专利名称：一种随钻井下流量测量监测早期溢流的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种随钻井下环空流量测量监测早期溢流的装置和方法，用于石油天 然气钻井随钻监测早期溢流。通过随钻测量井下环空流量、压力、温度及井口入口流量参数 监测井下环空返出流量变化情况，从而达到监测早期溢流的目的。
背景技术：
随着我国油气资源勘探开发不断深入，已从常规油藏向隐蔽油藏、复杂性油藏发 展，由浅部向深部发展，从东部向西部和海洋发展，钻井环境愈发恶劣，钻井难度不断加大， 复杂恶劣工况带来了新的井筒压力控制问题，尤其是高压气井钻井。在钻进过程中，当地层 压力大于井筒压力，地层流体将进入井筒，如果未及时进行有效控制，地层流体将持续进入 井筒，首先表现为溢流发生，而后便是井涌，随即可能发生井喷，严重的甚至发展为井喷失 控。井喷失控是钻井工程中性质严重、损失巨大的灾难性事故，油气井溢流及井喷的防止和 控制是油气钻探过程中的一项重要工作，在油气勘探开发中占有重要地位。
应对油气井溢流及井喷问题最有效的技术措施是溢流的早期监测/诊断/预警并 及时的采取井筒压力控制措施，而油气井溢流及井喷的防止和控制的关键在于溢流的早期 监测。随着井深的增加，井眼尺寸变小，井涌余量随之急剧减少，井涌循环至井口的时间大 为缩短，而且油气开发常需要打深井、定向井、水平井、大位移井、丛式井等复杂井，在深井 小井眼和水平井的钻井过程中井控存在极大的挑战，迫切需要更加准确和实用的井涌早期 监测和预警系统。
由于地层流体进入井筒会使钻井液性能及返出流量发生变化，因此，通过监测钻 井液性能变化和流量变化的方法可以监测溢流，常规的监测方法有泥浆池液面监测、出口 流量监测、井筒液面监测、泥浆性能监测等。但是，常规的监测方法监测结果一是不能反映 井底溢流的真实状况，二是监测时间严重滞后，已不能满足溢流早期监测的需求。因此，迫 切需要能够更加准确和实时的井下溢流监测技术和方法，而随钻井下流量测量监测早期溢 流的技术便能够满足这一需求，通过井下随钻实时上传的井底流量监测数据及地面相关数 据综合分析和处理，可建立监测早期溢流的系统综合方法，实时判别井下溢流情况，实现对 井下溢流的随钻监测、预警及溢流压井的动态监控，从而掌握钻井井喷预防的关键技术，最 终实现油气资源安全、高效、经济钻井开发。发明内容
本发明的目的是为了克服常规的监测方法监测结果失真和滞后的问题，弥补常 规的监测方法存在的不足，提供一种用于随钻井下环空流量测量监测早期溢流的装置和 方法，该装置能够随钻测量井下近钻头环空的流量、压力、温度等参数，该装置能够与MWD (Measurement While Drilling)连接实时上传井下实测数据,通过井下实时上传的数据及 地面相关数据综合分析和处理，可实时判别井下溢流情况，从而达到监测早期溢流的目的， 有效提高钻井井控的安全性。
为了达到上述目的和要求，本发明采用以下技术方案
—种随钻井下流量测量监测早期溢流的装置，它包括一钻铤短节、保护壳体、超声 波传感器、引线销、探管、电源、电路板、压力和温度传感器、环空流体引导装置、弹性压缩垫 圈、MWD接头等组成，其特征在于所述钻铤短节外壁上开有与超声波传感器大小匹配的卡 槽，卡槽在钻铤的同一母线方向的不同位置，卡槽内安装超声波传感器，所述超声波传感器 包括超声波发射传感器和超声波接收传感器，且接收发射传感器以45°倾角面对着管道中 液流的方向；所述电源、电路板安装于所述探管内部；所述超声波传感器通过引线销引线 连接至探管，并与电路板及电源相连接；所述环空流体引导装置将环空液体引入所述压力 和温度传感器进行压力和温度的测量；所述压力和温度传感器安装在环空流体引导装置内 部，在所述钻铤短节上开有一小孔，该小孔与环空流体引导装置所开的一小孔对应，用于将 环空流体引入环空流体引导装置内部，使内部传感器与环空引入的流体接触，为避免钻柱 内流体的影响，在所述环空流体引导装置上下端安装了密封圈；所述探管引线通过压力传 递引导装置与MWD接头连接；所述环空流体引导装置、MWD接头连接、探管、扶正器整体连接 后安装在所述钻铤短节内部，安装后由所述弹性压缩垫圈垫护在环空流体引导装置上端， 用于固定内部探管的轴向位置；随钻井下流量测量监测早期溢流的装置通过所述MWD接头 与MWD连接；所述井下电路板与超声波传感器连接采集并处理超声波信号获得频偏值，根 据实测数据便可计算瞬时流速、流量等数据；在下井测量时将实测流量数据存储在存储器 中，该数据可通过MWD上传，也可起钻后回放分析。
