CN105137116B - 一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法，包括以下步骤：1)发射传感器贴紧隔水管管壁设置，接收传感器垂直隔水管管壁方向安装于超声波传播路径上；2)获得发射传感器实际工作信号频率和回波信号中频移信息；3)获得差频信号，计算差频信号频率；4)舍去大于理论差频信号频率最大值的差频信号；5)对差频信号进行时频变换获得幅度‑频率或功率‑频率的频域信息；6)去除幅度值小于最大幅度值2％或功率值小于最大功率值2％的差频信号，对剩余频率加权积分，得到频差结果；7)获得泥浆流速与频差结果的关系曲线；8)根据超声波通过隔水管的频差结果计算泥浆流速。本发明可广泛应用于深海钻井隔水管内泥浆流速检测中。

Description

一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法

技术领域

本发明涉及一种泥浆流速检测方法，具体涉及一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法。

背景技术

早期溢流监测作为防止井喷事故的一种重要手段，在石油钻井过程中具有极其重要的作用。传统的早期溢流检测方法主要有泥浆池增量法，出口流量计法以及声波法三种。其中，泥浆池增量法和出口流量计法实际原理是一致的，都是通过出口泥浆的增量变化来进行判断。由于地层流体与钻井液压力不平衡导致包含大量天然气的地层流体侵入钻井液，并急速膨胀上涌形成了溢流现象，如果不能及时控制则可能导致井涌甚至是井喷事故。从原理上可知，在溢流发生时，钻井环空管中钻井液的流速必然会由于气体膨胀而发生变化，因此钻井液流速是当前早期溢流的重要判定依据。而声波法的原理是声波在不同含气量泥浆中的传播速度不同，通过测量声波在整体钻井液中的传播速度、时间以及相位差来确定气侵现象的发生，这种检测方法的优点的检测速度快，通常在1.5分钟左右就能确定气侵现象的发生。但是由于声波在钻井泥浆中的衰减速度很大，传感器所能接收到的信号一般较弱，同时容易受到其他因素的干扰，容易产生误判。

由于泥浆对超声波衰减非常大,因此对其流速测量一般采用介入式方法。例如靶式流量计，容积式流量计等。介入式方法的优点是测量较准确，但是安装时需要对管道结构进行改造，可能对管道结构，性能都将产生较大影响。而用于钻井工业的隔水管本身有严格的工艺要求，因此介入式的流量检测方法并不适用于海平面以下的情况。另一方面，非介入式方法中超声波流量计应用最为广泛，但由于泥浆对超声波的衰减非常大，因此常规的超声波流量计方法也不能适用。其他非介入式方法，如压力差法，放射法等，针对深海钻井环境，它们都有较难克服的缺陷。对于压力差法，由于隔水管内还有一钻杆在不停转动，会影响泥浆的流态同时对管壁压力造成影响，同时海底复杂的压力环境也降低了此种方法的测量精度。而放射法由于体积大，成本高，安装在海底有一定危险性，因此也不能适用。而当前在深海钻井应用中，对泥浆流速的测量基本只能在泥浆出口出进行，对泥浆流速变化反应慢，留给气侵处理的时间较短。

基于以上现况，本算法解决了应用于海平面以下的非介入式泥浆流速测量，能够更快更及时地反应隔水管内泥浆流速变化，为早期气侵及溢流检测提供及时的判定依据。这将对深海钻井过程中的安全生产有非常重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够更快更及时地反应隔水管内泥浆流速变化，为早期气侵及溢流检测提供及时的判定依据的深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法，包括以下步骤：

1)将发射传感器紧贴隔水管管壁，发射传感器沿与隔水管内泥浆流速一致或相反的方向发射超声波，将接收传感器垂直于隔水管的管壁方向安装于超声波传播方向路径上幅度最大点；

2)对采集到的发射传感器的实际工作信号进行相应的滤波、放大处理后获得发射传感器的实际工作信号频率，采集接收传感器的回波信号，并对采集到的接收传感器的回波信号进行相应的滤波、放大处理后获得回波信号，回波信号中含有因多谱勒效应而产生的频移信息；

3)将实际工作信号频率与回波信号中的频移信息进行差频运算得到差频信号，计算差频信号频率；

4)根据隔水管中泥浆流速范围以及隔水管中泥浆流速分布规律与多普勒频移理论，计算出理论差频信号频率最大值，舍去差频信号频率大于理论差频信号频率最大值的差频信号；

5)对步骤4)中剩余的差频信号采用DFT或FFT进行时频变换获得幅度-频率或功率-频率的频域信息；

6)在获得的幅度-频率或功率-频率频域信息中，去除幅度值小于最大幅度值的2％或功率值小于最大功率值的2％的差频信号，对剩余的的差频信号进行加权积分，得到频差结果；

