CN102900424B - 测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，该装置包括声波发射系统、井筒模拟系统、模拟钻柱和钻井液循环系统；声波发射系统由换能器和任意波发生器组成，任意波发生器通过换能器与模拟钻柱连接；钻井液循环系统与模拟钻柱连接，用于完成钻井液在井筒模拟系统与模拟钻柱构成的环空及模拟钻柱内的循环。本发明通过钻井液循环系统实现钻井液在环空及钻杆内的循环，通过改变模拟钻柱的结构尺寸改变钻柱的组成，通过任意波发生器发射出不同波形、不同频率、不同幅度的波，实现在室内对不同状态、不同结构的钻具组合在循环条件下不同性质的声波的传播及衰减特性进行测试。

Description

测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置

技术领域

本发明涉及石油与天然气钻井作业中的无线随钻测量技术领域，具体地说，涉及一种随钻测量过程中测试信息载体-声波在钻柱信道中传播及衰减特性的试验装置。

背景技术

随着油气钻井技术的不断发展，人们迫切希望随时掌握井下的实际工况和相关信息。如何实现钻井信息的高速率、大容量、双向传输一直是钻井工程领域工作人员的研究热点。其中，随钻测量技术就是为了满足这一需要而应运而生。随钻测量技术大致可分为：有线随钻技术和无线随钻技术。由于有线随钻技术必须携带电缆的技术限制，无线随钻技术更受青睐。

现有的无线随钻测量技术主要有：泥浆脉冲、电磁波和声波三大技术。声波无线随钻测量技术是以声钻柱作为信道，以声波作为信号载体，进行井下信息无线传输的方式。由于利用钻柱作为钻井信息高速传输的信道不用依赖于钻井液的存在与否及性质差异，不受地层内磁性物质的干扰，为钻井信息高速传输提供了得天独厚的条件。此外，该方式还具有发射、中继和接收设备结构简单、成本较低、易于定向发射及传播速度极快等优点，从而成为当前钻井信息传输技术领域研究的热点之一。然而声波沿钻柱信道传播时，钻柱本身的结构及钻井液循环噪声、地层性质、以及与井壁的接触状态等因素都影响着声波信号的传输效果。因此，开展不同因素影响下声波在钻柱信道内的传播及衰减特性研究是十分必要的。

目前，研究声波在钻柱信道中传输及衰减的手段主要依靠于理论计算，由于理论研究存在大量假设，要想评价其可信程度及修正理论计算结果需要进行大量室内及现场试验。而直接依赖于现场试验会影响正常的钻井施工，增加钻井作业的成本，甚至引起井下事故。

发明内容

本发明的目的在于针对现有随钻测量过程中声波沿钻柱信道传播时存在的上述问题，提供了一种测试声波在钻柱信道中传播及衰减特性的试验装置，该装置安装于实验室内，能够测试不同钻具组合内不同性质的声波在不同井眼环境中传输及衰减特性。

本发明的技术方案为：一种测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，该装置包括声波发射系统、井筒模拟系统、模拟钻柱和钻井液循环系统；声波发射系统由换能器和任意波发生器组成，任意波发生器通过换能器与模拟钻柱连接；钻井液循环系统与模拟钻柱连接，用于完成钻井液在井筒模拟系统与模拟钻柱构成的环空及模拟钻柱内的循环。

优选的是，井筒模拟系统包括模拟井筒和用于支撑模拟井筒的模拟井筒支撑架，模拟钻柱安装在模拟井筒内，模拟井筒的底部安装有调节螺栓。

优选的是，模拟井筒由沿着轴线方向切开的、且切开面焊接有边法兰的短套管通过两端焊接的模拟井筒法兰连接组成，其上部设置有吊环，模拟井筒的边法兰之间、以及模拟法兰之间采用橡胶条密封，橡胶条密封通过锁紧螺栓紧固在模拟井筒上；模拟井筒的顶端开设有一个排气阀，模拟井筒的两端安装有堵头法兰，堵头法兰通过法兰卡紧套与模拟井筒法兰连接，并通过设置在法兰卡紧套上的边法兰紧固螺栓紧固。

