CN110439488B - 一种钻井管汇中固液流体流量测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井管汇中固液流体流量测量系统及测量方法，所述测量系统包括高度测量机构、固液流体流速测量机构以及测量显示机构，所述高度测量机构能够测量空管高度，所述固液流体流速测量机构设置于钻井管汇的表面用于测量固液流体实时流速；所述测量显示机构计算固液流体的实时流量。所述测量方法包括：实时获取空管高度；测量监测点固液流体实时流速；根据公式得到固液流体实时流量。本发明的测量系统和方法能够对钻井过程中井口返出流量进行实时测量，能够提高返出流量测量的精度和实时性，有利于提高对井下状况的精准判别。

Description

一种钻井管汇中固液流体流量测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于石油工程钻井技术领域，更具体地讲，涉及一种钻井管汇中固液流体流量测量系统及测量方法。

背景技术

石油钻井过程中经常伴随着井漏、气侵等现象，若不及时处理，会造成井喷等灾难性事故。根据理论，正常钻井工况时，钻井液注入流量与井口返出流量应该一致，若井口返出钻井液流量与井口钻井液注入流量不一致，则意味井下出现状况。因此，精确测量井口返出钻井液流量可为定量判断井下状况提供依据。

现阶段，主要有流量计量测量法以及体积式测量法。所述流量计量测量法采用电磁、超声波等流量计进行测量，流量计测量原理普遍为测量流体流速，通过流速再推算出管内流体实时流量。该类方法的测量精度严重依赖于管内的充满程度，若管内未充满，则测量值与实际值将存在偏差。由于返出钻井液中往往含有固态、液态、气态三种混合物，管汇无法充满，因此该类流量测量方法，无法提供准确的固液流量。所述体积式测量法是在返出管汇出口设置一个缓冲罐，罐体的体积一定，通过测量固定时间内罐体液面上涨高度，推算实时流量。该类流量测量法可消除气体的影响，但无法实现在线连续测量，而且测量精度受到罐体体积、液位测量的影响。上述两种测量方法都难以保证实时测量精度，导致现场工况判断的实时性下降。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够提高测量返出管汇流量的精度和实时性的固液流体流量测量系统和测量方法。

本发明的一方面提供了一种钻井管汇中固液流体流量测量系统，所述测量系统可以包括高度测量机构、固液流体流速测量机构以及测量显示机构，其中，所述高度测量机构设置在管汇外表面，用于测量空管高度，其中，所述空管高度为在管汇径向方向上所述固液流体的液面至管汇上部内壁的最大垂直距离；所述固液流体流速测量机构设置于钻井管汇的外表面用于测量固液流体实时流速；所述测量显示机构能够接收所述高度测量计测量空管高度以及固液流体流速测量机构测量的实时流速并根据所述空管高度和实时流速计算固液流体的实时流量。

在本发明的钻井管汇中固液流体流量测量系统的一个示例性实施例中，所述高度测量机构可以包括高度测量计、活动浮板及活动链条，其中，所述活动浮板位于所述钻井管汇中固液流体的液面上并能够随着钻井管汇中固液流体液面的高度变化而上下浮动，所述活动浮板的上表面与液面位于同一平面；所述活动链条设置于固液流体内，一端与活动浮板连接，另一端与钻井管汇的管壁连接；所述高度测量计设置于钻井管汇的外表面，所述高度测量计能够实时测量空管高度，所述空管高度为在管汇径向方向上所述活动浮板上表面至管汇上部内壁的最大垂直距离。

本发明的另一方面提供了一种钻井管汇中固液流体流量测量方法，所述测量方法可以包括以下步骤：在管汇中获取实时空管高度，其中，所述空管高度为在管汇径向方向上所述固液流体的液面至管汇上部内壁的最大垂直距离；测量固液流体实时流速；计算固液流体实时流量，其中，计算固液流体实时流量包括：

令

若H-R＞0，则

若H-R＝0，则Q＝0.5πR²*V，

若H-R＜0，则

其中，Q为固液流体实时流量，R为管汇内径，H为空管高度，V为固液流体实时流速。

在本发明的钻井管汇中固液流体流量测量方法的一个示例性实施例中，所述测量方法还可以包括步骤：在得到所述固液流体实时流量后，根据每个时刻的实时流量绘制流量曲线图。

在本发明的钻井管汇中固液流体流量测量方法的一个示例性实施例中，所述测量方法还可以包括在所述固液流体表面设置活动浮板，所述活动浮板的上表面至管汇上部内壁的最大垂直距离为所述空管高度。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明的测量系统和测量方法能够在固液气三态混合物中剔除气体的影响，能够对钻井过程中井口返出流量进行实时测量，能够提高返出流量测量的精度和实时性，有利于提高对井下状况的精准判别。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明一个示例性实施例的钻井管汇中固液流体流量测量方法流程示意图；

