专利名称：一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及深水钻井监测设备及方法，特别是关于一种测量海底隔水管与钻柱之间环空瞬时流量的装置。
背景技术：
在海洋深水钻井过程中，海底隔水管的工作环境恶劣(深水、高压等)，因此对隔水管的力学性能要求很高，成本很大。隔水管内部设置有钻柱，但是现在还没有隔水管与钻柱之间环空瞬时流量的测量方法及装置。目前，仅有利用靶式流量计来测量钻井液出口流量。测量原理是依靠出口钻井液的冲力使靶体位置发生变化，依靠传感器传递信号来测量流量的大小，变化反应比较灵敏， 测量结果基本上能够反映钻井液出口流量的异常变化，但是，传感器在现场应用存在许多缺点1)安装条件要求严格，即传感器必须装在钻井液出口高架槽上，高架槽的直径和坡度需满足靶体在静止时能够垂直或接近垂直状态；2)本体长时间使用会造成活动不灵活、测量范围缩小，即在长时间的录井过程中， 钻井液会逐渐干结成泥饼，堆积在靶体活动轴附近，使其活动范围受到限制或者不灵活，导致其输出信号范围变小或者不能真实反映钻井液流量的变化；3)现场环境对该传感器的影响较大，长时间使用会造成可变电阻容易损坏，易出现接触不良现象，并且可变电阻长期在潮湿环境下使用易产生阻值误差；4)由于靶体的重量选择不合适，当受到钻井液冲击后，其上升和回落之间的落差较大，致使输出信号变化范围大，测量结果不够准确；5)测量结果滞后，不利于提前发现井涌。
发明内容
本发明为了克服传统出口流量测量装置的不足，目的是提供一种采用超声波实时测量出泥线处隔水管与钻柱间环空瞬时流量的装置，及时判断井下井涌情况，提高深水钻井井控安全性。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于它包括超声波传感器、信号收发模块、接口电路、测控器以及上位机；超声波传感器中包括超声波发射传感器和超声波接收传感器，并排夹装在隔水管外壁上，所述超声波传感器通过信号收发模块与接口电路相连；所述测控器一端与接口电路相连，另一端与所述上位机相连；所述测控器电路中包含有依次按输入输出顺序连接的放大电路、滤波电路、自动增益控制电路、模数转换器、电压转换电路、DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器的输出端顺序连接数模转换电路、电压调整电路；还包含有相关外围电路、通信接口。包含有超声波发射传感器和超声波接收传感器的所述超声波传感为一对。
包含有超声波发射传感器和超声波接收传感器的所述超声波传感为三对，按照 120°相位布置在隔水管外且位于同一横截面上。所述超声波传感器中心频率为640kHz。所述相关外围电路中包含有FLASH连接电路、RESET电路。所述接口电路中芯片型号为HEADER7x2，放大电路中芯片型号为NE5534，滤波电路中芯片型号为MX275，自动增益控制电路中芯片型号为VCA80，模数转换器中芯片型号为TT16KK81、ADS802U，数模转换电路中芯片型号为DAC7512，电压转换电路中芯片型号为 SN74LVc245A/SN74LVC4245A,电压调整电路中芯片型号选为LM258，RESET电路中芯片型号为CAT811S，FLASH连接电路中芯片型号为S29AL016D。所述信号收发模块中有收发电路。所述装置利用多普勒效应完成超声波信号检测及超声波收发控制，计算出海底隔水管与钻柱之间环空瞬时流体速度为ν = ~Δ/，
2 J1 cos or其中A—隔水管与钻柱之间的环空的截面积，m2 ；c——超声波在钻井液中的传播速度，m/s ；——超声波传感器发射的超声波的初始频率，Hz ；α—发射出的超声波束与垂直于流体运动速度方向的夹角，° ；Δ f—发射的超声波与接收超声波之间的频率差，Hz。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点本发明采用超声波传感器进行测量，实时测量出井下环空的流量，并通过测控器将井下实时的瞬时流量上传到地面，能够及时判断井下溢流情况，报警及时。本发明进一步采用多声路测量，在任何情况下都可以保证有一条声路可以测量出该声路上的流速，从而测出海底隔水管环空流量，准确度高。
图1是本发明测控系统布置图；图2是一对超声波传感器安装在隔水管外布置图；图3是三对超声波传感器安装在隔水管外横截面示意图；图4是测控电路框图；图5是声源运动，观察者相对静止多普勒效应图；图6是观察者运动，声源相对静止多普勒效应图；图7是超声波在测量过程中的传播路径示意图；图8是图7的横截面示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。本发明采用的测量海底隔水管与钻柱之间环空瞬时流量的装置是一种超声波多普勒流量计。如图1所示，它包括超声波传感器1、信号收发模块2、接口电路3及测控器4， 测控器4与上位机通信，上位机完成对测量数据的显示、存储、分析等任务。
