CN111927438B - 一种随钻防溢管液位监测装置和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种随钻防溢管液位监测装置和监测方法。所述装置包括反射单元、激光发射单元、激光接收单元、处理单元和计算单元，其中，反射单元包括n个反射组件；激光发射单元安装在防溢管内的第一位置并能够向反射组件的反射板发射激光；激光接收单元设置在防溢管内壁的上侧，并能够接收m个反射组件的反射板所反射的激光，m≤n；处理单元能够将所述激光接收单元接收的激光进行处理，得到激光入射角度；计算单元能够利用激光入射角度，确定液面或堆积沉沙的高度。所述方法包括采用上述的装置进行监测工作。本发明的有益效果可包括：探测速度快，性能稳定，精准，应用场景更灵活，能够显著减少钻井液漏失风险及受限空间人身伤害风险。

Description

一种随钻防溢管液位监测装置和监测方法

技术领域

本发明涉及石油天然气领域，特别地，涉及一种随钻防溢管液位监测装置和监测方法。

背景技术

钻井过程中出口钻井液流量变化情况是表征钻井液和井下流体混合液返出地面的流量、速度及性质的重要观测参数。若其他工况不变，钻井液流量变少则可能发生井漏，而井漏是石油工程领域钻井过程中危害大、难发现、难确定的一种钻井液受地质或工程原因影响而漏失进入地层的现象，在损失钻井液发生经济损失的同时，可能导致地层污染、井壁失稳甚至井喷风险；若其他条件几乎不变的情况下，出口钻井液流量突然增大，则可能发生地层流体大规模侵入，溢流、井涌、井喷等险情发生的概率极大增加，因此，随钻出口流量检测是钻井过程中的重要任务。

现场地质和工程人员通常依赖出口流量的观测发现井漏或者钻井液溢出的现象，受限于井场条件和实际工况，钻井过程中钻井液在管线地面出口的流量变化情况监测通常依赖靶式流量检测器等传统流量检测器，但由于沉沙埋覆、流量突变，靶式装置设计缺陷及其他不确定性因素影响，流量监测难以准确计量，有必要引入新的测量和评价随钻出口流量变化情况的装置改善现有测量方式。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的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检测速度快且稳定的随钻防溢管液位监测装置和监测方法。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种随钻防溢管液位监测装置。所述装置可包括：反射单元、激光发射单元、激光接收单元、处理单元和计算单元，其中，反射单元包括n个反射组件，n≥1，每个反射组件都包括滑轨、升降机构和反射板，其中，滑轨竖直设置在防溢管内，反射板设置在滑轨上并能够在重力、浮力和驱动力中至少一种力的作用下沿滑轨上下滑动，升降机构能够提供所述驱动力；激光发射单元安装在防溢管内的第一位置并能够向所述n个反射组件的反射板发射激光，第一位置高于防溢管内液面或堆积沉沙的高度；激光接收单元设置在防溢管内壁的上侧，并能够接收m个反射组件的反射板所反射的激光，m≤n；处理单元能够将所述激光接收单元接收的激光进行处理，得到m个激光入射角度，m个激光入射角度能够与m个反射组件一一对应，激光入射角度为激光发射单元发射的激光与垂线之间的夹角；计算单元能够利用所述激光入射角度，确定所述m个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度。

根据本发明的随钻防溢管液位监测装置的一个示例性实施例，所述n≥2，n个反射组件可以沿防溢管径向分布，所述激光发射单元能够通过发射激光来扫描所述n个反射组件的反射板。

根据本发明的随钻防溢管液位监测装置的一个示例性实施例，所述反射板的上板面可具有一个反射响应点，所述计算单元利用式1来确定所述m个反射组件中第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉砂高度，

