CN204511424U - 一种石油井下非接触式超声波液位监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种石油井下非接触式超声波液位监控系统，涉及石油井下液位检测装置技术领域；它包括多个超声波液位检测仪，超声波液位检测仪的上端连接于内套管上，下端连接于接箍上，且接箍的下端则与另一节内套管相连接；超声波液位检测仪包括一体式支撑套座、超声波发射接收集成电路板、超声波发射传感器、超声波接收传感器，一体式支撑套座具有与内套管相连通的异形槽；超声波液位检测仪上连接有钢管电缆，该钢管电缆电性连接至超声波发射接收集成电路板上，其另一端连接至分线汇流接头，该分线汇流接头分别同地面电源系统、数据采集处理器以及监控系统电性连接；本实用新型的有益效果是：本实用新型的技术方案中，与需要判定的介质是非接触式的，不需要破坏内套管的自身结构进行介质采样，可以实时监控相关监测点位的液面情况。

Description

一种石油井下非接触式超声波液位监控系统

技术领域

本实用新型涉及石油、天然气钻井的液位监控设备，更具体的说，本实用新型涉及一种石油井下非接触式超声波液位监控系统。

背景技术

在石油、天然气勘探、开采钻井时,为了冷却钻头、实施喷射钻井，以及将井底钻头切削下来的岩削从井底带到地面都要使用钻井泥浆，另外，还可以通过调整钻井泥浆的密度，使井眼环空的泥浆液柱与井下的压力相平衡，这种平衡可以防止可能发生的井喷事故。在起钻过程中，当提起钻具时，井筒液位将下降，其下降高度与起钻钻杆的数量(长度)成正比，而应补充的钻井用泥浆的体积亦与起钻钻杆的体积相当，并通过泥浆灌注装置注入井筒内。

常规的钻井泥浆灌注装置包括主控制机、带搅拌器的泥浆罐及其液位监测器，包括泥浆泵、电动机、电控箱及流量传感器在内的灌注机构，溢流返回机构。其灌注方法是起钻时通过人工计算起出的钻杆数，然后输入主机处理后向灌注机构发出灌注指令及需注入的泥浆体积，经泥浆泵及设于其泵口的流量传感器执行、计量，同时将信息返馈主机以控制其灌注量。

正常情况下,泥浆池流出的泥浆和流入的泥浆保持平衡。如果出现不平衡,将意味着要发生井喷或漏井。当井筒内泥浆液位下降时要及时准确的灌注泥浆，因此实时监控井下钻井液位的深度变化十分必要。

大多数情况下，石油井下的液位监控是凭人工经验进行液位判定识别，并不能做到实时监测液位，既不科学，也不确切。

对泥浆池液面进行测量，现有技术一般是现场采用一种浮子式液面检测器和带刻度的标尺，需要钻井工人进行人工观测、记录和对比，再判断是否出现溢流或井漏。因此，在正常情况下，从泥浆罐中泵到井下的泥浆与从井下返回的泥浆量应基本相等，但是在遇到井漏时，从并下返回的泥浆就会很少或者完全失返，这时泥浆罐中的泥浆液面就会快速下降；或者在遇到井下突然发生的高压而产生井涌时，井下向上的压力就会推动井下环空中的泥浆向上涌，并进入泥浆罐，这时泥浆罐中泥浆液面就会快速的上升；当这两种情况发生时，如果不能及时发现并采取灌注泥浆堵漏或者加重泥浆实施压井，就会造成严重的事故。为了及时了解泥浆罐中液面的高低，目前基本方法是在钻达预定层位时安排人员随时检测泥浆罐中的液面，还在泥浆罐上配备有液位显示器，显示器的另一端由软绳连接一个浮子，当液面处于设定的高度时，刚好将浮子浮起，显示器上的读数也在设定的位置，当液位下降或者超过设定的高度时，显示器就会被浮子拉着向下或者向上显示出危险的液位；还有的采用声波或者光对液面进行液面高低进行测试，测出超过液位的上、下限位时就会报警。目前这些装置的问题是:前者由软绳连接，因此测量的液位不准确，有时还会发生误报；后者虽然采用了现代技术，但是所有的装置都是电子产品，在钻井现场的恶劣环境中使用很容易被损坏，特别是对泥浆罐进行清洗时，不可避免的会对这些电子产品带来损坏，而且维护费用也很贵，维修也必须要专业技术人员才能完成。

