CN112855122A - 一种井下气液固三相流超声波气侵监测系统及实施方法 - Google Patents

一种井下气液固三相流超声波气侵监测系统及实施方法 Download PDF

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CN112855122A CN202011626459.4A CN202011626459A CN112855122A CN 112855122 A CN112855122 A CN 112855122A CN 202011626459 A CN202011626459 A CN 202011626459A CN 112855122 A CN112855122 A CN 112855122A
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Abstract

本发明涉及一种井下气液固三相流超声波气侵监测系统及实施方法，属于油气钻井的技术领域，所述监测系统包括分散相体积分数监测模块和分散相速度监测模块，所述分散相体积分数监测模块用于监测环空钻井液中分散相的体积分数；所述分散相速度监测模块用于监测环空钻井液中分散相的上返速度。通过监测水平截面内分散相的体积分数，结合监控环空中的分散相速度，即可准确判别井下的气侵是否发生并精确计算出气液固三相流中气体的体积分数，不需要将气体和固体分离，有效解决了超声波对气液固三相流中岩屑和气泡分辨率低的难题，并适用于井下近钻头和深水隔水管，具有较大的推广价值。

Description

一种井下气液固三相流超声波气侵监测系统及实施方法
技术领域
本发明属于油气钻井领域，具体地，涉及一种井下气液固三相流超声波气侵监测系统及实施方法。
背景技术
井下气侵监测将传感器安装于隔水管底部或井底的近钻头附近，较常规地面监测方法具有显著的时效性优势，是气侵早期监测技术的发展方向。其中，超声波监测气侵的有效性已得到了一系列理论、实验和现场试验的验证，且超声波具有高聚焦、无需破坏管柱结构等优点，具有较大的发展潜力。随着井下超声波监测气侵研究的不断深入，超声波对气液两相流中的含气率监测问题已初步得到解决，但目前的研究也表明，超声波对气液固三相流中的岩屑和气泡的分辨能力较低，而实际钻井过程中，岩屑是客观存在的，较大程度影响了超声波监测气侵结果的准确性和可靠性。
为此，中国专利文献CN111364979A公开了一种基于超声波的井下气侵监测系统，该监测系统包括固定于钻杆上的超声波气侵监测装置，还包括位于超声波气侵监测装置下方的环空气固分离装置，该环空气固分离装置包括自上而下依次固定于钻杆上的涡轮和气固预分离装置。该系统不但可以有效分离井下气侵气体和岩屑，排除岩屑对气侵监测的影响，还能使整个环空内的气侵气体尽可能集中在钻杆附近的有效监测窗口内，解决了目前井下监测气侵方法受监测窗口空间限制和岩屑影响的难题，大幅提升了气侵监测的时效性、精度和可靠度。但上述技术方案需要加装旋流装置，且不适用于深水隔水管监测气侵的工况。因此，研发一套适用性更广的井下气液固三相流超声波监测气侵的方案或方法，从而提高井下气液固三相流中超声波对气泡和岩屑的分辨能力以及监测气侵的精度，是目前井下气侵监测技术亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种井下气液固三相流超声波气侵监测系统及实施方法，分散相体积分数监测模块通过超声波双晶探头阵列式监测截面分散相的体积分数，分散相速度监测模块通过超声波单晶探头监测环空中的分散相速度对应的信号频率并判别气侵是否发生，通过实时监测和分析二者监测信号的变化，即可准确判别井下的气侵情况并精确计算出气液固三相流中气体的体积分数，有效解决了目前井下超声波监测气侵技术面临的超声波对气液固三相流中岩屑和气泡分辨率低的难题，实现在近钻头或隔水管底部等井下工况条件下利用超声波对气液固三相流中气侵气体的有效和准确监测。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种井下气液固三相流超声波气侵监测系统，其特征在于：包括附着管道、密封保护壳、分散相体积分数监测模块和分散相速度监测模块，所述密封保护壳固定设置在附着管道侧壁上，所述分散相体积分数监测模块和分散相速度监测模块自上而下依次设置在密封保护壳内；