优选的是，钻井液循环系统包括钻柱内钻井液循环系统和环空钻井液循环系统，其中，钻柱内钻井液循环系统用于完成钻井液在模拟钻柱内的循环，环空钻井液循环系统用于完成钻井液在模拟井筒与模拟钻柱构成的环空内的循环。

优选的是，钻柱内钻井液循环系统包括钻井液池Ⅰ、泵Ⅰ、钻柱内液体流量计和泵Ⅰ排量调节阀，泵Ⅰ排量调节阀的一端位于钻井液池Ⅰ出口与钻柱内液体流量计之间，用于调节钻柱内钻井液循环系统的流量及压力，另一端位于钻井液池Ⅰ内，用于完成流体的回流；环空钻井液循环系统包括钻井液池Ⅱ、泵Ⅱ、环空液体流量计和泵Ⅱ排量调节阀，泵Ⅱ排量调节阀的一端位于钻井液池Ⅱ出口与环空液体流量计之间，用于调节环空钻井液循环系统的流量及压力，另一端位于钻井液池Ⅱ内，用于完成流体的回流。

优选的是，钻柱内钻井液循环系统还包括钻柱内流体入口管汇、钻柱内流体入口压力表、钻柱内流体出口管汇和钻柱内流体出口压力表，钻柱内流体入口管汇设置在钻柱内液体流量计和钻柱内流体入口压力表之间，钻柱内流体出口管汇设置在钻柱内流体出口压力表和钻井液池Ⅰ之间；环空钻井液循环系统还包括环空流体入口管汇、环空流体入口压力表、环空流体出口管汇和环空流体出口压力表，环空流体入口管汇设置在环空液体流量计和环空流体入口压力表之间，环空流体出口管汇设置在环空流体出口压力表和钻井液池Ⅱ之间。

优选的是，所述的试验装置还设置有控制系统，该控制系统包括360V交流电源、泵Ⅰ开关和泵Ⅱ开关，其中，360V交流电源为泵Ⅰ和泵Ⅱ提供动力，泵Ⅰ开关用于控制泵Ⅰ工作，泵Ⅱ开关用于控制泵Ⅱ工作。

优选的是，模拟钻柱还连接有一个声波接收与处理系统，用于声波信号的显示、记录、保存及进行时域和频域分析。

优选的是，声波接收与处理系统包括信号处理电脑、信号处理器、声波信号传输电路和加速度计，信号处理电脑与信号处理器之间连接有示波器，声波信号传输电路与加速度计之间连接有加速度计转换接头，加速度计转换接头通过声波信号传输电路与信号处理器电连接；其中，加速度计用于测量从模拟钻柱接收到的声波，并将其转化为电信号，通过加速度转换接头、声波信号传输电路传送至信号处理器调理，调理后的声波信号通过示波器显示，并通过信号处理电脑进行记录、保存及进行时域和频域分析。

优选的是，模拟钻柱由模拟钻杆和模拟钻铤组成。

本发明的有益效果为：

(1)本发明可以通过钻井液循环系统实现钻井液在环空及钻杆内的循环，可以通过改变模拟钻柱的结构尺寸改变钻柱的组成，可以通过调节调节螺栓改变模拟钻柱和模拟井筒的相对位置，可以通过调节模拟井筒支撑架高度改变模拟井筒的倾斜角度，可以通过任意波发生器发射出不同波形、不同频率、不同幅度的波，并且安装于室内，所以可以实现在室内对不同状态、不同结构的钻具组合在循环条件下不同性质的声波的传播及衰减特性进行测试。

