CN112161661B - 一种排砂管线岩屑流量测量装置及其标定方法 - Google Patents

一种排砂管线岩屑流量测量装置及其标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种排砂管线岩屑流量测量装置及标定方法，包括：利用安装在排砂管线上的岩屑流量传感器的静电探针采集岩屑撞击探针产生的静电信号，静电信号通过连接线传送至测量单元，获得岩屑流量U与静电信号标定值Vp的关系曲线图，并拟合公式。本发明的优点是：操作简单，避免了岩屑取样过程，只需要通过岩屑流量传感器所对应的静电信号值就能获取通过排砂管线的岩屑流量；检测速度快，测量精度高，可以满足实时分析井下工况的现场施工需要，预防井下复杂问题发生，实现安全钻井生产。

Description

一种排砂管线岩屑流量测量装置及其标定方法
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种氮气钻井条件下的排砂管线岩屑流量测量装置及其标定方法。
背景技术
气体钻井是利用空气或氮气作为循环介质的欠平衡钻井技术，以其经济、环保，高效等优势已逐步成为油气勘探开发的重要手段。但由于地质不确定性、地层的不均质性及出水等原因，薄弱层出现坍塌掉块及岩屑吸水凝结无法返出的现象时有发生，如处理不当极易导致卡钻事故的发生，这严重威胁着气体钻井的井下安全。
在空气钻井中，返出岩屑流量是判断井简内情况的重要参数，一方面可以判断钻遇地层岩性，为钻达产层提供依据，另一方面，还能及时预测钻井过程中的工程事故，判断井壁的坍塌掉块情况。目前，岩屑流量的测量多采用取样装置取样后对岩屑进行分析，操作复杂，并且数据具有延时。同样属于侵入式测量，马晓伟等人在《气体钻井返出岩屑监测方法研究》中提出了在排砂管线上安装冲刷力传感器，环空返出的含屑气体流经排砂管线，冲刷力传感器对冲刷力数据进行采集，通过计算机处理判断井下返屑情况，但该方法输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服，且需要防潮措施。康波等人在中国发明在专利(CN201410668871.0)提出了一种非侵入式随钻返出岩屑量定量检测系统，但是该方法设备复杂，成本高，增加了现场施工成本。
因此，研究发明一种简单、准确、客观、快速的岩屑流量标定方法，对气体钻井现场安全作业有重要意义。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种氮气钻井条件下的排砂管线岩屑流量测量装置及其标定方法。岩屑流量测量装置必须通过静电信号与岩屑流量的标定，才能准确、快速对岩屑流量进行测量。为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种氮气钻井条件下的排砂管线岩屑流量测量装置，包括：排砂管线、空压机组、膜制氮机组、岩屑流量传感器、质量流量控制器、测量单元，以及连接各模块和部件之间的管路和接线。所述空压机组将氮气及岩屑送入质量流量控制器，质量流量控制器控制流量后，氮气携带岩屑进入排砂管线，通过岩屑流量传感器时，高速气体携带岩屑撞击岩屑流量传感器的静电探针产生正电荷。
岩屑流量传感器由静电探针1、基座2、连接法兰3、连接线4、测量单元5以及传感器壳体6组成。
静电探针1位于传感器壳体6下方，二者间采用螺纹连接；
传感器壳体6通过连接法兰3安装到基座2上；
测量单元5通过连接线4与传感器壳体6相连；
所述静电探针1，用于采集岩屑撞击静电探针产生正电荷，通过连接线4将采集的电荷传递到测量单元5进行下一步处理。因高速气体携带岩屑的冲蚀作用，因此静电探针1必须选用耐冲蚀材料制作，至少保证2～5年的寿命。
所述测量单元5，安装有数据分析系统，包括数据采集、数据显示及数据存储等功能，主要用于记录实验静电信号数据。