7)采用一模拟管道模拟深海钻井隔水管，使泥浆流过管道，通过改变变频器频率控制泥浆泵，进而控制模拟管道中的泥浆流速，采用步骤1)～6)对模拟管道中的泥浆流速进行N次检测获得频差结果，在每次检测中，采用计量装置得到模拟管道中的泥浆流速测量值，将N次检测得到的频差结果与采用计量装置得到的泥浆流速测量值使用最小二乘法进行拟合及修订，获得泥浆流速与频差结果的关系曲线；

8)采用步骤1)～6)获得超声波通过钻井隔水管的频差结果，根据步骤7)中获得的泥浆流速与频差结果的关系曲线表达式计算钻井隔水管内的泥浆流速。

所述步骤1)中发射传感器与隔水管管壁间的夹角角度范围为π/18～4π/9。

所述步骤1)中发射传感器发射的超声波频率范围为40KHz～200KHz。

所述步骤3)中，差频信号频率的计算公式如下：

Δf_S＝f₁-f_2S；

式中，f₁为实际工作信号频率，S为正整数，f_2S为回波信号中的第S个频移信息，Δf_S为第S个差频信号频率。

所述步骤4)中，理论差频信号频率最大值Δf_max的计算公式如下：

Δf_max＝2u_maxf₁/c₁；

式中，Δf_max为理论差频信号频率最大值，u_max为隔水管中泥浆流速最大值，f₁为实际工作信号频率，c₁为超声波在声楔结构中传播的速度。

所述步骤6)中，频差结果计算公式如下：

f＝W(Δf₀)×Δf₀+W(Δf₁)×Δf₁+W(Δf₂)×Δf₂+…+W(Δf_S)×Δf_S；

式中，f为频差结果，S为正整数，Δf_S为第S个差频信号频率，W(Δf_S)为第S个差频信号频率的权重系数，W(Δf_S)的确定公式如下：

式中，x＝Δf_S/Δf_max；

其中，Δf_max为理论差频信号频率最大值。

所述步骤7)中，泥浆流速与频差结果的关系曲线由以下步骤获取：

(1)N次检测中，在泥浆实际流速为[0,v₁,v₂,...v_M]的离散区间上采用计量装置测得的模拟管道中的泥浆流速测量值为{V_n(m)|1≤n≤N,1≤m≤M}，采用步骤1)到步骤6)对模拟管道中的泥浆流速进行N次检测获得的频差结果检测值为{F_n(m)|1≤n≤N,1≤m≤M}；

(2)在第n次检测中，以频差结果检测值F_n(m)为横坐标，泥浆流速测量值V_n(m)为纵坐标，基于泥浆流速与泥浆流场的非线性关系分析，使用最小二乘法进行曲线拟合得到泥浆流速测量值V_n(m)与频差结果检测值F_n(m)之间的关系曲线V_n(F_n)；

(3)对n次实验得到的n条泥浆流速测量值V_n(m)与频差结果检测值F_n(m)之间的关系曲线V_n(F_n)求平均值，得到泥浆流速与频差结果的关系曲线表达式如下：

ν＝0.0001f³-0.0048f²+0.0939f+0.0348；

式中，ν为泥浆流速，f为频差结果。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用超声波检测隔水管中泥浆流速，不容易受到其他因素的干扰，且检测速度快，可以更及时地反应隔水管内泥浆流速变化，为早期气侵及溢流检测提供及时的判定依据。2、本发明由于采用将发射传感器和接收传感器设置在隔水管外面的非介入式超声波检测方法，不需要对隔水管结构进行改造，因而不会对隔水管结构、性能产生影响。3、本发明由于采用将超声波的差频信号进行加权积分得到频移结果，通过频移结果计算泥浆流速，因而得到的泥浆流速准确性更高。综上所述，本发明可以广泛应用于深海钻井隔水管内泥浆流速检测中。

附图说明

图1是本发明中超声波发射传感器和超声波接收传感器的安装示意图；

图2是在模拟管道模拟深海钻井隔水管中采用本发明获得的检测频差结果分布以及采用靶式流量计测得的检测泥浆流速分布，其中，表示采用靶式流量计测得的检测泥浆流速，表示采用本发明获得的检测频差结果；

图3是在模拟管道模拟深海钻井隔水管中采用本发明获得的泥浆流速分布以及采用靶式流量计测得的检测泥浆流速分布，其中，表示采用靶式流量计测得的检测泥浆流速，表示采用本发明获得的泥浆流速。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，将发射传感器1以π/18～4π/9的角度贴紧隔水管2的管壁。发射传感器1沿与隔水管2内泥浆流速一致或相反的方向发射频率为40KHz～200KHz的超声波。将接收传感器3垂直于隔水管2的管壁方向安装于超声波传播方向路径上幅度最大点。

