CN114577265A

CN114577265A - 非接触型钻井液参数测量装置以及方法

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Publication number: CN114577265A
Application number: CN202210202791.0A
Authority: CN
Inventors: 艾鑫; 陈勉; 林雪江; 李博
Original assignee: China University of Petroleum Beijing; Northeast Petroleum University
Current assignee: China University of Petroleum Beijing; Northeast Petroleum University
Priority date: 2022-03-02
Filing date: 2022-03-02
Publication date: 2022-06-03

Abstract

一种非接触型钻井液参数测量装置以及方法。其特征在于：测量装置包括连接有两路压力传感器的中央处理器，以及具有高度差的深探头和浅探头，深探头和浅探头的内部结构相同，分别置有气囊、具有密封导热体的气腔和温度传感器；测量装置内构建有分别对应深探头和浅探头的两路气腔压力传导结构，用于将气腔内的压力传导至压力传感器；所述温度传感器的感应面与密封导热体的上端面相触以获得温度值并传递给中央处理器；中央处理器获得两路压力和温度信号，根据液体压强公式计算出当前钻井液参数，所述参数包括钻井液密度和钻井液液位高度。本种装置使用中只有深、浅探头接触钻井液，长期使用时，仅需定期更换气囊而不是核心传感器，大幅度降低了钻井作业成本。

Description

非接触型钻井液参数测量装置以及方法

技术领域

本发明涉及一种钻井液测量装置，具体地说，涉及的是一种针对钻井液温度、密度和液位三参数进行非接触测量的装置。

背景技术

在钻井作业中，经常需要测量钻井液的温度、密度和液位，常规方式测量需要用到三个独立的传感器，即探头式温度传感器、差压式密度传感器和超声波液位传感器。经过长时间的现场应用，发现在现有技术下存在以下问题：这类传感器均为接触型，即传感器探头需要与钻井液直接接触，由于钻井液具有腐蚀性且杂质含量高、粘性大，长时间使用后，一方面，泥浆会在传感器表面附着淤积，需要经常对膜片表面进行清理，否则会极大地影响测量精度，另一方面，钻井液会对传感器本体造成不可逆的损害，影响传感器的寿命，需要经常更换，增加了钻井作业的成本。在我国一些含气量比较高的油田，如四川地区，这种接触型传感器的损耗更快，含硫的钻井液会加速变送器膜片以及外壳的腐蚀。

目前已有的对钻井液参数测量传感器的改进只针对信号无线传输、设备自动冲洗、钻井液自动脱气、多参数集成、自动化测量、工程预警等方面，尽管这些改进使设备更加智能，更方便现场操作，但它们都忽视了传感器与钻井液直接接触造成核心部件损伤这一关键问题，使这类设备测量参数的准确性无法保证。

因此，发明出一种具有较高可靠性且能够同时测量三参数的非接触型传感装置具有重要的现实意义。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种非接触型钻井液参数测量装置以及方法。该种装置采用了气腔压力传导结构，能够实现钻井液与精密传感器的空气隔离，使用中只有深、浅探头接触钻井液，温度测量仅测量气腔温度即可，密度和液位测量通过对探头连接的毛细导气管测压后进行计算得到，真正实现了核心传感器对钻井液的非接触式测量，彻底避免了由于钻井液腐蚀核心传感器部件带来的影响，长期使用中，仅需定期更换气囊而不是核心传感器，大幅度降低了成本，其测量精度测算可满足现场施工需求。

本发明的技术方案是：本种非接触型钻井液参数测量装置，其关键部件首先是一种探头：这种探头包括气腔3，其独特之处在于：所述探头还包括气囊2和密封导热体20。气腔3和密封导热体20均为不锈钢材质，气腔3为空心圆筒状，底端开口，用于和钻井液接触，顶端与密封导热体20的大径端螺纹密封连接。气囊2采用耐油耐高温材质，用于充填气体。探头温度传感器6置于密封导热体20的小径上端面上；密封导热体20的中央开有导气孔，用于供气囊2与气腔压力传导结构连接。

