一种新型井涌报警装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种新型井涌报警装置及方法，该装置包括底座(1)、转轴(2)、连杆(4)、靶板(5)、计算单元与报警单元；所述的底座设置在管道的泥浆流出口处；底座具有一个底板和两个侧板(3)；两个侧板垂直与底板固定在底板的相对两侧；且沿着泥浆流动方向设置；转轴设置在2块侧板上，由电机驱动；连杆的一端固定在转轴上，连杆的另一端固定有所述的靶板；连杆处于竖直位置时，靶板与泥浆流动方向垂直；转轴上设有扭矩传感器；扭矩传感器与计算单元相连；计算单元与报警单元相连；在计算单元中计算流速值并启动报警单元实施报警。该新型井涌报警装置及方法易于实施，且能有效地避免井涌的发生，保障钻井过程中的人身和财产安全。
【专利说明】一种新型井涌报警装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型井涌报警装置及方法，适用于一般情况下的井涌报警，特别适用于非满管状态下的专用井涌报警。
【背景技术】
[0002]在钻井过程中(钻进、固井、测试或修井等各种井下作业)，井内流体层压力大于钻井液或洗井液柱静压力时，含流体层中的流体或气体将侵人井筒内，积累至一定量后，随井筒内液体循环至井口，在井口形成沸腾状，这种现象称为井涌。而井涌往往是井喷的先兆，因此，对此种现象必须要预先检测，避免事故的发生。
[0003]现行监测钻井作业过程中判断是否发生井涌的方法主要为体积守恒法，即灌入油井中泥浆的体积与从油井中抽出的泥浆体积在一定范围内是否相等。若抽出的泥浆体积大于灌入的泥浆体积，则可认为发生了井涌；若小于，则可视作发生了井漏。
[0004]在检测过程中，现行检测须要求检测对象须处于满管状态，以定值估算泥浆在管内的体积量。若在非满管状况下，则现有设备不能很好地检测出井涌故障。。
[0005]因此，有必要设计一种新型井涌报警装置及方法，尤其是针对非满管状态下的井涌报警的装置和方法。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种新型井涌报警装置及方法，该新型井涌报警装置及方法易于实施，且能有效地避免井涌的发生，保障钻井过程中的人身和财产安全。
[0007]发明的技术解决方案如下:
[0008]一种新型井涌报警装置，包括底座(I)、转轴(2)、连杆(4)、靶板(5)、计算单元与报警单元；
[0009]所述的底座设置在管道的泥浆流出口处；底座具有一个底板和两个侧板(3)；
[0010]两个侧板垂直与底板固定在底板的相对两侧；且沿着泥浆流动方向设置；
[0011 ] 转轴设置在2块侧板上，由电机驱动；
[0012]连杆的一端固定在转轴上，连杆的另一端固定有所述的靶板；连杆处于竖直位置时，靶板与泥浆流动方向垂直；
[0013]转轴上设有扭矩传感器；
[0014]扭矩传感器与计算单元相连；
[0015]计算单元与报警单元相连；
[0016]在计算单元中执行以下计算和处理:
[0017](I)当连杆处于竖直位置且靶板浸没于泥浆中时，计算单元由读取扭矩传感器检测到的力矩值M ;根据下式计算得到泥浆液对靶板所造成的冲力F:
[0018]F = M/L，L是连杆长度；
[0019](2)计算单元再由下式计算得到泥浆的流速V:
[0020]Y=sj^jy其中，Cd为流体阻力系数，A为靶板处于水平位置时在水平面的投影面积，P为泥浆的密度；
[0021](3)当流速V大于第一预设阈值时，或单位时间内流速变化值Λν大于第二预设阈值时，计算单元启动报警单元实施报警。
[0022]在靶板上设有一个电叉；电叉与电流检测回路的一端相连，电流检测回路的另一端与流动的泥浆液相连；以流动的泥浆液作为导体；电流检测回路中设有电流表；
[0023]在连杆的旋转过程中，当电流表的读数发生跳变，即表示电叉接触到的泥浆液或电叉从泥浆液中离开，记录此时角度传感器检测出连杆与水平方向所称的角度α，则液位高度为h = H-L-sin α ;其中H为转轴与底座的上表面的高度，L为连杆C的长度与靶板的长度之和。