式1为：

，

其中，

为第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉砂高度，

为第一位置与第i个反射组件的滑轨之间的垂直距离，

为第一连线与垂线之间的夹角，

为激光入射角度，

为反射板厚度，第一连线为连接第一位置和第二位置的直线，第二位置为沿第i个反射组件的滑轨向下延伸的直线与防溢管内壁交汇的位置。

根据本发明的随钻防溢管液位监测装置的一个示例性实施例，所述装置还可包括显示单元，显示单元能够显示出第一图像，其中，第一图像包括m条曲线，m条曲线与所述m个反射组件能够一一对应，每条曲线都反应出对应高度随时间变化的情况，对应高度为曲线对应反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度。

根据本发明的随钻防溢管液位监测装置的一个示例性实施例，所述装置还可包括模拟单元和显示单元，模拟单元能够根据所述计算单元计算出的m个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，模拟出防溢管径向横截面的液位-沉沙曲线，并通过显示单元展示出来。

根据本发明的随钻防溢管液位监测装置的一个示例性实施例，所述反射组件还可包括浮标、减速挡板和限位器，其中，浮标设置在反射板之下，并能够使所述反射板浮在钻井液液面或堆积沉沙上；减速挡板位于反射板的一侧，且其板面与钻井液流动方向垂直；限位器设置在所述滑轨上端，并能够限制所述反射板向上的位移。

根据本发明的随钻防溢管液位监测装置的一个示例性实施例，n≥2，所述装置还可包括流量异常判断单元，流量异常判断单元能够确定

或

的大小，并在

或

的情况下，判定井口流量异常，其中，

，

，

其中，

为所述m个反射组件中第i个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，

为第i-1个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，

为第1至第i个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度之和，

为第1至第i-1个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度之和。

据本发明的随钻防溢管液位监测装置的一个示例性实施例，

，其中，

为发射激光入射轨迹与水平面之间的夹角，即

，

为防溢管横截面（即径向截面）的半径，

为第一位置和第三位置之间的距离，第三位置为经过防溢管横截面的圆心和第一位置的直线与激光发射侧管壁的交点位置。

本发明另一方面提供了一种随钻防溢管液位监测方法。所述监测方法可包括以下步骤：在防溢管内设置n个反射组件，n≥1，每个反射组件都包括滑轨、升降机构和反射板，其中，滑轨竖直设置在防溢管内，反射板设置在滑轨上并能够在重力、浮力和驱动力中至少一种力的作用下沿滑轨上下滑动，升降机构能够提供所述驱动力；在防溢管内具有钻井液流动的情况下，使n个反射组件的反射板沿滑轨下放至与钻井液液面或堆积沉沙；在防溢管内的第一位置向n个反射组件的反射板发射激光，并接收到m个反射组件的反射板所反射的激光信号，其中，第一位置高于钻井液液面或堆积沉沙的高度，m≤n；对所述接收的激光信号进行处理，得到m个激光入射角度，m个激光入射角度与m个反射组件能够一一对应，激光入射角度为激光发射单元发射的激光与垂线之间的夹角；利用所述激光入射角度，确定所述m个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度。

根据本发明的随钻防溢管液位监测方法的一个或多个示例性实施例，所述n≥2，所述反射板的上板面具有一个反射响应点，利用式1来确定所述m个反射组件中第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉砂高度，

式1为：

，

其中，

为第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉砂高度，

为第一位置与第i个反射组件的滑轨之间的垂直距离，

为第一连线与垂线之间的夹角，

为激光入射角度，

为反射板厚度，第一连线为连接第一位置和第二位置的直线，第二位置为沿第i个反射组件的滑轨向下延伸的直线与防溢管内壁交汇的位置。

根据本发明的随钻防溢管液位监测方法的一个或多个示例性实施例，所述方法还可可包括步骤：确定

或

的大小，并在

或

的情况下，判定井口流量异常，其中，

，

，

其中，

为所述m个反射组件中第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，

为第i-1个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，

为第1至第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度之和，

为第1至第i-1个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度之和。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：探测速度快，能够第一时间监测流量变化；性能稳定，精准、自动化程度高；监测装置的功能丰富；应用场景更灵活、配套装置小型化、符合现场作业安全环保规范，能够显著减少钻井液漏失风险及受限空间人身伤害风险。