所述分散相体积分数监测模块用于监测环空钻井液中分散相的体积分数；
所述分散相速度监测模块用于监测环空钻井液中分散相的上返速度。
本发明的技术方案还有：所述分散相体积分数监测模块包括超声波体积分数监测装置，所述超声波体积分数监测装置用于向环空内水平发射超声波，并接收经分散相反射、散射、衍射而产生的超声波。
本发明的技术方案还有：所述超声波体积分数监测装置包括超声波双晶探头T1、超声波单晶接收探头T2和超声波单晶接收探头T3，所述超声波双晶探头T1、超声波单晶接收探头T2和超声波单晶接收探头T3沿附着管道圆周方向均匀排布固定设置在附着管道侧壁上，即相邻夹角为120°并位于同一水平截面，所述截面设为A1截面；
所述附着管道为隔水管道，所述密封保护壳设置在所述隔水管道外部。
本发明的技术方案还有：所述超声波体积分数监测装置包括N个超声波双晶探头Yi，N个所述超声波双晶探头Yi沿附着管道圆周方向均匀排布固定设置在附着管道侧壁上，即相邻夹角为360°/N并位于同一水平截面，所述截面设为A2截面，其中i＝1，2，3，...，N，N为自然数并且大于等于3；
所述附着管道为工具短节，所述密封保护壳设置在工具短节内部。
本发明的技术方案还有：所述分散相速度监测模块包括超声波速度监测装置，所述超声波速度监测装置包括超声波发射模块和超声波接收模块，所述超声波发射模块设置在超声波接收模块上方，所述超声波发射模块用于向环空斜下方发射超声波；所述超声波接收模块用于接收所述超声波发射模块发出的超声波和经分散相反射、散射、衍射而产生的超声波。
本发明的技术方案还有：所述超声波发射模块包括超声波单晶发射探头H1、超声波单晶发射探头H2和超声波单晶发射探头H3，所述超声波单晶发射探头H1、超声波单晶发射探头H2和超声波单晶发射探头H3沿附着管道圆周方向均匀排布固定设置在附着管道侧壁上，即相邻夹角为120°并位于同一水平截面，所述截面设为B截面；
所述超声波接收模块包括超声波单晶接收探头h1、超声波单晶接收探头h2和超声波单晶接收探头h3，超声波单晶发射探头H1和超声波单晶接收探头h1、超声波单晶发射探头H2和超声波单晶接收探头h2、超声波单晶发射探头H3和超声波单晶接收探头h3位置一一对应固定设置在附着管道侧壁上，所述超声波单晶接收探头h1、超声波单晶接收探头h2和超声波单晶接收探头h3位于同一水平截面，所述截面设为C截面。
一种所述井下气液固三相流超声波气侵监测系统的实施方法，包括以下步骤：
步骤A：分散相上升速度的监测及气侵判别
B截面和C截面内的超声波单晶发射探头H1和超声波单晶接收探头h1、超声波单晶发射探头H2和超声波单晶接收探头h2、超声波单晶发射探头H3和超声波单晶接收探头h3位置一一对应，各自组成一个监测单位，B截面内的超声波单晶发射探头Hi发射频率为f0，i的超声波信号，超声波经上移速度为Vi的分散相反射而产生频移Δfi的信号，则C截面内的超声波单晶接收探头hi接收到的信号，其主频fd，i＝f0，i+Δfi，其中i＝1，2，3，此处的i仅用于区分对应关系；例如f0，1表示超声波单晶发射探头H1发射超声波信号的频率，fd，1表示超声波单晶接收探头h1监测到上返速度为V1的分散相对应的主频，根据多普勒效应的公式，可以由频率的变化计算出分散相的速度；
(a)未发生气侵时，超声波单晶接收探头h1、超声波单晶接收探头h2和超声波单晶接收探头h3接收信号的主频分别为fs，1、fs，2、fs，3，fs，i是上返速度为Vs，i的岩屑对应的主频，其中i＝1，2，3，此处的i仅用于区分对应关系；例如fs，1表示超声波单晶接收探头h1监测到上返速度为Vs，1的岩屑对应的主频；