一种上述随钻井下流量测量监测早期溢流的装置的测量方法，其包括以下步骤 O将随钻井下流量测量装置与MWD连接，组合钻具下钻到井底，并开泵进行钻进，钻井液 通过钻铤短节与探管之间的内部环空流向钻头，经过钻头水眼进入井眼环空；2)井眼环空 钻井液流经随钻井下流量测量装置，测量装置通过超声波传感器和电路测量环空钻井液流 量、压力、温度等数据，并实时存储数据至电路板存储器，同时通过MWD上传实测的流量、压 力、温度等数据；3)地面数据接收MWD上传数据，结合地面井口入口流量、泥浆池液面、井口 返出流量、地面作业工况数据等参数，可以通过综合分析和识别，判断井下工况；4)当井眼 中随钻井下流量测量装置以下地层发生地层流体侵入井筒时，测量装置可以快速、准确的 测量出流量的微小变化，并通过MWD上传数据，系统识别后立即预警；5)当井眼中随钻井下 流量测量装置以上地层发生地层流体侵入井筒时，可以通过地面数据接收和处理系统采集 的数据监测和识别早期溢流。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1)本发明所述随钻井下流量测 量装置随钻测量的流量数据可以在井下近钻头部位，可以更早、更准确的监测早期溢流，因 此，避免了常规测试存在的信息失真和滞后的问题，有利于油气井溢流及井喷的防止和控 制，并降低井喷的风险；2)本发明所述随钻井下流量测量装置不仅能够测量流量，还能够 测量压力、温度等参数，十分利于通过这些参数的综合分析识别井下溢流，其监测准确度更 高；3)本发明所述随钻井下流量测量装置可拓展实用范围广，随钻井下流量测量可以用于 欠平衡钻井、控压钻井、微流量钻井等对井筒压力和流量控制要求较高的钻井技术中，通过 实时测量数据监测井筒压力和流量情况。本发明所述随钻井下流量测量装置不仅能够承 受井下高温、高压、强震动等恶劣工况，而且能够准确实时的获取井下流量、压力、温度等数 据，通过分析实测数据工程作业人员能及时识别井下复杂情况，继而调整泥浆密度、井口回压等钻井参数，可有效防止钻井期间发生井漏、井塌、溢流、井喷等复杂情况，因此，可广泛 用于钻井过程中。
图1是本发明专利随钻井下流量测量装置的总体结构及基本原理图。
图2是本发明专利随钻井下流量测量装置安装一对超声波传感器的方案图。
图3是本发明专利随钻井下流量测量装置安装三对超声波传感器的方案图。
图4是本发明专利随钻井下流量测量装置电气系统框图。
图中1.井眼，2.测量装置钻铤短节，3.保护外壳，4.钻铤，5.钻铤，6.卡槽，7.超 声波发射传感器，8.超声波接收传感器，9.引线销，10.扶正块，11.探管，12.电源，13.钻 铤内环形空间，14.电路板，15.压力和温度传感器，16.环空流体引导装置，17.弹性压缩垫 圈，18. MWD接头，19.气泡，20.岩屑，101.超声波发射探头，102.超声波接收探头，103.压 力传感器，104.温度传感器，105.信号调理，106.信号调理，107.A/D采样，108.A/D采样， 109.带通滤波放大，110.混频器，111.低通滤波，112.信号调理，113. A/D采样，114.微处 理器，115.数据存储器，116.串口通信，117.上位机，118.超声波发生器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施加以说明。