针对这种探头，进一步的改进在于：密封导热体20为空心，内置有导热砂；气囊2需充满气体与气腔3贴合，两者之间无环空。

本种非接触型钻井液参数测量装置包括连接有两路压力传感器中央处理器以及固定位置后具有高度差的深探头1和浅探头8。所述深探头和浅探头的内部结构相同，采用的就是前面给出的探头结构；所述温度传感器的感应面与密封导热体的上端面相触以获得温度值。

所述装置内构建有分别对应所述深探头和浅探头的两路气腔压力传导结构，用于将气腔内的压力传导至压力传感器，同时将所述温度传感器的温度值传递给所述中央处理器。

所述中央处理器获得两路压力和温度信号，根据液体压强公式计算出当前钻井液参数，所述钻井液参数包括钻井液密度和钻井液液位高度。

在以上基础方案下，得到如下进一步优选方案：

优选方案一：所述气腔压力传导结构包括探头毛细导气管和探头抗压管；所述探头毛细导气管的一端与气囊2连接，另一端连接至所述压力传感器的采样信号输入端，以实现气囊2产生的压强通过探头毛细导气管传导给中央处理器中的双路气体压力传感器采集通道；所述探头抗压管和探头毛细导气管均为不锈钢直管，所述探头毛细导气管位于所述探头抗压管内。

进一步的，得到优选方案二：密封导热体20的小径上端面位于所述探头抗压管内，两者之间为密封固定连接。

进一步的改进，得到优选方案三：对应连接深探头1和浅探头8的深探头抗压管5和浅探头抗压管10，分别穿过上双孔固定卡箍19和下双孔固定卡箍14，并由紧固螺栓固定，以保证两根深浅抗压管相互平行且处于和钻井液液面垂直的状态。

应用前述方案所给出的测量装置对钻井液参数进行测量是一种非接触型钻井液参数的测量方法。实施本种测量方法时，钻井液产生压力作用于深、浅探头内部的封闭气体，产生的压强通过深、浅探头毛细导气管传导给中央处理器中的双路气体压力传感器采集通道，同时，深、浅探头内部封闭气体的温度分别由深、浅探头温度传感器转换成电信号传递给中央处理器中的双路温度采集通道。中央处理器通过这四个变量，采用温度修正算法和差压法，最终计算出被测钻井液的温度、密度以及液位。

本发明具有如下有益效果：一、本发明所述测量装置具有结构简单、可靠性高、即插即用、方便维护等优点，以往需要多个传感器才能实现的测量功能，本种测量装置能够独立实现，既节省了成本又降低了系统的复杂性。二、本发明所述测量装置采用了气腔压力传导结构，能够实现钻井液与精密传感器的空气隔离。只有深、浅探头接触钻井液，温度测量仅测量气腔温度即可，密度和液位测量通过对探头连接的毛细导气管测压后进行计算得到，真正实现了核心传感器对钻井液的非接触式测量，彻底避免了由于钻井液腐蚀核心传感器部件带来的影响，长期使用中，仅需定期更换气囊而不是核心传感器，大幅度降低了成本；三、本发明所述测量装置将钻井液对气体产生的压力测量结果采用温度补偿算法进行修正，基于理想气体状态方程修正不同温度下气体压缩量，使深、浅探管液位差计算结果更为精确，从而实现了密度和液位的精确计算。这种基于理想气体状态方程修正的方法在业内属于首创，能够根据密度计算出液位也属于首创。从而达到核心传感器非接触测量的目的，可以精确的获得深、浅探管之间真实的液位差。

本发明所述的测量装置现已在中国石油大庆钻探工程公司进行过实验性应用，用于测量注入及返出钻井液的相关参数。应用后，测量精度测算如下：钻井液密度±0.2g/cm³，钻井液温度±0.5℃，泥浆罐液位±0.5cm，设备可满足现场施工需求。

附图说明：

图1为本发明所述测量装置的组成结构示意图。

图2为本发明所述测量装置的测量基本原理图。

图中：1、深探头；2、气囊；3、气腔；4、深探头毛细导气管；5、深探头抗压管；6、探头温度传感器；7、深探头温度传感器信号线；8、浅探头；9、浅探头毛细导气管；10、浅探头抗压管；11、浅探头温度传感器；12、中央处理器防爆箱；13、中央处理器；14、下双孔固定卡箍；15、深探头过孔；16、天线；17、浅探头过孔；18、供电电缆；19、上双孔固定卡箍；20、密封导热体。

