CN105651349A - 一种随钻钻井液流量定量检测系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随钻钻井液流量定量检测系统，其利用非接触式的超声多普勒原理传感器获取钻井液流量的各项参数，在PC上位机上实时显示的钻井液入口、出口流量并绘制实时曲线。可在PC上位机上调整管径、满管或非满管修正系数、传感器高度的工程参数，方便在钻井液密度、黏度等改变时实时修正钻井液流量。通过对钻井液流量参数进行实时动态的监测，能及时发现井漏、溢流等异常现象，及时预警便能防止井喷井漏等事故的发生。

Description

一种随钻钻井液流量定量检测系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种随钻钻井液流量定量检测系统及其应用，属于管道流量测量领域。

背景技术

钻井过程中如果不能及时对井喷井漏等复杂情况进行安全处理，很容易酿成严重的钻井事故。特别是在天然气井中，处理措施不当，极易引起井场爆炸等灾难性事故。钻井中井控工作的关键环节就是要及早发现井漏、溢流等初期征兆并及时处理。对钻井液流量参数进行实时动态的监测，便能及时发现井漏、溢流等异常现象，及时预警便能防止井喷井漏等事故的发生。

目前，钻井现场钻井液入口流量大都利用泥浆泵冲程来估量的，钻井液出口流量是利用靶式流量计来测量的。前者存在误差大、受泥浆泵效率影响大等问题。而靶式流量计由于其测量是依靠出口钻井液的冲力使靶体位置发生变化，短时间内变化反应比较灵敏，在这段时间内的测量结果基本上能够反映钻井液出口流量的变化。但是该传感器在应用中存在许多缺点：

1.靶式流量计必须装在钻井液出口高架槽上，高架槽的坡度和直径要满足静止时的靶体可以垂直或接近垂直状态。

2.长时间工作时，钻井液会逐渐在靶体表面干结成泥饼，堆积在活动轴附近，使靶体活动范围受到限制，导致其输出信号无法真实反映钻井液流量变化；

3.靶体电阻容易损坏和出现接触不良的现象，而且长期处在潮湿环境下易产生阻值误差。

4.当钻井液流量发生剧烈变化时，靶体在上升和回落之间落差变大，由于惯性容易导致输出剧烈波动而且错误的信号。

总结可知上面这两种方法都不能准确的反映钻井过程中钻井液的流量变化。因此，对如何准确测量钻井液流量展开深入研究具有很强的应用价值和现实意义。

中国专利CN102155211公开一种用于深水钻井泥线处井涌监测的电路，包括与超声波传感器相连的超声波收发模块、与收发模块通过接口电路相连并和上机位完成通讯的测控模块，其特征在于：超声波收发模块中包含有收发电路、通路开关和电源电路，收发电路内含微处理器，产生一个具有一定频率、一定脉冲宽度和一定输出功率的电脉冲驱动信号激励超声波传感器；测控模块中包含有依次按输入输出顺序连接的放大电路、滤波电路、自动增益控制电路、模数转换器、电压转换电路、数字信号处理器，数字信号处理器的输出端顺序连接数模转换电路、电压调整电路。电路为应用多普勒效应测量而设置，可实时测量出海底隔水管与钻柱环空的流量，以便及时判断井下溢流情况。

而本发明所述系统满管流量部分应用于钻井现场钻井液入口处，这部分管道与泥浆泵是硬连接关系，震动很大，本系统为超声多普勒探头设计了专用封装夹具使探头面浸没在超声耦合剂里并紧贴管道外壁。所用超声多普勒探头原理是发射头发射一固定频率超声波，经过运动流体的反射后被接收探头采集，接收头对信号进行放大、去噪、混频后滤波采集后将多普勒频移信号发送到超声频率信号整形模块。