(2)本发明可在钻柱中加入声波传输中继装置，从而对中继装置的设计可行性及性能进行评价。

(3)本发明中采用的泵Ⅰ和泵Ⅱ可以更换为鼓风机，从而实现对气体钻井条件下声波在钻柱中传播及衰减特性进行测量。

(4)本发明设计的环空钻井液循环系统和钻柱内钻井液循环系统内均配备有流量计及压力表和排量调节装置，可以实现不同泵压，不同排量下声波在钻柱中传播及衰减特性进行测量。

(5)本发明采用的模拟井筒及钻井液池均可移动，且装置整体结构简单，经济实用，生产制造方便，实用性能强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，该装置包括声波发射系统、井筒模拟系统、模拟钻柱19和钻井液循环系统；声波发射系统由换能器37和任意波发生器32组成，任意波发生器32通过换能器37与模拟钻柱19连接，任意波发生器32可以激励出正弦波、方波等各种波形的激励信号用于激励换能器产生振动，发射出模拟钻柱19需要的波；钻井液循环系统与模拟钻柱19连接，用于完成钻井液在井筒模拟系统与模拟钻柱19构成的环空及模拟钻柱19内的循环。

上述井筒模拟系统包括模拟井筒38和用于支撑模拟井筒38的模拟井筒支撑架28，模拟钻柱19安装在模拟井筒38内，模拟井筒38的底部安装有调节螺栓24，可以实现模拟钻柱19在模拟井筒38内相对位置及同心程度的调节。为了调整井筒模拟系统的位置及整个系统的倾斜程度，上述模拟井筒支撑架28为可移动式结构。

为了方便更换模拟钻柱19，上述模拟井筒38由沿着轴线方向切开的、且切开面焊接有边法兰18的短套管通过两端焊接的模拟井筒法兰30连接组成，模拟井筒38的边法兰18之间、以及模拟井筒法兰30之间采用橡胶条密封，橡胶条密封通过锁紧螺栓29紧固在模拟井筒38上。模拟井筒38的上部设置有吊环34，用于更换模拟钻柱19时吊起模拟井筒38的上半部分。模拟井筒38的两端安装有堵头法兰13，堵头法兰13通过法兰卡紧套12与模拟井筒法兰30连接，并通过设置在法兰卡紧套12上的边法兰紧固螺栓20紧固及密封，堵头法兰的中心孔可以上下调节，以适应模拟钻柱19与模拟井筒38相对位置调节的需要。为了排除钻井液环空循环时初始环空内的空气，模拟井筒38的顶端开设有一个排气阀35。

上述钻井液循环系统包括钻柱内钻井液循环系统和环空钻井液循环系统，其中，钻柱内钻井液循环系统用于完成钻井液在模拟钻柱19内的循环，环空钻井液循环系统用于完成钻井液在模拟井筒38与模拟钻柱19构成的环空内的循环。

钻柱内钻井液循环系统包括钻井液池Ⅰ4、泵Ⅰ10、钻柱内液体流量计9和泵Ⅰ排量调节阀11，泵Ⅰ排量调节阀11的一端位于钻井液池Ⅰ4出口与钻柱内液体流量计9之间，用于调节钻柱内钻井液循环系统的流量及压力，另一端位于钻井液池Ⅰ4内，用于完成流体的回流钻柱内；钻井液循环系统还包括钻柱内流体入口管汇33、钻柱内流体入口压力表36、钻柱内流体出口管汇16和钻柱内流体出口压力表15，钻柱内流体入口管汇33设置在钻柱内液体流量计9和钻柱内流体入口压力表15之间，钻柱内流体出口管汇16设置在钻柱内流体出口压力表15和钻井液池Ⅰ4之间。

上述钻柱内钻井液循环系统中，钻井液循环过程为：钻井液池Ⅰ4内的钻井液经泵Ⅰ10提供动力后流经钻柱内液体流量计9、钻柱内流体入口管汇33、钻柱内流体入口压力表36进入模拟钻柱构成的中空，出来后流经钻柱内流体出口压力表、钻柱内流体出口管汇返回钻井液池Ⅰ从而实现循环。

