CN102121357A - 一种钻井液返出流量测量方法及其测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种钻井液返出流量测量方法及其测量装置，其中的钻井液返出流量测量方法通过实时检测矩形槽内液面高度得到钻井液返出流量，将光学液位传感器安装在矩形槽内上方约20～30cm处；光学液位传感器实时测量矩形槽内湿周截面液面高度，并输出模拟辅助变量信号至信号调理与预处理装置；信号调理与预处理装置将信号预处理后输出数字辅助变量信号；数据采集单元实时采集数字辅助变量信号，并输入辅助变量数据至客户端计算机；客户端计算机的软测量系统计算得到钻井液出口流量Q值，并依据Q值判断是否启动声光报警装置。本发明预警时间早，检测精度高，能够给钻井现场工作人员更充裕的时间关井，有效地预防井喷事故发生。

Description

一种钻井液返出流量测量方法及其测量装置

一、技术领域：

本发明涉及的是在钻井随钻检测领域中测量出口返出流量的技术，具体涉及的是一种钻井液返出流量测量方法及其测量装置。

二、背景技术：

石油天然气资源钻井过程中如果地层压力大于井内钻井液压力将会出现地层流体侵入井眼的现象，称为溢流，如果处理不当将会导致井喷甚至失去控制，造成恶性安全事故。预防井喷和井喷失控的关键就是及时发现溢流，相关检测溢流的装置做出快速准确的预警，发现溢流越早，处理溢流的难度也越小，发生井喷的概率就越低。

与溢流检测相关的井口防喷装备通常由防喷器(封井器)、喇叭口、喇叭口开窗、钻井液返出管线(溢流管)和钻井液池构成，其中钻井液返出管线外形没有相关行业规范，所以钻井队选用的返出管线类型比较自由，差别很大，可以是普通圆管也可以使用矩形槽。相比圆管因矩形槽清砂容易、观察钻井液方便，所以应用更普遍，有些井队圆管和矩形槽组合使用。钻井液循环方式主要是采用敞开式循环，即钻井液出井后暴露于大气中，经返出管线流入钻井液池。部分高风险井引进国外控压钻井系统(MPD)实现了封闭循环钻井液，但作业费用昂贵。

1.现有溢流检测方法

钻井现场普遍应用的溢流检测方法有两种，分别是钻井液池液位检测方法和流量差法。

(1)钻井液池液位检测方法

这种溢流检测方法目前使用最为普遍。该方法通过观察或测量钻井液池内液面高度变化来估计液体总量增减，判断是否有地层流体侵入。但该方法有以下问题，严重影响测量精度和溢流预警时间。

①小溢流量时液面高度变化不明显

为保障不同钻井阶段的钻井液用量，通常井队的钻井液池体积较大，有一定的体积安全余量，但这也给溢流检测带来了问题，因钻井液池底面积较大，溢流量较小的溢流初期阶段钻井液液面高度变化并不明显，所以很难早期发现溢流并预警。

②钻井液池内搅拌器旋转导致液面波动

为保证钻井液性能，防止沉淀，池内钻井液需定时搅拌，某些深井作业规范明确规定24小时不间断搅拌，这就导致了钻井液池内液面不稳定上下波动，导致仪器测量误差，误报警情况比较多。

③体积积累效应导致报警延迟

井口和钻井液池之间为返出管线连接，长度约4～10m，当溢流发生时，井内流体流量开始增多，但需流经返出管线至钻井液池积累，这需要一定时间，也就是说，从溢流开始至钻井液池体积增量达到报警上限期间不会发出溢流预警，溢流预警时间被大大延迟，起不到早期预警的效果。

(2)流量差法

该方法测量或计算泵入井内与循环出井的钻井液量差值来判断是否出现溢流和井漏，差值为正说明溢流发生，差值为负说明井漏发生，检测精度比钻井液池液位检测法高。泵入井内的钻井液排量因泵冲数计量很容易，所以入井钻井液量容易获得，而循环出井的钻井液流量测量主要有三个问题存在限制了该方法的推广。

①钻井液返出管线必须为圆管

目前在一些高风险井应用流量差法来提高溢流井漏的检测精度，流量计一般选用电磁流量计或科里奥利质量流量计，这些流量计与管线的连接方式为法兰盘连接，这就要求钻井液返出管线必须为圆管，如前所述，因返出管线清砂问题圆管并非井队最佳选择。

②钻井液必须充满圆管形成有压管路

即使钻井液返出管线应用圆管，管内钻井液必须充满整个管路，带有一定压力，或者说管内不能有自由液面，这是由电磁流量计或科里奥利质量流量计工作原理所决定的，但是在整个钻井过程中由于不同钻进阶段应用的钻井液排量差异巨大，所以无法保证整个钻井过程中钻井液始终充满圆管。

③钻井液流动过程中的检测仪器包泥问题

钻井液的成分之一是活性固相，包括膨润土、地层进入的造浆粘土和有机膨润土，而电磁流量计和科里奥利质量流量计与圆管的连接方式均为法兰连接，钻井液直接与仪器接触，这些固相流动过程中不可避免地在仪器上产生附着现象，不但严重影响测量甚至损坏仪器。