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示出了本发明的随钻防溢管液位监测装置的一个示意图；

图2示出了本发明的反射组件的一个示意图；

图3示出了本发明对防溢管径向截面进行象限划分后的一个示意图；

图4示出了本发明的一个反射板反射激光的一个示意图；

图5示出了本发明的第一图像的一个示意图；

图6示出了本发明的第二图像的一个示意图；

图7示出了本发明的随钻防溢管液位监测方法的一个流程示意图。

主要附图标记说明：

11-滑轨、12-升降机构、13-反射板、14-浮标、15-支架、16-减速挡板、17-限位器，20-激发装置，30-激光接收板，40-防溢管。

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本发明的随钻防溢管液位监测装置和监测方法。

本发明一方面提供了一种随钻防溢管液位监测装置。

在本发明的随钻防溢管液位监测装置的一个示例性实施例中，所述装置可包括反射单元、激光发射单元、激光接收单元、处理单元和计算单元。

其中，反射单元可包括n沿防溢管径向设置的反射组件，例如1、2、3、5、8、11个等。如图1和2所示，每个反射组件都包括滑轨11、升降机构12和反射板13。滑轨11可以为直杆，滑轨11可竖直设置在防溢管40内，滑轨11的上端可固定在防溢管40上部的内壁，下端可悬空、也可固定在防溢管40下部的内壁。反射板13可以与滑轨连接并能够沿滑轨上下滑动，例如，可以在重力的作用下沿滑轨从上向下滑动，也可以随着液面高度变化上下滑动，还可以在升降机构12的作用下沿滑轨11向上或向下滑动。如图1所示，8个反射板13沿防溢管40的径向分布，在防溢管内部流通有钻井液的情况下，多个反射板13可以位于不同的钻井液液面或堆积沉沙上，以表征不同之处的液面或堆积沉沙的高度。

激光发射单元可包括如图1所示的激发装置20，激发装置20可以位于防溢管40内部的钻井液或沉沙之上的M处，即第一位置，M处高于液面或堆积沉沙的高度。激发装置20可通过连接杆固定在防溢管40的内壁上，激发装置20包括了一个探头，探头发射的激光能够扫描所有的反射板。扫描方式可以是不间断的来回扫描，也可以是一个周期的扫描或半个周期的扫描，具体地可根据实际情况来确认。

激光接收单元可设置在防溢管40内壁的上侧，并能够接收m个反射板所反射的激光，m≤n，即激光接收单元可以接收全部或部分反射板所反射的激光。激光接收单元可包括如图1所示的激光接收板30，激光接收板30与激光发射单元可位于防溢管40内部的两侧。

处理单元能够将所述激光接收单元接收的激光进行处理，得到m个激光入射角度，激光入射角度可以与上述m个反射板一一对应，激光入射角度为激光发射单元发射的激光与垂线之间的夹角。其中，处理单元所进行的处理可包括低通滤波处理。

计算单元能够利用所述激光入射角度等信息，确定所述至少1个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度。

在本实施例中，钻井防溢管垂直管路延展方向的横截面（即径向截面）为规则的圆形或类圆形的二维平面，过该圆形或类圆形的圆心画出垂直相交的水平和垂直的直径线，可以将该圆形或类圆形的横截面划分为四个象限，例如图3示出的第Ⅰ象限、第Ⅱ象限、第Ⅲ象限和第Ⅳ象限。在防溢管40内部加装固定装置，并在圆截面上方两个象限（第Ⅰ和第Ⅳ象限）安装激发装置20和激光接收板30，当然还可安装其他辅助装置，例如控制电路等。

