CN105114019A - 双弧曲线形钻井液出口流量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是双弧曲线形钻井液出口流量测量装置及测量方法，其中的双弧曲线形钻井液出口流量测量装置由光学液位传感器、双弧曲线形返出管线、喇叭管、传感器支架、数据采集与预处理单元、客户端计算机、声光报警装置组成，喇叭管开窗处连接双弧曲线形返出管线；双弧曲线形返出管线为槽状体，两侧面板上各设置弧形实体，两个弧形实体对应设置形成双弧曲线形实体；在双弧曲线形实体起始位置上方安装传感器支架，光学液位传感器安装在传感器支架上；双弧曲线形实体的水平跨度等于5—7倍的纵宽，而纵宽位置选取水平跨度的1/5—1/3处，收缩比为0.55-0.65，水平跨度为1.5m。本发明在测量位置形成稳定液面高度和均匀流速，检测精度大幅提高。

Description

双弧曲线形钻井液出口流量测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及在钻井测试领域中测量钻井液出口返出流量的技术，具体涉及双弧曲线形钻井液出口流量测量装置及测量方法。

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。溢流的及早发现与处理不仅可避免井喷事故，更重要的是，可减轻井喷和压井作业对地下油气层的伤害，所以对溢流进行早期监测有着极其重要的作用。

油气发生溢流的时候所表现出来的特点在地面上可以观测的到，主要的表现有以下几个方面:

①在钻井的过程中，钻井液在井口返出时就是主要表现情况之一，如果在没有钻井液的情况下，钻井液池内的钻井液的体积会有一定的增长，在停止工作的时候，钻井液也会发生外溢的情况。

②在起钻的时候，钻井内的钻井液的量会比钻具的排遣量小，这样就会使得地层的流体流入到井内当中去，这时候就会发生溢流的现象。

③在下钻和下套管的时候，如果返出的钻井的液量比钻所具有的排潜量大的时候，也同样会发生溢流的情况。

地面溢流检测技术发展现状及存在问题

判断钻井溢流或井涌的方法有很多，目前国内钻井现场应用最多的监测方法是泥浆池液面监测法和钻井液流量差法。

（1）泥浆池液面监测法

这种溢流检测方法目前使用最为普遍。该方法通过观察或测量钻井液泥浆池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。但该方法从发生溢流到被发现，时间上会有一定滞后，严重影响测量精度和溢流预警时间，主要原因有：

①当溢流量比较小时泥浆池液位变化不明显

为保障不同钻井阶段的钻井液用量，通常井队的钻井液池体积较大，有一定的体积安全余量，但这给溢流检测带来了监测的麻烦，由于钻井液池底面积较大，溢流初期阶段溢流量较小，致使钻井液液面高度变化并不明显，所以很难早期发现溢流并预警，从而形成漏报。

②钻井液池内搅拌器旋转导致液面波动

为保证钻井液本身物化性能，防止携带岩屑沉积，泥浆池内钻井液需要定时搅拌，而有些深井作业明确规定需24小时不间断搅拌，这就导致了钻井液泥浆池液面不稳定，造成仪器或人工观测产生误差，误报警情况频发。

（2）钻井液流量差法

该方法测量或计算泵入井内与循环出井的钻井液量差值来判断是否出现溢流或井漏，若差值为正说明可能有溢流发生，差值为负说明可能有井漏发生。泵入井内的钻井液排量因泵冲数计量很容易，所以入井钻井液量容易获得，但返出流量测量有一定的困难，主要有以下问题：

①钻井液须充满流出管线形成有压管路

即使钻井液返出管线应用圆管，管内钻井液须充满整个管路，使流动时带有一定压力，或者说管内不能有自由液面，这是由电磁流量计或科里奥利质量流量计的工作原理所决定的，但在整个钻井过程中由于不同钻进阶段应用的钻井液排量差异巨大，所以很难保证整个钻井过程中钻井液始终充满返出管线。

