一种钻井液出口流量定量检测装置论文和设计-万亚旗

全文摘要

本实用新型提供一种钻井液出口流量定量检测装置，包括雷达液位测量探头、雷达流速测量探头、数据采集模块、A\/D转换模块、上位机、异常工况判断模型；雷达液位测量和流速测量探头用来测量钻井液架空槽内流动钻井液的液位高度和流体流速，测得数据通过带屏蔽的信号线接入数据采集模块，完成信号的采集、放大、整形、滤波、传送等操作；经过A\/D转换模块，提供485总线或4‑20mA模拟信号输出模式，接入上位机软件中；上位机对数据进行分析处理，完成数据\/曲线的存储、打印、回放等功能，同时通过异常工况模型判断，对异常工况发出报警信号；对井涌、井漏等异常工况预警，对于提高钻井安全有着非常重要的意义。

主设计要求

1.一种钻井液出口流量定量检测装置，其特征在于：所述钻井液出口流量定量检测装置包括雷达液位测量探头(2)、雷达流速测量探头(3)、数据采集模块(4)、A\/D转换模块(5)、上位机(6)、异常工况判断模型(7)、报警(8)；所述雷达液位测量探头(2)和雷达流速测量探头(3)检测钻井液液位和流速数据；所述数据采集模块(4)采集所述钻井液液位和流速数据并传送到A\/D转换模块(5)；所述A\/D转换模块(5)将接收的数据转换为上位机(6)可以识别的信号；所述上位机(6)将信号分析处理后的数据传送到异常工况判断模型(7)；所述异常工况判断模型(7)将接收的数据与预设模型比对，如果超出正常范围，则向报警(8)发出报警信号；所述报警(8)接收到报警信号后发出报警。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种钻井液出口流量定量检测装置，其特征是，所述数据采集模块(4)和A\/D转换模块(5)置于室外防爆箱(9)内。

3.根据权利要求1所述的一种钻井液出口流量定量检测装置，其特征是，所述雷达液位测量探头(2)垂直安装；所述雷达流速测量探头(3)安装方向与钻井液流动方向一致。

4.根据权利要求1所述的一种钻井液出口流量定量检测装置，其特征是，所述异常工况判断模型(7)根据预设模型比对数据，如低于正常范围，则发出井漏报警信号，如高于正常范围，则发出井涌报警信号；所述报警(8)设置不同的报警等级，根据不同的报警信号设置声音报警或光报警或声光同时报警。

设计说明书

技术领域

本专利涉及钻井工程领域，特别是涉及到一种钻井液出口流量定量检测装置，能够实现精确测量钻井液出口流量。

背景技术

在钻井作业过程中，溢流、井涌、井漏等异常工况的快速、准确预报对于钻井安全有着十分重要的作用，精确测量钻井液出口流量是及时、准确发现以上异常工况的重要有效手段。在钻井液出口架空槽中测量是最精确、最直接的方式之一。但在架空槽处测量钻井液出口流量主要存在以下几个方面的难点：

1、大多数钻井液属于非牛顿流体，不遵守牛顿内摩擦定律，给测量增加了难度。

2、钻井液粘度大，最高可达12mPa.s。在如此高的粘度下，使用常规的超声波多普勒无法穿透，不能使用。

3、钻井液是高温流体，深部储层的温度最高可达200～260℃，会产生大量的蒸汽。水蒸汽上升到超声波探头上时冷凝成小水珠，小水珠对超声波的反射和回收数据有很大的影响，造成测量数据误差较大。

4、钻井液经过架空槽返出地面时，均为不满管状态，并且架空槽常用圆管，增加了测量的难度。

5、钻井液中不同深度中各点的流速不同，从管壁至管道中心线，流速逐渐增加。

综合以上五点，常规的流量检测系统无法在钻井液出口流量精确检测中使用。

为此我们实用新型了一种新的钻井液流量检测装置，解决以上技术问题。

实用新型内容

针对常规流量检测系统存在的不足，本实用新型的目的在于提出一种钻井液出口流量定量检测装置，其技术方案如下：

一种钻井液出口流量定量检测装置，所述钻井液出口流量定量检测装置包括雷达液位测量探头、雷达流速测量探头、数据采集模块、A\/D转换模块、上位机、异常工况判断模型、报警；所述雷达液位测量探头和雷达流速测量探头检测钻井液液位和流速数据；所述数据采集模块采集所述钻井液液位和流速数据并传送到A\/D转换模块；所述A\/D转换模块将接收的数据转换为上位机可以识别的信号；所述上位机将信号分析处理后的数据传送到异常工况判断模型；所述异常工况判断模型将接收的数据与预设模型比对，如果超出正常范围，则向报警发出报警信号；所述报警接收到报警信号后发出报警。