另外泥浆罐体积大，发生井涌或井漏后，泥浆罐液位变化缓慢，不能灵敏地监控井涌和井漏事故。 因此，需要一种快速、灵敏监控泥浆的系统。

对于井筒内的泥浆液位，国内目前没有成熟可靠的技术进行准确实时的监控，更无法直接利用超声波原理进行井下液位检测，尤其不能做到非接触式的应用。国外利用超声波对液态介质的研究也有。但是由于钻井液（泥浆），尤其是油基泥浆对超声波的散射和吸收特性，即便是短距离传递超声波信号都非常困难。

发明内容

本实用新型的目的在于有效克服上述技术的不足，提供一种石油井下非接触式超声波液位监控系统，该系统不需要破坏内套管的自身结构进行介质采样，也不需要任何对内套管进行额外加工和改变，可以实时监控相关监测点位的液面情况。

本实用新型的技术方案是这样实现的：它包括多个超声波液位检测仪，其原理及实施方案在于：超声波液位检测仪的上端连接于内套管上，下端连接于接箍上，且接箍的下端与另一节内套管相连接；超声波液位检测仪是跟随内套管下井的，其下钻深度即为所需监控、检测点液位（或气体）深度，因此是对钻井液位的实时监测。

所述超声波液位检测仪包括一体式支撑套座、超声波发射接收集成电路板以及与之电性连接的超声波发射传感器和超声波接收传感器，超声波发射传感器和超声波接收传感器相对的设置于一体式支撑套座的两侧，一体式支撑套座具有与内套管相连通的异形槽；

所述超声波液位检测仪上连接有钢管电缆，其连接部位设有密封接头，该钢管电缆电性连接至超声波发射接收集成电路板上，钢管电缆的另一端连接至分线汇流接头，该分线汇流接头分别同地面电源系统、数据采集处理器以及监控系统电性连接。

在上述结构中，所述超声波发射接收集成电路板上方设有电路板端盖，超声波发射传感器上方设有发射端盖板，超声波接收端传感器上方设有接收端盖板。

在上述结构中，所述发射端盖板和接收端盖板上还分别设有一限位盖板。

在上述结构中，所述的内套管的外表面上安装有电缆卡箍和电缆保护器，所述电缆卡箍用于紧固上述的钢管电缆，电缆保护器对电缆起来保护作用。

在上述结构中，所述的钢管电缆通过穿管螺母连接在超声波液位检测仪上。

在上述结构中，所述超声波液位检测仪与所述内套管螺纹连接。

在上述结构中，它包括两个超声波液位检测仪，第一超声波液位检测仪的上端与第一内套管相连接，下端与第一接箍连接，该第一接箍的下端则与第二内套管相连接，第二超声波液位检测仪的上端则与第二内套管的下端相连接，第二超声波液位检测仪的下端则与第二接箍相连接。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型采用这样特殊的设计，超声波传感器并不直接与被监测的介质发生任何接触，大大缩短了超声波传递的距离，可以做到结构上完全不受水基泥浆、油基泥浆、气体介质的影响，均可监测监控点的液面；该装置解决了由于油基泥浆不能长距离传递超声波信号，以及巧妙地避开了当套管中有钻杆的情形，超声波易被其干扰而改变传播和接收方向的难题；另外，解决了现有石油井下的仅凭人工和经验的进行液位判定识别，不能做到实时监测液位的技术难题；通过接收到的不同信号，从时间参数的不同和电压脉冲信号状态进行区分辨识，来判定井下该深度下到底是气体还是泥浆介质，从而可以指导地面上的操作人员进行相应的操作；本实用新型的技术方案中，与需要判定的介质是非接触式的，即不需要破坏内套管的自身结构进行介质采样，也不需要任何对内套管进行额外加工和改变，可以在通过地面电脑数据处理系统及示波软件，实时监控相关监测点位（井深）的液面情况；本实用新型结合石油钻井超声波液位监测原理，还可以大体判定该监控深度下的液体介质的情况，可以区分水基泥浆和油基泥浆，大致了解其比重和粘度情况。