在本实施例中，以激光垂直水平面为一个端点，以第Ⅲ和第Ⅳ象限于圆周上交汇点处为另一个端点，激光发射单元可以以角速度v_a在两个端点之间进行低速扫描，v_a可以为1～2角幅度/秒。激光发射单元能够发射出与反射单元、激光接收单元相参数相匹配的激光射线。

在本实施例中，图2示出了本发明的反射组件的一个示意图，其中（a）、（b）和（c）图分别为正视图、左视图和右视图。

进一步地，图2所示的反射板13还可在升降机构12的作用下沿滑轨11向下滑动。反射板13可以为圆形。

进一步地，反射板13还可在升降机构12的作用下固定在一定的高度，例如升降机构12可以使反射板13沿滑轨11上升至最高处，然后保持反射板13的位置，即使反射板13保持上提状态。

进一步地，滑轨11的上端可设置有限位器17，以限制反射板13上升过高。限位器17可以为支架接箍。

在本实施例中，图2所示的升降机构12可包括折叠悬臂和驱动构件。

在本实施例中，反射板上板面可设置一个反射响应点，例如可以被设置为仅中央为反射响应点，其余部分不具备反射能力；该反射响应点上还覆盖有至少一层疏水疏油透明材料，在允许激光射入射出的同时，防止钻井液和井下流体的涂抹、污损。

进一步地，所述装置还可包括加装在防溢管顶部的清洗剂压力喷射头，以清洗反射组件、接收板等，例如在反射板上提保持的状态下清洗反射板。

在本实施例中，反射组件还可包括图2示出的浮标14，浮标14可设置在反射板13底部，以使反射板13浮在钻井液液面或堆积沉沙上。在浮标14的作用下，反射板13可沿滑轨11小幅浮动升降。

进一步地，反射板13和浮标14之间可以设置有图2示出的支架15，在沉沙较多、液体流量较少的情况下，反射板13可由稍突出的支架15保护并座于沉沙堆积物上。

在本实施例中，反射组件还可包括图2示出的减速挡板16，减速挡板16可以位于反射板13的一侧且其板面与钻井液流动方向垂直。减速挡板16可以用于保护反射组件免受大流量钻井液及其他混合流的直接冲击影响。

在本实施例中，图4示出了对反射板排序后的第i个反射板反射激光的一个示意图，C为反射板上的反射响应点。所述计算单元可以利用式1来确定各个反射板所表征的液面或堆积沉砂高度，可按照激光发射单元至激光接收单元的方向，将每个反射板依次标记为第1、2、…、i、…、n个反射板，其中，n为反射板的总数量，当然，反射板也可以按照相反的方向排序。

式1为：

，

，

其中，x _i 为第i个反射板所表征的液面或堆积沉砂高度，D _i '为图4中第一位置M与第二位置B之间的距离， a _i 为第一位置M与第i个反射组件的滑轨之间的垂直距离，也可认为图4中C和N之间的距离，

为第一连线与第二连线之间的夹角，第一连线为过第一为M和第二位置B的直线，第二连线为垂直于水平面的直线，例如图4中的MN直线，

为激光入射角度，即第三连线MC和第二连线MN之间的夹角，h _i 为第i个反射板的厚度，第二位置为沿第i个反射组件的滑轨向下延伸的直线与防溢管内壁交汇的位置B。

第一位置M、第二位置B和第三位置C都可近似为1个无穷小的点。

其中，

为激光入射角度可以通过采集强反射信号和低通滤波处理得到。入射角可通过转动探头的参数（例如速度、时间和角度等信息）、反射板的位置和接收信号的信息综合起来得到的。

在本实施例中，接收板将采集到具有位置和射入角度信息的反射激光信号，考虑可能存在的漫反射干扰、反射板污损或者漏检情况，其强信号数可能会小于等于反射板数，对于这种情况，可通过时间差来将反射的激光信号与反射板对应，即，接收板会和探头转动的时间同步地收到一系列除背景噪音外的强信号。