所述传感器壳体6，使用金属材料，通过连接法兰3安装到基座2上，与排砂管线良好接触，可以起到屏蔽作用，保护采集到的微弱的电荷信号不受干扰。
进一步地，所述排砂管线的直径为220mm。
进一步地，所述岩屑流量传感器响应值为电压值。
进一步地，使岩屑传感器位置位于排砂管线中心位置，与排砂管线的中心轴垂直。
本发明还公开了一种排砂管线岩屑流量测量装置的标定方法，包括以下步骤：
步骤1：将待标定的岩屑传感器置于排砂管线，通入已知流量的岩屑及已知流速的氮气，并使氮气携带岩屑只能从排砂管线入口进入并只能从排砂管线出口排出。
步骤2：采集时间间隔相同的岩屑流量传感器响应值，岩屑流量传感器得到一组相应响应数据[x1，x2，…，xn]，n>10。
步骤3：对步骤2所得数据[x1，x2，…，xn]进行以下处理：
(1)求平均值：
Figure GDA0003352590610000031
(2)若
Figure GDA0003352590610000032
则xi为异常数据，应舍去xi；
(3)对剩下无异常的实验数据进行处理：
Figure GDA0003352590610000033
Vp即为所述的岩屑流量传感器采集的静电信号的标定值。
步骤4：向排砂管线入口提供不同流量的岩屑，根据不同流量下所测量岩屑传感器所对应的静电信号标定值，来校正排砂管线静电信号值与岩屑流量关系。
步骤5：根据现场岩屑流量与所测量岩屑传感器所对应的静电信号实测数据，来验证标定方法的准确性。
进一步地，所述步骤4还包括：调节位于排砂管线的入口的质量流量控制器，使岩屑分别以所述不同流量进入所述排砂管线，并由所述排砂管线的测量单元分别记录所述岩屑流量传感器在所述不同岩屑流量下对应的多个静电信号，重复步骤4得到的岩屑流量为纵坐标，静电信号为横坐标得到散点图，以记录在所述测量单元中的流经所述岩屑流量传感器的岩屑流量与所检侧到的静电信号值之间的关系曲线，并根据曲线拟合公式。
进一步地，所述步骤5具体为：
(1)根据现场数据求岩屑流量：
Figure GDA0003352590610000041
其中：Qm：岩屑流量，kg/h
rop：机械转速，m/h
d：钻杆直径，m
n：扩眼率，此时取1.1
ρ：所钻岩层岩石密度，kg/m3
(2)采集时间间隔相同的岩屑流量传感器响应值，岩屑流量传感器得到一组相应响应数据[x1，x2，…，xn]，n>10。
(3)按照步骤4对响应数据进行处理，得到静电信号标定值。
(4)已知氮气的流速，通过改变机械转速来改变岩屑流量，得到一组岩屑流量与静电信号实测数据。
(5)将现场实测数据与公式拟合计算数据作对比，验证公式合理性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明所公开的岩屑流量测量装置标定方法极大简化了岩屑流量的测量过程，不需要岩屑取样装置对岩屑取样；可在排砂管线中直接测量岩屑流量，实现氮气钻井条件下的排砂管线岩屑流量实时测量；具有工作可靠性好、速度快的优点；结构简单合理、设备成本低、使用方便。
附图说明
图1为氮气钻井条件下的排砂管线岩屑流量测量装置的结构示意图；
图2为岩屑流量传感器结构示意图；
图2中：1.静电探针，2.安装基座，3.连接法兰，4.连接线，5.测量单元。
图3为氮气钻井现场流程图；
图4为氮气流速为60m3/min时岩屑流量与标定值关系曲线图；
图5为氮气流速为80m3/min时岩屑流量与标定值关系曲线图；
图6为氮气流速为100m3/min时岩屑流量与标定值关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
图1为氮气钻井条件下的排砂管线岩屑流量测量装置示意图，其包括排砂管线、空压机组、膜制氮机组、岩屑流量传感器、质量流量控制器、测量单元，以及连接各模块和部件之间的管路和接线。由图可知空压机组将氮气及岩屑送入质量流量控制器，质量流量控制器控制流量后，氮气携带岩屑进入排砂管线，通过岩屑流量传感器时，高速气体携带岩屑撞击静电探针产生正电荷，岩屑流量传感器将采集的静电信号传递到测量单元进行下一步处理。