2)对采集到的发射传感器1的实际工作信号进行相应的滤波、放大等信号处理后获得发射传感器1的实际工作信号频率f₁。在一定的泥浆流速上采集接收传感器3的回波信号，并对采集到的接收传感器3的回波信号进行相应的滤波、放大等信号处理后获得回波信号，回波信号中含有因多谱勒效应而产生的频移信息[f₂₀，f₂₁，f₂₂，…f_2S]。

3)将实际工作信号频率f₁与回波信号中的频移信息[f₂₀，f₂₁，f₂₂，…f_2S]进行差频运算得到差频信号，差频信号频率[Δf₀，Δf₁，Δf₂，…Δf_S]的计算公式如下：

Δf_S＝f₁-f_2S

(1)

4)根据隔水管2中泥浆流速范围以及隔水管2中泥浆流速分布规律与多普勒频移理论，计算出理论差频信号频率最大值Δf_max，舍去差频信号中差频信号频率Δf_S大于理论差频信号频率最大值Δf_max的差频信号。

其中，理论差频信号频率最大值Δf_max的具体计算公式如下：

Δf_max＝2u_maxf₁/c₁ (2)

式中，u_max为隔水管中泥浆流速最大值，c₁为超声波在声楔结构中传播的速度。

5)对步骤4)中剩余的差频信号采用DFT(离散傅里叶变换)或FFT(快速傅氏变换)进行时频变换获得幅度-频率或功率-频率的频域信息。

6)在获得的幅度-频率或功率-频率频域信息中，去除幅度值小于最大幅度值的2％或功率值小于最大功率值的2％的差频信号，对剩余的频率在0∽Δf_max上的差频信号进行加权积分，得到频差结果f，频差结果f计算公式如下：

f＝W(Δf₀)×Δf₀+W(Δf₁)×Δf₁+W(Δf₂)×Δf₂+…+W(Δf_S)×Δf_S (3)

式中，W(Δf_S)为频率为Δf_S的差频信号的权重系数，其确定公式如下：

其中，x＝Δf_S/Δf_max。

7)采用一模拟管道模拟深海钻井隔水管，使泥浆流过管道，通过改变变频器频率控制泥浆泵，进而控制模拟管道中的泥浆流速，采用步骤1)～6)对模拟管道中的泥浆流速进行N次检测获得频差结果，在每次检测中，采用计量装置得到模拟管道中的泥浆流速测量值，将N次检测得到的频差结果与采用计量装置得到的泥浆流速测量值使用最小二乘法进行拟合及修订，得到泥浆流速ν与频差结果f的关系曲线，包括以下步骤：

(1)N次检测中，在泥浆实际流速为[0,v₁,v₂,...v_M]的离散区间上采用计量装置测得的模拟管道中的泥浆流速测量值为{V_n(m)|1≤n≤N,1≤m≤M}，采用步骤1)到步骤6)对模拟管道中的泥浆流速进行N次检测获得的频差结果检测值为{F_n(m)|1≤n≤N,1≤m≤M}，如图2所示，泥浆流速测量值V_n(m)与频差结果检测值F_n(m)的增长趋势一致，但属于非线性关系。

(2)在第n次检测中，以频差结果检测值F_n(m)为横坐标，泥浆流速测量值V_n(m)为纵坐标，基于泥浆流速与泥浆流场的非线性关系分析，使用最小二乘法进行曲线拟合得到泥浆流速测量值V_n(m)与频差结果检测值F_n(m)之间的关系曲线V_n(F_n)。

(3)对n次实验得到的n条泥浆流速测量值V_n(m)与频差结果检测值F_n(m)之间的关系曲线V_n(F_n)求平均值，得到泥浆流速ν与频差结果f的关系曲线表达式如下：

ν＝0.0001f³-0.0048f²+0.0939f+0.0348 (5)

8)采用步骤1)～6)获得超声波通过钻井隔水管的频差结果f，根据步骤7)中获得的泥浆流速ν与频差结果f的关系曲线表达式计算钻井隔水管内的泥浆流速ν。

如图3所示，在模拟管道模拟深海钻井隔水管中采用本发明获得的泥浆流速分布以及采用靶式流量计测得的检测泥浆流速分布，图中，这两种方法得到的泥浆流速分布曲线十分接近，说明本发明在深海钻井隔水管内泥浆流速检测中的准确性高。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法，包括以下步骤：

1)将发射传感器紧贴隔水管管壁，发射传感器沿与隔水管内泥浆流速一致或相反的方向发射超声波，将接收传感器垂直于隔水管的管壁方向安装于超声波传播方向路径上幅度最大点；