进一步的，所述数据采集模块和A\/D转换模块置于室外防爆箱内。

进一步的，所述雷达液位测量探头垂直安装；所述雷达流速测量探头安装方向与钻井液流动方向一致。

进一步的，所述异常工况判断模型根据预设模型比对数据，如低于正常范围，则发出井漏报警信号，如高于正常范围，则发出井涌报警信号；所述报警设置不同的报警等级，根据不同的报警信号设置声音报警或光报警或声光同时报警。

还包括一种钻井液液位测量方法，使用一种钻井液出口流量定量检测装置；所述异常工况判断模型通过雷达液位测量探头测量的液位高度数据和雷达流速测量探头测量的钻井液流速v，雷达液位测量探头垂直安装于钻井液出口架空槽的上方，雷达基线位置代表4mA(空管)，雷达基线与架空槽最顶端的距离代表20mA(满管)。假设探头输出电流为xmA，则有以下公式：

h_{3<\/sub>＝h_{4<\/sub>-h_2<\/sub>}}

h＝D-d-h_3<\/sub>

综上

式中：D-架空槽管径

d-架空槽壁厚

h-液位高度

h1-探头提离高度

h2-液位与基线距离

h3-液位与架空槽最顶端的距离

h4-雷达基线与架空槽最顶端的距离(一般情况下设置为1米，已知)

根据雷达液位测量探头测量出的液位高度h和雷达流速测量探头测量出的钻井液流速v，计算出架空槽横截面圆心到液面两端连线所成的夹角θ。

其中：θ—架空槽横截面圆心到液面两端连线所成夹角；

D—架空槽直径；

h—液位高度；

当液位高度低于架空槽管径一半时，钻井液出口流量有以下公式：

其中：Q—钻井液出口流量；

k—校正系数；

θ—架空槽横截面圆心到液面两端连线所成夹角；

D—架空槽直径；

h—液位高度；

v—流速。

当液位高度高于架空槽管径一半时，钻井液出口流量有以下公式：

其中：Q—钻井液出口流量；

k—校正系数；

θ—架空槽横截面圆心到液面两端连线所成夹角；

D—架空槽直径；

h—液位高度；

v—流速。

本专利的有益效果是：精确测量钻井液出口流量，取代常规的靶式流量传感器或超声波体积传感器，使出口流量完成从定性分析到定量分析的转变。与常规的井涌、井漏等异常工况监测系统相比，钻井液出口流量定量检测，可以提前发现井涌、井漏等异常工况，为完成“早发现、早关井、早处理”的井控工作提供了一种新的可靠方法，对于提高钻井安全有着非常重要的意义。

该装置基于一种雷达波液位检测方法测量液位高度，采用雷达多普勒技术测量钻井液流速，并针对不同粘度、不同管径、不同流量，经过一系列实验数据分析，找出流量与表面流速的数学相关性，总结出计算模型，精确计算出钻井液出口流量。通过异常工况判断模型，从而实现对溢流、井涌、井漏等异常工况的准确预报。

附图说明

图1是本专利的具体实施结构图。

具体实施方式

参考图1，一种钻井液出口流量定量检测装置，所述钻井液出口流量定量检测装置包括雷达液位测量探头(2)、雷达流速测量探头(3)、数据采集模块 (4)、A\/D转换模块(5)、上位机(6)、异常工况判断模型(7)、报警(8)；所述雷达液位测量探头(2)和雷达流速测量探头(3)检测钻井液液位和流速数据；所述数据采集模块(4)采集所述钻井液液位和流速数据并传送到A\/D转换模块(5)；所述A\/D转换模块(5)将接收的数据转换为上位机(6)可以识别的信号；所述上位机(6)将信号分析处理后的数据传送到异常工况判断模型 (7)；所述异常工况判断模型(7)将接收的数据与预设模型比对，如果超出正常范围，则向报警(8)发出报警信号；所述报警(8)接收到报警信号后发出报警；所述数据采集模块(4)和A\/D转换模块(5)置于室外防爆箱(9)内；所述雷达液位测量探头(2)垂直安装；所述雷达流速测量探头(3)安装方向与钻井液流动方向一致。

所述异常工况判断模型(7)根据预设模型比对数据，如低于正常范围，则发出井漏报警信号，如高于正常范围，则发出井涌报警信号；所述报警(8)设置不同的报警等级，根据不同的报警信号设置声音报警或光报警或声光同时报警。