【附图说明】

图1为本实用新型超声波液位检测仪的剖面视图；

图2为图1中A-A处的剖视图；

图3为本实用新型超声波液位检测仪的主视图；

图4为本实用新型超声波液位检测仪的侧视图；

图5为图4中B-B处的剖视图；

图6为本实用新型的具体实施例图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

图1是本实用新型中实施例1所述超声波液位检测仪的剖视图。

图2即为图1截面视图（从上至下，依次为超声波发射传感器槽107、短距离超声波传导路径异型槽108、超声波接收传感器槽109）。

由于高频超声波在气体介质中的急剧衰减特性，如果异型槽界面是气体，超声波接收传感器的是接收不到任何声波信号。而如果异型槽中充满的是液体介质，无论是油基泥浆、水基泥浆，高密度高粘度泥浆，超声波信号均能进行短距离传递，被超声波接收传感器所接收。该被接收信号又通过电线传回超声波发射接收集成电路中，经过集成电路增益放大处理，将接收信号通过钢管电缆的信号线送至地面，地面通过数据处理或示波器，即可获得该接收信号。通过对比获取的信号的差异，地面就可以判别该监控位置深度是否是泥浆液位还是空气界面。采用这样特殊的设计，超声波传感器并不直接与被监测的介质发生任何接触，大大缩短了超声波传递的距离，可以做到结构上完全不受水基泥浆、油基泥浆、气体介质的影响，均可监测监控点的液面。该装置解决了由于油基泥浆不能长距离传递超声波信号，以及巧妙地避开了当套管中有钻铤的情形，超声波易被其干扰而改变传播和接收方向的难题。

参照图6所示，本实用新型揭示的一种石油井下非接触式超声波液位监控系统，该系统利用超声波在不同介质下具有不同的传播速度的特性以及气体、液体、固体介质不同的穿透特性，进行对石油井下钻井液（俗称泥浆）液位进行监测。

具体的，结合图1至图6所示，即为本实用新型的公开的具体实施例，在本实施例中，该石油井下非接触式超声波液位监控系统包括多个超声波液位检测仪10，超声波液位检测仪10的数量可根据需要进行设定，该超声波液位检测仪10的上端连接与内套管20上，一般的采用螺纹连接，超声波液位检测仪10的下端连接于接箍30上，本实施例中，结合图6所示，本实用新型包括有两个超声波液位检测仪10，第一超声波液位检测仪10的上端与第一内套管20相连接，下端与第一接箍30连接，该第一接箍30的下端则与第二内套管20相连接，第二超声波液位检测仪10的上端则与第二内套管20的下端相连接，第二超声波液位检测仪10的下端则与第二接箍30相连接。

较为详细的，结合图3至图5所示，超声波液位检测仪10包括一体式支撑套座101，超声波发射接收集成电路板102以及与之电性连接的超声波发射传感器103和超声波接收传感器104，超声波发射传感器103和超声波接收传感器104相对的设置于一体式支撑套座101的两侧，一体式支撑套座101具有与内套管20相连通的异形槽；超声波液位检测仪10上连接有钢管电缆105，其连接部位设有密封接头106，该钢管电缆105电性连接至超声波发射接收集成电路板102上，钢管电缆105的另一端连接至分线汇流接头106，该分线汇流接头106分别同地面电源系统、数据采集处理器以及监控系统电性连接。钢管电缆105通过穿管螺母1050连接在超声波液位检测仪10上

为了保持良好的密封性能，超声波发射接收集成电路板102上方设有电路板端盖1020，超声波发射传感器103上方设有发射端盖板1030，超声波接收端传感器104上方设有接收端盖板1040；另外，发射端盖板1030和接收端盖板1040上还分别设有一限位盖板40。

继续参照图6所示，内套管20的外表面上安装有电缆卡箍201和电缆保护器202，电缆卡箍201用于紧固上述的钢管电缆105，电缆保护器202对钢管电缆105起来保护作用，并且钢管电缆105通过穿管螺母1050连接在超声波液位检测仪10上。

结合上述的结构，我们对本实用新型的安装过程和工作过程进行详细的描述。

1、超声波液位检测仪的上端接内套管，下端接入接箍，再与下一节内套管相连，通过此种方式将多个超声波液位检测仪，在本实施例中，则连接两个超声波液位检测仪，测量的位置分别为深度位置A1和深度A2。

2、将定制的钢管电缆与超声波液位检测仪的分线汇流接头的上接头相接，用穿管螺母、前卡芯、后卡芯穿好，做好密封并紧固穿管螺母；分别接好电源信号线缆，在每段内套管上接好定制的电缆卡箍和电缆保护器。

3、跟随内套管下井，此时超声波液位监测仪1下至所需的监控点1（深度位置A1），而超声波液位监测仪装置2下至所需的监控点2（深度位置A2）。

4、将分流汇流接头的电缆接口分别与地面电源系统、数据采集机处理、监控系统连接，至此整套系统连接就位。

5、正常情况下，在正常的泥浆循环，液位在深度位置A1上维持液位平衡，也就说，A1、A2位置都处于液体介质之中。此时两个超声波液位检测仪的一体式支撑套座内壁异型槽中充满流动的液体介质，超声波液位检测仪正常工作，显示超声波发生及接收脉冲信号，此时地面上可以观测到，每一个检测位置点（深度位置A1、深度位置A2）都会近似一致的电压脉冲波形。