图2为岩屑流量传感器示意图，岩屑流量传感器由静电探针1、基座2、连接法兰3、连接线4、测量单元5以及传感器壳体6组成。
静电探针1位于传感器壳体6下方，二者间采用螺纹连接；
传感器壳体6通过连接法兰3安装到基座2上；
测量单元5通过连接线4与传感器壳体6相连；
所述静电探针1，用于采集岩屑撞击静电探针产生的正电荷，通过连接线4将采集的电荷信号传递到测量单元5进行下一步处理。因高速气体携带岩屑的冲蚀作用，因此静电探针1必须选用耐冲蚀材料制作，至少保证2～5年的寿命。
所述测量单元5，安装有数据分析系统，包括数据采集、数据显示及数据存储等功能，主要用于记录实验静电信号数据。
所述传感器壳体6，使用金属材料，通过连接法兰3安装到基座2上，与排砂管线良好接触，可以起到屏蔽作用，保护采集到的微弱的电荷信号不受干扰。
图3为氮气钻井现场流程图，如图所示通过地面的空压缩机组对空气及氮气进行增压，氮气作为循环介质把钻井过程中产生的岩屑携带到地面，然后经过排砂管线排至燃烧池。岩屑流量传感器安装在排砂管线上，高速气体携带岩屑撞击静电探针产生正电荷，岩屑流量传感器将采集的静电信号传递到测量单元进行记录及储存。
实施例原理，利用安装在排砂管线上的岩屑流量传感器的静电探针采集岩屑撞击探针产生的静电信号，静电信号通过连接线传送至测量单元，获得岩屑流量U和静电信号标定值Vp的关系曲线图，并拟合公式。
实施例1：
步骤1：将待标定的岩屑传感器置于排砂管线，通入已知流速为60m3/min的氮气，并使氮气携带岩屑只能从排砂管线入口进入并只能从排砂管线出口排出。
步骤2：向排砂管线通入流量为20kg/h的岩屑，采集时间间隔为1s，岩屑流量传感器得到一组相应岩屑流量传感器响应数据[x1，x2，…，xn]，n>10。
步骤3：对步骤2所得数据[x1，x2，…，xn]进行以下处理：
(1)求平均值：
Figure GDA0003352590610000071
(2)若
Figure GDA0003352590610000072
则xi为异常数据，应舍去xi；
(3)对剩下无异常的实验数据进行处理：
Figure GDA0003352590610000073
Vp即为所述的岩屑流量传感器采集的静电信号的标定值。
步骤4：依次改变岩屑流量60kg/h、100g/h、140kg/h、180kg/h、220kg/h、260kg/h、300kg/h、340kg/h，重复步骤2与步骤3得到另外7组数据，以标定值为横坐标，岩屑流量为纵坐标作散点图，线性拟合后得到标定曲线图，结果如图4所示。
拟合得到如下公式：
U＝14.62721×Vp-6.64319
其中，U为岩屑流量，kg/h；Vp为静电信号标定值。
步骤5：用现场数据验证实验结果
静电信号实测(V) 岩屑流量值(kg/h) 拟合公式计算的结果(kg/h)
7.299 98.225 100.121
12.133 172.469 170.829
13.257 192.876 187.702
19.200 265.321 274.199
21.344 320.670 305.560
从实验测试结果看，在整个测量量程内，拟合公式的结果和实际测量值的误差小，变化率也是相吻合的。
实施例2：
步骤1：将待标定的岩屑传感器置于排砂管线，通入流速为80m3/min的氮气并使氮气携带岩屑只能从排砂管线入口进入并只能从排砂管线出口排出。
步骤2：向排砂管线通入流量为20kg/h的岩屑，采集时间间隔为1s，岩屑流量传感器得到一组相应岩屑流量传感器响应数据[x1，x2，…，xn]，n>10。
步骤3：对步骤2所得数据[x1，x2，…，xn]进行以下处理：
(1)求平均值：
Figure GDA0003352590610000081
(2)若