2)对采集到的发射传感器的实际工作信号进行相应的滤波、放大处理后获得发射传感器的实际工作信号频率，采集接收传感器的回波信号，并对采集到的接收传感器的回波信号进行相应的滤波、放大处理后获得回波信号，回波信号中含有因多谱勒效应而产生的频移信息；

3)将实际工作信号频率与回波信号中的频移信息进行差频运算得到差频信号，计算差频信号频率；

4)根据隔水管中泥浆流速范围以及隔水管中泥浆流速分布规律与多普勒频移理论，计算出理论差频信号频率最大值，舍去差频信号频率大于理论差频信号频率最大值的差频信号；

5)对步骤4)中剩余的差频信号采用DFT或FFT进行时频变换获得幅度-频率或功率-频率的频域信息；

6)在获得的幅度-频率或功率-频率频域信息中，去除幅度值小于最大幅度值的2％或功率值小于最大功率值的2％的差频信号，对剩余的差频信号进行加权积分，得到频差结果；

7)采用一模拟管道模拟深海钻井隔水管，使泥浆流过管道，通过改变变频器频率控制泥浆泵，进而控制模拟管道中的泥浆流速，采用步骤1)～6)对模拟管道中的泥浆流速进行N次检测获得频差结果，在每次检测中，采用计量装置得到模拟管道中的泥浆流速测量值，将N次检测得到的频差结果与采用计量装置得到的泥浆流速测量值使用最小二乘法进行拟合及修订，获得泥浆流速与频差结果的关系曲线；

8)采用步骤1)～6)获得超声波通过钻井隔水管的频差结果，根据步骤7)中获得的泥浆流速与频差结果的关系曲线表达式计算钻井隔水管内的泥浆流速。

2.如权利要求1所述的一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法，其特征在于：所述步骤1)中发射传感器与隔水管管壁间的夹角角度范围为π/18～4π/9。

3.如权利要求1所述的一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法，其特征在于：所述步骤1)中发射传感器发射的超声波频率范围为40KHz～200KHz。

4.如权利要求1所述的一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法，其特征在于：所述步骤3)中，差频信号频率的计算公式如下：

Δf_S＝f₁-f_2S；

式中，f₁为实际工作信号频率，S为正整数，f_2S为回波信号中的第S个频移信息，Δf_S为第S个差频信号频率。

5.如权利要求1所述的一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法，其特征在于：所述步骤4)中，理论差频信号频率最大值Δf_max的计算公式如下：

Δf_max＝2u_maxf₁/c₁；

式中，Δf_max为理论差频信号频率最大值，u_max为隔水管中泥浆流速最大值，f₁为实际工作信号频率，c₁为超声波在声楔结构中传播的速度。

6.如权利要求1所述的一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法，其特征在于：所述步骤6)中，频差结果计算公式如下：

f＝W(Δf₀)×Δf₀+W(Δf₁)×Δf₁+W(Δf₂)×Δf₂+…+W(Δf_S)×Δf_S；

式中，f为频差结果，S为正整数，Δf_S为第S个差频信号频率，W(Δf_S)为第S个差频信号频率的权重系数，W(Δf_S)的确定公式如下：

<mrow> <mi>W</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;f</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mi>S</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;Delta;f</mi> <mi>max</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <munderover> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> </munderover> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>x</mi> <mo>;</mo> </mrow>

式中，x＝Δf_S/Δf_max；

其中，Δf_max为理论差频信号频率最大值。

7.如权利要求1所述的一种深海钻井隔水管内泥浆流速非介入式超声波检测方法，其特征在于：所述步骤7)中，泥浆流速与频差结果的关系曲线由以下步骤获取：

(1)N次检测中，在泥浆实际流速为[0,v₁,v₂,...v_M]的离散区间上采用计量装置测得的模拟管道中的泥浆流速测量值为{V_n(m)|1≤n≤N,1≤m≤M}，采用步骤1)到步骤6)对模拟管道中的泥浆流速进行N次检测获得的频差结果检测值为{F_n(m)|1≤n≤N,1≤m≤M}；

(2)在第n次检测中，以频差结果检测值F_n(m)为横坐标，泥浆流速测量值V_n(m)为纵坐标，基于泥浆流速与泥浆流场的非线性关系分析，使用最小二乘法进行曲线拟合得到泥浆流速测量值V_n(m)与频差结果检测值F_n(m)之间的关系曲线V_n(F_n)；

(3)对n次实验得到的n条泥浆流速测量值V_n(m)与频差结果检测值F_n(m)之间的关系曲线V_n(F_n)求平均值，得到泥浆流速与频差结果的关系曲线表达式如下：

ν＝0.0001f³-0.0048f²+0.0939f+0.0348；

式中，ν为泥浆流速，f为频差结果。