在本实施例中，在标准安装的规则下，探头扫描的角度区间可以为：

，其中，r为防溢管径向圆形截面的半径， d'为第一位置与防溢管内壁之间的径向距离（即图4所示的M与E之间的距离，θ'为过M、E、O的直线与水平面之间的夹角，即连接探头的连接固定杆的延长线与水平面之间的夹角，其中，连接探头的连接固定杆的延长线经过防溢管横截面的圆心。

在非标准安装的情况下，探头扫描的角度区间可以为：

，其中，θ''探头中心垂直其安装基座与设激光发射装置的探头偏移角度为（即经过探头和圆心的直线、与连接固定杆之间的夹角）。

标准安装是指连接探头的连接固定杆的延长线经过防溢管横截面的圆心。非标准安装是指连接探头的支架的延长线未经过防溢管横截面的圆心。

其中，于第Ⅰ象限安装激光激发装置，设其发射端可近似为1个无穷小点，且连接固定杆与防溢管管壁垂直，其距离为d'，发射与反射和接收装置参数匹配的激光射线，并按照顺时针方向以垂直水平面为起点进行低速（设角速度为v _a ，数值通常为1～2角幅度/秒）扫描，并于角度行程可以于射线与第三Ⅲ和第Ⅳ象限于圆周上交汇点处停止，其停止时瞬时状态射线入射轨迹与垂直方向夹角角度φ计算方式如下：

，其中，

为激光入射轨迹与经过探头和防溢管横截面圆心的直线之间的夹角。

扫描停止后，发射端归位，并开始下一次扫描。

则从发射端扫描启动至一次扫描完成并停止总需时

为：

，

在非标准安装的情形下，存在顺时针角度θ''的偏斜角的前提下，则探头完成单次单程扫描需时与标准安装情形下的

一致。

设短距离激光完成激发、入射、反射和接收的短距离行程瞬时完成，时间为无穷小，则将发射端发射激光时刻与接收端获取时间近似相等。

因此，扫描频率仅考虑发射端回复初始状态（发射方向与水平面垂直）时间t _b

（t _b 可以与t _a 相同）与前述总需时t _a ，因此，一个完整的扫描周期t _t 可表示为：t _t= t _a+ t _b 。扫描频率与采样频率一致，均为：

。

在本实施例中，所述装置还可包括显示单元，显示单元能够显示出第一图像和/或第二图像。

其中，第一图像可包括至少多条曲线，曲线的数量与反射组件的数量相同并能够一一对应，每条曲线都反应出对应高度随时间变化的情况，对应高度为对应反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度。如图5所示，以时间为纵坐标、以各反射板表征的液面或堆积沉砂高度

为横坐标，分别绘制出了八道各反射板对应的液面-沉沙高度曲线，并附加绘制八道曲线对应数据平均值

的曲线，由此在有效扫描时间内连续记录

的变化情况。

第二图像能够显示出防溢管内液位-沉沙模拟截面图，例如图6示出的模拟效果示意图，图中的

～

为8个反射板所表征的液面或堆积沉砂高度。在显示单元能够显示出第二图形的情况下，所述装置还包括模拟单元，模拟单元能够根据所述计算单元计算出的多个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，模拟出防溢管径向横截面的液位-沉沙曲线，并通过第二图像展示出来。其中，模拟单元可通过插值补齐各反射板之间、反射板和侧近内壁间液面-沉沙高度值。