(b)发生气侵时，由于气泡的上升速度大于岩屑上返速度，且有较大差距，由于气侵气体在环空内不一定是均匀分布的，超声波单晶接收探头h1、超声波单晶接收探头h2和超声波单晶接收探头h3中1个或多个能探测到气侵，超声波单晶接收探头h1或超声波单晶接收探头h2或超声波单晶接收探头h3接收信号的频谱发生明显的变化，所述超声波单晶接收探头hi监测到频率fb，i、fs，i，其中fb，i>fs，i，所述fs，i是上返速度为Vs，i的岩屑对应的主频，所述fb，i是上返速度为Vb，i的气泡对应的主频，其中i＝1，2，3，此处的i仅用于区分对应关系；例如fb，1表示超声波单晶接收探头h1监测到上返速度为Vb，1的气泡对应的主频；
步骤B：分散相的体积分数的监测
(1)A1截面分布有超声波双晶探头T1、超声波单晶接收探头T2和超声波单晶接收探头T3，超声波双晶探头T1向隔水管环空发射预先设定频率的超声波，超声波经分散相的反射、散射、衍射，一部分携带有环空截面内分散相体积分数
Figure BDA0002877586080000041
信息的信号由超声波双晶探头T1接收，另一部分携带有环空截面内分散相体积分数
Figure BDA0002877586080000042
和
Figure BDA0002877586080000043
信息的信号分别由超声波单晶接收探头T2和超声波单晶接收探头T3接收；
则，A1截面的分散相体积分数为：
Figure BDA0002877586080000051
其中，f代表函数关系，具体的关系与钻井液性能、超声波频率等有关，但是所述函数关系并不是本发明需要保护的内容，在这里不做解释和介绍；
(2)A2截面的N个所述超声波双晶探头Yi具有相同的功能，且各自负责360°/N的扇形截面；对于其中1个超声波双晶探头Yi，超声波双晶探头Yi向环空多相流中发射预先设定的频率的超声波，超声波经环空内分散相的反射、散射、衍射，携带有360°/N扇形环空截面内分散相体积分数
Figure BDA0002877586080000052
信息的信号最终由超声波双晶探头Yi接收，其中未发生气侵时分散相为单纯岩屑，发生气侵后分散相为岩屑和气泡，其中i＝1，2，3，...，N，N为自然数并且大于等于3，此处的i仅用于区分对应关系；
步骤C：截面含气率精确计算
(1)未发生气侵时，监测A1截面或A2截面处的分散相体积分数为
Figure BDA0002877586080000053
则此时A1截面或A2截面处的含气率为:
Figure BDA0002877586080000054
(2)发生气侵时，则超声波单晶接收探头h1、超声波单晶接收探头h2和超声波单晶接收探头h3其中一个或多个接收信号的频谱中出现了气泡上返速度Vb，i对应的fb，i频率，其中i＝1，2，3，此处的i仅用于区分对应关系，监测A1截面或A2截面处的分散相体积分数为
Figure BDA0002877586080000055
则此时A1截面或A2截面处的含气率为：
Figure BDA0002877586080000056
本发明的有益效果：
(1)分散相体积分数监测模块通过超声波双晶探头阵列式监测截面分散相的体积分数，即气泡或岩屑的体积分数，分散相速度监测模块通过超声波单晶探头监测环空中的分散相速度对应的信号频率并判别气侵是否发生，通过实时监测和分析二者监测信号的变化，即可准确判别井下的气侵情况并精确计算出气液固三相流中气体的体积分数，即含气率，有效解决了目前井下超声波监测气侵技术面临的超声波对气液固三相流中岩屑和气泡分辨率低的难题；(2)所述井下气液固三相流超声波气侵监测系统适用性广、结构简单，同时适用于井下近钻头和深水隔水管，具有较大的推广价值。
附图说明
图1为本发明所述隔水管道内超声波探头布置方案示意图；