以上两种检测溢流的方法均存在一定的缺陷，近十年的大量井喷案例也证明了现有的溢流检测手段需要改进和完善，早期发现溢流，将井喷发生的风险降至最低。

2.适合于钻井现场的钻井液返出流量测量难点

根据前面论述的流量差法溢流检测技术不能在常规钻井装备推广的原因可知，若能在井队常用的矩形槽钻井液返出管线内实时测量返出流量，就可获得比较精确的入井和出井的钻井液流量差，从而判断是否发生溢流，预警时间将大幅度提前，但在矩形槽内测量钻井液返出流量有以下技术问题始终没有解决。

(1)自由液面流动稳定性问题

因矩形槽返出管线内钻井液直接与空气接触，这就形成了自由液面，带有自由液面流动有很大的不稳定性，这给常规的流量传感器测量带来了困难，如前所述，电磁流量计或科里奥利质量流量计均无法测量带有自由液面的流量。

(2)钻井液返出管线内湿周截面面积的不稳定性

井队应用的矩形槽返出管线长度有很大的灵活性，具体长度取决于喇叭口和振动筛之间的距离，钻井液流经喇叭口开窗时由垂直流动变为水平流动，喇叭口开窗附近流动很不稳定，喇叭口开窗附近的钻井液湿周截面面积极不稳定。钻井液流至返出管线末端时由于重力作用，湿周截面面积将变小，也就是说钻井液润湿矩形槽的高度沿程是变化的，这也给流量测量带来了巨大的困难。

(3)湿周截面流速分布的复杂性

矩形槽内钻井液湿周截面面积具有不稳定性的同时，任意湿周截面上钻井液质点流速分布也有着极大的复杂性，矩形槽内贴近壁面的地方流速较低，槽中心流速较高，自由液面处因与空气作用流速略低于液面以下，尽管很多文献中有相关流速分布数学模型，但均有一定误差，这也就是说，想得到各个过流断面的流速分布是很难做到的，断面内各个流体质点的流速分布测量也是制约矩形槽流量测量的难点。

(4)钻井液流变性的影响

钻井液流变性对过流断面流速分布有着很重要的影响，而温度、矩形槽壁面粗糙度等因素均会影响钻井液流变性，这就需要测量过程作相应的修正。

三、发明内容：

本发明的一个目的是提供一种钻井液返出流量测量方法，本发明的另一个目的是提供这种钻井液返出流量测量装置，它用于解决现有的钻井液返出流量测量不准确的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种钻井液返出流量测量方法通过实时检测矩形槽内液面高度得到钻井液返出流量，具体如下：

步骤一、将光学液位传感器(或轮廓扫描传感器)安装在矩形槽内上方约20～30cm处；

步骤二、步骤一中传感器实时测量矩形槽内湿周截面液面高度，并输出模拟辅助变量信号至信号调理与预处理装置；

步骤三、信号调理与预处理装置将步骤二信号预处理后输出数字辅助变量信号；

步骤四、数据采集单元实时采集数字辅助变量信号，并输入辅助变量数据至客户端计算机；

步骤五、客户端计算机的软测量系统计算得到钻井液出口流量Q值，并依据Q值判断是否启动声光报警装置。

上述方案中矩形槽内最佳的测量区间，以与喇叭口开窗连接处为起点，取(1/5～1/2)L之间为测点，其中L为矩形槽长度，这样保证传感器测点为均匀流，有效避免了过流断面面积变化影响测量精度。

上述方案中测量矩形槽内某湿周截面不同液位点的高度z，拟合出液位轮廓曲线，可表达为z＝z(x，y)，x取值范围在0～L之间，y取值范围在0～B之间，B为槽宽。对于某确定的湿周截面可以表达为z＝z(a，y)，a为常数，软测量模型拟合测点湿周截面流速分布，可表达为u＝u(a，y，z)，对湿周截面微元流速在以液位曲线z＝z(a，y)和湿周所围成的截面进行面积分运算得到钻井液返出流量Q，A为截面面积。

实现上述测量方法的测量装置由光学液位传感器、矩形槽、信号调理与预处理装置、数字信号传输总线、数据采集单元、客户端计算机与软测量模型软件、声光报警装置组成，光学液位传感器安装在传感器支架上，传感器支架安装在支架滑轨上。

有益效果：

1、本发明不用改变井场现有装备，钻井队普遍使用的矩形槽钻井液返出管线内就可以实时测量流量，在常规钻井装备中就可实现流量差法溢流检测，与钻井液池液位检测法相比预警时间大幅度提前，检测精度大幅提高，能够给钻井现场工作人员更充裕的时间关井，有效地预防井喷事故发生，该发明实时检测溢流的同时亦可监测井漏是否发生。

2、本发明创造性地将矩形槽液面高度与钻井液返出流量结合起来，通过检测矩形槽液面高度的变化就可准确地判断是否发生溢流，是突破目前溢流早期检测瓶颈的一项重大的技术探索。