如图2、3所示，超声波传感器1为一对或三对。每对超声波传感器1中包括一个超声波发射传感器11和一个超声波接收传感器12，他们并排布置，夹装在隔水管外壁上， 与隔水管之间用耦合剂涂抹。若是三对传感器，则按照约120°相位布置在隔水管外且位于同一横截面上。如图1所示，每对超声波传感器1通过信号收发模块2与接口电路3相连；测控器 4也与接口电路3相连；测控器4与上位机通信，主要实现超声波信号的放大，抗混叠滤波， 自动增益控制，模数转换和数模转换等功能，此外还需要实现通信功能和超声波收发控制。 上位机完成对测量数据的显示、存储、分析等任务。整个系统从测控功能上分为超声波信号收发电路和测控电路，其中收发电路实现超声波信号的收发工作，测控电路完成超声波信号的检测工作以及实现超声波收发控制、与上位机通信等功能。因此，如图4所示，测控器4中含有放大电路41、滤波电路42、自动增益控制电路 43、模数转换器44、电压转换电路45、DSP数字信号处理器46、数模转换电路47、电压调整电路48，属于相关外围电路49的FLASH连接电路、RESET电路，以及与上位机通信的通信接 Π 50。接口电路3与放大电路41的输入端连接，放大电路41的输出端与滤波电路42的输入端连接，滤波电路42的输出端与自动增益控制电路43的输入端连接，自动增益控制电路43的输出端与模数转换器44的输入端连接，模数转换器44的输出端通过电压转换电路45与DSP数字信号处理器46的输入端连接，DSP数字信号处理器46的输出端与数模转换电路47的输入端连接，数模转换电路47的输出端通过电压调整电路48的输入端连接， 电压调整电路48的输出端与自动增益控制电路43的输入端连接；FLASH连接电路、RESET 电路、通信接口都与DSP数字信号处理器46连接。测量的基本流程为，首先数字信号处理器发射一定频率的驱动信号给超声波传感器的发射端，发射端产生超声波信号，经过流体等介质返回到接收端，转换为电信号，通过一系列放大滤波的处理，传送给数字信号处理器，数字信号处理器通过对接收信号进行分析，得到接收信号的频率f2，从而得到偏移频率 Δ f，最后计算出流体速度。上述接口电路3中芯片型号可选为HEADER7x2，放大电路41中芯片型号可选为Ne5534，滤波电路42中芯片型号可选为MX275，自动增益控制电路43中芯片型号可选为VCA80，模数转换器44中芯片型号可选为TT16KK81或ADS802U，电压转换电路45选择 SN74LVC245A或SN74LVC4245A，数模转换电路47中芯片型号可选为DAC7512，电压调整电路 48中芯片型号可选为LM258，RESET电路中芯片型号可选为CAT811S，FLASH连接电路中芯片型号可选为S29AL016D，通信接口 50的芯片型号可选为SP3222E。在测控器中，自动增益控制电路、模数转换电路、电压转换电路、DSP数字信号处理器、数模转换电路和电压调整电路组成为自动增益控制系统，通过在DSP数字信号处理器中进行峰值检测和自动增益控制算法来实现调节和稳定超声波信号幅值的目的。上述所采用的超声波传感器中心频率较佳为640kHz。在超声波收发接口电路3中需要有多路开关控制线、接收开关控制线、超声波信号发射驱动信号线以及接收信号传输线。测控器与上位机通信采用RS232或RS485标准。上述测控系统的如此布置，目的是将井下泥线附近的钻井液的瞬时流量情况实时的传输到地面，在计算机上显示为实时数据曲线图，从而能及时判断井下是否发生溢流情况。超声波的传播和接收是这样实现的当发射传感器发射出的超声波穿过隔水管管壁进入钻井液中，遇到钻井液中的固相颗粒然后就会发生反射，而反射的超声波被隔水管管壁外的超声波接收传感器所接收。本发明利用了多普勒效应完成超声波信号检测及超声波收发控制，从而实现隔水管与钻柱之间环空瞬时流量的测量。多普勒效应是当波源和观察者存在相对运动时，观察者接收到的波，其频率会偏离波动本来的频率，相向运动，频率升高；相背运动，频率则降低，而且相对运动速度越大。 多普勒效应存在两种情况一种情况是声源运动，观察者相对静止，另一种情况是观察者运动，声源相对静止。(1)声源运动，观察者相对静止如图5所示，P为观察者，处于静止状态，振动频率为f的声源Q以速度u沿χ轴正向运动。设声源行至R1时的声振动需要经过时间、后被观察者接收到，经过很短的时间At后声源行至R2,此处的声振动需要经过时间、后被观察者接收到，设声速为C^R1P = τ i，，R2P = τ2，则有ti = τ Jc, t2 = τ 2/c (1)经R2向R1P做垂线交R1P于点A，由于所取的时间Δ t很小，因此有TfT2 = R1A = UAtcosQ (2)其中β为^与父轴正向的夹角。设Δ t为声源由R1点运动到R2的过程中接收者接收到的声振动的持续时间，则在时间轴上有下式成立At' = Δ t-t!+t2 (3)考虑(1)，(2)，(3)，则有At' = Δ t- ( τ r τ 2) /c = (c-ucos θ ) Δ(4)因此观察者在At □时间内所接受到的声源的总振动次数f At'，所以由频率定义及式(4)可得到观察者所接收到的声音的频率f'为/'=芸=^'—J(5)
At C-WCOSC'讨论(a)当At —0，则R1R2^ 0，式(5)就是声源运动到R1点时，观察者接收到的瞬时频率f □，它随着0角而变化，即随着声源在χ轴的不同点、不同时刻而变化。(b)当0为0时，就是声源向着观察者运动的情况，此时观察者所接收到的频率为=
c-u(c)当θ为π时，就是声源背向观察者运动的情况，此时观察者所接收到的频率为
C/' =-/>/ °
C+ U(2)观察者运动，声源相对静止
