专利名称：石油钻井返出流量测量方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石油钻井返出流量测量方法与装置，属于石油天然气钻井测试技术领域。
背景技术：
石油钻井过程中，出口返出流量是石油及地质钻探工作中重要的参数之一，如何准确测量出口流量成为石油钻井中一直探索的问题，其实就钻井来说，测量出口返出流量的根本目的是确定出口流量在正常的基础上是否发生变化及其变化大小，判断是否有溢流等异常情况发生，从而及早采取措施，避免事故的发生，减少生命和财产损失。
多年来对于出口流量的测量出现过几种方案，其中出现早、使用时间最长的是挡板式流量计，从环空返出的泥浆，通过架空管线、泥浆槽，流向振动筛，进入泥浆池，将挡板流量计装在架空管线上，当泥浆流动时，冲击挡板，挡板在泥浆作用下，随泥浆液面向上运动，从而带动与连结轴相连的电位器轴转动，引起电位器的输出电阻值也随之发生变化。显然，这种方法是通过检测电阻值(或电压值)来确定挡板上升高度，从而确定流量的变化情况。这种流量计结构简单，方便耐用。缺点是现在的返出流量测量都在返出管线上测量，而该管线上钻井液流动截面非常大，使得测量分辨率很低，此外挡板经常被泥浆粘住，使挡板的上升高度发生变化，导致测量精度降低，并需要频繁的清洗维护。经计算，当返出流量从24L/s增加到25L/s的时候，考虑到液面面积很大以及泥浆在挡板上的粘附，升高幅度只有2％左右，大部分挡板式流量计达不到这种精度，使得挡板式流量计这种测量方法不可行。
另外一种是间接的测量方法，通过测量泥浆池液面高度变化量，反推出出口流量的变化情况，这种方法使用的是浮子液位计，但由于泥浆池截面积太大，使得泥浆池液面的变化不能及时反映出口流量的变化，滞后时间太长，误差大，精度低，在很大程度上影响了测量的意义。经计算，在一个长宽均为5m的泥浆池中，假设返出流量从24L/s增加到25L/s，一个小时后泥浆池液面仅升高144mm，这种精度根本满足不了现场的需要。
另外一些流量计，像电磁流量计、涡轮流量计、超声波流量计等虽然测量精度较高，也都因为出口泥浆不满管以及返出管线的尺寸不规则而大大影响了测量精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种钻井过程实时检测返出流量的方法与装置，解决钻井工程中返出流量测量误差大的难题。
使用低成本的装置实时准确检测返出流量，为安全井控赢得时间，为快速钻进提供技术支持。
本发明的工作原理本方法主要出发点是在小截面上测量，能够非常敏感地反映流量变化。石油钻井返出流量测量方法与装置，方法之一为分流式小截面测量，其关键在于在泥浆返出管线以下安装一个与返出管线平行的小直径的分支管，采用电磁流量计、涡轮流量计等测量流量，实现小截面测量。根据测得的分支管流量与返出流量的对应关系，可以计算出钻井返出流量；方法之二为对井口防溢管进行非接触小截面环空流量测量，其关键在井口防溢管上可以采用多普勒等测量流量，实现小截面测量。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的在易于安装分支管的工况下，使用分流式小截面测量装置。此时，在泥浆返出管线以下30cm处安装一个与返出管线平行的分支管，选择30cm是考虑分支管的安装要方便和安全，如果分支管离泥浆返出管线太远，对安全生产不利。
分支管由高灵敏流量计一分为二，第一段分支管长度为1m，选择其长度为1m，是考虑到在流体刚进入分支管长度为20cm以内形成了一个负压吸附区，在这个区域流体类似漩涡，流量不稳定，只有当分支管长度超过一定数值后，才能有较稳定的流量，因此测分支管流量时流量传感器必须安装在20cm以外。研究表明，在分支管直径一定时，当分支管长度为1m时，分支管流量较大而且稳定，所以将分支管长度定为1m。第一段分支管的直径视情况而定，这是因为当分支管长度一定时，随着分支管直径变大，分支管流量变大，因此在现场情况允许的情况下，应尽可能的加大分支管直径。
第二段分支管管线要加粗，这样可以减少摩擦阻力，保证有较大的流量，提高测量精度。
在两段分支管之间加装高精度流量计，组成信号采集单元，通过防干扰信号线与信号调理单元相连，用于采集分支管内流动信号。
调理后的信号进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，通过数据线提供给计算机数据采集与处理单元。
利用处理软件建立流压流量转换模型，利用该模型可以读取测得的钻井液分支管流压数字信号将，并以此为基础计算钻井液环空流量。
经过软件模拟及现场实验，可以得到分支管流量变化Q1与环空流量变化Q2之间的关系为线形关系Q2＝0.818Q1-0.8256通过对中原油田4口实际生产井及1口实验井的测试，表明本发明能够运用于实际生产，指导钻进。
对于不便于安装分支管的工况，可以使用非接触式多普勒测量装置。在套管外壁上不同层位装上4组多普勒流量计。每组多普勒流量计之间的上下间距为20cm，普勒流量计发射装置和接收装置之间的夹角为90°，为了保证测量的全方位性，安装多普勒流量计时按照水平投影均匀分布的原则进行。
各组多普勒流量计信号通过防干扰信号线进入调理单元，用于采集各组环空流动信号。
调理后的信号进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，通过数据线提供给计算机数据采集与处理单元。
建立流量转换和处理模型，利用该模型可以读取和优化各组信号，并对4组信号取平均值即为钻井液环空流量。
