鉆井液流量檢測技術

中石化勝利工程有限公司地質(zhì)錄井公司

摘要：鉆井液出入口流量的準確檢測是發(fā)現(xiàn)以上異?，F(xiàn)象的重要手段之一，因此準確實現(xiàn)鉆井液出入口流量的檢測，對于現(xiàn)場油氣鉆探的安全施工有著重要的意義。

關鍵詞：鉆井液流量；檢測；錄井；研究方法

引言

在鉆井現(xiàn)場，鉆井液出口流量是一個重要的參數(shù)，根據(jù)出口流量的變化能夠判斷井下異常情況，通常情況下是利用靶式流量計來測量，其測量原理是靠泥漿的沖擊使靶體發(fā)生位移，帶動電阻變化，產(chǎn)生信號變化，反應靈敏，測量結(jié)果能夠快速反映鉆井液出口流量的變化；靶體使用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料制作，成本低廉、原理簡單、不容易損壞。該傳感器存在諸多缺點：

1、使用困難，傳感器一般是裝在架空管線上，需要對架空管線開口，安裝人員需要佩戴安全帶，進行高處作業(yè)；

2、經(jīng)過長時期使用，傳感器會變得不靈活，泥漿在靶體上固結(jié)，形成泥餅，影響了測量的精度，導致傳感器的輸出信號變小，不能反映泥漿流量的真實變化；

3、無法根據(jù)實際情況標定傳感器，當受到鉆井液沖擊后，其上升和回落之間的落差較大，只能反映一個相對值，不能計算真實的流量變化。

所以，靶式流量傳感器的測量精度不能滿足鉆井過程中井涌、井漏及其他鉆井安全事故監(jiān)控預報的需求。

1、研究意義

鉆井液入口流量采用泥漿泵計算的方法獲得，存在誤差大、受泥漿泵效率影響大等問題。因此，研制一套鉆井液出入口流量實時檢測單元，對于準確計算鉆井過程中的鉆井液體積變化具有重要意義。

在鉆井現(xiàn)場，如果采用的流量檢測手段不適合，對井漏井涌等異常工況的發(fā)生預測不及時，將會造成極為嚴重的后果。在重慶開縣發(fā)生過重大的死傷事故，在天然氣井鉆進時，若處理措施不恰當，還會引起失控著火、爆炸以及地層下陷等事故。為預防各種事故的發(fā)生，鉆井過程中，錄井人員應該做好井控監(jiān)視工作，及時發(fā)現(xiàn)溢流、井漏等征兆，進行快速匯報。需要對鉆井液流量進行定量、實時的檢測，及時發(fā)現(xiàn)各類異常工況，及時進行預警，在根本上防止井噴等事故的發(fā)生，以便于鉆井工作的順利實施，提高社會效益。

目前，錄井技術逐漸向智能化發(fā)展，以電子設施、智能化儀表的自動監(jiān)測控制代替常規(guī)的人工坐崗，能夠減少因人工疲倦、失誤造成的情況誤判、漏報、錯報，尤其在情況復雜的地區(qū)，憑人工的經(jīng)驗進行施工，容易造成巨大的事故，導致國家財產(chǎn)蒙受巨量的損失。鉆井液流量的智能監(jiān)測、智能預報，不僅提供了可觀的數(shù)據(jù)信息，還可以實時分析相關的參數(shù)，進行智能化預報，為鉆井工程技術人員的現(xiàn)場施工和后方人員的決策提供了配套的數(shù)據(jù)。因此研發(fā)出一套相應的系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測鉆井液的流量，采集各項數(shù)據(jù)，自動對鉆井現(xiàn)場情況提出分析，實現(xiàn)對井涌井漏等復雜工況的預報，具有十分重要的意義。

2、研究方法選擇

人們利用超聲波來測量流體流量的歷史已經(jīng)接近一百年。最早的是Ruttgen于 1931 年發(fā)表的德國專利，寫了一種相差法計算流速的超聲波流量計。但該專利并沒有實際的產(chǎn)品研制成。自 50 年代，美國人提出將時差通過多次循環(huán)放大后再進行測量的“鳴環(huán)”（sing-around）時差法，彌補了當時電子技術不足，使超聲波流量計的產(chǎn)品化邁出關鍵性一步。1963 年首臺工業(yè)應用樣機由日本的 Tokyo Keiki 公司研制成功，60 年代末期到 70年代早期，人們把興趣轉(zhuǎn)向了利用聲學中的多普勒效應的超聲波流量計的理論研究與研制上，從而導致超聲多普勒流量計在這一時刻的誕生。進入 80 年代后，由于數(shù)字電子技術、數(shù)字超聲技術、微處理器技術等現(xiàn)代先進技術的發(fā)展，落后的模擬超聲波流量計技術被逐步取代，超聲波流量計的各種測量性能得到了大幅度的提高，使其開始真正進入工業(yè)測量領域。進入二十一世紀以后，高速數(shù)字信號處理器技術，現(xiàn)代數(shù)字信號技術等先進技術在超聲波流量計方面的成功應用，再加上使用了友好的人機界面，參數(shù)設置等其它輔助功能，使得超聲波流量計測量的精確性、穩(wěn)定性及操作的便利性得到了充分的體現(xiàn)。

超聲波多普勒測流量原理以物理學中多普勒效應為基礎。當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個因相對運動而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。在超聲波多普勒流量測量過程中，發(fā)射器發(fā)生一個固定聲源，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用。發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運動而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。由于這個頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速。進而可以得到流體的流量。

3、研究思路

用一對斜探頭夾裝于被測管道的外側(cè)。假設流體運動方向和超聲波束的夾角是，超聲波在被測液體中的速度為，并認為懸浮粒子和流體以相同的速度運動，推導流體流速與多普勒頻移之間的關系。當發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波束在管道的中心軸線上遇到一粒固體散射顆粒，且該粒子正以一定的速度做勻速直線運動，因為發(fā)射的超聲波束與管軸線有一定的夾角，所以對于超聲波發(fā)射端換能器來說，該粒子是以勻速離去，那么散射粒子接收到的超聲波頻率應該低于換能器發(fā)射的超聲波頻率，由多普勒效應原理可以推導出粒子的運動速度。當流量計、管道條件及被測介質(zhì)確定以后，多普勒頻移與流速成正比，所以測量出頻移量就可以得到流體流速，當管道截面積確定后流體流量也就確定了。

一般來說，流體聲速與介質(zhì)成分有關。為了避免影響，超聲波多普勒流量計一般采用管外聲契結(jié)構(gòu)，使超聲波束先通過聲契及管壁再進入流體。采用聲契結(jié)構(gòu)以后，流量與頻移關系式中僅含有聲契材料中的聲速，而與流體介質(zhì)中的聲速無關。由于固體聲速的溫度系數(shù)至少比流體聲速的溫度系數(shù)小一個數(shù)量級，所以該流速方程式基本上不受溫度的影響，也就是說，這樣多普勒法測量流量基本不受溫度的影響。

超聲波多普勒流量測量的必要的條件為：被測流體應含一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等介質(zhì)。這個工作條件實際上也是它的一大優(yōu)點，即這種流量測量方法適宜于對三相流的測量，這是其它流量計難以解決的問題。

參考文獻：

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