图2为为本发明所述隔水管道内A1截面超声波探头布置方案示意图；
图3为为本发明所述隔水管道内B截面和C截面超声波探头布置方案示意图；
图4为本发明所述工具短节内超声波探头布置方案示意图；
图5为本发明所述工具短节内A2截面超声波探头布置方案示意图；
图6为本发明所述工具短节内B截面和C截面超声波探头布置方案示意图；
图7为未发生气侵和气侵发生后超声波接收信号频率变化示意图；
图中：1附着管道，2密封保护壳，3分散相体积分数监测模块，4分散相速度监测模块，5超声波体积分数监测装置，6超声波双晶探头T1，7超声波单晶接收探头T2，8超声波单晶接收探头T3，9工具短节，10超声波双晶探头Y1，11超声波双晶探头Y2，12超声波双晶探头Y3，13隔水管道，14超声波速度监测装置，15超声波发射模块，16超声波接收模块，17超声波单晶发射探头H1，18超声波单晶发射探头H2，19超声波单晶发射探头H3，20超声波单晶接收探头h1，21超声波单晶接收探头h2，22超声波单晶接收探头h3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：
实施例1
如图1～图3和图7所示，一种井下气液固三相流超声波气侵监测系统，包括附着管道1、密封保护壳2、分散相体积分数监测模块3和分散相速度监测模块4，所述密封保护壳2固定设置在附着管道1侧壁上，所述分散相体积分数监测模块3和分散相速度监测模块4自上而下依次设置在密封保护壳2内。
所述附着管道1为隔水管道13，所述密封保护壳2设置在所述隔水管道13外部，所述隔水管道13适用于嵌套在钻杆外部。
所述分散相体积分数监测模块3用于监测环空钻井液中分散相的体积分数。
所述分散相速度监测模块4用于监测环空钻井液中分散相的上返速度。
所述分散相体积分数监测模块3包括超声波体积分数监测装置5，所述超声波体积分数监测装置5用于向环空内水平发射超声波，并接收经分散相反射、散射、衍射而产生的超声波。
所述超声波体积分数监测装置5包括超声波双晶探头T16、超声波单晶接收探头T27和超声波单晶接收探头T38，所述超声波双晶探头T16、超声波单晶接收探头T27和超声波单晶接收探头T38沿附着管道1圆周方向均匀排布固定设置在工具短节9内部侧壁上，即相邻夹角为120°并位于同一水平截面，所述截面设为A1截面。
所述分散相速度监测模块4包括超声波速度监测装置14，所述超声波速度监测装置14包括超声波发射模块15和超声波接收模块16，所述超声波发射模块15设置在超声波接收模块16上方，所述超声波发射模块15用于向环空斜下方发射超声波；所述超声波接收模块16用于接收所述超声波发射模块15发出的超声波和经分散相反射、散射、衍射而产生的超声波。
所述超声波发射模块15包括超声波单晶发射探头H117、超声波单晶发射探头H218和超声波单晶发射探头H319，所述超声波单晶发射探头H117、超声波单晶发射探头H218和超声波单晶发射探头H319沿附着管道1圆周方向均匀排布固定设置在工具短节9内部侧壁上，即相邻夹角为120°并位于同一水平截面，所述截面设为B截面。
所述超声波接收模块16包括超声波单晶接收探头h120、超声波单晶接收探头h221和超声波单晶接收探头h322，超声波单晶发射探头H117和超声波单晶接收探头h120、超声波单晶发射探头H218和超声波单晶接收探头h221、超声波单晶发射探头H319和超声波单晶接收探头h322位置一一对应固定设置在附着管道1侧壁上，所述超声波单晶接收探头h120、超声波单晶接收探头h221和超声波单晶接收探头h322位于同一水平截面，所述截面设为C截面。
一种所述井下气液固三相流超声波气侵监测系统的实施方法，包括以下步骤：
步骤A：分散相上升速度的监测及气侵判别