在本实施例中，所述装置还可包括流量异常判断单元，流量异常判断单元能够确定

或

的大小，并根据

或

判断流量情况。其中，在

或

的情况下，判定井口流量异常，其中，a、b的取值根据需要确定，例如a可以为0.15～0.25，例如0.2，b可以为0.08～0.12，例如0.1。

，

。

例如，在如在某探井设定在

或

的情况下，判定为井漏。

其中，

为第i个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，

为第i-1个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，

为第1至第i个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度之和，

为第1至第i-1个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度之和。

为了更好地理解上述示例性实施例，下面结合反射组件的姿态调整来说明本发明的监测装置。

以每个停泵和接钻具节点为界的不等深跨度（时间）为周期重复反射板姿态调整和反射就绪两种工作状态的切换，以钻井过程中一个单根周期为界，说明如下：

（1）停泵提升期

当钻进动作停止，停泵并开始接单根时，防溢管流量陡减或者断流，待接收板接收断流后第一组激光反射信号完毕后，与防溢管底部以浮标和点状支撑（即支架）接触的反射面由带有折叠悬臂的升降机构沿垂直滑轨向上，直至以支架接箍作为限位器的顶部位置为止。

（2）上提到顶保持期

反射板、浮标、支架和减速板等提升到顶部起限位作用的支架接箍后，由于停泵并上提钻具接单根钻杆等工程原因导致经流防溢管内管的出口钻井液流量减少甚至断流，反射板保持上提到顶姿态，直至重新开泵下放钻具准备重新开钻。上提到顶保持的目的是防止重新开泵后大流量钻井液和沉沙混合物涌入防溢管内管冲击反射板导致污染和砂埋。

（3）开泵下放期

当工况变更为开循环泵、下放钻具时，待防溢管内流量恢复，反射板下放置半程则取消制动，使携带浮标和支架的反射板活动组件随着垂直滑轨由于加速度和重力作用自由下滑，至防溢管内壁钻井液面则受浮标控制在一定垂直范围内受限于滑轨小幅浮动升降，若沉沙较多、液体流量较少，则由稍突出的支架保护并座于沉沙堆积物上。减速挡板用于保护反射板组件免受大流量钻井液及其他混合流的直接冲击影响。

（4）下放到底保持期

从自由下落放到防溢管内壁底与内壁沉沙或钻井液面直接接触，持续按照扫描频率f_t的不间断扫描探测和收集检测，至停泵和准备下一次上提钻具位置，完成一个完整的接受器姿态调整周期。

本发明另一方面提供了一种随钻防溢管液位监测方法。

在本发明的随钻防溢管液位监测方法的一个示例性实施例中，所述检测方法可包括采用上述的随钻防溢管液位监测装置进行监测。

在本发明的随钻防溢管液位监测方法的另一个示例性实施例中，如图7所示，所述检测方法可包括以下步骤：

S10：在防溢管内设置n个反射组件，反射组件可以为上述随钻防溢管液位监测装置的示例性实施例中的反射组件。其中，n≥1，反射组件中的反射板可位于滑轨的上端，例如可通过升降机构来使反射板保持上提到顶的姿态。

S20：在防溢管内具有钻井液流动的情况下，使所述n个反射组件的反射板沿滑轨下放至钻井液液面或堆积沉沙。其中，可先利用升降机构来使反射板下放置半程，然后使反射板在重力作用下沿滑轨自由下滑至液面或沉沙上。

S30：在防溢管内的第一位置向所述n个反射组件的反射板发射激光，并接收到m个反射组件的反射板所反射的激光信号，m≤n。其中，可利用上述随钻防溢管液位监测装置的示例性实施例中的激光发射单元、激光接收单元来发射激光和接收反射的激光。第一位置可以为上述随钻防溢管液位监测装置的示例性实施例中的第一位置。

S40：对所述接收的激光信号进行处理，得到m个激光入射角度，所述m个激光入射角度的数量与所述m个反射组件能够一一对应，激光入射角度为发射的激光与垂线之间的夹角。

S50：利用所述激光入射角度，确定所述m个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度。

在本实施例中，在步骤S50中，可利用上述随钻防溢管液位监测装置的示例性实施例中的式1来确定反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度。