如图6所示，Q为声源，处于静止状态，观察者以速度11沿1轴正向运动。声源所发出的振动经过、时间可传播到S1点，经过t2时间可传播到S2点。考虑到声源产生的振动在空间传播的特性，观察者行至S1点时声源所接收到的声波应该是观察者行至S’处声源所产生的声振动；同理，观察者运动到S2处所接收到的声波应该是观察者行至S’，处声源所产生的声振动。设观察者从S1处经过At时间行至S2点处，研究方法与研究声源运动， 观察者相对静止情况类似，由图5得到ti = τ Jc, t2 = τ 2/c (6)而At' = Δ t+t!-t2 (7)考虑到At很小，所以有T1=T -Ut1Cos θτ2= τ -u (t2+At) cos θ (8)于是有T1-T2 = UA tcos θ (9)综合(6)，(7)，(8)，(9)，可以得到At' = —(c + ucos0)(10)
c因为观察者在At时间内所接收到的声源的振动次数为fAt,次，所以观察者所接收到的声波的频率为
权利要求
1.一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于它包括超声波传感器、信号收发模块、接口电路、测控器以及上位机；超声波传感器中包括超声波发射传感器和超声波接收传感器，并排夹装在隔水管外壁上，所述超声波传感器通过信号收发模块与接口电路相连；所述测控器一端与接口电路相连，另一端与所述上位机相连；所述测控器电路中包含有依次按输入输出顺序连接的放大电路、滤波电路、自动增益控制电路、模数转换器、电压转换电路、DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器的输出端顺序连接数模转换电路、电压调整电路；还包含有相关外围电路、通信接口。
2.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于包含有超声波发射传感器和超声波接收传感器的所述超声波传感为一对。
3.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于包含有超声波发射传感器和超声波接收传感器的所述超声波传感为三对，按照 120°相位布置在隔水管外且位于同一横截面上。
4.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于所述超声波传感器中心频率为640kHz。
5.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于所述相关外围电路中包含有FLASH连接电路、RESET电路。
6.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于所述接口电路中芯片型号为HEADER7x2，放大电路中芯片型号为Ne5534，滤波电路中芯片型号为MX275，自动增益控制电路中芯片型号为VCA80，模数转换器中芯片型号为 TT16KK81或ADS802U，数模转换电路中芯片型号为DAC7512，电压转换电路中芯片型号为 SN74LVc245A或SN74LVC4245A，电压调整电路芯片型号选为LM258，RESET电路中芯片型号为CAT811S，FLASH连接电路中芯片型号为S29AL016D。
7.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于所述信号收发模块中有收发电路。
8.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于所述装置利用多普勒效应完成超声波信号检测及超声波收发控制。
9.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于利用所述装置计算出海底隔水管与钻柱之间环空瞬时流体速度为V= AC Af, 2Z1 cos or其中A——隔水管与钻柱之间的环空的截面积，m2 ； c——超声波在钻井液中的传播速度，m/s ； f——超声波传感器发射的超声波的初始频率，Hz ； α——发射出的超声波束与垂直于流体运动速度方向的夹角，° ； Δ f——发射的超声波与接收超声波之间的频率差，Hz。
全文摘要
本发明涉及一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，包括一对或三对超声波传感器、信号收发模块、接口电路、测控器以及上位机；若是三对传感器，则按照大约120°相位布置在隔水管外且都位于隔水管某一横截面上，每对传感器中发射传感器和接收传感器并排布置，通过信号收发模块与接口电路相连；测控器一端与接口电路和上位机相连。测控器中包含有依次按输入输出顺序连接的放大电路、滤波电路、自动增益控制电路、模数转换器、电压转换电路、DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器的输出端顺序连接数模转换电路、电压调整电路。装置利用多普勒效应完成测量，可实时测量出海底隔水管与钻柱环空的流量，以便及时判断井下溢流情况。
文档编号E21B47/18GK102174887SQ20111000142
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月5日 优先权日2011年1月5日
发明者付建红, 何玉发, 刘飞, 周建良, 姜伟, 张智, 蒋世全, 许亮斌, 赵辉 申请人:中国海洋石油总公司, 中海石油研究中心, 西南石油大学