B截面和C截面内的超声波单晶发射探头H117和超声波单晶接收探头h120、超声波单晶发射探头H218和超声波单晶接收探头h221、超声波单晶发射探头H319和超声波单晶接收探头h322位置一一对应，各自组成一个监测单位，B截面内的超声波单晶发射探头Hi发射频率为f0，i的超声波信号，超声波经上移速度为Vi的分散相反射而产生频移Δfi的信号，则C截面内的超声波单晶接收探头hi接收到的信号，其主频fd，i＝f0，i+Δfi，其中i＝1，2，3，此处的i仅用于区分对应关系。
(a)未发生气侵时，超声波单晶接收探头h120、超声波单晶接收探头h221和超声波单晶接收探头h322接收信号的主频分别为fs，1、f s，2、f s，3，fs，i是上返速度为Vs，i的岩屑对应的主频，其中i＝1，2，3，此处的i仅用于区分对应关系；
(b)发生气侵时，所述超声波单晶接收探头hi监测到信号频率fb，i、fs，i，其中fb，i>fs，i，所述fs，i是上返速度为Vs，i的岩屑对应的主频，所述fb，i是上返速度为Vb，i的气泡对应的主频，其中i＝1，2，3，此处的i仅用于区分对应关系。
步骤B：分散相的体积分数的监测
A1截面分布有超声波双晶探头T16、超声波单晶接收探头T27和超声波单晶接收探头T38，超声波双晶探头T16向隔水管环空发射预先设定频率的超声波，超声波经分散相的反射、散射、衍射，一部分携带有环空截面内分散相体积分数
Figure BDA0002877586080000081
信息的信号由超声波双晶探头T16接收，另一部分携带有环空截面内分散相体积分数
Figure BDA0002877586080000082
和
Figure BDA0002877586080000083
信息的信号分别由超声波单晶接收探头T27和超声波单晶接收探头T38接收。
则，A1截面的分散相体积分数为：
Figure BDA0002877586080000091
其中，f代表函数关系，具体的关系与钻井液性能、超声波频率等有关，但是所述函数关系并不是本发明需要保护的内容，在这里不做解释和介绍。
步骤C：截面含气率精确计算
(1)未发生气侵时，监测A1截面处的分散相体积分数为
Figure BDA0002877586080000092
含气率为则此时A1截面处的
Figure BDA0002877586080000093
(2)发生气侵时，监测A1截面处的分散相体积分数为
Figure BDA0002877586080000094
则此时A1截面处的含气率为：
Figure BDA0002877586080000095
实施例2
如图4～图7所示，与实施例1不同，所述附着管道1为工具短节9，所述密封保护壳2设置在工具短节9内部，所述工具短节9设置在井下近钻头处。
所述超声波体积分数监测装置5设置N个超声波双晶探头Yi，其中i＝1，2，3，...，N，N为自然数并且大于等于3；本实施例中N取值为3，即所述超声波体积分数监测装置5设置有超声波双晶探头Y110、超声波双晶探头Y211和超声波双晶探头Y312，所述超声波双晶探头Y110、超声波双晶探头Y211和超声波双晶探头Y312沿附着管道1圆周方向均匀排布固定设置在附着管道1侧壁上，即相邻夹角为120°并位于同一水平截面，所述截面设为A2截面。
另外，所述井下气液固三相流超声波气侵监测系统的实施方法的步骤有所不同，具体如下：
步骤B：分散相的体积分数的监测
A2截面的超声波双晶探头Y110、超声波双晶探头Y211和超声波双晶探头Y312具有相同的功能，且各自负责120°的扇形截面；对于其中1个超声波双晶探头Yi，超声波双晶探头Yi向环空多相流中发射预先设定的频率的超声波，超声波经环空内分散相的反射、散射、衍射，携带有120°扇形环空截面内分散相体积分数
Figure BDA0002877586080000096
信息的信号最终由超声波双晶探头Yi接收，其中未发生气侵时分散相为单纯岩屑，发生气侵后分散相为岩屑和气泡，其中i＝1，2，3，此处的i仅用于区分对应关系。
则，A2截面的分散相体积分数为：
Figure BDA0002877586080000105