②非有压管路内湿周截面面积不稳定流速不均匀

井队应用的矩形返出管线长度有很大的灵活性，钻井液流经喇叭管开窗时由垂直流动变为水平流动，喇叭管开窗附近流动很不稳定，流速分布不均匀，导致喇叭管开窗附近的钻井液湿周截面面积极不稳定。流体在钻井液流至返出管线末端时由于重力作用，湿周截面面积将变小，也就是说钻井液润湿矩形槽的高度沿程是变化的，这也给测量流量的准确性带来了巨大的困难。

发明内容

本发明的目的是提供双弧曲线形钻井液出口流量测量装置，这种双弧曲线形钻井液出口流量测量装置用于解决现有的钻井液出口流量测量不准确及精度不高的问题，本发明的另一个目的提供了这种双弧曲线形钻井液出口流量测量装置的测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种双弧曲线形钻井液出口流量测量装置由光学液位传感器、双弧曲线形返出管线、喇叭管、传感器支架、数据采集与预处理单元、客户端计算机、声光报警装置组成，喇叭管开窗处连接双弧曲线形返出管线；双弧曲线形返出管线由底板、前面板、两个侧面板围成的槽状体，槽状体的末端为开放的，两个侧面板上各设置一个弧形实体，两个弧形实体对应设置形成双弧曲线形实体；在双弧曲线形实体起始位置上方20~30cm处安装传感器支架，光学液位传感器安装在传感器支架上；双弧曲线形实体的水平跨度等于5—7倍的纵宽，而纵宽位置选取在来水方向双弧曲线形实体水平跨度长度的1/5—1/3处，纵宽为单个弧形实体突起最宽处的宽度，水平跨度是双弧曲线形实体的长度，收缩比选取范围为0.55-0.65，水平跨度为1.5m，，为喉口宽度，喉口宽度为两个弧形实体突起最宽处之间的距离，为返出管线宽度。

上述方案中返出管线宽度为0.5-0.6m，此时临界流状态最稳定效果最好。

上述双弧曲线形钻井液出口流量测量装置的测量方法通过实时监测双弧曲线形返出管线内形成的稳定液面高度而进一步得到钻井液返出流量，具体如下：

步骤一、将高精度光学液位传感器安装在双弧曲线形返出管线内双弧曲线形实体起点位置上方20~30cm处；

步骤二、步骤一中高精度光学液位传感器实时测量返出管线内湿周截面液面高度，并输出模拟辅助变量信号至数据采集与预处理单元；

步骤三、数据采集与预处理单元实时采集并预处理从步骤二得到的测量数据，随后结合辅助变量输入客户端计算机；

步骤四、客户端计算机的软件测量系统根据流量公式拟合计算得到钻井液出口流量Q值，流量公式为：，系数a及指数n值可通过应用实测和模型试验数据拟合确，为重力加速度，为喉口宽度，为喉口处的临界水深，然后根据预先设定的极值判断是否启动声光报警装置。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明创造性地将钻井液返出管线内的液面高度与钻井液返出流量结合起来，利用文丘里管原理在钻井液返出管线内增加一双弧曲线形结构实体，使返出钻井液的流动成为射流流动，在测量位置形成稳定液面高度和均匀流速，从而计算返出流量，是突破目前溢流早期检测瓶颈的一项重大的技术探索，同时有效解决了钻井液携带岩屑沉积的问题。

2、本发明不需要形成有压回路，同时在现场应用中不必改变井场现有装备，对常规钻井装备稍加改进就可实现流量差法溢流检测，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，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井漏是否发生。

