CN109577957A - 一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置及测量方法，其特征在于，包括仪器外壁（2）、仪器内壁（3）、安装在仪器内壁（3）的磁屏蔽罩（8）、以及位于由仪器外壁（2）和仪器内壁（3）形成的腔体内的A组励磁测量装置、B组励磁测量装置、信号检测模块（15）和信号处理模块（16）。本发明通过建立井下近钻头处一定距离间环空返回的流量的相关性，采用DSP实现互相关算法，能够适用于在外界强干扰、固液两相流、尤其是低流速的情况，能有效的改善信噪比和稳定性，从而快速准确的判断井下是否有溢流。

Description

一种基于相关传感阵列的环空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，尤其涉及一种基于相关传感阵列的环空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。井喷是由于对钻开的地层压力情况不清或预计不准、使用的钻井液密度不足以平衡地层压力，导致地层流体大量涌入井筒、再加上地面控制系统失灵无法有效控制等情况而产生的地层流体（石油、天然气、水等）大量涌入井筒，并从井口喷涌的现象。井喷的危害极大，越早发现井喷的趋势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，井下的高温高压及强噪声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，即使满足以上两个条件，如果是微小溢流的情况，系统将很难实现快速预警。但是如果能通过相关技术实现对环空返回流量进行准确快速的监测，将有利于溢流的早期快速准确检测和预警。

综上所述，将相关技术应用于井下环空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环空流量测量的技术还远远不够。主要体现在：

（1）由于钻井过程中井下环境十分特殊，是一个高温、高压、强震动和具有腐蚀性的环境的强背景噪声下，特别是低流速的微溢流情况下，很少有研究考虑钻井过程中井下特殊环境对电磁流量测量的影响；

（2）传统电磁流量测量系统在测量高含水、油水多相流时，由于其非导电物质（气相、油相）含量低，对测量结果影响较小，测量结果较为准确；但是在钻井过程中当电磁流量装置测量固液两相流时，其非导电物质含量高，对测量结果影响较大，测量结果误差较大；

（3）没有建立井下近钻头处相距一定距离间环空流量之间的流量相关性，实现阵列式测量。

为了解决上述问题，本发明提出一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置与测量方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点、解决上述问题，提供一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置及测量方法。

一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置，其特征在于，包括仪器外壁、仪器内壁、安装在仪器内壁的磁屏蔽罩、以及位于由仪器外壁和仪器内壁形成的腔体内的A组励磁测量装置、B组励磁测量装置、信号检测模块和信号处理模块，A 组励磁测量装置、B 组励磁测量装置两组励磁测量相隔0.07～0.13m，所述A组励磁测量装置由壳体、A组电极测量装置与A组励磁线圈组成，所述B组励磁测量装置由壳体、B组电极测量装置与B组励磁线圈组成，所述A组电极测量装置与B组电极测量装置分别与信号检测模块连接，信号检测模块与信号处理模块连接。

进一步的，所述A组励磁线圈和B组励磁线圈各包含8个马鞍形励磁线圈，每个线圈之间成45度夹角摆放线圈绕制成“马鞍形”。

进一步的，所述A组励磁线圈和B组励磁线圈的线圈匝数为500，线圈径向厚度为2cm。

进一步的，所述A组电极测量装置和B组电极测量装置的电极测量端径向穿过仪器外壁朝外放置，感受环空外域流量信息，该电极通过垫片与螺母连接测量管段，电极内侧套设有密封圈，起到对环空中流体的密封作用。

进一步的，所述A组电极测量装置与B组电极测量装置各包含8个电极，每个电极之间成45度夹角摆放。

进一步的，所述磁屏蔽罩为由钢质屏蔽材料构成的磁屏蔽罩，阻止磁场向井筒内发散，有益于仅在井筒内形成相对均匀的磁场以提高测量精度。

进一步的，所述信号检测模块包括环空流量信号通道，环空流量对比通道和环空测量相关器，其中环空流量信号通道由仪用放大单元、隔直滤波电路和次级放大单元依次连接组成，环空流量对比通道为信号发生单元，环空测量装置由低频干扰去除单元和信号抬升电路组成。