本发明与背景技术相比，具有以下优点1、可以实时监测钻井环空流量变化，测试精度高，数据误差小。
2、在遇到由于气侵等造成的溢流井涌事故时，能够及时监测到流量变化，为安全井控赢得时间。
3、非接触式多普勒测量装置安装方便，不需在套管壁上打孔。
图1为本发明的原理示意图。
图2为分流式小截面测量装置安装示意图。
图3为非接触式多普勒测量装置现场安装示意图。
具体实施例方式如图1、2、3所示，分流式小截面测量装置设有分流单元1、流量信号转换单元2、信号调理和A/D转换单元4、计算机采集与处理单元3。其中，分流单元1由直径不同的分支管8组成，被流量信号转换单元2一分为二，流量信号转换单元2由高灵敏流量计7组成。流量信号转换单元2与信号调理和A/D转换单元4之间由防干扰信号线相连，信号调理和A/D转换单元4与计算机采集与处理单元3之间由数据线相连。
在泥浆返出管线6以下30cm处安装一个与返出管线平行的分支管8，选择30cm是考虑分支管的安装要方便和安全，如果分支管离泥浆返出管线太远，对安全生产不利。
分支管8由高灵敏流量计7一分为二，第一段分支管长度为1m，选择其长度为1m，是考虑到在流体刚进入分支管长度为20cm以内形成了一个负压吸附区，在这个区域流体类似漩涡，流量不稳定，只有当分支管长度超过一定数值后，才能有较稳定的流量，因此测分支管流量时流量传感器必须安装在20cm以外。研究表明，在分支管直径一定时，当分支管长度为1m时，分支管流量较大而且稳定，所以将分支管长度定为1m。第一段分支管的直径视情况而定，这是因为当分支管长度一定时，随着分支管直径变大，分支管流量变大，因此在现场情况允许的情况下，应尽可能的加大分支管直径。
第二段分支管管线要加粗，这样可以减少摩擦阻力，保证有较大的流量，提高测量精度。
在两段分支管之间加装高灵敏流量计7，组成流量信号转换单元，通过防干扰信号线与信号调理单元4相连，用于采集钻井液的分支管流动信号，并转换为4-20mA电流信号，所提到的防干扰信号线可以保证采集到的信号避免受到外界干扰。
信号调理和A/D转换单元4主要包括滤波、放大、A/D转换功能，可以把信号进行放大和滤波处理，并将模拟信号转换成数字信号，通过数据线提供给计算机数据采集与处理单元3。
利用处理软件建立流量转换和处理模型，利用该模型可以读取并优化测得的分支管流量信号，并以此为基础计算钻井液环空流量。
非接触式多普勒测量装置，需要使用多组由发射装置10和接收装置11组成的多普勒流量计。在隔水管9外壁上装上4组多普勒流量计。每组多普勒流量计之间的上下间距为20cm，各组多普勒流量计发射装置10和接收装置11之间的距离选择为90°，为了保证测量的全方位性，安装多普勒流量计时按照水平投影均匀分布的原则进行。
各组多普勒流量计通过防干扰信号线与信号调理单元相连，用于采集各组环空流动信号。
调理后的信号进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，通过数据线提供给计算机数据采集与处理单元。
建立流量转换和处理模型，利用该模型可以读取和优化各组信号，并对4组信号取平均值即为钻井液环空流量。
权利要求
1.石油钻井返出流量测量方法，其特征在于现在的返出流量测量都在返出管线上测量，而该管线上钻井液流动截面非常大，使得测量分辨率很低，本方法是在小截面上测量，能够非常敏感地反映流量变化。方法之一为分流式小截面测量，其关键在于在泥浆返出管线以下安装一个与返出管线平行的小直径的分支管，采用电磁流量计、涡轮流量计等测量流量，实现小截面测量。根据测得的分支管流量与返出流量的对应关系，可以计算出钻井返出流量；方法之二为对井口防溢管进行非接触小截面环空流量测量，其关键在井口防溢管上可以采用多普勒等测量流量，实现小截面测量。
2.石油钻井返出流量测量装置，其特征在于分流式小截面测量装置包括分流单元、流量信号转换单元、信号调理和A/D转换单元、计算机采集与处理单元。非接触式多普勒测量装置包括流量信号转换单元组、信号调理和A/D转换单元、计算机采集与处理单元。
3.根据权利要求2所述的石油钻井返出流量测量装置，其特征在于所述的分流单元是由接在套管上位于返出管线下方并与返出管线平行的小直径圆管组成的，可以给流量信号转换单元提供满管流体，以便于提高测量精度。
4.根据权利要求2所述的石油钻井返出流量测量装置，其特征在于所述的流量信号转换单元组是由多组不同方位、不同层位的超声波多普勒流量计组成的，可以通过对不同方位、不同层位钻井环空流量的测量得出精度较高的钻井返出流量。
全文摘要
分流式小截面测量装置包括分流单元、流量信号转换单元、信号调理和A/D转换单元、计算机采集与处理单元。分支管流量通过电磁流量计转化为电信号，并与信号调理和A/D转换单元相连，信号调理和A/D转换单元主要包括滤波、放大、A/D转换功能，由此得到的数字信号通过防干扰信号线与计算机采集与处理单元相连，通过软件计算出分支管流量的实际大小，并据此推断石油钻井返出流量。非接触式多普勒测量装置包括流量信号转换单元组、信号调理和A/D转换单元、计算机采集与处理单元。流量信号转换单元组通过对不同方位、不同层位钻井环空流量的测量得出精度较高的钻井返出流量。本装置对钻井液返出流量进行实时测量，测试精度高，数据误差小。
文档编号E21B21/00GK1970990SQ200610145028
公开日2007年5月30日 申请日期2006年11月29日 优先权日2006年11月29日
发明者李相方, 隋秀香, 李志斌 申请人:中国石油大学(北京)