中国专利CN202596621公开了一种新型泥浆出口流量检测仪，节流管(4)由矩形节流组件(6)和矩形节流组件(6)两端的喇叭口节流组件(7)组成，节流管(4)安装于钻井液出口管线(5)上，矩形节流组件(6)顶部和底部分别安装有超声波液位传感器(1)、超声波多普勒探针(2)，超声波多普勒探针(2)、超声波液位传感器(1)、计算及显示报警单元(3)之间分别电连接。本实用新型解决了目前泥浆回流管流量计精度不高、反映滞后等问题，测量段采用矩形截面，使液流截面与液位呈线性关系，采用受泥浆中岩屑影响较小的多普勒流量计，具有结构简单，测量精度及可靠度高，适应复杂工况和复杂流体，广泛应用于钻井液回流流量和其它明渠流流量检测。

而本发明所述系统非满管流量部分在安装使用时无需特定管道形状。流速方面采用一发两收的超声多普勒探头组增加测量精度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种随钻钻井液流量定量检测系统。

本发明还涉及一种利用上述检测系统测量钻井液流量的方法。本发明能够可靠的获取实时钻井液入口出口流量。

本发明的技术方案为：

一种随钻钻井液流量定量检测系统，其特征在于，该系统包括与所述MCU处理模块相连的钻井液入口管道监测信道、钻井液出口管道监测信道、信号输出线路、信号调试线路和电源模块。

根据本发明优选的，所述钻井液入口管道监测信道包括设置在所述钻井液入口管道上的第一超声多普勒发射探头和第一超声多普勒接收探头，上述第一超声多普勒发射探头和第一超声多普勒接收探头组成第一超声流速传感器，所述第一超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连。

根据本发明优选的，所述钻井液出口管道监测信道包括设置在所述钻井液出口管道上的第二超声多普勒发射探头、第二超声多普勒接收探头和超声高度探头，上述第二超声多普勒发射探头和第二超声多普勒接收探头组成第二超声流速传感器，所述第二超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连，所述钻井液出口管道通过超声高度探头与所述MCU处理模块相连。

根据本发明优选的，所述信号输出线路包括与所述MCU处理模块分别相连的485数字信号输出模块和4‐20mA模拟信号输出模块，所述485数字信号输出模块的输出端与PC上位机数据处理模块相连。

根据本发明优选的，所述信号调试线路包括与所述MCU处理模块相连的工业触摸屏调试模块。

根据本发明优选的，所述电源模块为所述MCU处理模块、超声高度探头、第一超声流速传感器和第二超声流速传感器供电。

根据本发明优选的，所述MCU处理模块、超声频率信号整形电路模块、485数字信号输出模块、4‐20mA模拟信号输出模块、工业触摸屏调试模块均采用防爆封装。所述防爆封装可以避免在探头表面凝结水雾或对各个模块进行防爆保护，确保系统精确运行。防爆等级为ExnR(ib)IIC，防护等级为IP66。

本发明利用超声多普勒原理采集钻井液入口出口的流速信号、超声高度传感器利用时差法采集钻井液出口的高度信号，流速信号经过超声频率信号整形电路模块处理后与高度信号并入MCU处理模块中，MCU处理模块计算得到的钻井液流量数据通过与PC上位机数据处理模块进入PC上位机，在PC上位机绘制实时的钻井液流量曲线。

根据本发明优选的，所述超声高度探头为倍加福公司UB800超声高度探头。

根据本发明优选的，所述MCU处理模块为宏晶公司STC12C5A60S2单片机。

根据本发明优选的，所述工业触摸屏调试模块为迪文公司的K600+触摸屏。

一种利用上述检测系统测量钻井液流量的方法，包括步骤如下：

1)在钻井液入口管道中，所述第一超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连；

在钻井液出口管道中，所述第二超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连；所述钻井液出口管道通过超声高度探头与所述MCU处理模块相连；

2)所述MCU处理模块通过采集钻井液入口管道处超声多普勒频移信号计算钻井液入口管道处钻井液流量；

超声多普勒频移为：

$\mathrm{\Δ}f=\frac{2v_{0}cos\mathrm{\α}}{c}{f}_e---\left(I\right)$

$Q={\mathrm{Sv}}_0=S\frac{c\mathrm{\Δ}f}{2f_e\cos \mathrm{\α}}---\left(II\right)$

