专利名称：用于钻井筒中返出固相颗粒质量流量的检测系统及检测方法
技术领域：
本发明涉及一种固相颗粒计量的检测系统及检测方法，尤其是用于钻井返出固相颗粒中质量流量的检测系统及检测方法。
背景技术：
随着钻井工艺技术水平的提闻和提闻单井广能的需要，大斜度定向井及大位移水平井占总钻井工作量的比例越来越高。基于大位移水平井可以最大限度的揭露储层，在老油田的增储上产、稠油储层、低渗储层以及施工环境受限井位等情况下，这种施工工艺已近逐渐成为整个钻井工程不可缺少的组成部分。实践表明，采用大位移井钻井工艺能够有效提高特定储层的开发效率，大幅度降低建井和完井成本。但由于钻井的斜度和位移大，大大增加了岩屑等固相颗粒携带、运移的难度，影响了钻屑等固相颗粒的及时清理，给正常的钻井及完井作业造成钻速低、起下钻摩阻大、加不上钻压等困难，甚至会造成卡钻、卡电缆等故障。如果能有效检测到钻井返出流体中钻屑等固相颗粒的质量流量，将有助于解决钻井过程中及时清理钻屑等固相颗粒的难题。流体撞击或摩擦固体表面、固相颗粒之间撞击或固相颗粒撞击固体表面时都可以激发弹性波，这个过程中既含有流体撞击产生的连续型声发射源，也有固体颗粒撞击产生的突发型声发射源。固体颗粒的质量信息可以通过冲击振动信号来检测，专利申请号为 201020276657. 8的专利“一种用于油气井出砂监测的高频信号感受装置”公开了一种用于油气井出砂监测的高频信号感受装置，该装置就是采用固体颗粒的冲击振动信号检测油气井中出砂的质量信息。但是，该装置的喷嘴为喇叭状，仅适用于颗粒较为细小的砂粒，当流体中的固相颗粒尺寸较大时，极易阻塞该喷嘴造成故障。流量的检测目前有两种手段，即采用多普勒流量计和单一利用声发射技术来检测流量，但二者都存在一定的问题(I)多普勒流量计可以检测含有一定固体颗粒或气泡的流体，但在现场钻井条件下，由于岩屑颗粒的不规则性和钻井液流态的不稳定性，极大影响了流量检测的精度；(2)单一利用声发射技术测量岩屑流量的机理尚不成熟，计量误差大，难以推广使用。
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种能精确检测钻井返出固相颗粒的质量流量的检测系统及检测方法。本发明的技术方案是用于钻井筒中返出固相颗粒质量流量的检测系统，包括测量管路、超声波测量组件、冲击检测组件、超声信号收集仪、冲击信号收集仪和计算机处理单元，超声波测量组件通过超声信号收集仪与计算机处理单元相连，冲击检测组件通过冲击信号收集仪与计算机处理单元相连。优选的是，所述超声波测量组件紧贴在测量管路的外壁上，所述冲击检测组件通过连接部件与测量管路相连。
优选的是，所述超声波测量组件位于冲击检测组件的前方，且超声波测量组件与冲击检测组件的中心轴间距为5 10倍管径。优选的是，所述超声波测量组件包括超声波传感器，所述测量管路的管轴线上设有组件槽，超声波传感器卡放在组件槽上的槽位内，所述超声波传感器对称分布在测量管路的两侧。优选的是，所述组件槽上的槽位至少有一组，所述槽位均匀分布在组件槽上。优选的是，所述组件槽上设有四个槽位，每个槽位中固定一个超声波检测器，所述超声波传感器通过螺纹固定在组件槽的槽位内。优选的是，所述超声波检测器具备独立的发射电路和接收电路，所有的超声波传感器实现信号的同步发射及接收。优选的是，所述超声波传感器包括传感器壳体、声楔、匹配元件和压电晶片，传感器壳体内填充有娃胶。优选的是，所述冲击检测组件包括高压保护罩和固定在高压保护罩内的喷嘴、冲击感受鼓膜以及振动传感器，所述喷嘴的小孔径开口面向冲击感受鼓膜，冲击感受鼓膜背向喷嘴的一侧与振动传感器紧密粘结，所述喷嘴为流线型弧状。优选的是，所述的计算机处理单元包括流量测量模块、冲击检测模块和数据耦合模块，所述流量测量模块与超声信号采集仪相连，所述冲击检测模块与冲击信号采集仪相连，所述数据耦合模块与流量测量模块、冲击检测模块分别连接。用于钻井筒中返出固相颗粒质量流量的检测方法，包括以下步骤(I)将超声波测量组件紧贴安装在检测管路的外壁上，将冲击检测组件安装在超声波测量组件后方的检测管路上，将超声波测量组件通过超声信号收集仪与计算机处理单元相连，冲击检测组件通过冲击信号收集仪与计算机处理单元相连；(2)初始化检测系统，通过功能选择模块设置采集通道、采集速率和采集频率阈值；(3)通过参数设置模块设置管道内径、最大流速、校准系数、阻尼系数、增益倍数和测量单位；(4)启动包括流量测量模块和冲击检测模块的数据采集模块，所述流量测量模块进行脉冲收发和预处理后，利用公式(6)得出钻井液体积流量Qfv，所述冲击检测模块进行滤波处理和时频分析后，利用公式(9)得出岩屑质量浓度Cnbi ；各字符代表参数钻井液流速Uf，测量管路的截面面积A，固相颗粒声发射能量Wi, 固相颗粒流经喷嘴撞击鼓膜速度us，喷嘴流速系数B，固相颗粒撞击鼓膜声压Pi ;鼓面截面积S，声压转化效率η ；Qfv = Auf (6)= (9)(5)启动数据筛查模块，对步骤(4)中所采数据进行筛查，并将筛查出的正确数据传输至数据耦合模块进行耦合计算，利用公式(10)得出岩屑质量流量Qm;