进一步的，所述信号处理模块由流量信号对比单元和自动预警模块组成。

一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：系统电源给两组阵列马鞍形线圈通以交流电，通过磁屏蔽罩屏蔽磁场向管道内发散，两组多个线圈仅在相距一定距离的环空外域分别激发出独立均匀稳定的磁场，导电流体切割磁感线产生感应电动势，两组阵列电极装置，分别测量相距一定距离的环空流道的弱流量信号；

S2：针对井下环空流量信号的频谱特征，弱流量信号通过环空流量信号通道被放大到能够推动环空相关检测单元工作的电平，并将环空流量信号通道中隔直滤波电路的高通截止频率设置为0.5Hz，低通截止频率设置为400Hz，对信号的工模干扰、串模干扰以及电化学干扰进行抑制和滤除；

S3：利用DSP产生的励磁信号作为对比信号，保证对比信号与环空流量信号的同频同相；

S4：环空测量相关器完成被测信号与对比信号互相关函数运算，将低频干扰去除电路的截止频率设置为0.1Hz，相关器输出信号通过信号低频信号滤除电路滤除产生的倍频信号以及一些其他噪声，从而得到一个与流速呈正比的直流电压信号；

S5：信号通过电平抬升电路，将直流信号抬升，利用DSP采集提取到的井下环空流量信号，通过互相关算法，改善信噪比和稳定性，同时DSP会自动对比当前时刻与前一时刻的流量值大小，当超过一定的阈值后，将自动报警。

本发明的有益效果在于：

1.在钻井过程中，通过互相关检测方法实现对井下近钻头处环空返回流量信号的准确硬件检测方法，设计机械机构，对现场流量测量具有指导意义；

2.实现两组阵列线圈数量、尺寸、形状和电极张角的优化设计和布置，提高测量精度；

3.建立井下近钻头处一定距离间环空返回的流量的相关性，采用DSP实现互相关算法，能够适用于在外界强干扰、固液两相流、尤其是低流速的情况，能有效的改善信噪比和稳定性，从而快速准确的判断井下是否有溢流，尤其是微溢流的情况，实现极早期的溢流检测。

附图说明

图1为本发明的电磁测量装置的整体结构示意图。

图2为图1中A组马鞍形线圈分布示意图。

图3为图1中A组电极分布示意图。

图4为图1中马鞍形励磁线圈装置的轴测示意图及俯视示意图。

图5为图1中信号处理模块流程示意图。

图6位图5中A、B两组信号检测模块内部流程示意图。

示例图中：1-井壁、2-仪器外壁、3-仪器内壁、4-A组电极测量装置、5-A组励磁线圈、6-导线、7-数据采集模块B、8-钢质磁屏蔽、9-A组壳体、10-数据采集模块A、11-B组壳体、12-B组励磁线圈、13-B组电极测量装置、14-系统电源、15-信号检测模块、16-信号处理模块、17-衬里、18-垫片、19-螺母、20-密封圈。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果进行更加清楚的阐述，下面结合附图说明本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，本发明的井下环空流量电磁测量装置，包括仪器外壁（2）、仪器内壁（3）、钢质磁屏蔽罩（8）、A组励磁测量装置、B组励磁测量装置、信号检测模块（15）和信号处理模块（16），A、B两组励磁测量装置分别安装在相隔0.1m的间隔距离的两处，所述A组励磁测量装置由壳体（9）、A组电极测量装置（4）与A组励磁线圈（5）组成，B组励磁测量装置由壳体（11）、B组电极测量装置（13）与B组励磁线圈（12）组成，所述A组电极测量装置（4）与B组电极测量装置（13）依次连接信号检测模块（15）和信号处理模块（16）。A、B两组励磁线圈各含有8个马鞍形励磁线圈，通过由钢质屏蔽材料构成磁屏蔽罩阻止磁场向管道内发散，有益于仅在井筒内形成相对均匀的磁场以提高测量精度。A、B两组电极测量端径向穿过仪器外壁（2）朝外放置，通过螺母固定于测量管段，感受环空外域流量信息；同时，电极内侧套设有密封圈，可以起到对环空中流体的密封作用以保护测量系统。当处于工作环境时，给两组阵列马鞍形励磁线圈通以交流电，通过磁屏蔽罩阻止磁场向井筒内发散，两组励磁线圈仅在相距一定距离的环空外域分别激发出独立相对均匀的磁场，导电流体切割磁感线产生感应电动势。两组阵列电极装置，分别测量相距一定距离的环空流道的流量信息，最后通过信号检测模块与信号处理模块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，实现井下溢流特别是微小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。