3、本发明选用的高精度光学液位传感器安装在双弧曲线形返出管线内某固定截面液位上方20-30cm，使之其不与钻井液接触，从而避免了钻井液中固相对测量精度的影响。

4、本发明计算机软件测量模型中最终回归的数学模型考虑了温度、钻井液流变性等对湿周截面流速分布的影响，数据拟合精度较高，测量结果与实际流速误差相对较小。

附图说明

图1是本发明中双弧曲线形钻井液出口流量测量装置的示意图；

图2是本发明中双弧曲线形返出管线的俯视图；

图3是图2中A-A剖面图；

图4是本发明中测量方法的流程框图。

图中：1双弧曲线形返出管线2传感器支架3光学液位传感器4双弧曲线形实体5返出管线内钻井液液面6数据采集与预处理单元7客户端计算机8声光报警灯9方钻杆10钻台平面11喇叭管12环形防喷器13喇叭管开窗。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种双弧曲线形钻井液出口流量测量装置由高精度光学液位传感器3、双弧曲线形返出管线1、喇叭管11、传感器支架2、数据采集与预处理单元6、客户端计算机7、声光报警装置组成，声光报警装置为声光报警灯8，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12，喇叭管11和环形防喷器12在钻台平面10下面，方钻杆9从喇叭管11穿出，双弧曲线形返出管线1也就是钻井液返出管线，双弧曲线形返出管线1内钻井液液面5是自由液面，喇叭管开窗13处连接双弧曲线形返出管线1，双弧曲线形返出管线1与喇叭管开窗13相通。结合图2、图3所示，双弧曲线形返出管线1由底板、前面板、两个侧面板围成的槽状体，槽状体的末端为开放的，两个侧面板上各设置一个弧形实体，两个弧形实体对应设置形成双弧曲线形实体4，前面板具有孔，双弧曲线形返出管线1与喇叭管开窗13通过此孔相通；在双弧曲线形实体4起始位置上方20~30cm处安装传感器支架2，光学液位传感器3安装在传感器支架2上；双曲线形实体4的水平跨度等于5—7倍的纵宽，而纵宽位置选取在来水方向水平跨度长度的1/5—1/3处，纵宽为单个弧形实体突起最宽处的宽度，双曲线形实体水平跨度是实体的长度。

根据文丘里管原理，水流在通过有局部收缩的管道时，会产生流速增加和压强降低。所以在返出管线上选择适当的测流段修建特定实体结构，使之形成收缩段。当管线上游水流处于缓流状态时，管线的收缩会造成水面在收缩段的下降。只要将管线收缩到一定程度，以致能够造成足够的水面降落，就可以在量水流道段形成临界流，这样下游水位在较大范围内的变动不会影响到上游水位，返出液流量就会形成不受下游水流条件影响的单一稳定的水位流量关系。通过返出管线流量只与返出管线的几何尺寸和收缩段前水深有关，即当返出管线的收缩结构尺寸一定时，只要量测出返出管线上游水深，便可由水位流量的单值函数关系，获得相应的钻井液返出流量，从而达到监测流量的目的。

为了保证量水精度，并且使雍水及水头损失达到最小，返出管线内需要设计合理的收缩段，既本发明中的双弧曲线实体结构。双弧曲线实体突起取得极值处的宽度定义为纵宽，纵宽是控制管线水位的重要参数。返出管线的喉口宽度定义为在上述极值取得处的喉道宽度，从而计算出返出管线的收缩比。收缩比定义为喉口宽度与返出管线宽度之比，即。如图2所示，纵宽、喉口宽度、返出管线宽度之间的关系为：。收缩比过小，则返出管线无法使测量水流达到临界流状态，造成上游无法形成稳定液面；收缩比过大，则返出管线内雍水严重，钻井液返出管线过水能力降低，不满足钻井工程作业条件。结合钻井现场数据及实验室模拟数值，收缩比一般选定范围为0.55-0.65，返出管线宽度为0.5-0.6m时临界流状态最稳定效果最好。双弧曲线形实体的水平跨度是保证收缩段内临界流断面的液面达到水平的重要因素。水平跨度过短，则水流呈紊动状，不能满足其形成稳定液面的要求；水平跨度过长，则会增加摩阻作用，造成返出管线内水头损失增加。所以本发明选取双曲线形实体的水平跨度等于5—7倍的纵宽，而纵宽位置选取在来水方向水平跨度长度的1/5—1/3处，结合实际钻井过程中钻井液返出量，取水平跨度为1.5m，按照上述设计参数关系可以有效的满足在返出管线测量位置形成稳定的液面高度从而准确的求出钻井液返出量，并且使雍水程度和水头损失减少，同时不易发生钻井岩屑沉降淤积。