具体实施方式：

下面结合附图给出本发明的一个具体实施例：

所述钻井液参数测量装置包括：1、深探头；2、气囊；3、气腔；4、深探头毛细导气管；5、深探头抗压管；6、探头温度传感器；7、深探头温度传感器信号线；8、浅探头；9、浅探头毛细导气管；10、浅探头抗压管；11、浅探头温度传感器；12、中央处理器防爆箱；13、中央处理器；14、下双孔固定卡箍；15、深探头过孔；16、天线；17、浅探头过孔；18、供电电缆；19、上双孔固定卡箍；20、密封导热体。

由图1所示，深探头1包括气囊2和气腔3两个结构，气囊可以采用耐油耐高温的胶筒材质，气腔采用不锈钢材质。深探头1的导气孔与深探头毛细导气管4密封相连，毛细导气管采用不锈钢材质。所述深探头抗压管5与深探头1通过螺纹密封相连，抗压管材质为304不锈钢。深探头毛细导气管4从深探头抗压管5内部穿过，抗压管起保护作用；所述深探头温度传感器6使用导热材料固定在深探头抗压管5内部靠近与深探头1连接的位置，温度传感器6的信号线7从深探头抗压管5内部穿过；所述深探头抗压管5的另一端通过螺纹连接中央处理器防爆箱12上的深探头过孔15，深探头抗压管5内部所穿过的深探头毛细导气管4以及深探头温度传感器6的信号线7进入到中央处理器防爆箱12内部，其中毛细导气管与中央处理器13上相应的气体压力传感器通过软导管连接，其中温度传感器与中央处理器13上相应的温度采集通道相连。中央处理器13中集成了深、浅双路气体压力、温度信号采集通道。中央处理器防爆箱12上部连接天线16，下部连接设备供电电缆18。浅探头8、浅探头毛细导气管9、浅探头抗压管10、浅探头温度传感器11、浅探头过孔17的连接关系与深探头相应的部分相同，这里不再重复。深探头抗压管5和浅探头抗压管10分别穿过双孔固定卡箍14，并分别由4个紧固螺栓固定，用以保证深浅抗压管平行。

图2所示，为所述测量装置的测量基本原理：

本实施例的非接触型钻井液参数测量传感器现场安装时需要保证设备垂直，即传感器的深、浅探头抗压管垂直于被测量的钻井液面。传感器使用时，需保证深、浅探头接触被测钻井液。钻井液产生压力作用于深、浅探头内部的封闭气体，产生的压强通过深、浅探头毛细导气管传导给中央处理器中的双路气体压力传感器采集通道，同时，深、浅探头内部封闭气体的温度分别由深、浅探头温度传感器转换成电信号传递给中央处理器中的双路温度采集通道。中央处理器通过这四个变量，采用温度修正算法和差压法，最终计算出被测钻井液的温度、密度以及液位。

中央处理器内按照如下路径对所获得的压力和温度进行计算处理：

（1）温度：依靠传感器直接测量密封导热体温度，抗压管内部密封导热体为空心，内置有导热砂,使密封导热体、钻井液二者温度相同。

（2）密度：深、浅探头内气囊底面的高度差Δh计算需要用到理想气体状态方程修正

pV=nRT

式中：p为压强（Pa），V为气体体积(m³)，T为温度(K)，n为气体的物质的量(mol)，R为摩尔气体常数。

探头压强p（测量），气体温度T（测量），n和R为已知常数，依据公式，探头内气囊容积V可以计算得到。由于气囊受到探头气腔限制，截面积已知不变，体积V变化仅为气囊长度变化，即可分别求得经过温度修正后的深、浅探头气囊底部的高度以及高度差Δh。

