CN108625805B - 一种井下双向流量电磁测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下双向流量电磁测量装置，包括井壁、仪器外壁、励磁线圈、励磁电路、系统电源、环空电极、井筒电极、测试电路及仪器内壁，四对“空竹型”励磁线圈位于仪器外壁与仪器内壁之间，励磁线圈在线圈通电时，在环空域激发磁场的同时也在井筒内激发磁场。四对电极均位于仪器的径向方向上，两对电极径向穿过仪器内壁朝内放置，接触井筒流体并感受井筒内流量信息；两对环空电极径向穿过仪器外壁朝外放置，接触环空流体并感受环空流量信息。本发明可应用于井下溢流的极早期与快速监测，利于地面工程人员掌握井下工况。

Description

一种井下双向流量电磁测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及井下流量电磁测量技术领域，尤其涉及一种井下双向流量电磁测量装置及测量方法。

背景技术

在石油钻井过程中，井喷事故会造成极大的环境危害和经济损失，但目前对于井喷的预测和监控还存在诸多技术限制。井喷是钻井过程中地层流体（石油、天然气和水）的压力大于井内压力而大量涌入井筒，并从井口喷涌的现象。井喷危害极大，越早发现井喷的倾向将会极大的降低损失甚至避免。溢流是井喷的前兆，是钻井过程中井底压力不能平衡地层压力时，地层流体侵入井内的现象。溢流的最直观体现就是出口管钻井液流量急剧增加，远大于注入井筒的流量。因此，流量的实时监测对于溢流发生的预测起着重要作用。如不及时发现溢流，将造成钻井液污染及钻具腐蚀，严重时将造成重大事故。因此对溢流的早期监测是防止井喷的重要手段。

对溢流的早期监测实际上就是监测流量的变化，现在常用的测量方法有测量地面泥浆池的钻井液液面高度，由此来判断溢流量，虽然这也能比较直观的观测到溢流的发生，但是存在着严重的滞后。当前热门的井下溢流检测技术，虽然相对传统地面监测方式在时效性提高，但都是基于间接参数的测量，在监测准确性上相对具有一定的局限性。然而，目前已有的钻井中的井下流量通常测量针对的都是井下环空流量的测量，通过比较井下测得的环空流量与地面的泥浆泵注入流量对比来判断溢流。这一判断基于2个前提，第一，注入的钻井液流量需要时刻保持相对稳定；第二，井下的高温高压及工况对经过测量系统的钻井液流量没有影响。然而，实际中是很难满足这两个前提，但是如果能同时在井下测量注入的钻井液流量和环空返出的钻井液流量，直接通过井下的双向流量数据直接对比分析，将有利于溢流的早期快速准确检测和预警。

综上所述，将电磁流量计应用于井下双向流量的电磁测量对于实现安全钻井具有重要意义。虽然井下流量测量已经引起学者广泛关注，但针对于石油钻采这种特殊工况下的井下双向流量测量的技术还远远不够。主要体现在：

（1）现有的井下流量测量只针对井下近钻头处的单向流道的流量测量，没有对井下近钻头处井筒注入的流道和环空返回的流量进行监测。

（2）没有建立井下近钻头处井筒注入的流道和环空返回的流量之间的流量相关性。

（3）由于只对单个流道的监测，溢流的监测缺少对比性，存在一定的滞后性，且对溢流类型的判断准确性不高

为了解决上述问题，本发明提出一种井下双向流量电磁测量装置及测量方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种井下双向流量电磁测量装置及测量方法。

具体的，一种井下双向流量电磁测量装置，包括井壁、仪器外壁、励磁线圈、励磁电路、系统电源、环空电极、井筒电极、测试电路、仪器内壁，励磁线圈位于仪器外壁与仪器内壁之间，并且附着在仪器内壁外侧，励磁线圈在线圈通电时，在环空域激发磁场，同时在井筒内激发磁场。电极均采用半球形电极，且均位于仪器的径向方向上，针对井筒流道，两两对电极径向穿过仪器内壁朝内放置，接触井筒流体并感受井筒内流量信息；针对环空流道，两对环空电极径向穿过仪器外壁朝外放置，接触环空流体并感受环空域流量信息，且电极均与仪器壁形成密封。无溢流时，井筒流量信息与环空流量信息相关性好，有溢流时，相关性变弱，由此来判断溢流。