在公式(I)和(II)中，S为管道有效截面积、Q则为流体流量、f_e为超声多普勒发射探头发射的声波频率，v₀为流体的流速，c为超声在被测介质中的速度，α为超声波束与被测流体速度方向的夹角；

然后再根据现有技术计算出钻井液入口管道处钻井液流量；

所述MCU处理模块通过采集钻井液出口管道处高度信号计算钻井液出口管道处钻井液流量：

液面高度h_w＝h_f-h+h_p，其中h_f是钻井液出口管道的管径，h是超声高度探头采集的高度信号，h_p是超声高度探头下表面距离钻井液出口管道上表面的距离；按照现有技术求得所述钻井液出口管道液面截面积；

结合所述MCU处理模块通过采集钻井液出口管道处超声多普勒频移信号计算钻井液出口管道处钻井液流量；非满管同理，根据高度信号可得有效截面积，最终可得流量；

3)根据MCU处理模块将计算得到的流量信号通过4‐20mA模拟信号输出模块输出；

4)MCU处理模块将计算得到的流量信号通过485数字信号输出模块输出；

本系统MCU处理模块有两个单板，分别处理满管和非满管部分，所述两个部分各有一个4‐20mA模拟信号输出模块和485数字信号输出模块：

4‐20mA模拟信号输出模块是通过数模转换器AD420将MCU处理模块中计算得到的流量转换成模拟电流信号输出；

485数字信号输出模块是通过MAX487通信收发芯片将MCU处理模块中计算得到的流量转换成数字信号输出；

5)MCU处理模块通过串口与工业触摸屏调试模块进行数据交换并现场调试；

所述工业触摸屏调试模块用以显示实时的钻井液入口出口的流量、流速、累积、当前液面高度等信息；现场修改MCU处理模块中存储的满管和非满管管径、满管和非满管修正系数、非满管高度传感器位置等参数；

6)MCU处理模块通过485数字信号输出模块与PC上位机进行数据交换并远程调试；

PC上位机用以显示实时的钻井液入口出口的流量、流速、累积、当前液面高度等信息；远程修改MCU处理模块中存储的满管和非满管管径、满管和非满管修正系数、非满管高度传感器位置等参数；绘制实时的流量曲线并存储所有的测量数据；

7)PC上位机数据处理模块将MCU处理模块的钻井液入口管道、钻井液出口管道的流量进行实时储存，并形成实时曲线储存，所述实时曲线的纵坐标是流量(m³/h)，横坐标是时间。

本发明的优点在于：

本发明利用非接触式的超声多普勒原理传感器获取钻井液流量的各项参数，在PC上位机上实时显示的钻井液入口、出口流量并绘制实时曲线。可在PC上位机上调整管径、满管或非满管修正系数、传感器高度的工程参数，方便在钻井液密度、黏度等改变时实时修正钻井液流量。通过对钻井液流量参数进行实时动态的监测，能及时发现井漏、溢流等异常现象，及时预警便能防止井喷井漏等事故的发生。

附图说明

图1是本发明所述检测系统的模块结构示意框图；

图2是本发明所述检测系统流程图；

图3是PC上位机软件界面示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

如图1‐3所示。

实施例1、

一种随钻钻井液流量定量检测系统，该系统包括与所述MCU处理模块相连的钻井液入口管道监测信道、钻井液出口管道监测信道、信号输出线路、信号调试线路和电源模块。

实施例2、

如实施例1所述一种随钻钻井液流量定量检测系统，其区别在于，所述钻井液入口管道监测信道包括设置在所述钻井液入口管道上的第一超声多普勒发射探头和第一超声多普勒接收探头，上述第一超声多普勒发射探头和第一超声多普勒接收探头组成第一超声流速传感器，所述第一超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连。

所述钻井液出口管道监测信道包括设置在所述钻井液出口管道上的第二超声多普勒发射探头、第二超声多普勒接收探头和超声高度探头，上述第二超声多普勒发射探头和第二超声多普勒接收探头组成第二超声流速传感器，所述第二超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连，所述钻井液出口管道通过超声高度探头与所述MCU处理模块相连。