参阅图4，这种双弧曲线形钻井液出口流量测量装置的测量方法通过实时监测双弧曲线形返出管线内形成的稳定液面高度而进一步得到钻井液返出流量，具体如下：

步骤一、将高精度光学液位传感器3安装在双弧曲线形返出管线1内双弧曲线形实体4起点位置上方20~30cm处；

步骤二、步骤一中高精度光学液位传感器3实时测量返出管线内湿周截面液面高度，并输出模拟辅助变量信号至数据采集与预处理单元6；

步骤三、数据采集与预处理单元6实时采集并预处理从步骤二得到的测量数据，随后结合辅助变量输入客户端计算机7；

步骤四、客户端计算机7的软件测量系统根据流量公式拟合计算得到钻井液出口流量Q值，流量公式为：，系数a及指数n值可通过应用实测和模型试验数据拟合确，为重力加速度，为喉口宽度，为喉口处的临界水深，然后根据预先设定的极值判断是否启动声光报警装置。

Claims (3)

1.一种双弧曲线形钻井液出口流量测量装置，其特征在于：这种双弧曲线形钻井液出口流量测量装置由光学液位传感器（3）、双弧曲线形返出管线（1）、喇叭管（11）、传感器支架（2）、数据采集与预处理单元（6）、客户端计算机（7）、声光报警装置组成，喇叭管开窗（13）处连接双弧曲线形返出管线（1）；双弧曲线形返出管线（1）由底板、前面板、两个侧面板围成的槽状体，槽状体的末端为开放的，两个侧面板上各设置一个弧形实体，两个弧形实体对应设置形成双弧曲线形实体（4）；在双弧曲线形实体（4）起始位置上方20~30cm处安装传感器支架（2），光学液位传感器（3）安装在传感器支架（2）上；双弧曲线形实体（4）的水平跨度等于5—7倍的纵宽，而纵宽位置选取在来水方向双弧曲线形实体水平跨度长度的1/5—1/3处，纵宽为单个弧形实体突起最宽处的宽度，水平跨度是双弧曲线形实体（4）的长度，收缩比选取范围为0.55-0.65，水平跨度为1.5m，，为喉口宽度，喉口宽度为两个弧形实体突起最宽处之间的距离，为双弧曲线形返出管线（1）宽度。

2.根据权利要求1所述的双弧曲线形钻井液出口流量测量装置，其特征在于：所述的双弧曲线形返出管线（1）宽度为0.5-0.6m。

3.一种权利要求1所述的双弧曲线形钻井液出口流量测量装置的测量方法，其特征在于：这种双弧曲线形钻井液出口流量测量装置的测量方法通过实时监测双弧曲线形返出管线内形成的稳定液面高度而进一步得到钻井液返出流量，具体如下：

步骤一、将高精度光学液位传感器（3）安装在双弧曲线形返出管线（1）内双弧曲线形实体（4）起点位置上方20~30cm处；

步骤二、步骤一中高精度光学液位传感器（3）实时测量返出管线内湿周截面液面高度，并输出模拟辅助变量信号至数据采集与预处理单元（6）；

步骤三、数据采集与预处理单元（6）实时采集并预处理从步骤二得到的测量数据，随后结合辅助变量输入客户端计算机（7）；

步骤四、客户端计算机（7）的软件测量系统根据流量公式拟合计算得到钻井液出口流量Q值，流量公式为：，系数a及指数n值可通过应用实测和模型试验数据拟合确，为重力加速度，为喉口宽度，为喉口处的临界水深，然后根据预先设定的极值判断是否启动声光报警装置。