环空钻井液循环系统包括钻井液池Ⅱ5、泵Ⅱ6、环空液体流量计7和泵Ⅱ排量调节阀8，泵Ⅱ排量调节阀8的一端位于钻井液池Ⅱ5出口与环空液体流量计7之间，用于调节环空钻井液循环系统的流量及压力，另一端位于钻井液池Ⅱ5内，用于完成流体的回流。环空钻井液循环系统还包括环空流体入口管汇14、环空流体入口压力表31、环空流体出口管汇22和环空流体出口压力表23，环空流体入口管汇14设置在环空液体流量计7和环空流体入口压力表31之间，环空流体出口管汇22设置在环空流体出口压力表23和钻井液池Ⅱ5之间。

上述环空钻井液循环系统中，钻井液循环过程为：钻井液池Ⅱ内的钻井液经泵Ⅱ提供动力后流经环空液体流量计、环空流体入口管汇、环空流体入口压力表进入模拟钻柱构成的环空，出来后流经环空流体出口压力表、环空流体出口管汇返回钻井液池Ⅱ从而实现循环。

本发明还设置有控制系统，该控制系统包括360V交流电源1、泵Ⅰ开关3和泵Ⅱ开关2，其中，360V交流电源1为泵Ⅰ10和泵Ⅱ6提供动力，泵Ⅰ开关3用于控制泵Ⅰ10工作，泵Ⅱ开关2用于控制泵Ⅱ6工作。

模拟钻柱19还连接有一个声波接收与处理系统，用于声波信号的显示、记录、保存及进行时域和频域分析。

上述声波接收与处理系统包括信号处理电脑27、信号处理器25、声波信号传输电路21和加速度计17，信号处理电脑27与信号处理器25之间连接有示波器26，声波信号传输电路21与加速度计17之间连接有加速度计转换接头，加速度计转换接头通过声波信号传输电路21与信号处理器25电连接；其中，加速度计17用于测量从模拟钻柱接收到的声波，并将其转化为电信号，通过加速度转换接头、声波信号传输电路21传送至信号处理器25调理，调理后的声波信号通过示波器26显示，并通过信号处理电脑27进行记录、保存及进行时域和频域分析。

模拟钻柱38由模拟钻杆和模拟钻铤组成。模拟钻杆的结构尺寸可以相同，也可以存在差异，模拟钻铤的结构尺寸亦可以相同，也可以存在差异。利用结构尺寸相同的钻杆或者钻铤可以组成周期性管串，模拟声波在周期性钻柱中传输及衰减的规律。利用尺寸存在差异的钻杆或钻铤组合可以模拟结构尺寸差异对声波在钻柱中传输及衰减的规律的影响。

本发明还可以在模拟钻柱38中加入声波传输中继装置，从而实现对中继装置的设计可行性及性能进行评价。

本发明中的泵Ⅰ10和泵Ⅱ6还可以更换为鼓风机，从而实现对气体钻井条件下声波在钻柱中传播及衰减特性进行测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，其特征在于：该装置包括声波发射系统、井筒模拟系统、模拟钻柱(19)和钻井液循环系统；声波发射系统由换能器(37)和任意波发生器(32)组成，任意波发生器(32)通过换能器(37)与模拟钻柱(19)连接；钻井液循环系统与模拟钻柱(19)连接，用于完成钻井液在井筒模拟系统与模拟钻柱(19)构成的环空及模拟钻柱(19)内的循环；井筒模拟系统包括模拟井筒(38)和用于支撑模拟井筒(38)的模拟井筒支撑架(28)，模拟钻柱(19)安装在模拟井筒(38)内，模拟井筒(38)的底部安装有调节螺栓(24)；模拟井筒(38)由沿着轴线方向切开的、且切开面焊接有边法兰(18)的短套管通过两端焊接的模拟井筒法兰(30)连接组成，其上部设置有吊环(34)，模拟井筒(38)的边法兰(18)之间、以及模拟井筒法兰(30)之间采用橡胶条密封，橡胶条密封通过锁紧螺栓(29)紧固在模拟井筒(38)上；模拟井筒(38)的顶端开设有一个排气阀(35)，模拟井筒(38)的两端安装有堵头法兰(13)，堵头法兰(13)通过法兰卡紧套(12)与模拟井筒法兰(30)连接，并通过设置在法兰卡紧套(12)上的边法兰紧固螺栓(20)紧固。