图2示出了本发明一个示例性实施例的钻井管汇中固液流体流量测量方法中空管高度示意图；

图3示出了本发明一个示例性实施例的钻井管汇中固液流体流量测量系统示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的钻井管汇中固液流体流量测量系统及测量方法。

本发明的一方面提供了一种钻井管汇中固液流体流量测量方法。在本发明的钻井管汇中固液流体流量测量方法的一个示例性实施例中，如图1所述，所述测量方法可以包括：

S01，获取实时空管高度。

所述空管指的是在管汇中没有流体流通的空间部分。由于在钻井液中包括固态、气态以及液体三种状态的混合物，管汇中流通的固液混合流体是无法完全填充满整个管道内部的，因此在管汇中留有部分无固液流体流动的空间。所述空管高度指在径向方向上，所述固液流体的液面至管汇上部内壁的最大垂直距离。即所述空管高度为钻井管汇径向直径尺寸与钻井管汇中固液流体深度的差值。所述固液流体深度是指液面到管汇最低端之间的垂直距离。管汇径向横截面示意图如图2所示，图2(a)中示出了空管高度H。所述空管高度H＝2R-h，所述2R为径向尺寸，所述h为固液流体深度。所示空管高度H是管汇内固液流体液面G到钻井管汇内未有固液流体流动空间管壁的最大垂直距离。即在所述管汇径向截面上，沿过圆心并垂直于液面的方向与管汇管壁交于两个点，如图2(b)所示的A点和B点，与液面垂直交于F点，所述A点与F点的直线距离为空管高度，所述B点与F点的距离为此时的固液流体深度，A点和B点连线过圆心。

S02，测量钻井管汇中固液流体实时流速。随着固液流体在管汇中的流动，在不同的时刻测量钻井管汇中固液流体的流速。

S03，根据公式，计算固液流体实时流量。其中，计算固液流体实时流量可以包括：

令

若H-R＞0，则

若H-R＝0，则Q＝0.5πR²*V，

若H-R＜0，则

其中，Q为固液流体实时流量，R为管汇内径，H为空管高度，V为固液流体实时流速，*表示相乘。

在本实施例中，所述在线测量方法还可以包括在得到所述固液流体实时流量步骤后，根据每个时刻的实时流量绘制流量曲线图。

在本实施例中，所述获取空管高度还可以包括在所述监测点的固液流体表面设置活动浮板，活动浮板的上表面可以与液面位于同一平面或者活动浮板的厚度很薄，可以忽略不计。所述活动浮板的上表面至管汇上部内壁的最大垂直距离作为所述空管高度。设置所述活动浮板的好处在于可以增强空管高度测量信号的反射强度，以提高监测的精度和准确性。

本发明的另一方面提供了一种钻井管汇中固液流体流量测量系统。在本发明的钻井管汇中固液流体流量测量系统的一个示例性实施例中，所述测量系统可以包括高度测量机构、固液流体流速测量机构以及测量显示机构，其中，所述高度测量机构设置在管汇外表面，用于测量空管高度，其中，所述空管高度为在管汇径向方向上所述固液流体的液面至管汇上部内壁的最大垂直距离；所述固液流体流速测量机构设置于钻井管汇的外表面用于测量固液流体实时流速；所述测量显示机构能够接收所述高度测量计测量空管高度以及固液流体流速测量机构测量的实时流速并根据所述空管高度和实时流速计算固液流体的实时流量。

在本实施例中，如图3(a)所示，所述测量系统可以包括高度测量机构20、固液流体流速测量机构30以及测量显示机构(图中未示出)，其中，

所述高度测量机构可以包括高度测量计201、活动浮板202以及活动链条203。所述高度测量计201设置于所示钻井管汇10的表面。所述活动浮板202位于钻井管汇中固液流体的表面。所述活动链条203设置于固液流体内，一端与钻井管汇的管壁连接，另一端与活动浮板202连接。所述活动链条203能够保证活动浮板202在一定范围内活动，避免随着流体的流动而流出管汇。所述活动浮板202的上表面与所述固液流体的液面位于同一平面内，或者所述活动浮板202的厚度相当薄，可以忽略不计。所述活动浮板能够根据液面高度的波动而波动，能够反映管内空管(管汇内未流通流体空间)空管高度。所述高度测量计202能够测量管汇内活动浮板上表面到管汇内未有固液流体空间管壁的最大垂直距离，如图3(b)中的H为空管高度，其中，图3(b)为管汇径向横截面，所述R为管汇半径。在管汇中设置活动浮板便于对空管高度的测量。

在本实施例中，所述固液流速流量测量机构沿垂直于液面方向位于钻井管汇最下端。如图3(a)所述，所述固液流速流量测量机构安装在管汇的最下端能够确保再低液面也能测量出固液流体流速。