一种井下双向流量电磁测量方法，给“空竹型”线圈通以交流电，线圈在环空域与井筒域激发出均匀的磁场，导电流体切割磁感线产生感应电动势，其电极间感应电压信号被2对与流体接触的电极检测。电极装置采用两套，分别测量井筒域和环空域的流量信息，同时将两者的流量信息进行处理和分析，基于两者流量的相关性，实现极早期溢流的监测。

本发明的有益效果在于：

1.在钻井过程中，实现井下近钻头处井筒注入与环空返回双向流量测量，建立相关模型与设计机械机构，对现场流量测量具有指导意义。

2.实现线圈尺寸、形状和电极张角的优化设计和布置，提高测量精度。

3.建立井下近钻头处井筒注入的流道和环空返回的流量的相关性，实现早期溢流监测。

附图说明

图1是井下双向流量电磁检测系统结构示意图；

图2是井下双向流量电磁测量系统模型俯视图；

图3是井下双向流量电磁测量系统的单个励磁线圈轴测图；

图4是井下双向流量电磁测量系统的单个励磁线圈主视图；

图5是井下双向流量电磁测量系统的单个励磁线圈剖面图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、2所示，本发明的井下双向流量电磁测量装置，包括井壁1、仪器外壁2、励磁线圈3、励磁电路5、系统电源6、环空电极4、井筒电极9、测试电路7、仪器内壁8。其中，井壁1和仪器外壁2之间形成环空流道；仪器外壁2和仪器内壁8用来保护仪器内部装置，具备防腐蚀耐压作用，且为非导磁材料；励磁电路5可以给线圈通交流电，线圈3在通电时，在环空域和井筒域激发磁场；系统电源6为系统供电；环空电极4，直接接触环空流体，获取环空域的流量信号；井筒电极9，获取井筒域的流量信号；测试电路7，将4对电极获得的电压信号进行调理，具有放大、滤波、A/D转化等功能；电极均采用半球形电极，且均位于仪器的径向方向上，针对井筒域，电极朝内放置，针对环空域，电极朝外放置，且电极与仪器形成密封。

基于法拉第电磁感应原理，导电流体流过磁场会切割磁感线，产生感应电动势，与液体接触的电极测得极间电压信号，电压信号传输至信号处理系统，然后转换成统一标准的输出信号。

针对钻井过程中的溢流早期监测，提出同时测量井筒流量和环空流量的双向流量的电磁测量模型，如图2为井下双向流量电磁测量系统模型俯视图，该模型设计一对较长的励磁结构，传感器测量管同一轴向截面上安装有4对测量电极，两对测量电极获得井筒注入的流量，两对电极获得环空返回的流量，结合测量结构的特殊性及钻井过程中井下的特殊环境，通过电磁感应理论和相关信号理论，基于双频激励技术对井下双向多相流流量进行检测辨识。

由于既要测量井筒的流量又要测量环空筒的流量，因此该模型设计一套励磁系统、两套电极装置，电极选用耐磨性能较好的碳化钨材料，线圈材料选用铜。如图3为井下双向流量电磁测量系统的单个励磁线圈轴测图，励磁系统由四个“空竹型”励磁线圈构成，线圈匝数600，线圈径向厚度为2cm，该“空竹型”结构整体呈端部直径大中间直径小的圆筒状，绕制后的“空竹型”结构端部外径为8cm，端部内径为6cm，线圈位仪器内壁与仪器外壁之间，并且附着在仪器内壁外侧，每个线圈之间成90度摆放。井筒的测量系统由两对电极构成，电极位置与线圈成45度夹角，电极穿过仪器内壁，电极内侧与井筒内流体直接接触测得流量信号，电极外侧将流量信号传输至测试电路。环空筒的测量系统由两对电极构成，同样地，电极位置与线圈成45度角，电极穿过仪器外壁，电极一侧与流体直接接触测得流量信号，另一侧将信号传输至信号处理系统。关于电极长度的设计，为了不使与流体直接接触的电极影响流体的流动，电极长度相对于仪器内壁和井壁只伸长2mm。