步骤C：气侵判别及截面含气率精确计算
(1)未发生气侵时，监测A2截面处的分散相体积分数为
Figure BDA0002877586080000101
含气率为A2截面处的
Figure BDA0002877586080000102
(2)发生气侵时，监测A2截面处的分散相体积分数为
Figure BDA0002877586080000103
则此时A2截面处的含气率为：
Figure BDA0002877586080000104

Claims (7)

1.一种井下气液固三相流超声波气侵监测系统，其特征在于：包括附着管道(1)、密封保护壳(2)、分散相体积分数监测模块(3)和分散相速度监测模块(4)，所述密封保护壳(2)固定设置在附着管道(1)侧壁上，所述分散相体积分数监测模块(3)和分散相速度监测模块(4)自上而下依次设置在密封保护壳(2)内；
所述分散相体积分数监测模块(3)用于监测环空钻井液中分散相的体积分数；
所述分散相速度监测模块(4)用于监测环空钻井液中分散相的上返速度。
2.如权利要求1所述的井下气液固三相流超声波气侵监测系统，其特征在于：所述分散相体积分数监测模块(3)包括超声波体积分数监测装置(5)，所述超声波体积分数监测装置(5)用于向环空内水平发射超声波，并接收经分散相反射、散射、衍射而产生的超声波。
3.如权利要求2所述的井下气液固三相流超声波气侵监测系统，其特征在于：所述超声波体积分数监测装置(5)包括超声波双晶探头T1(6)、超声波单晶接收探头T2(7)和超声波单晶接收探头T3(8)，所述超声波双晶探头T1(6)、超声波单晶接收探头T2(7)和超声波单晶接收探头T3(8)沿附着管道(1)圆周方向均匀排布固定设置在附着管道(1)侧壁上，即相邻夹角为120°并位于同一水平截面，所述截面设为A1截面；
所述附着管道(1)为隔水管道(13)，所述密封保护壳(2)设置在所述隔水管道(13)外部。
4.如权利要求2所述的井下气液固三相流超声波气侵监测系统，其特征在于：所述超声波体积分数监测装置(5)包括N个超声波双晶探头Yi，N个所述超声波双晶探头Yi沿附着管道(1)圆周方向均匀排布固定设置在附着管道(1)侧壁上，即相邻夹角为360°/N并位于同一水平截面，所述截面设为A2截面，其中i＝1，2，3，...，N，N为自然数并且大于等于3；
所述附着管道(1)为工具短节(9)，所述密封保护壳(2)设置在工具短节(9)内部。
5.如权利要求3或4所述的井下气液固三相流超声波气侵监测系统，其特征在于：所述分散相速度监测模块(4)包括超声波速度监测装置(14)，所述超声波速度监测装置(14)包括超声波发射模块(15)和超声波接收模块(16)，所述超声波发射模块(15)设置在超声波接收模块(16)上方，所述超声波发射模块(15)用于向环空斜下方发射超声波；所述超声波接收模块(16)用于接收所述超声波发射模块(15)发出的超声波和经分散相反射、散射、衍射而产生的超声波。
6.如权利要求5所述的井下气液固三相流超声波气侵监测系统，其特征在于：所述超声波发射模块(15)包括超声波单晶发射探头H1(17)、超声波单晶发射探头H2(18)和超声波单晶发射探头H3(19)，所述超声波单晶发射探头H1(17)、超声波单晶发射探头H2(18)和超声波单晶发射探头H3(19)沿附着管道(1)圆周方向均匀排布固定设置在附着管道(1)侧壁上，即相邻夹角为120°并位于同一水平截面，所述截面设为B截面；
所述超声波接收模块(16)包括超声波单晶接收探头h1(20)、超声波单晶接收探头h2(21)和超声波单晶接收探头h3(22)，超声波单晶发射探头H1(17)和超声波单晶接收探头h1(20)、超声波单晶发射探头H2(18)和超声波单晶接收探头h2(21)、超声波单晶发射探头H3(19)和超声波单晶接收探头h3(22)位置一一对应固定设置在附着管道(1)侧壁上，所述超声波单晶接收探头h1(20)、超声波单晶接收探头h2(21)和超声波单晶接收探头h3(22)位于同一水平截面，所述截面设为C截面。