电磁测量装置在相隔0.1m的间隔距离的两处分别安装一套励磁装置及电极测量装置，通过磁屏蔽罩阻止磁场向井筒内发散，故仅在相距一定距离的环空外域分别激发出独立相对均匀的磁场。

在仪器内壁（3）上安装由钢质屏蔽材料构成的磁屏蔽罩（8），而两组励磁系统分别相距0.1m的距离安装。其中任意一组励磁系统由8个马鞍形励磁线圈构成，每个线圈之间成45度夹角摆放，线圈绕制成“马鞍形”，线圈匝数500，线圈径向厚度为2cm。该“马鞍形”结构整体呈端部直径大中间直径小的筒状，绕制后的“马鞍形”结构端部外径为8cm，端部内径为6cm。并且所述马鞍形线圈的形状、大小、线圈匝数均相同，多线圈有利于产生更加均匀的磁场，提高流量电磁测量装置的精度。

井筒流量的信号测量由相隔0.1m安装的两组电极构成，其中任意一组电极装置由8个电极构成，每个电极之间成45度夹角摆放，电极通过螺母连接测量管段，内侧套设有密封圈，可以起到对环空中流体的密封作用以保护测量系统。两组电极实现分别测量相距一定距离的环空域的流量信息的功能。

本发明的工作过程如下：

S1、当处于井下环空工作环境时，给两组阵列马鞍形线圈通以交流电，通过磁屏蔽罩屏蔽磁场向管道内发散，两组多个线圈仅在相距一定距离的环空外域分别激发出独立均匀稳定的磁场，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两组与流体接触的电极检测。两组阵列电极装置，分别测量相距一定距离的环空流道的弱流量信号。

S2、针对井下环空流量信号的频谱特征，将隔直滤波器的高通截止频率设置为0.5Hz，低通截止频率设置为400Hz。弱流量信号通过环空流量信号通道被放大到能够推动环空相关检测单元工作的电平，该通道同时具有抑制和滤除部分工模干扰、串模干扰以及电化学干扰的功能，从而扩大仪器的动态范围。

S3、硬件相关检测技术需要提供与已知环空流量信号频率相同的对比信号，而本方法直接采用DSP产生的励磁信号作为对比信号，从而保证了对比信号与环空流量信号的同频同相，省去了移相环节。

S4、环空流量测量相关检测单元是该方法的核心，包括环空测量相关器和低频信号滤除电路。其中，环空测量相关器是一种完成被测信号与对比信号互相关函数运算的电子线路。而低频信号滤除电路则是为了滤除相关器输出的倍频信号以及一些其他噪声，从而得到一个与流速呈正比的直流电压信号。对于它来说,积分时间越长,尽管可以抑制更强的噪声,但也使测量时间过长,当信号幅度或相位变化较快时,过长的积分时间会平滑快速信号,使信号失真，同时也会牺牲系统的快速响应性能。因此,需要根据测量对象的实际情况来决定积分时间的长短，所以本方法将低频信号滤除电路的截止频率设置为0.1Hz。

S5、通过提出的环空流量信号硬件检测方法，获得了与流速呈正比的直流电压信号，但是仅仅靠硬件的相关检测手段仍然难以在复杂的井下环空环境下，如强烈的外界噪声、固液两相流尤其是低流速的情况下快速准确的获得井下是否溢流的判断依据。因此，需要通过电平抬升电路，将直流信号抬升，如此便可采用DSP采集提取到的井下环空流量信号，通过DSP采集提取到的井下环空流量信号，利用DSP对数字信号的快速处理能力，通过互相关算法，能够在外界强干扰、固液两相流、尤其是低流速的情况下，有效的改善信噪比和稳定性，并且DSP会自动对比当前时刻与前一时刻的流量值大小，当超过一定的阈值后，将自动报警，提醒地面工作人员注意井下参数的变化，从而快速准确的判断井下是否有溢流，尤其是微溢流的情况，实现极早期的溢流检测。