本发明的工作过程如下：

针对井筒流道，线圈激励给励磁线圈3通以交流电，在井筒内产生均匀的磁场，当导电流体（单向流、多相流）流过磁场时，根据法拉第电磁感应定律，导电流体切割磁感线产生感应电动势，其电极间感应电压信号被2对与流体接触的电极检测，通过电缆将与流量相关的电压信号送至信号处理模块。针对环空流道，励磁线圈3在环空域内产生磁场，同理，流体经过环域时将切割环域的磁感线并产生感应电动势，分布在环空筒四周的2对电极检测到电压信号，然后传输至信号处理电路。信号处理电路将井筒流量信号与环空筒流量信号进行放大、滤波等，并将其转换成标准信号传输至地面综合录井仪，根据井筒流量与环空流量的相关性，不仅可以实现流量的实时监测，而且可以实现溢流的极早期监测。无溢流时，井筒流量信息与环空流量信息相关性好，有溢流时，相关性变弱，由此来判断溢流。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种井下双向流量电磁测量装置，其特征在于：包括井壁、仪器外壁、励磁线圈、励磁电路、系统电源、环空电极、井筒电极、测试电路、仪器内壁，励磁线圈位于仪器外壁与仪器内壁之间，所述井壁和仪器外壁之间形成环空流道，所述仪器内壁形成的流道为井筒流道，励磁线圈通电时，在环空流道激发磁场，同时在井筒流道激发磁场，所述环空电极和井筒电极均采用半球形电极，针对井筒流道，两对井筒电极径向穿过仪器内壁朝内放置，接触井筒流体并感受井筒流量信息；针对环空流道，两对环空电极径向穿过仪器外壁朝外放置，接触环空流体并感受环空流量信息，且环空电极均与仪器外壁形成密封，井筒电极均与仪器内壁形成密封，无溢流时，井筒流量信息与环空流量信息相关性好，有溢流时，相关性变弱，由此来判断溢流，

所述电磁测量装置的同一横截面上安装有4对测量电极，所述4对测量电极包括所述两对井筒电极和所述两对环空电极。

2.如权利要求1所述的一种井下双向流量电磁测量装置，其特征在于：整体具有一套励磁系统、两套电极信号检测系统，其中，所述一套励磁系统由四个所述励磁线圈构成，所述两套电极信号检测系统包括由所述两对井筒电极构成的电极信号检测系统和由所述两对环空电极构成的电极信号检测系统。

3.如权利要求2所述的一种井下双向流量电磁测量装置，其特征在于：每个励磁线圈之间成90度夹角摆放。

4.如权利要求3所述的一种井下双向流量电磁测量装置，其特征在与：所述励磁线圈绕制成“空竹型”，所述励磁线圈匝数600，所述励磁线圈径向厚度为2cm，该“空竹型”结构整体呈端部直径大中间直径小的圆筒状，绕制后的“空竹型”结构端部外径为8cm，端部内径为6cm。

5.如权利要求3所述的一种井下双向流量电磁测量装置，其特征在于：井筒流量的信号测量由所述两对井筒电极完成，所述井筒电极位置与所述励磁线圈成45度夹角。

6.如权利要求2所述的一种井下双向流量电磁测量装置，其特征在于：环空流量的测量由所述两对环空电极完成，所述环空电极位置与所述励磁线圈成45度角。

7.如权利要求5或6所述的一种井下双向流量电磁测量装置，其特征在于：所述井筒电极相对于仪器内壁边缘径向伸长2mm，所述井筒电极接触流体部分呈半球形，其半径为2mm；所述环空电极相对于仪器外壁边缘径向伸长2mm，所述环空电极接触流体部分呈半球形，其半径为2mm。

8.一种利用权利要求1-7之一所述的装置进行测量的方法，其特征在于，具有一套励磁系统，给“空竹型”励磁线圈通以交流电，在井筒流道和环空流道产生均匀的磁场，导电流体切割磁感线产生感应电动势，其井筒电极和环空电极间感应电压信号被与流体接触的井筒电极或环空电极检测，井筒电极和环空电极同时测量井筒流道和环空流道的流量信息，同时将两者的流量信息进行处理和分析，无溢流时，井筒流量信息与环空流量信息相关性好，有溢流时，相关性变弱，由此来判断溢流，基于两者流量的相关性，实现极早期溢流的监测。

9.根据权利要求8所述的测量的方法，其特征在于，分布在环空流道四周及井筒流道四周的共4对测量电极检测到电压信号，然后传输至信号处理电路，信号处理电路将井筒流道流量信号与环空流道流量信号进行放大、滤波，并将其转换成标准信号传输至地面综合录井仪。

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