所述信号输出线路包括与所述MCU处理模块分别相连的485数字信号输出模块和4‐20mA模拟信号输出模块，所述485数字信号输出模块的输出端与PC上位机数据处理模块相连。

所述信号调试线路包括与所述MCU处理模块相连的工业触摸屏调试模块。

所述电源模块为所述MCU处理模块、超声高度探头、第一超声流速传感器和第二超声流速传感器供电。

实施例3、

如实施例2所述一种随钻钻井液流量定量检测系统，其区别在于，所述MCU处理模块、超声频率信号整形电路模块、485数字信号输出模块、4‐20mA模拟信号输出模块、工业触摸屏调试模块均采用防爆封装。

实施例4、

如实施例2所述一种随钻钻井液流量定量检测系统，其区别在于，

所述超声高度探头为倍加福公司UB800超声高度探头。

所述MCU处理模块为宏晶公司STC12C5A60S2单片机。

所述工业触摸屏调试模块为迪文公司的K600+触摸屏。

实施例5、

一种利用如实施例1‐4所述检测系统测量钻井液流量的方法，包括步骤如下：

1)在钻井液入口管道中，所述第一超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连；

在钻井液出口管道中，所述第二超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连；所述钻井液出口管道通过超声高度探头与所述MCU处理模块相连；

2)所述MCU处理模块通过采集钻井液入口管道处超声多普勒频移信号计算钻井液入口管道处钻井液流量；

超声多普勒频移为：

$\mathrm{\Δ}f=\frac{2v_{0}cos\mathrm{\α}}{c}{f}_e---\left(I\right)$

$Q={\mathrm{Sv}}_0=S\frac{c\mathrm{\Δ}f}{2f_e\cos \mathrm{\α}}---\left(II\right)$

在公式(I)和(II)中，S为管道有效截面积、Q则为流体流量、f_e为超声多普勒发射探头发射的声波频率，v₀为流体的流速，c为超声在被测介质中的速度，α为超声波束与被测流体速度方向的夹角；

然后再根据现有技术计算出钻井液入口管道处钻井液流量；

所述MCU处理模块通过采集钻井液出口管道处高度信号计算钻井液出口管道处钻井液流量：

液面高度h_w＝h_f-h+h_p，其中h_f是钻井液出口管道的管径，h是超声高度探头采集的高度信号，h_p是超声高度探头下表面距离钻井液出口管道上表面的距离；按照现有技术求得所述钻井液出口管道液面截面积；

结合所述MCU处理模块通过采集钻井液出口管道处超声多普勒频移信号计算钻井液出口管道处钻井液流量；非满管同理，根据高度信号可得有效截面积，最终可得流量；

3)根据MCU处理模块将计算得到的流量信号通过4‐20mA模拟信号输出模块输出；

4)MCU处理模块将计算得到的流量信号通过485数字信号输出模块输出；

本系统MCU处理模块有两个单板，分别处理满管和非满管部分，所述两个部分各有一个4‐20mA模拟信号输出模块和485数字信号输出模块：

4‐20mA模拟信号输出模块是通过数模转换器AD420将MCU处理模块中计算得到的流量转换成模拟电流信号输出；

485数字信号输出模块是通过MAX487通信收发芯片将MCU处理模块中计算得到的流量转换成数字信号输出；

5)MCU处理模块通过串口与工业触摸屏调试模块进行数据交换并现场调试；

所述工业触摸屏调试模块用以显示实时的钻井液入口出口的流量、流速、累积、当前液面高度等信息；现场修改MCU处理模块中存储的满管和非满管管径、满管和非满管修正系数、非满管高度传感器位置等参数；

6)MCU处理模块通过485数字信号输出模块与PC上位机进行数据交换并远程调试；

PC上位机用以显示实时的钻井液入口出口的流量、流速、累积、当前液面高度等信息；远程修改MCU处理模块中存储的满管和非满管管径、满管和非满管修正系数、非满管高度传感器位置等参数；绘制实时的流量曲线并存储所有的测量数据；