一种钻井液液位测量方法，使用一种钻井液出口流量定量检测装置；所述异常工况判断模型(7)通过雷达液位测量探头(2)测量的液位高度数据和雷达流速测量探头(3)测量的钻井液流速v，雷达液位测量探头2垂直安装于钻井液出口架空槽的上方，雷达基线位置代表4mA(空管)，雷达基线与架空槽最顶端的距离代表20mA(满管)。假设探头输出电流为xmA，则有以下公式：

h_{3<\/sub>＝h_{4<\/sub>-h_2<\/sub>}}

h＝D-d-h_3<\/sub>

综上

式中：D-架空槽管径

d-架空槽壁厚

h-液位高度

h1-探头提离高度

h2-液位与基线距离

h3-液位与架空槽最顶端的距离

h4-雷达基线与架空槽最顶端的距离(一般情况下设置为1米，已知)

根据雷达液位测量探头2测量出的液位高度h和雷达流速测量探头测量出的钻井液流速v，计算出架空槽横截面圆心到液面两端连线所成的夹角θ。

其中：θ—架空槽横截面圆心到液面两端连线所成夹角；

D—架空槽直径；

h—液位高度；

当液位高度低于架空槽管径一半时，钻井液出口流量有以下公式：

其中：Q—钻井液出口流量；

k—校正系数；

θ—架空槽横截面圆心到液面两端连线所成夹角；

D—架空槽直径；

h—液位高度；

v—流速。

当液位高度高于架空槽管径一半时，钻井液出口流量有以下公式：

其中：Q—钻井液出口流量；

k—校正系数；

θ—架空槽横截面圆心到液面两端连线所成夹角；

D—架空槽直径；

h—液位高度；

v—流速。

工作原理：本实用新型通过测量钻井液出口架空槽内的液位高度和钻井液流速参数，通过预设模型计算得出钻井液出口流量的精确数值。

液位高度采用雷达液位检测方法进行测量，由雷达液位测量探头完成雷达检测技术实质上是一种高频电磁波发射与接收技术。雷达波由自身激振产生，直接向液体表面发射射频电磁波，通过波的反射与接收获得液体表面的采样信号，再经过软硬件处理得到检测结果。雷达波是一种电磁波，而超声波是一种机械波。与常规的超声波测量液位相比，雷达波具有雾气穿透能力强，信号聚集能力好等特点。

钻井液流速测量探头为一种雷达多普勒原理的专门测量流体表面流速的传感器，与常规的采用超声波多普勒测量流速的原理是不同的。当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，多普勒雷达如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。

在钻井作业过程中，钻井液出口架空槽一般为非满管状态，出口流量测量采用雷达液位测量装置和雷达多普勒测速装置，测量出流速与液位高度两个参数，结合公式计算出钻井液出口流量。出口流量测量装置由雷达液位测量探头和雷达流速测量探头组成，须安装在钻井液出口架空槽上。在架空槽上端开一大小合适的口，使雷达液位测量探头和流速测量探头达到最佳工作状态。雷达液位测量装置垂直安装于架空槽上侧；雷达流速测量探头必须垂直安装于架空槽上方，其安装高度、与水平面的俯角均应调整至最佳位置。根据雷达液位测量装置测量的液位高度计算出架空槽中钻井液的截面积，与雷达流速测量装置测量出的流速的乘积即为出口流量。

雷达液位与流速测量装置的探头采集的信号应通过带屏蔽的信号线接入数据采集模块，完成信号的采集、放大、整形、滤波、传送等操作。经过A\/D转换模块，提供485总线或4-20mA输出模式，接入上位机软件中。上位机软件对数据进行分析处理，计算、完成数据存储、打印、回放等功能，同时通过异常工况判断模型，对异常工况发出报警信号。

雷达液位测量探头2和雷达流速测量探头3安装在钻井液架空槽1开口上，使用特制安装架进行固定，并密封完好，防止钻井液从开口溢出。采集的探头信号通过带屏蔽功能的电缆线连接至数据采集模块4，通过A\/D转换模块5，经过485总线或4-20mA模拟信号输出模式把采集信号传送至上位机6，经过上位机6内软件进行数据处理、计算等工作，得出钻井液出口流量精确数值，通过异常工况判断模型7进行分析处理，如果超出正常范围，则发出报警8信号。上位机软件具有数据库管理和wits传输功能，同时兼有数据\/曲线监视、打印、回放等功能。数据采集模块4和A\/D转换模块5也可以置于室外防爆箱9内。

设计图

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