Figure GDA0003352590610000082
则xi为异常数据，应舍去xi；
(3)对剩下无异常的实验数据进行处理：
Figure GDA0003352590610000083
Vp即为所述的岩屑流量传感器采集的静电信号的标定值。
步骤4：依次改变岩屑流量60kg/h、100g/h、140kg/h、180kg/h、220kg/h、260kg/h、300kg/h、340kg/h，重复步骤2与步骤3得到另外7组数据，以标定值为横坐标，岩屑流量为纵坐标作散点图，线性拟合后得到标定曲线图，结果如图5所示。
拟合得到如下公式：
U＝15.04409×Vp-23.3626
其中，U为岩屑流量，kg/h；Vp为静电信号标定值。
步骤5：用现场数据验证实验结果
静电信号实测(V) 岩屑流量值(kg/h) 拟合公式计算的结果(kg/h)
3.546 25.379 29.984
6.323 75.236 71.761
10.237 130.100 130.644
16.50 229.327 224.880
18.679 270.602 257.646
从实验测试结果看，在整个测量量程内，拟合公式的结果和实际测量值的误差小，变化率也是相吻合的。
实施例3：
步骤1：将待标定的岩屑传感器置于排砂管线，通入已知流速为100m3/min的氮气并使氮气携带岩屑只能从排砂管线入口进入并只能从排砂管线出口排出。
步骤2：向排砂管线通入流量为20kg/h的岩屑，采集时间间隔为1s，岩屑流量传感器得到一组相应岩屑流量传感器响应数据[x1，x2，…，xn]，n>10。
步骤3：对步骤2所得数据[x1，x2，…，xn]进行以下处理：
(1)求平均值：
Figure GDA0003352590610000091
(2)若
Figure GDA0003352590610000092
则xi为异常数据，应舍去xi；
(3)对剩下无异常的实验数据进行处理：
Figure GDA0003352590610000093
Vp即为所述的岩屑流量传感器采集的静电信号的标定值。
步骤4：依次改变岩屑流量60kg/h、100g/h、140kg/h、180kg/h、220kg/h、260kg/h、300kg/h、340kg/h，重复步骤2与步骤3得到另外7组数据，以标定值为横坐标，岩屑流量为纵坐标作散点图，线性拟合后得到标定曲线图，结果如图6所示。
拟合得到如下公式：
U＝15.54819×Vp-38.52122
其中，U为岩屑流量，kg/h；Vp为静电信号标定值。
步骤5：用现场数据验证实验结果
静电信号实测(V) 岩屑流量值(kg/h) 拟合公式计算的结果(kg/h)
4.669 39.245 34.073
5.294 48.236 43.791
7.580 81.548 79.334
11.292 145.752 137.049
13.565 179.230 172.390
从实验测试结果看，在整个测量量程内，拟合公式的结果和实际测量值的误差小，变化率也是相吻合的。
根据图4、图5、图6所示，标定值与岩屑流量之间线性关系较为显著。按照本发明的气岩屑流量标定方法，当岩屑流量降低时，标定值也随之降低。
采用拟合公式，利用岩屑流量传感器的静电信号实现对岩屑流量的实时检测。本发明的标定方法与其他岩屑测量方法相比，成本低、操作简单方便、测量结果可靠、稳定。本发明岩屑流量的标定方法，可以实时监测钻井过程中返出岩屑流量，发现井下异常现象，进而预测和防止井壁失稳及坍塌等钻井事故，保障气体钻井井下安全，提高钻井效率。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种氮气钻井条件下的排砂管线岩屑流量测量装置，其特征在于，包括：排砂管线、空压机组、膜制氮机组、岩屑流量传感器、质量流量控制器、测量单元，以及连接各模块和部件之间的管路和接线；所述空压机组将氮气及岩屑送入质量流量控制器，质量流量控制器控制流量后，氮气携带岩屑进入排砂管线，通过岩屑流量传感器时，高速气体携带岩屑撞击岩屑流量传感器的静电探针产生正电荷；岩屑流量传感器由静电探针、基座、连接法兰、连接线、测量单元以及传感器壳体组成；