在本实施例中，所述方法还可包括步骤：确定

或

的大小，并根据

或

判断流量情况。其中，

或

可以与上述随钻防溢管液位监测方法中的相同。

本发明设计要求激光发射端及其连接杆所在直线须过防溢管垂直横截面，对于可能发生的安装不规范的问题，特别指明激光激发和发射器的校准如下：

设探头安装偏移角度为θ，防溢管半径为r，探头发射端与过防溢管内圆壁圆心的水平面距离为L，仪器探头距吊装侧防溢管垂直距离（即图4中的M、E点之间的距离）为

，探头发射激光轨迹与水平面夹角为α，探头发射的激光轨迹、与轨迹与管内壁交点的垂线夹角为

，则可由相关参数计算随着探头安装位置变化引起的探头激发轨迹入射角

变化情况。根据下式调整前述液面-沉沙相对高度计算。

其中，

。

综上所述，本发明的随钻防溢管液位监测装置和监测方法的优点包括：

（1）本发明发现和探测速度更快，通过在防溢管出口直接安装全新设计的监测装置，能够第一时间监测流量变化。而“长录流量装置”为配合老式流量计采用多条管路减速、过滤形成理想的满管测量容器，额外产生大量管路延迟，发现时间相对较滞后，且与流体在防溢管中原始状态差异较大，可能导致监测结果失真。

（2）本发明采用性能更稳定的激光激发、反射和探测原理，更精准、自动化程度更高、且提出了一种新型的数据展示及评价方法。而“长录流量装置”为针对传统石油工业仪器（主要为流量计）应用场景的改良，重点在于钻井液的清洗（防止污染仪器）、钻井液的引流和满管预处理（配合传统流量计对满管测量的需要）。

（3）本发明的功能更丰富，除测量钻井液液相流量外，也可通过接单根断流后的扫描和检测估算沉沙量而“长录流量装置”由于对钻井液进行了预处理，不具备此功能。

（4）本发明的应用场景更灵活、配套装置更小型化、更符合现场作业安全环保规范，有望显著减少钻井液漏失风险及受限空间人身伤害风险，本案所述装置主要在防溢管内部安装，对钻井现场外部环境干扰小，利用现有条件可灵活配置。而“长录流量装置”在防溢管下方及附近加装多条管线和泵设备，附加装置体积大、人身伤害和环境污染潜在风险有进一步扩大的可能。

（5）本发明的提供了一种新型的钻井出口流量监测装置及、监测、评价和调校方法。而“长录流量装置”是对现有的依赖满管才能正常运作的传统流量计运行和测量环境的有限度的改良和调整，并没有提出根本解决传统流量计对测量环境依赖程度高的解决方案。

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。

Claims (8)

1.一种随钻防溢管液位监测装置，其特征在于，所述装置包括：反射单元、激光发射单元、激光接收单元、处理单元和计算单元，其中，

反射单元包括n个反射组件，n≥2，n个反射组件沿防溢管径向分布，每个反射组件都包括滑轨、升降机构和反射板，其中，滑轨竖直设置在防溢管内，反射板设置在滑轨上并能够在重力和浮力的作用下沿滑轨上下滑动，反射板还能够在驱动力的作用下沿滑轨上下滑动，升降机构能够提供所述驱动力；

激光发射单元安装在防溢管内的第一位置并能够向所述n个反射组件的反射板发射激光，第一位置高于防溢管内液面或堆积沉沙的高度；

激光接收单元设置在防溢管内壁的上侧，并能够接收m个反射组件的反射板所反射的激光，m≤n；

处理单元能够将所述激光接收单元接收的激光进行处理，得到m个激光入射角度，m个激光入射角度能够与m个反射组件一一对应，激光入射角度为激光发射单元发射的激光与垂线之间的夹角；

计算单元能够利用激光入射角度，确定所述m个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度；

所述装置还包括流量异常判断单元，流量异常判断单元能够确定

或

的大小，并在

或

的情况下，判定井口流量异常，其中，

其中，x_i为所述m个反射组件中第i个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，x_i-1为第i-1个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，∑x_i为第1至第i个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度之和，∑x_i-1为第1至第i-1个反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度之和，a为0.12～0.25，b为0.08～0.12。