7)PC上位机数据处理模块将MCU处理模块的钻井液入口管道、钻井液出口管道的流量进行实时储存，并形成实时曲线储存，所述实时曲线的纵坐标是流量(m³/h)，横坐标是时间。

Claims (10)

1.一种随钻钻井液流量定量检测系统，其特征在于，该系统包括与所述MCU处理模块相连的钻井液入口管道监测信道、钻井液出口管道监测信道、信号输出线路、信号调试线路和电源模块。

2.根据权利要求1所述的一种随钻钻井液流量定量检测系统，其特征在于，所述钻井液入口管道监测信道包括设置在所述钻井液入口管道上的第一超声多普勒发射探头和第一超声多普勒接收探头，上述第一超声多普勒发射探头和第一超声多普勒接收探头组成第一超声流速传感器，所述第一超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连；所述钻井液出口管道监测信道包括设置在所述钻井液出口管道上的第二超声多普勒发射探头、第二超声多普勒接收探头和超声高度探头，上述第二超声多普勒发射探头和第二超声多普勒接收探头组成第二超声流速传感器，所述第二超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连，所述钻井液出口管道通过超声高度探头与所述MCU处理模块相连。

3.根据权利要求2所述的一种随钻钻井液流量定量检测系统，其特征在于，所述信号输出线路包括与所述MCU处理模块分别相连的485数字信号输出模块和4‐20mA模拟信号输出模块，所述485数字信号输出模块的输出端与PC上位机数据处理模块相连。

4.根据权利要求3所述的一种随钻钻井液流量定量检测系统，其特征在于，所述信号调试线路包括与所述MCU处理模块相连的工业触摸屏调试模块。

5.根据权利要求2所述的一种随钻钻井液流量定量检测系统，其特征在于，所述电源模块为所述MCU处理模块、超声高度探头、第一超声流速传感器和第二超声流速传感器供电。

6.根据权利要求4所述的一种随钻钻井液流量定量检测系统，其特征在于，所述MCU处理模块、超声频率信号整形电路模块、485数字信号输出模块、4‐20mA模拟信号输出模块、工业触摸屏调试模块均采用防爆封装。

7.根据权利要求2所述的一种随钻钻井液流量定量检测系统，其特征在于，所述超声高度探头为倍加福公司UB800超声高度探头。

8.根据权利要求1所述的一种随钻钻井液流量定量检测系统，其特征在于，所述MCU处理模块为宏晶公司STC12C5A60S2单片机。

9.根据权利要求4所述的一种随钻钻井液流量定量检测系统，其特征在于，所述工业触摸屏调试模块为迪文公司的K600+触摸屏。

10.一种利用如权利要求1‐9任意一项所述检测系统测量钻井液流量的方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

1)在钻井液入口管道中，所述第一超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连；

在钻井液出口管道中，所述第二超声多普勒接收探头通过超声频率信号整形电路模块与所述MCU处理模块相连；所述钻井液出口管道通过超声高度探头与所述MCU处理模块相连；

2)所述MCU处理模块通过采集钻井液入口管道处超声多普勒频移信号计算钻井液入口管道处钻井液流量；

所述MCU处理模块通过采集钻井液出口管道处高度信号计算钻井液出口管道处钻井液流量：

3)根据MCU处理模块将计算得到的流量信号通过4‐20mA模拟信号输出模块输出；

4)MCU处理模块将计算得到的流量信号通过485数字信号输出模块输出；

5)MCU处理模块通过串口与工业触摸屏调试模块进行数据交换并现场调试；

6)MCU处理模块通过485数字信号输出模块与PC上位机进行数据交换并远程调试；

7)PC上位机数据处理模块将MCU处理模块的钻井液入口管道、钻井液出口管道的流量进行实时储存，并形成实时曲线储存，所述实时曲线的纵坐标是流量(m³/h)，横坐标是时间。