在本实施例中，所述高度测量计可以为超声波测量计。当然，本发明的高度测量计不限于此。

在本实施例中，所述测量显示机构可以通过以下计算公式计算实时流量：

令

若H-R＞0，则

若H-R＝0，则Q＝0.5πR²*V，

若H-R＜0，则

其中，Q为固液流体实时流量，R为管汇内径，H为空管高度，V为固液流体实时流速。

以上，一方面由于钻井液具有较强的腐蚀性，如果将测量过程中涉及的各个测量装置设置在管汇中与钻井液接触，会对各个装置产生严重的腐蚀；另一方面，由于钻井液具有一定的黏度以及在钻井液中含有一定量的固体，如果将测量装置与钻井液直接接触或者让钻井液直接在测量装置中流通，钻井液会在测量装置表面形成包裹以及堵塞测量装置，造成对测量装置的损坏；再一方面，目前使用的测量装置一般使用法兰与管汇连接，造成使用不方便还可能破坏管汇固有的结构。本发明通过设置活动浮板在钻井液中，测量机构以及固液流体流速测量机构等均设置在管汇的表面，不会与钻井液直接接触，能够避免钻井液对测量设备的损伤。另外，活动浮板能够较易的放入管汇中，不会破坏管汇以前的结构，使用方便，适用性更广。

综上所述，本发明的测量方法和测量系统能够对钻井过程中井口返出流量进行实时测量，能够提高返出流量测量的精度和实时性，有利于提高对井下状况的精准判别。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (8)

1.一种钻井管汇中固液流体流量测量系统，其特征在于，所述测量系统包括高度测量机构、固液流体流速测量机构以及测量显示机构，所述高度测量机构包括高度测量计和活动浮板，其中，

所述高度测量机构设置在管汇外表面，用于测量空管高度，其中，所述空管高度为在管汇径向方向上所述固液流体的液面至管汇上部内壁的最大垂直距离；

所述固液流体流速测量机构设置于钻井管汇的外表面用于测量固液流体实时流速；

所述测量显示机构能够接收所述高度测量计测量空管高度以及固液流体流速测量机构测量的实时流速并根据所述空管高度和实时流速计算固液流体的实时流量；

所述活动浮板位于所述钻井管汇中固液流体的液面上并能够随着钻井管汇中固液流体液面的高度变化而上下浮动，所述活动浮板的上表面与液面位于同一平面；

所述高度测量计设置于钻井管汇的外表面，所述高度测量计能够实时测量空管高度，所述空管高度为在管汇径向方向上所述活动浮板上表面至管汇上部内壁的最大垂直距离；

所述测量显示机构通过以下计算公式计算实时流量：

令

若H-R＞0，则

若H-R＝0，则Q＝0.5πR²*V，

若H-R＜0，则

其中，Q为固液流体实时流量，R为管汇内径，H为空管高度，V为固液流体实时流速。

2.根据权利要求1所述的钻井管汇中固液流体流量测量系统，其特征在于，所述高度测量机构还包括活动链条，其中，所述活动链条设置于固液流体内，一端与活动浮板连接，另一端与钻井管汇的管壁连接。

3.根据权利要求1或2所述的钻井管汇中固液流体流量测量系统，其特征在于，所述固液流体流速测量机构设置于管汇径向方向上钻井管汇的最下端。

4.根据权利要求1或2所述的钻井管汇中固液流体流量测量系统，其特征在于，所述高度测量计为超声波测量计。

5.一种钻井管汇中固液流体流量测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

在管汇中获取实时空管高度，其中，所述空管高度为在管汇径向方向上所述固液流体的液面至管汇上部内壁的最大垂直距离；

测量固液流体实时流速；

计算固液流体实时流量，其中，计算固液流体实时流量包括：

令

若H-R＞0，则

若H-R＝0，则Q＝0.5πR²*V，

若H-R＜0，则

其中，Q为固液流体实时流量，R为管汇内径，H为空管高度，V为固液流体实时流速，

所述测量方法还包括：在所述固液流体表面设置活动浮板，所述活动浮板位于所述钻井管汇中固液流体的液面上并能够随着钻井管汇中固液流体液面的高度变化而上下浮动，所述活动浮板的上表面与液面位于同一平面，所述活动浮板的上表面至管汇上部内壁的最大垂直距离为所述空管高度；以及

通过设置在钻井管汇的外表面的高度测量计实时测量空管高度。

6.根据权利要求5所述的钻井管汇中固液流体流量测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括步骤：

在得到所述固液流体实时流量后，根据每个时刻的实时流量绘制流量曲线图。

7.根据权利要求5所述的钻井管汇中固液流体流量测量方法，其特征在于，所述高度测量计为超声波测量计。

8.根据权利要求5所述的钻井管汇中固液流体流量测量方法，其特征在于，通过设置于管汇径向方向上钻井管汇的最下端的固液流体流速测量机构来测量固液流体实时流速。

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