DEST_PATH_IMAGE003

为流量初始值，

转速修正函数，

Figure 2011100860201100002DEST_PATH_IMAGE005

压力修正系数，A为喇叭管内环空截面面积，

为L型连通管4内光学传感器在采样周期内测得的平均液位值，

Figure 2011100860201100002DEST_PATH_IMAGE007

流量初始值所对应的液位。以上参数值分别在井场流量测量初始化时和现场实时测量获得。

Claims

1.一种L型连通管钻井液返出流量测量装置，其特征在于：这种L型连通管钻井液返出流量测量装置由光学液位传感器（9）、L型连通管（4）、喇叭管（11）、连通管托架（8）、信号调理与预处理装置（15）、数据采集单元（16）、客户端计算机（17）、声光报警装置组成，喇叭管（11）管线加装L型连通管（4），L型连通管（4）与喇叭管（11）共同构成连通器；L型连通管开窗口（3）垂向位置位于喇叭管管线法兰盘（12）与返出管线（13）下缘之间；L型连通管开窗口（3）周向方位区域处于以返出管线（13）与喇叭管（11）管线的交线为始端，逆时针旋转至返出管线中心线（19）的延长线之间，光学液位传感器（9）安装在L型连通管托架（8）上。

2.根据权利要求1所述的L型连通管钻井液返出流量测量装置，其特征在于：所述的L型连通管开窗口（3）垂向位置靠近法兰盘（12）处。

3.根据权利要求2所述的L型连通管钻井液返出流量测量装置，其特征在于：所述的L型连通管（4）与喇叭管（11）之间设置返流管（7），返流管（7）与L型连通管（4）的夹角在0°到45°之间，返流管（7）在喇叭管上开窗口垂向位置位于返出管线（13）上缘之上，返流管开窗口（6）周向方位区域处于以返出管线（13）与喇叭管（11）管线的交线为始端，逆时针旋转至返出管线中心线（19）的延长线之间。

4.根据权利要求3所述的L型连通管钻井液返出流量测量装置，其特征在于：所述的L型连通管（4）底部水平管处安装排泥管，排泥管中安装活塞除泥器（2）。

5.一种权利要求1所述的L型连通管钻井液返出流量测量装置的使用方法，其特征在于：它通过实时检测L型连通管（4）内的液面高度得到钻井液返出流量，具体如下：

步骤一：在喇叭管（11）靠近法兰盘（12）位置开窗打圆形孔，加装L型连通管（4），使喇叭管（11）与L型连通管（4）共同构成连通器，L型连通管开窗口（3）垂向位置位于喇叭管法兰盘（12）与返出管线（13）下缘之间，应尽可能靠近法兰盘（12）；L型连通管开窗口（3）周向方位区域处于以返出管线（13）与喇叭管（11）管线的交线为始端，逆时针旋转至返出管线中心线（19）的延长线之间；

步骤二：将光学液位传感器（9）安装在L型连通管托架（8）处；

步骤三：步骤二中传感器实时测量L型连通管（4）内液面高度，并输出模拟辅助变量信号至信号调理与预处理装置（15）；

步骤四、信号调理与预处理装置（15）将步骤三信号预处理后输出数字辅助变量信号；

步骤五、数据采集单元（16）实时采集数字辅助变量信号，并输入辅助变量数据至客户端计算机（17）；

步骤六、客户端计算机（17）的软测量系统计算得到钻井液出口流量Q值，并依据Q值判断是否启动声光报警装置。

6.根据权利要求5所述的L型连通管钻井液返出流量测量装置的使用方法，其特征在于：所述的L型连通管（4）与喇叭管（11）之间设置返流管（7），返流管（7）与L型连通管（4）的夹角在0°到45°之间，返流管（7）在喇叭管上开窗口垂向位置位于返出管线（13）上缘之上，返流管开窗口（6）周向方位区域处于以返出管线（13）与喇叭管（11）管线的交线为始端，逆时针旋转至返出管线中心线（19）的延长线之间。