静电探针位于传感器壳体下方，二者间采用螺纹连接；
传感器壳体通过连接法兰安装到基座上；
测量单元通过连接线与传感器壳体相连；
所述静电探针，用于采集岩屑撞击静电探针产生正电荷，通过连接线将采集的电荷传递到测量单元进行下一步处理；
所述测量单元，安装有数据分析系统，包括数据采集、数据显示及数据存储功能，用于记录实验静电信号数据；
所述传感器壳体，使用金属材料，通过连接法兰安装到基座上，与排砂管线接触。
2.根据权利要求1所述的一种氮气钻井条件下的排砂管线岩屑流量测量装置，其特征在于：所述排砂管线的直径为220mm。
3.根据权利要求1所述的一种氮气钻井条件下的排砂管线岩屑流量测量装置，其特征在于：所述岩屑流量传感器响应值为电压值。
4.根据权利要求1所述的一种氮气钻井条件下的排砂管线岩屑流量测量装置，其特征在于：岩屑传感器位置位于排砂管线中心位置，与排砂管线的中心轴垂直。
5.根据权利要求1至4的其中一项所述的一种排砂管线岩屑流量测量装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将待标定的岩屑传感器置于排砂管线，通入已知流量的岩屑及已知流速的氮气，并使氮气携带岩屑只能从排砂管线入口进入并只能从排砂管线出口排出；
步骤2：采集时间间隔相同的岩屑流量传感器响应值，岩屑流量传感器得到一组相应响应数据[x1，x2，…，xn]，n>10；
步骤3：对步骤2所得数据[x1，x2，…，xn]进行以下处理：
(1)求平均值：
Figure FDA0003352590600000021
(2)若
Figure FDA0003352590600000022
则xi为异常数据，应舍去xi；
(3)对剩下无异常的实验数据进行处理：
Figure FDA0003352590600000023
Vp即为所述的岩屑流量传感器采集的静电信号的标定值；
步骤4：向排砂管线入口提供不同流量的岩屑，根据不同流量下所测量岩屑传感器所对应的静电信号标定值，来校正排砂管线静电信号值与岩屑流量关系；
步骤5：根据现场岩屑流量与所测量岩屑传感器所对应的静电信号实测数据，来验证标定方法的准确性。
6.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于：所述步骤4还包括：调节位于排砂管线的入口的质量流量控制器，使岩屑分别以所述不同流量进入所述排砂管线，并由所述排砂管线的测量单元分别记录所述岩屑流量传感器在所述不同岩屑流量下对应的多个静电信号，重复步骤4得到的岩屑流量为纵坐标，静电信号为横坐标得到散点图，以记录在所述测量单元中的流经所述岩屑流量传感器的岩屑流量与所检侧到的静电信号值之间的关系曲线，并根据曲线拟合公式。
7.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于：所述步骤5具体为：
(1)根据现场数据求岩屑流量：
Figure FDA0003352590600000031
其中：Qm：岩屑流量，kg/h
rop：机械转速，m/h
d：钻杆直径，m
n：扩眼率，此时取1.1
ρ：所钻岩层岩石密度，kg/m3
(2)采集时间间隔相同的岩屑流量传感器响应值，岩屑流量传感器得到一组相应响应数据[x1，x2，…，xn]，n>10；
(3)按照步骤4对响应数据进行处理，得到静电信号标定值；
(4)已知氮气的流速，通过改变机械转速来改变岩屑流量，得到一组岩屑流量与静电信号实测数据；
(5)将现场实测数据与公式拟合计算数据作对比，验证公式合理性。
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