已获得深、浅探头的高度差Δh，钻井液对深、浅探头产生的压强差ΔP（测量），根据液体压强公式

ΔP=ρ·g·Δh

式中：ΔP为压强差（Pa），ρ为钻井液密度(g/cm³)，Δh为高度差(m)，g为重力常数。

即可求出当前钻井液密度ρ。

（3）液位：已获得钻井液密度ρ，根据深探头的压强P（测量），再利用液体压强公式

P=ρ·g·H

式中：P为压强（Pa），ρ为钻井液密度(g/cm³)，H为钻井液没过深探头底面的高度(m)，g为重力常数。

即可求出当前钻井液没过深探头底面的高度H，结合设备距泥浆罐罐底的高度和设备本身的长度，可以获得深探头距罐底的距离L，钻井液没过深探头底面的高度H加上深探头距罐底的距离L即可计算出实际钻井液液位高度。

参数测量工作完成。

为保证测量参数结果准确，深、浅探头内气囊在使用前需先充满气，使气囊与外部探头气腔贴合，仅保留最下部开口接触钻井液，缩小与钻井液接触面积。在使用前，设备需要调试校零，确保设备在探头可能存在污染的情况下，依然能测量准确。长期使用中，本设备需定期清洗、更换气囊。

Claims

1.一种探头，包括气腔（3），其特征在于：所述探头还包括气囊（2）和密封导热体（20）；气腔（3）和密封导热体（20）均为不锈钢材质，气腔（3）为空心圆筒状，底端开口，用于和钻井液接触，顶端与密封导热体（20）的大径端螺纹密封连接；气囊（2）采用耐油耐高温材质，用于充填气体；探头温度传感器（6）置于密封导热体（20）的小径上端面上；密封导热体（20）的中央开有导气孔，用于供气囊（2）与气腔压力传导结构连接。

2.根据权利要求1所述的一种探头，其特征在于：密封导热体（20）为空心，内置有导热砂；气囊（2）需充满气体与气腔（3）贴合，两者之间无环空。

3.一种非接触型钻井液参数测量装置，包括中央处理器，其特征在于：

所述中央处理器连接有两路压力传感器；

所述装置还包括固定后具有高度差的深探头（1）和浅探头（8），所述深探头和浅探头的内部结构相同，为权利要求1或2所述的探头；所述探头内的温度传感器的感应面与密封导热体的上端面相触以获得温度值；

所述装置内构建有分别对应所述深探头和浅探头的两路气腔压力传导结构，用于将气腔内的压力传导至压力传感器，同时将所述温度传感器的温度值传递给所述中央处理器；

4.根据权利要求3所述的非接触型钻井液参数测量装置，其特征在于：所述气腔压力传导结构包括探头毛细导气管和探头抗压管；所述探头毛细导气管的一端与气囊（2）连接，另一端连接至所述压力传感器的采样信号输入端，以实现气囊（2）产生的压强通过探头毛细导气管传导给中央处理器中的双路气体压力传感器采集通道；所述探头抗压管和探头毛细导气管均为不锈钢直管，所述探头毛细导气管位于所述探头抗压管内。

5.根据权利要求4所述的非接触型钻井液参数测量装置，其特征在于：密封导热体（20）的小径上端面位于所述探头抗压管内，两者之间为密封固定连接。

6.根据权利要求5所述的非接触型钻井液参数测量装置，其特征在于：对应连接深探头（1）和浅探头（8）的深探头抗压管（5）和浅探头抗压管（10），分别穿过上双孔固定卡箍（19）和下双孔固定卡箍（14），并由紧固螺栓固定，以保证两根深浅抗压管相互平行且处于和钻井液液面垂直的状态。

7.一种非接触型钻井液参数的测量方法，其特征在于使用权利要求3至6所述测量装置对钻井液参数进行测量。

8.根据权利要求7所述的一种非接触型钻井液参数的测量方法，其特征在于：所述中央处理器中的双路气体压力传感器采集通道和双路温度采集通道共向所述中央处理器输入两个压力变量和两个温度变量；所述中央处理器对所述压力变量采用温度补偿算法进行修正，基于理想气体状态方程修正不同温度下气体压缩量，之后，计算出被测钻井液的温度、密度以及液位。