[0024]连杆上还设有用于检测连杆角度的角度传感器，靶板上设有一个泥浆勺；连杆处于水平位置时，泥浆勺的开口朝上；
[0025]在计算单元中执行以下计算和处理:
[0026](I)在电机驱动下，当连杆上的泥浆勺从流动中的泥浆液中舀出一勺泥浆，并且连杆继续上升达到与水平方向平行时，计算此时泥浆勺中泥浆液的质量m【计算原理为:由M=F*L即有M = mg*L,则质量m = M/gL,其中的一种具体的计算方法为:在连杆均处于水平方向时，泥浆勺中没有泥浆时测量一次转矩，泥浆勺中有泥浆时再测量一次转矩，两次测得的转矩值之差即AM是由泥浆勺中泥浆的重量造成的，则泥浆的质量m= ΛΜ/gL】，泥浆勺
_ m
的容积V已知，则由下式计算得到泥浆液的比重值P= y
[0027](2)当泥浆液的比重值大于第三预设阈值时，或单位时间内比重变化值大于第四预设阈值时，计算单元启动报警单元实施报警。
[0028]一种新型井涌报警方法，采用前述的新型井涌报警装置；包括以下步骤:
[0029]步骤1:计算冲力F:
[0030]当连杆处于竖直位置且靶板浸没于泥浆中时，计算单元由读取扭矩传感器检测到的力矩值M ;根据下式计算得到泥浆液对靶板所造成的冲力F:
[0031]F = M/L，L是连杆长度；
[0032]步骤2:计算流速V
[0033]计算单元再由下式计算得到泥浆的流速V:
[0034]V=其中，Cd为流体阻力系数，A为靶板处于水平位置时在水平面的投影面积，P为泥浆的密度；
[0035]步骤3:报警步骤:
[0036]当流速V大于第一预设阈值时，或单位时间内流速变化值Λ V大于第二预设阈值时，计算单元启动报警单元实施报警。
[0037]单位时间是指预设的时间，比如30秒-10分钟，优选为I分钟。
[0038]有益效果:
[0039]本发明是针对钻井过程中(钻进、固井、测试或修井等各种井下作业)泥浆、水泥或其他工作液漏失到地层中并且在非满管状态下常规仪器不能测量的状况下，设计的一种可在非满管状态进行井涌测量报警的装置【当然在满管状态下该仪器也可以正常使用】。当介质在测量管中流动时，因其自身的动能与靶板产生压差，而产生对靶板的作用力，其作用力和流速成正相关；从而判断出井内状态，从而更为精准的宏观检测出是否发生井涌状态。
[0040]本发明的新型井涌报警装置及方法，巧妙的设计了基于底座、转轴、连杆和靶板的检测构架，再通过设置一系列传感装置完成流速的自动测量，进而在流速过大时发出井涌报警，从而减小了事故发生几率的，保证了钻探工作的安全性。
[0041]整套系统采用常规的设备和器件，成本低，易于推广实施。
[0042]本发明的方案完全不同于现有的技术方案，而是采用独特的构思，因而不单可以用于满管状态下的井涌报警，还能用于现有设备无法实现的非满管状态下的井涌报警。
[0043]本发明不但能实施井涌报警，还能进一步基于检测液位以及液体比重，从而提供了更为精准的钻探事故检测的参数，其中比重的检测可以用作井漏报警，从而完善和扩展井涌报警装置的功能。
[0044]本发明对各类能源钻探、能源采集的安全性都具有了极大的改善，是未来更大型的能源钻探、能源采集硬件设施及技术要求的强有力支持之一。
【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1为新型井涌报警装置的结构示意图；
[0046]图2为采用该新型井涌报警装置测量流速时的连杆与转轴的相对位置关系图；
[0047]图3为采用该新型井涌报警装置测量流速时的示意图(侧视图)；
[0048]图4为采用该新型井涌报警装置测量液体比重时的连杆与转轴的相对位置关系图；
[0049]图5为采用该新型井涌报警装置测量液体比重时的示意图(侧视图);
[0050]图6为液位测量示意图。
[0051]标号说明:1_底座，2-转轴，3-侧板，4-连杆，5-靶板。
