提高钻井液返出流量测量灵敏度的井口喇叭口短节及方法与流程

本发明涉及一种钻井工具及方法，特别涉及一种提高钻井液返出流量测量灵敏度的井口喇叭口短节及方法。

背景技术：

石油天然气钻井过程中，测量返出钻井液流量是石油勘探开发过程中的重要工作之一。当气体侵入钻井液后，如何高精度、真实、准确测量返出钻井液成为石油工业界需要探索的问题，及早判断是否溢流，进而采取有效措施，防止井喷及井喷失控，减少各种损失。

针对钻井液返出流量测量目前存在几种方案，其中运用最多的就是挡板式流量计，利用挡板式原理，钻井液流过挡板时，对挡板有冲击力，随着流量的不同，其挡板的冲击力不同，其冲击力与流量呈一定的关系，这种流量计部件较少，能够长期使用，但是此种流量计使用一段时间后，钻井液就会粘在挡板上，从而导致利用相同挡板时，使用时间长后，测量精度下降，需要定期对挡板进行清洗。经过计算，返出流量从24L/s增加到25L/s时，由于泥浆的粘滞作用，其升高只有2%左右，这导致挡板式流量计在实际测量返出钻井液流量时精度不够，不能准确预测溢流。

第二种测量钻井液返出流量的方式是：测量泥浆池液面高度的变化来反应返出管线钻井液流量，采用的类似于浮子液位计，通过浮子位置的变化，转化成泥浆池液位高度的变化，再转化成流量。这种方法的缺点是对于容器的容积比较敏感，容器容积越大，在体积变化相同时，液位变化越小，例如流量从24L/s增加到25L/s时，在一个5m方形的泥浆池中，1小时的液面变化为16.61mm，延时较长，很难满足现场高精度测量返出管线钻井液流量的需要。

第三种测量钻井液流量的方式是：通过分支管测量分流量反应返出管线流量，其原理是通过返出管线下方并联一段分支管，通过测量小管的流量反应返出管线流量，其缺点是自由液面对分支管流量影响较小，当返出流量增大一倍时，其分支管流量才有明显变化，精度较低，不能满足实际需要。

另外，其他的一些流量计，如孔板流量计、电磁流量计等虽然在其他行业运用较多，但是由于返出管线流量是非满管，对测量精度影响很大。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种提高钻井液返出流量测量灵敏度的井口喇叭口短节及方法。

本发明提到的一种提高钻井液返出流量测量灵敏度的井口喇叭口短节，包括法兰一（1）、下部套管（2）、法兰二（3）、梯形结构体（4）、法兰三（6）、上部套管（7）、泥浆伞（8）、泥浆返回管（9）和控制机构，下部套管（2）下部通过法兰一（1）与井口防喷器（18）连接、上部通过法兰二（3）与梯形结构体（4）下部连接；梯形结构体（4）上部通过法兰三（6）与上部套管（7）连接；上部套管（7）的上部与泥浆伞（8）活动连接，侧面与泥浆返回管（9）活动连接；所述的梯形结构体（4）由靶式流量计（5）、半柱体橡胶挡板（10）、伸缩机构（11）和腔体组成，腔体内部设有半柱体橡胶挡板（10）和伸缩机构（11），且腔体的一侧的截面为梯形结构，另一侧截面为方形结构，半柱体橡胶挡板（10）将梯形结构和方形结构分隔开，半柱体橡胶挡板（10）的一侧通过伸缩机构（11）与控制机构连接；所述的靶式流量计（5）设置在梯形结构体（4）的梯形结构一侧，钻柱（19）从上侧的泥浆伞（8）穿入上部套管（7）、梯形结构体（4）和下部套管（2），并通过井口防喷器（18）进入地层。

上述控制机构包括液压油路一（13）、液压油路二（14）、三位四通阀（15）、液压油路三（16）与蓄能器（17），半柱体橡胶挡板（10）的一侧通过伸缩机构（11）与液压缸（12）连接；液压缸（12）通过液压油路一（13）、液压油路二（14）与三位四通阀（15）连接，三位四通换向阀（15）通过液压油路三（16）与蓄能器（17）连接。