6、当泥浆液位出现波动情况下，假设液位从A1位置往下降至某一深度A’,此时A2位置的输出波形完全不受影响,而A1位置的介质界面变为空气，此时不进行任何操作。当泥浆液位下降至A2以下时，A1处和A2处的超声波液位仪中的超声波发射传感器经过12mm厚的钢壁，又通过25mm的异型槽宽度的空气介质，再经12mm厚的钢壁，由于空气介质的发散效用，在另一侧设置的超声波接收传感器不能接收到其透射信号。因此地面上的A1通道、A2通道中的显示波形发生变化，基本上观察不到电压脉冲信号。此时启动告警装置，通知地面进行相应操作，注入泥浆，使得泥浆液位上升到深度位置A1，达到安全液位，此时A1处超声波液位仪装置中的超声波发射传感器经过12mm的钢壁，又通过25mm的异型槽宽度的泥浆介质，再经12mm厚的钢壁，由于泥浆液体介质的超声波信号传递作用，在另一侧设置的超声波接收传感器接收到其透射信号，此时观察地面A1通道的脉冲信号，回到原来大致相近的水平。

7、当泥浆液位出现较大的失衡，比如由于起钻之后带来内套管内较大的液位变化，此时液位迅速下降，当将至深度位置A2时，此时A1、A2两个监测点的深度位置填充满了空气介质,此时A2通道的脉冲信号也迅速消失（原理同第6项一致），此时A1、A2通道出现同时告警，为危险状态，应启动泥浆灌注泵进行灌液。在灌注阶段，如若灌注的时间过长，超过灌满A1至A2段的理论时间，则说明井漏，需要报警。

本实用新型通过实时持续对超声波发射接收信号的观测，可以实时掌握套管内液面高度变化情况，了解液位是否处于安全状态还是告警状态，地面工作人员可以及时掌握井下液位的深度位置，从而采取不同的应对措施。

本实用新型的技术方案中，与需要判定的介质是非接触式的，即不需要破坏内套管的自身结构进行介质采样，也不需要任何对内套管进行额外加工和改变，可以在通过地面电脑数据处理系统及示波软件，实时监控相关监测点位（井深）的液面情况；另外，本实用新型结合石油钻井超声波液位监测原理，还可以大体判定该监控深度下的液体介质的情况，可以区分水基泥浆和油基泥浆，大致了解其比重和粘度情况。

以上所描述的仅为本实用新型的较佳实施例，上述具体实施例不是对本实用新型的限制。在本实用新型的技术思想范畴内，可以出现各种变形及修改，凡本领域的普通技术人员根据以上描述所做的润饰、修改或等同替换，均属于本实用新型所保护的范围。

Claims (7)

1.一种石油井下非接触式超声波液位监控系统，其特征在于：它包括多个超声波液位检测仪，超声波液位检测仪的上端连接于内套管上，下端连接于接箍上，且接箍的下端则与另一节内套管相连接；

所述超声波液位检测仪包括一体式支撑套座、超声波发射接收集成电路板以及与之电性连接的超声波发射传感器和超声波接收传感器，超声波发射传感器和超声波接收传感器相对的设置于一体式支撑套座的两侧，一体式支撑套座具有与内套管相连通的异形槽；

所述超声波液位检测仪上连接有钢管电缆，其连接部位设有密封接头，该钢管电缆电性连接至超声波发射接收集成电路板上，钢管电缆的另一端连接至分线汇流接头，该分线汇流接头分别同地面电源系统、数据采集处理器以及监控系统电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种石油井下非接触式超声波液位监控系统，其特征在于：所述超声波发射接收集成电路板上方设有电路板端盖，超声波发射传感器上方设有发射端盖板，超声波接收端传感器上方设有接收端盖板。

3.根据权利要求2所述的一种石油井下非接触式超声波液位监控系统，其特征在于：所述发射端盖板和接收端盖板上还分别设有一限位盖板。

4.根据权利要求1所述的一种石油井下非接触式超声波液位监控系统，其特征在于：所述的内套管的外表面上安装有电缆卡箍和电缆保护器，所述电缆卡箍用于紧固上述的钢管电缆，电缆保护器对电缆起来保护作用。

5.根据权利要求1或4所述的一种石油井下非接触式超声波液位监控系统，其特征在于：所述的钢管电缆通过穿管螺母连接在超声波液位检测仪上。

6.根据权利要求1所述的一种石油井下非接触式超声波液位监控系统，其特征在于：所述超声波液位检测仪与所述内套管螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的一种石油井下非接触式超声波液位监控系统，其特征在于：它包括两个超声波液位检测仪，第一超声波液位检测仪的上端与第一内套管相连接，下端与第一接箍连接，该第一接箍的下端则与第二内套管相连接，第二超声波液位检测仪的上端则与第二内套管的下端相连接，第二超声波液位检测仪的下端则与第二接箍相连接。