【具体实施方式】
[0052]以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明:
[0053]实施例1:
[0054]如图1，一种新型井涌报警装置，包括底座(I)、转轴(2)、连杆(4)、靶板(5)、计算单元与报警单元；
[0055]所述的底座设置在管道的泥浆流出口处；底座具有一个底板和两个侧板(3)；
[0056]两个侧板垂直与底板固定在底板的相对两侧；且沿着泥浆流动方向设置；
[0057]转轴设置在2块侧板上，由电机驱动；
[0058]连杆的一端固定在转轴上，连杆的另一端固定有所述的靶板；连杆处于竖直位置时，靶板与泥浆流动方向垂直；
[0059]转轴上设有扭矩传感器；
[0060]扭矩传感器与计算单元相连；[0061 ] 计算单元与报警单元相连；
[0062]底座和2块侧板组成一个两端开口的固定座，泥浆液从该固定座流过，该固定座作为一个基座用于安装转轴等部件。
[0063]扭矩传感器安装的转轴与连杆的连接处。靶板(靶板与泥浆勺是一体的)外接有电叉，电叉用于形成电流通路，以便检测液位，参加后续的第二部分。电机驱动转轴旋转，二转轴又带动连杆旋转。
[0064]一、流速测量及井涌报警(参见图2-3)
[0065]在计算单元中执行以下计算和处理:
[0066](I)当连杆处于竖直位置且靶板浸没于泥浆中时，计算单元由读取扭矩传感器检测到的力矩值M ;根据下式计算得到泥浆液对靶板所造成的冲力F:
[0067]F = M/L，L是连杆长度；
[0068](2)计算单元再由下式计算得到泥浆的流速V:
[0069]V= d 其中，Cd为流体阻力系数，A为靶板处于水平位置时在水平面的投影面积，P为泥浆的密度；
[0070](3)当流速V大于第一预设阈值时，或单位时间内流速变化值Λ V大于第二预设阈值时，计算单元启动报警单元实施报警。【流速的预设阈值以及流速变化值的预设阈值由操作者设定】
[0071]二、液位测量:
[0072]如图6，液位测量的原理说明:由于泥浆液的导电性质，所以当泥浆勺外的电叉在泥浆液中时会形成回路。这样，回路中就有电流。而当电叉处在泥浆外时，空气电阻无穷大，那么电流就为O。
[0073]因此，在某< 时刻，电路中有电流，而在?时刻，电流为O (即连杆C处于如图6所示的位置)。这时能计算出液位高度。电流表采用O?1mA规格，电压使用5V直流电压电源，电阻为500 Ω。
[0074]当检测出液位高度后，连杆C往回做逆时针旋转，如此反复。
[0075]在靶板上设有一个电叉；电叉与电流检测回路的一端相连，电流检测回路的另一端与流动的泥浆液相连；以流动的泥浆液作为导体；电流检测回路中设有电流表；
[0076]在连杆的旋转过程中，当电流表的读数发生跳变，即表示电叉接触到的泥浆液或电叉从泥浆液中离开，记录此时角度传感器检测出连杆与水平方向所称的角度α，则液位高度为h = H-L-sin α ;其中H为转轴与底座的上表面的高度，L为连杆C的长度与靶板的长度之和。
[0077]三、液体比重测量及井喷报警:
[0078]参见图4-5，连杆上还设有用于检测连杆角度的角度传感器，靶板上设有一个泥浆勺；连杆处于水平位置时，泥浆勺的开口朝上；
[0079]当连杆逆时针旋转至转轴下方时，从底座上方流过的泥浆液中S出一定体积的泥浆液。而当连杆旋转至如图4所示的位置(即角度传感器检测出连杆与水平方向平行，即为180° )时，安装在转轴上的扭矩传感器测出转矩值并计算得到当前的泥浆勺中的泥浆液的质量。泥浆勺质量和体积均为已知，测得泥浆勺与泥浆勺内液体质量，这样可以很容易得到泥浆液的比重。例如，已知设计的容器体积为V，当角度传感器检测出连杆C与水平方向成180°角时，计算液体的比重；
[0080]当测出泥浆勺中质量后，连杆C则往回做顺时针旋转。
[0081]在计算单元中执行以下计算和处理:
[0082](4)在电机驱动下，当连杆上的泥浆勺从流动中的泥浆液中舀出一勺泥浆，并且连杆继续上升达到与水平方向平行时，计算此时泥浆勺中泥浆液的质量m【计算原理为:由M=F*L即有M = mg*L,则质量m = M/gL,其中的一种具体的计算方法为:在连杆均处于水平方向时，泥浆勺中没有泥浆时测量一次转矩，泥浆勺中有泥浆时再测量一次转矩，两次测得的转矩值之差即AM是由泥浆勺中泥浆的重量造成的，则泥浆的质量m= ΛΜ/gL】，泥浆勺
_ m
的容积V已知，则由下式计算得到泥浆液的比重值
[0083]当泥浆液的比重值大于第三预设阈值时，或单位时间内比重变化值大于第四预设阈值时，计算单元启动报警单元实施报警。【比重的预设阈值以及比重变化值的预设阈值由操作者设定】。
【权利要求】
1.一种新型井涌报警装置，其特征在于，包括底座(I)、转轴(2)、连杆(4)、靶板(5)、计算单元与报警单元； 所述的底座设置在管道的泥浆流出口处；底座具有一个底板和两个侧板(3);两个侧板垂直与底板固定在底板的相对两侧；且沿着泥浆流动方向设置； 转轴设置在2块侧板上，由电机驱动； 连杆的一端固定在转轴上，连杆的另一端固定有所述的靶板；连杆处于竖直位置时，靶板与泥浆流动方向垂直； 转轴上设有扭矩传感器； 扭矩传感器与计算单元相连； 计算单元与报警单元相连； 在计算单元中执行以下计算和处理: (1)当连杆处于竖直位置且靶板浸没于泥浆中时，计算单元由读取扭矩传感器检测到的力矩值M ;根据下式计算得到泥浆液对靶板所造成的冲力F: F = M/L，L是连杆长度； (2)计算单元再由下式计算得到泥浆的流速V: V = d 其中，Cd为流体阻力系数，A为靶板处于水平位置时在水平面的投影面积，P为泥浆的密度； (3)当流速V大于第一预设阈值时，或单位时间内流速变化值Av大于第二预设阈值时，计算单元启动报警单元实施报警。
2.根据权利要求1所述的新型井涌报警装置，其特征在于，在靶板上设有一个电叉； 电叉与电流检测回路的一端相连，电流检测回路的另一端与流动的泥浆液相连；以流动的泥浆液作为导体；电流检测回路中设有电流表； 在连杆的旋转过程中，当电流表的读数发生跳变，即表示电叉接触到的泥浆液或电叉从泥浆液中离开，记录此时角度传感器检测出连杆与水平方向所称的角度α，则液位高度Sh = H-L-sin α ;其中H为转轴与底座的上表面的高度，L为连杆C的长度与靶板的长度之和。
3.根据权利要求1-2任一项所述的新型井涌报警装置，其特征在于，连杆上还设有用于检测连杆角度的角度传感器，靶板上设有一个泥浆勺；连杆处于水平位置时，泥浆勺的开口朝上； 在计算单元中执行以下计算和处理: (1)在电机驱动下，当连杆上的泥浆勺从流动中的泥浆液中S出一勺泥浆，并且连杆继续上升达到与水平方向平行时，计算此时泥浆勺中泥浆液的质量m，泥浆勺的容积V已知，
_ m则由下式计算得到泥浆液的比重值P= y
? (2)当泥浆液的比重值大于第三预设阈值时，或单位时间内比重变化值大于第四预设阈值时，计算单元启动报警单元实施报警。
4.一种新型井涌报警方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的新型井涌报警装置；包括以下步骤: 步骤1:计算冲力F: 当连杆处于竖直位置且靶板浸没于泥浆中时，计算单元由读取扭矩传感器检测到的力矩值M ;根据下式计算得到泥浆液对靶板所造成的冲力F: F = M/L，L是连杆长度； 步骤2:计算流速V 计算单元再由下式计算得到泥浆的流速V:
Jc^Ap 其中，Cd为流体阻力系数，A为靶板处于水平位置时在水平面的投影面
、 ，积，P为泥浆的密度； 步骤3:报警步骤: 当流速V大于第一预设阈值时，或单位时间内流速变化值△ V大于第二预设阈值时，计算单元启动报警单元实施报警。
【文档编号】E21B47/10GK104131809SQ201410332173
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】王莉, 吴志虎, 肖凯文, 鲁五一 申请人:中南大学