权利要求
1.用于钻井筒返出固相颗粒质量流量的检测系统，其特征在于包括测量管路、位于测量管路上的超声波测量组件和冲击检测组件、超声信号收集仪、冲击 信号收集仪以及计算机处理单元，超声波测量组件通过超声信号收集仪与计算机处理单元相连，冲击检测组件通过冲击信号收集仪与计算机处理单元相连。
2.根据权利要求I所述的用于钻井筒返出固相颗粒质量流量的检测系统，其特征在于所述超声波测量组件紧贴在测量管路的外壁上，所述冲击检测组件通过连接部件与测量管路相连。
3.根据权利要求I所述的用于钻井筒返出固相颗粒质量流量的检测系统，其特征在于所述超声波测量组件位于冲击检测组件的前方，且超声波测量组件与冲击检测组件的中心轴间距为5 10倍管径。
4.根据权利要求I所述的用于钻井筒返出固相颗粒质量流量的检测系统，其特征在于所述超声波测量组件包括超声波传感器，所述测量管路的管轴线上设置有组件槽，超声波传感器卡放在组件槽上的槽位内，所述超声波传感器对称分布在测量管路的两侧。
5.根据权利要求4所述的用于钻井筒返出固相颗粒质量流量的检测系统，其特征在于所述组件槽上的槽位至少有一组，所述槽位均匀分布在组件槽上，每个槽位中固定一个超声波检测器，所述超声波传感器通过螺纹固定在组件槽的槽位内。
6.根据权利要求I所述的用于钻井筒返出固相颗粒质量流量的检测系统，其特征在于所述冲击检测组件包括高压保护罩和固定在高压保护罩内的喷嘴、冲击感受鼓膜以及振动传感器，所述喷嘴的小孔径开口面向冲击感受鼓膜，冲击感受鼓膜背向喷嘴的一侧与振动传感器紧密粘结，所述喷嘴为流线型弧状。
7.根据权利要求I所述的用于钻井筒返出固相颗粒质量流量的检测系统，其特征在于所述的计算机处理单元包括流量测量模块、冲击检测模块和数据耦合模块，所述流量测量模块与超声信号采集仪相连，所述冲击检测模块与冲击信号采集仪相连，所述数据耦合模块与流量测量模块、冲击检测模块分别连接。
8.用于钻井筒中返出固相颗粒质量流量的检测方法，其特征在于包括以下步骤(1)将超声波测量组件紧贴安装在检测管路的外壁上，将冲击检测组件安装在超声波测量组件后方的检测管路上，将超声波测量组件通过超声信号收集仪与计算机处理单元相连，冲击检测组件通过冲击信号收集仪与计算机处理单元相连；(2)初始化检测系统，通过功能选择模块设置采集通道、采集速率和采集频率阈值；(3)通过参数设置模块设置管道内径、最大流速、校准系数、阻尼系数、增益倍数和测量单位；(4)启动包括流量测量模块和冲击检测模块的数据采集模块，所述流量测量模块进行脉冲收发和预处理后，利用公式(6)得出钻井液体积流量Qfv，所述冲击检测模块进行滤波处理和时频分析后，利用公式(9)得出岩屑质量浓度Cnbi ；各字符代表参数钻井液流速Uf，测量管路的截面面积A，固相颗粒声发射能量Wi,固相颗粒流经喷嘴撞击鼓膜速度us，喷嘴流速系数B，固相颗粒撞击鼓膜声压Pi ;鼓面截面积S， 声压转化效率H ;Qfv = Auf (6)
9.根据权利要求5所述的用于钻井筒中返出固相颗粒质量流量的检测方法，其特征在于所述公式(6)的推导过程如下多普勒法测量液流速度u与频差值△ f的关系如下
10.根据权利要求5所述的用于钻井筒中返出固相颗粒质量流量的检测方法，其特征在于所述公式(9)的推导过程如下由冲击检测组件得出岩屑冲击能量Wi与岩屑质量浓度Cnbi关系，岩屑流经喷嘴撞击鼓膜速度Us等于喷嘴流速系数B乘以钻井液流速uf，其中Pi为岩屑撞击鼓膜声压；S为鼓面截面积，H为声压转化效率，可得
全文摘要
用于钻井筒中固相颗粒质量流量的检测系统，包括测量管路、超声波测量组件、冲击检测组件、超声信号收集仪、冲击信号收集仪和计算机处理单元，超声波测量组件通过超声信号收集仪与计算机处理单元相连，冲击检测组件通过冲击信号收集仪与计算机处理单元相连。超声波测量组件紧贴在测量管路的外壁上，冲击检测组件通过连接部件与测量管路相连。超声波测量组件位于冲击检测组件前方5～10倍管径的位置。本发明还提供了一种用于钻井筒中返出固相颗粒质量流量的检测方法。本发明采用了超声波检测组件和冲击检测组件，可同时得到钻井筒中流体流量和固相颗粒的质量信息，从而实现了钻井筒中返出固相颗粒的质量流量的在线检测，为现场施工提供有利参考。
文档编号E21B49/08GK102606135SQ201210092730
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月1日 优先权日2012年4月1日
发明者刘刚, 刘勍, 金业权, 钱致颖, 陈超, 韩金良 申请人:中国石油大学(华东)