2.根据权利要求1所述的随钻防溢管液位监测装置，其特征在于，所述激光发射单元能够通过发射激光来扫描所述n个反射组件的反射板。

3.根据权利要求2所述的随钻防溢管液位监测装置，其特征在于，所述反射板的上板面具有一个反射响应点，所述计算单元利用式1来确定所述m个反射组件中第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉砂高度，

式1为：

其中，x_i为第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉砂高度，a_i为第一位置与第i个反射组件的滑轨之间的垂直距离，

为第一连线与垂线之间的夹角，

为激光入射角度，h_i为反射板厚度，第一连线为连接第一位置和第二位置的直线，第二位置为沿第i个反射组件的滑轨向下延伸的直线与防溢管内壁交汇的位置。

4.据权利要求1所述的随钻防溢管液位监测装置，其特征在于，所述装置还包括显示单元，显示单元能够显示出第一图像，其中，

第一图像包括m条曲线，m条曲线与所述m个反射组件能够一一对应，每条曲线都反应出对应高度随时间变化的情况，对应高度为曲线对应反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度。

5.据权利要求1所述的随钻防溢管液位监测装置，其特征在于，所述装置还包括模拟单元和显示单元，模拟单元能够根据所述计算单元计算出的m个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，模拟出防溢管径向横截面的液位-沉沙曲线，并通过显示单元展示出来。

6.据权利要求1所述的随钻防溢管液位监测装置，其特征在于，所述反射组件还包括浮标、减速挡板和限位器，其中，

浮标设置在反射板之下，并能够使所述反射板浮在钻井液液面或堆积沉沙上；

减速挡板位于反射板的一侧，且其板面与钻井液流动方向垂直；

限位器设置在所述滑轨上端，并能够限制所述反射板向上的位移。

7.一种随钻防溢管液位监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：

在防溢管内设置n个反射组件，n≥2，n个反射组件沿防溢管径向分布，每个反射组件都包括滑轨、升降机构和反射板，其中，滑轨竖直设置在防溢管内，反射板设置在滑轨上并能够在重力和浮力的作用下沿滑轨上下滑动，反射板还能够在驱动力的作用下沿滑轨上下滑动，升降机构能够提供所述驱动力；

在防溢管内具有钻井液流动的情况下，使n个反射组件的反射板沿滑轨下放至与钻井液液面或堆积沉沙；

在防溢管内的第一位置向n个反射组件的反射板发射激光，并接收到m个反射组件的反射板所反射的激光信号，其中，第一位置高于钻井液液面或堆积沉沙的高度，m≤n；

对所述接收的激光信号进行处理，得到m个激光入射角度，m个激光入射角度与m个反射组件能够一一对应，激光入射角度为激光发射单元发射的激光与垂线之间的夹角；

利用所述激光入射角度，确定所述m个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度；

所述方法还可包括步骤：确定

或

的大小，并在

或

的情况下，判定井口流量异常，其中，

其中，x_i为所述m个反射组件中第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，x_i-1为第i-1个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度，∑x_i为第1至第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度之和，∑x_i-1为第1至第i-1个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉沙的高度之和，a为0.12～0.25，b为0.08～0.12。

8.根据权利要求7所述的随钻防溢管液位监测方法，其特征在于，所述反射板的上板面具有一个反射响应点，利用式1来确定所述m个反射组件中第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉砂高度，

式1为：

其中，x_i为第i个反射组件的反射板所表征的液面或堆积沉砂高度，a_i为第一位置与第i个反射组件的滑轨之间的垂直距离，

为第一连线与垂线之间的夹角，

为激光入射角度，h_i为反射板厚度，第一连线为连接第一位置和第二位置的直线，第二位置为沿第i个反射组件的滑轨向下延伸的直线与防溢管内壁交汇的位置。

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