3、本发明选用的光学液位传感器测量矩形槽内测量某固定截面液位高度，不与钻井液接触，避免钻井液中固相影响测量精度。

4、本发明计算机软测量模型中回归的数学模型考虑了温度、钻井液流变性等对湿周截面流速分布的影响，流速误差相对较小。

5、本发明解决了流量差法测量流量需要钻井液返出管线必须为圆管，且充满圆管形成有压管路的限制问题。

四、附图说明：

图1本发明测量流程框图；

图2本发明测量装置布置示意图；

图3矩形槽坐标系示意图。

1矩形槽2喇叭口开窗3矩形槽内钻井液液面4传感器支架5光学液位传感器6信号调理与预处理装置7数据采集单元8客户端计算机9声光报警灯10喇叭口11环形防喷器12钻台平面13方钻杆

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图2为本发明测量装置布置示意图，如图所示，这种钻井液返出流量测量装置由高精度光学液位传感器5、矩形槽1、信号调理与预处理装置6、数字信号传输总线、数据采集单元7、客户端计算机8与软测量模型软件、声光报警装置组成，在石油钻井现场钻井液敞开式循环时，返出流量测量多为在井口处设置喇叭口10和环形防喷器11，喇叭口10和环形防喷器11在钻台平面12下面，方钻杆13从喇叭口10穿出，矩形槽1也就是钻井液返出矩形槽管线，矩形槽内钻井液液面3是自由液面，矩形槽1与喇叭口开窗2相通。本发明不用改变井场现有装备，将高精度光学液面传感器5架设在矩形槽1上方约20～30cm处的传感器支架4上，以免钻井液进溅影响测量，传感器支架4安装在支架滑轨上；信号调理与预处理装置6、数字信号传输总线、数据采集单元7、客户端计算机8按照公知技术连接，声光报警装置为声光报警灯9。

图1本发明测量流程框图，如图所示，这种钻井液返出流量测量方法为高精度光学液位传感器5实时测量液面高度等辅助变量，输出模拟辅助变量信号至信号调理与预处理装置6，对模拟辅助变量信号进行放大、隔绝、滤波、运算等预处理，经装置6后输出数字辅助变量信号。数据采集单元7通过总线连接实时采集数字辅助变量信号，并通过客户端计算机接口输入辅助变量数据至客户端计算机8。辅助变量数据经客户端计算机8的软测量系统计算得到钻井液出口流量Q值，即测量矩形槽内某湿周截面不同液位点的高度z，拟合出液位轮廓曲线，可表达为z＝z(x，y)，x取值范围在0～L之间，y取值范围在0～B之间，B为槽宽。对于某确定的湿周截面可以表达为z＝z(a，y)，a为常数，软测量模型拟合测点湿周截面流速分布，可表达为u＝u(a，y，z)，对湿周截面微元流速在以液位曲线z＝z(a，y)和湿周所围成的截面进行面积分运算得到钻井液返出流量Q，

A为截面面积，其中坐标系原点位于矩形槽左下角，参阅图3所示。最后客户端计算机依据Q值是否达到报警上限执行是否启动声光报警装置9。

Claims (4)

1.一种钻井液返出流量测量方法，其特征在于：这种钻井液返出流量测量方法通过实时检测矩形槽内液面高度得到钻井液返出流量，具体如下：

步骤一、将光学液位传感器或轮廓扫描传感器安装在矩形槽内上方约20～30cm处；

步骤二、步骤一中传感器实时测量矩形槽内湿周截面液面高度，并输出模拟辅助变量信号至信号调理与预处理装置；

步骤三、信号调理与预处理装置将步骤二信号预处理后输出数字辅助变量信号；

步骤四、数据采集单元实时采集数字辅助变量信号，并输入辅助变量数据至客户端计算机；

步骤五、客户端计算机的软测量系统计算得到钻井液出口流量Q值，并依据Q值判断是否启动声光报警装置。

2.根据权利要求1所述的钻井液返出流量测量方法，其特征在于：所述的矩形槽内的测量区间，以与喇叭口开窗连接处为起点，取(1/5～1/2)L之间为测点，其中L为矩形槽长度。

3.根据权利要求2所述的钻井液返出流量测量方法，其特征在于：所述的测量矩形槽内某湿周截面不同液位点的高度z，拟合出液位轮廓曲线，可表达为z＝z(x，y)，x取值范围在0～L之间，y取值范围在0～B之间，B为槽宽；对于某确定的湿周截面可以表达为z＝z(a，y)，a为常数，软测量模型拟合测点湿周截面流速分布，可表达为u＝u(a，y，z)，对湿周截面微元流速在以液位曲线z＝z(a，y)和湿周所围成的截面进行面积分运算得到钻井液返出流量Q，A为截面面积。

4.一种权利要求1所述的钻井液返出流量测量方法使用的测量装置，其特征在于：它由光学液位传感器(5)或轮廓扫描传感器、矩形槽(1)、信号调理与预处理装置(6)、数字信号传输总线、数据采集单元(7)、客户端计算机(8)与软测量模型软件、声光报警装置组成，光学液位传感器(5)安装在传感器支架(4)上，传感器支架(4)安装在支架滑轨上。

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