7.一种如权利要求1～6任一所述井下气液固三相流超声波气侵监测系统的实施方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A：分散相上升速度的监测及气侵判别
B截面和C截面内的超声波单晶发射探头H1(17)和超声波单晶接收探头h1(20)、超声波单晶发射探头H2(18)和超声波单晶接收探头h2(21)、超声波单晶发射探头H3(19)和超声波单晶接收探头h3(22)位置一一对应，各自组成一个监测单位，B截面内的超声波单晶发射探头Hi发射频率为f0，i的超声波信号，超声波经上移速度为Vi的分散相反射而产生频移Δfi的信号，则C截面内的超声波单晶接收探头hi接收到的信号，其主频fd，i＝f0，i+Δfi，其中i＝1，2，3，此处的i仅用于区分对应关系；
(a)未发生气侵时，超声波单晶接收探头h1(20)、超声波单晶接收探头h2(21)和超声波单晶接收探头h3(22)接收信号的主频分别为fs，1、fs，2、fs，3，所述fs，i是上返速度为Vs，i的岩屑对应的主频，其中i＝1，2，3，此处的i仅用于区分对应关系；
(b)发生气侵时，所述超声波单晶接收探头hi监测到频率fb，i、fs，i，其中fb，i>fs，i，所述fs，i是上返速度为Vs，i的岩屑对应的主频，所述fb，i是上返速度为Vb，i的气泡对应的主频，其中i＝1，2，3，此处的i仅用于区分对应关系；
步骤B：分散相的体积分数的监测
(1)A1截面分布有超声波双晶探头T1(6)、超声波单晶接收探头T2(7)和超声波单晶接收探头T3(8)，超声波双晶探头T1(6)向隔水管环空发射预先设定频率的超声波，超声波经分散相的反射、散射、衍射，一部分携带有环空截面内分散相体积分数
Figure FDA0002877586070000031
信息的信号由超声波双晶探头T1(6)接收，另一部分携带有环空截面内分散相体积分数
Figure FDA0002877586070000032
和
Figure FDA0002877586070000033
信息的信号分别由超声波单晶接收探头T2(7)和超声波单晶接收探头T3(8)接收；
则，A1截面的分散相体积分数为：
Figure FDA0002877586070000034
其中，f代表函数关系，具体的关系与钻井液性能、超声波频率等有关，但是所述函数关系并不是本发明需要保护的内容，在这里不做解释和介绍；
(2)A2截面的N个所述超声波双晶探头Yi具有相同的功能，且各自负责360°/N的扇形截面；对于其中1个超声波双晶探头Yi，超声波双晶探头Yi向环空多相流中发射预先设定的频率的超声波，超声波经环空内分散相的反射、散射、衍射，携带有360°/N扇形环空截面内分散相体积分数
Figure FDA0002877586070000041
信息的信号最终由超声波双晶探头Yi接收，其中未发生气侵时分散相为单纯岩屑，发生气侵后分散相为岩屑和气泡，其中i＝1，2，3，...，N，N为自然数并且大于等于3，此处的i仅用于区分对应关系；
则，A2截面的分散相体积分数为：
Figure FDA0002877586070000042
步骤C：截面含气率精确计算
(1)未发生气侵时，监测A1截面或A2截面处的分散相体积分数为
Figure FDA0002877586070000043
则此时A1截面或A2截面处的含气率为：
Figure FDA0002877586070000044
(2)发生气侵时，监测A1截面或A2截面处的分散相体积分数为
Figure FDA0002877586070000045
则此时A1截面或A2截面处的含气率为：
Figure FDA0002877586070000046
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