上述靶式流量计（5）采用可伸缩插入式的靶式流量计。

上述半柱体橡胶挡板（10）安装在梯形结构体（4）的方形结构一侧，且半柱形结构的凸面朝向方形结构一侧。

上述梯形结构体（4）的梯形结构一侧的左侧安装靶式流量计（5）。

上述靶式流量计（5）包括阻流件（5.1）、伸缩杆（5.2）、电容力传感器（5.3）、显示输出部（5.4），所述阻流件（5.1）通过伸缩杆（5.2）设置在梯形结构体（4）的梯形结构一侧内腔，伸缩杆（5.2）的外侧设有电容力传感器（5.3），显示输出部（5.4）设置最外端。

本发明提到的一种提高钻井液返出流量测量灵敏度的井口喇叭口短节的使用方法，包括以下步骤：

钻进时，半柱体橡胶挡板（10）关闭，蓄能器（17）将液压油通过液压油路三（16）控制三位四通换向阀（15）换向，然后通过液压油路一（13）将高压油推入液压阀左右液压关闭腔时，推动活塞带动半柱体橡胶挡板（10）向井口中心移动，完全贴紧钻柱（19），减小钻柱振动，实现梯形结构体（4）的方形结构一侧的环空封闭动作，迫使返回钻井液全部从梯形结构体（4）的梯形结构一侧的环空流过，有效提高返回钻井液流速；

起下钻时，可控半柱体橡胶挡板（10）开启，蓄能器（17）将液压油通过液压油路三（16）控制三位四通换向阀（15）换向，然后通过液压油路二（14）将高压油推入液压阀左右液压开启腔时，推动活塞带动橡胶挡板（10）向梯形结构体（4）的方形一侧移动，实现梯形结构体（4）的方形一侧环空打开动作，回到方形结构内，实现梯形结构体（4）的方形结构一侧环空打开动作，不会影响钻具的上提、下放。

本发明相对于现有技术，具有以下显著效果：

(1)、本发明相对于其他测量方式来说，利用可控的半柱体橡胶挡板减小了返出钻井液的流动截面积，相应的增加了钻井液返出速度，同时减小了钻柱径向速度带来的影响，大大提高了测量精度；

(2)、本发明利用梯形的结构体相对于方形或圆柱形结构体来说，结构内梯形一侧的测量点处流线及速度分布理想，极大的提高了测量精度；

(3)、本发明利用蓄能器、液压管路、三位四通换向阀组成的控制机构，可快速实现梯形结构体中的半柱体橡胶挡板的开关动作，分别适用于钻井及起下钻的过程。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是靶式流量计的结构示意图；

附图3是梯形结构体的俯视图；

附图4是梯形结构体与半柱体橡胶挡板的配合图；

附图5是梯形结构体与半柱体橡胶挡板的另一配合图；

上图中：法兰一（1）、下部套管（2）、法兰二（3）、梯形结构体（4）、法兰三（6）、上部套管（7）、泥浆伞（8）、泥浆返回管（9）、半柱体橡胶挡板（10）、伸缩机构（11）、液压缸（12）、液压油路一（13）、液压油路二（14）、三位四通阀（15）、液压油路三（16）、蓄能器（17）、井口防喷器（18）、钻柱（19），阻流件（5.1）、伸缩杆（5.2）、电容力传感器（5.3）、显示输出部（5.4）。