本发明通过建立井下近钻头处一定距离间环空返回的流量的相关性，采用DSP实现互相关算法，能够适用于在外界强干扰、固液两相流、尤其是低流速的情况，能有效的改善信噪比和稳定性，从而快速准确的判断井下是否有溢流，尤其是微溢流的情况，实现极早期的溢流检测。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置，其特征在于，包括仪器外壁（2）、仪器内壁（3）、安装在仪器内壁（3）的磁屏蔽罩（8）、以及位于由仪器外壁（2）和仪器内壁（3）形成的腔体内的A组励磁测量装置、B组励磁测量装置、信号检测模块（15）和信号处理模块（16），A 组励磁测量装置、B 组励磁测量装置两组励磁测量相隔0.07～0.13m，所述A组励磁测量装置由壳体（9）、A组电极测量装置（4）与A组励磁线圈（5）组成，所述B组励磁测量装置由壳体（11）、B组电极测量装置（13）与B组励磁线圈（12）组成，所述A组电极测量装置（4）与B组电极测量装置（13）分别与信号检测模块（15）连接，信号检测模块（15）与信号处理模块（16）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置，其特征在于，所述A组励磁线圈（5）和B组励磁线圈（12）各包含8个马鞍形励磁线圈，每个线圈之间成45度夹角摆放线圈绕制成“马鞍形”。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置，其特征在于，所述A组励磁线圈（5）和B组励磁线圈（12）的线圈匝数为500，线圈径向厚度为2cm。

4.根据权利要求1所述的一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置，其特征在于，所述A组电极测量装置（4）和B组电极测量装置（13）的电极测量端径向穿过仪器外壁（2）朝外放置，感受环空外域流量信息，电极通过螺母（19）连接测量管段，电极内侧套设有密封圈（20），起到对环空中流体的密封作用。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置，其特征在于，所述A组电极测量装置（4）与B组电极测量装置（13）各包含8个电极，每个电极之间成45度夹角摆放。

6.根据权利要求1所述的一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置，其特征在于，所述磁屏蔽罩（8）为由钢质屏蔽材料构成的磁屏蔽罩，阻止磁场向井筒内发散，有益于仅在井筒内形成相对均匀的磁场以提高测量精度。

7.根据权利要求1所述的一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置，其特征在于，所述信号检测模块（15）包括环空流量信号通道、环空流量对比通道和环空测量相关器，其中环空流量信号通道由仪用放大单元、隔直滤波电路和次级放大单元依次连接组成，环空流量对比通道为信号发生单元，环空测量装置由低频干扰去除单元和信号抬升电路组成。

8.根据权利要求1所述的一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量装置，其特征在于，所述信号处理模块（16）由流量信号对比单元和自动预警模块组成。

9.一种基于相关传感阵列的环空流量电磁测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：系统电源给两组阵列马鞍形线圈通以交流电，通过磁屏蔽罩屏蔽磁场向管道内发散，两组多个线圈仅在相距一定距离的环空外域分别激发出独立均匀稳定的磁场，导电流体切割磁感线产生感应电动势，两组阵列电极装置，分别测量相距一定距离的环空流道的弱流量信号；

S2：针对井下环空流量信号的频谱特征，弱流量信号通过环空流量信号通道被放大到能够推动环空相关检测单元工作的电平，并将环空流量信号通道中隔直滤波电路的高通截止频率设置为0.5Hz，低通截止频率设置为400Hz，对信号的工模干扰、串模干扰以及电化学干扰进行抑制和滤除；

S3：利用DSP产生的励磁信号作为对比信号，保证对比信号与环空流量信号的同频同相；

S4：环空测量相关器完成被测信号与对比信号互相关函数运算，将低频干扰去除电路的截止频率设置为0.1Hz，相关器输出信号通过信号低频信号滤除电路滤除产生的倍频信号以及一些其他噪声，从而得到一个与流速呈正比的直流电压信号；

S5：信号通过电平抬升电路，将直流信号抬升，利用DSP采集提取到的井下环空流量信号，通过互相关算法，改善信噪比和稳定性，同时DSP会自动对比当前时刻与前一时刻的流量值大小，当超过一定的阈值后，将自动报警。