2.根据权利要求1所述的测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，其特征在于：钻井液循环系统包括钻柱内钻井液循环系统和环空钻井液循环系统，其中，钻柱内钻井液循环系统用于完成钻井液在模拟钻柱(19)内的循环，环空钻井液循环系统用于完成钻井液在模拟井筒(38)与模拟钻柱(19)构成的环空内的循环。

3.根据权利要求2所述的测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，其特征在于：钻柱内钻井液循环系统包括钻井液池I(4)、泵I(10)、钻柱内液体流量计(9)和泵I排量调节阀(11)，泵I排量调节阀(11)的一端位于钻井液池I(4)出口与钻柱内液体流量计(9)之间，用于调节钻柱内钻井液循环系统的流量及压力，另一端位于钻井液池I(4)内，用于完成流体的回流；环空钻井液循环系统包括钻井液池II(5)、泵II(6)、环空液体流量计(7)和泵II排量调节阀(8)，泵II排量调节阀(8)的一端位于钻井液池II(5)出口与环空液体流量计(7)之间，用于调节环空钻井液循环系统的流量及压力，另一端位于钻井液池II(5)内，用于完成流体的回流。

4.根据权利要求3所述的测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，其特征在于：钻柱内钻井液循环系统还包括钻柱内流体入口管汇(33)、钻柱内流体入口压力表(36)、钻柱内流体出口管汇(16)和钻柱内流体出口压力表(15)，钻柱内流体入口管汇(33)设置在钻柱内液体流量计(9)和钻柱内流体入口压力表(15)之间，钻柱内流体出口管汇(16)设置在钻柱内流体出口压力表(15)和钻井液池I(4)之间；环空钻井液循环系统还包括环空流体入口管汇(14)、环空流体入口压力表(31)、环空流体出口管汇(22)和环空流体出口压力表(23)，环空流体入口管汇(14)设置在环空液体流量计(7)和环空流体入口压力表(31)之间，环空流体出口管汇(22)设置在环空流体出口压力表(23)和钻井液池II(5)之间。

5.根据权利要求3所述的测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，其特征在于：所述的试验装置还设置有控制系统，该控制系统包括360V交流电源(1)、泵I开关(3)和泵II开关(2)，其中，360V交流电源(1)为泵I(10)和泵II(6)提供动力，泵I开关(3)用于控制泵I(10)工作，泵II开关(2)用于控制泵II(6)工作。

6.根据权利要求1所述的测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，其特征在于：模拟钻柱还连接有一个声波接收与处理系统，用于声波信号的显示、记录、保存及进行时域和频域分析。

7.根据权利要求6所述的测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，其特征在于：声波接收与处理系统包括信号处理电脑(27)、信号处理器(25)、声波信号传输电路(21)和加速度计(17)，信号处理电脑(27)与信号处理器(25)之间连接有示波器(26)，声波信号传输电路(21)与加速度计(17)之间连接有加速度计转换接头，加速度计转换接头通过声波信号传输电路(21)与信号处理器(25)电连接；其中，加速度计(17)用于测量从模拟钻柱接收到的声波，并将其转化为电信号，通过加速度转换接头、声波信号传输电路(21)传送至信号处理器(25)调理，调理后的声波信号通过示波器(26)显示，并通过信号处理电脑(27)进行记录、保存及进行时域和频域分析。

8.根据权利要求1所述的测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，其特征在于：模拟钻柱(19)由模拟钻杆和模拟钻铤组成。