具体实施方式

结合附图，对本发明作进一步的描述：

本发明提到的一种提高钻井液返出流量测量灵敏度的井口喇叭口短节，包括法兰一（1）、下部套管（2）、法兰二（3）、梯形结构体（4）、法兰三（6）、上部套管（7）、泥浆伞（8）、泥浆返回管（9）和控制机构，下部套管（2）下部通过法兰一（1）与井口防喷器（18）连接、上部通过法兰二（3）与梯形结构体（4）下部连接；梯形结构体（4）上部通过法兰三（6）与上部套管（7）连接；上部套管（7）的上部与泥浆伞（8）活动连接，侧面与泥浆返回管（9）活动连接；所述的梯形结构体（4）由靶式流量计（5）、半柱体橡胶挡板（10）、伸缩机构（11）和腔体组成，腔体内部设有半柱体橡胶挡板（10）和伸缩机构（11），且腔体的一侧的截面为梯形结构，另一侧截面为方形结构，半柱体橡胶挡板（10）将梯形结构和方形结构分隔开，半柱体橡胶挡板（10）的一侧通过伸缩机构（11）与控制机构连接；所述的靶式流量计（5）设置在梯形结构体（4）的梯形结构一侧，钻柱（19）从上侧的泥浆伞（8）穿入上部套管（7）、梯形结构体（4）和下部套管（2），并通过井口防喷器（18）进入地层。

其中，控制机构包括液压油路一（13）、液压油路二（14）、三位四通阀（15）、液压油路三（16）与蓄能器（17），半柱体橡胶挡板（10）的一侧通过伸缩机构（11）与液压缸（12）连接；液压缸（12）通过液压油路一（13）、液压油路二（14）与三位四通阀（15）连接，三位四通换向阀（15）通过液压油路三（16）与蓄能器（17）连接。

本发明的靶式流量计（5）采用可伸缩插入式的靶式流量计，梯形结构体（4）的梯形结构一侧的左侧安装靶式流量计（5）。

半柱体橡胶挡板（10）安装在梯形结构体（4）的方形结构一侧，且半柱形结构的凸面朝向方形结构一侧。

靶式流量计（5）包括阻流件（5.1）、伸缩杆（5.2）、电容力传感器（5.3）、显示输出部（5.4），所述阻流件（5.1）通过伸缩杆（5.2）设置在梯形结构体（4）的梯形结构一侧内腔，伸缩杆（5.2）的外侧设有电容力传感器（5.3），显示输出部（5.4）设置最外端。在管流中垂直于流动方向安装一个圆盘形阻流件，称之为“靶”。流体经过时，由于受阻将对靶产生作用力，此作用力与流速的平方成正比。通过测量靶所受作用力，可以求出流体流速。因此，钻井液返出流速越快，测量精度就会越高。

本发明提到的一种提高钻井液返出流量测量灵敏度的井口喇叭口短节的使用方法，包括以下步骤：

钻进时，半柱体橡胶挡板（10）关闭，蓄能器（17）将液压油通过液压油路三（16）控制三位四通换向阀（15）换向，然后通过液压油路一（13）将高压油推入液压阀左右液压关闭腔时，推动活塞带动半柱体橡胶挡板（10）向井口中心移动，完全贴紧钻柱（19），减小钻柱振动，实现梯形结构体（4）的方形结构一侧的环空封闭动作，迫使返回钻井液全部从梯形结构体（4）的梯形结构一侧的环空流过，有效提高返回钻井液流速；

起下钻时，可控半柱体橡胶挡板（10）开启，蓄能器（17）将液压油通过液压油路三（16）控制三位四通换向阀（15）换向，然后通过液压油路二（14）将高压油推入液压阀左右液压开启腔时，推动活塞带动橡胶挡板（10）向梯形结构体（4）的方形一侧移动，实现梯形结构体（4）的方形一侧环空打开动作，回到方形结构内，实现梯形结构体（4）的方形结构一侧环空打开动作，不会影响钻具的上提、下放。

另外，需要说明的是：钻井过程中，气体侵入钻井液后，上升过程中由于压力下降，造成体积膨胀，使得钻井液流速加快。由于钻井过程一般是定排量钻进，所以钻井液返出流速基本不变。如果突然变大超过某一范围，则可判断是气侵。

还有，本发明利用梯形的结构体内部相对于方形或圆柱形结构体来说，结构内梯形一侧的测量点处流线及速度分布理想，极大的提高了测量精度。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。