在图1中，随钻井下流量测量装置的钻铤短节(2)外壁上开有卡槽(6)，卡槽(6) 在钻铤短节(2)的同一母线方向的两个不同横截面位置，卡槽(6)内安装超声波发射传感 器(7 )和接收传感器(8 )，所述超声波传感器包括超声波发射传感器(7 )和超声波接收传感 器(8)，且接收发射传感器以45°倾角面对着井眼环空中液流的方向，在钻铤短节(2)上开 设有一压力传递小孔；随钻井下流量测量装置的钻铤短节(2)内部主要安装了探管(2)、环 空流体引导装置(16)、MWD接头(18)和弹性压缩垫圈(17)，钻井液从钻铤内环形空间(13) 流通；探管(11)是一个下端有一扶正块(10)的特殊探管，探管(11)上端与环空流体引导 装置(16)连接，探管(11)内安装了井下电源(12)、电路板(14)，井下电源(12)为井下电路 测量与控制系统、传感器供电，电路板(13)是随钻井下流量测量的核心测量与控制系统，探 管(11)下端扶正块(10)用于将探管扶正居中，同时扶正块(10)上开孔为引线销(9)的安 装位置，声波传感器引线通过引线销(9)接入系统电路板(14);环空流体引导装置(16)内 也开设了一压力传递小孔，环空流体引导装置(16)内安装了压力和温度传感器(15)，在环 空流体引导装置(16)安装后，环空流体引导装置(16)上的压力传递小孔与钻铤短节(2) 上的压力传递小孔对应，用于将环空液体引入环空流体引导装置(16)内与压力和温度传感 器(15)接触，实现环空压力和温度的测量，为避免钻柱内流体的影响，在环空流体引导装置(16)上下端与钻铤短节(2)内壁接触位置安装了密封圈，压力和温度传感器(15)引线通 过探管内部通道接入系统电路板(14) ;MWD接头(18)下端与压力传递引导装置(16)连接， MWD接头(18)上端与MWD系统井下探管连接，实现实测数据的实时传输，随钻井下流量测 量装置井下电路板(14)通过探管(11 )、压力传递引导装置(16)引通讯线与MWD接头连接， MWD接头(18)也可更换成一盲堵，此时随钻井下流量测量装置成为存储式，不能实时上传 数据；弹性压缩垫圈(17)垫护在环空流体引导装置(16)上端面与钻铤公扣之间，用于固定内部探管的轴向位置，可根据环空流体引导装置(16)上端面与钻铤公扣之间距离选择合适 高度的弹性压缩垫圈；井下电路板(14)与超声波传感器连接采集并处理超声波信号，同时 测量压力、温度数据，并对超声波接收信号进行补偿，根据测量数据可计算瞬时流速、流量 等数据，下井测量时将流量数据存储在存储器中，该数据可通过MWD上传，也可起钻后回放 分析。
在图2中，随钻井下流量测量装置的钻铤短节(2)外壁上开有一对卡槽，这一对卡 槽在钻铤短节(2)的同一母线方向的两个不同横截面位置，卡槽内安装了一对超声波传感 器，分别为发射传感器(7)和接收传感器(8)，且接收发射传感器以45°倾角面对着井眼环 空中液流的方向安装。
在图3中，随钻井下流量测量装置的钻铤短节(2)外壁上开有三对卡槽，这三对卡 槽在钻铤短节(2 )的三条母线方向，每一对卡槽在两个不同横截面位置，卡槽内安装了三对 超声波传感器，在下端的截面安装了三只发射传感器(7)，在上端的截面安装了三只接收传 感器(8)，接收发射传感器以45°倾角面对着井眼环空中液流的方向安装。
在图4中，随钻井下流量测量装置电气系统结构包含两个模块模拟系统模块， 包括超声波发射探头(101)和接收探头(102)、压力传感器(103)、温度传感器(104)、信号 调理(105、106、112)、带通滤波放大(109)、混频电路(110)、低通滤波(111)、超声波发生器(118);数字系统模块，包括A/D采样(107、108、113)、微处理器(114)、数据存储器(115)、 串口通信(116)和上位机(117)。测量系统工作时，首先由微处理器(114)控制超声波发生 器(118)发出激励信号，该激励信号驱动超声波发射探头(101)以45°角向流体中发射超 声波，接收器(102)将接收到的信号转换成电信号，经带通滤波放大(109)滤波后将信号放 大，该信号再经过混频器(110)得到接收与发射的超声波信号的频偏信号，混频后可能存在 其他高频噪声，需要经过低通滤波(111)滤除高频噪声，然后经信号调理(112)将信号放大 以便于A/D采样(113)进行转换并采样；对于压力和温度测量，压力传感器(103)和温度传 感器(104)感受压力和温度物理量，将物理信号转换为电信号，输出的电信号经过信号调 理(105、106)调理后便于A/D采样(107、108)进行转换并采样；微处理器(114)将采样的 数据先被暂存在系统缓存中，待微处理器(114)处理后存储于数据存储器(115 )中，微处理 器(114)对所采样的数字信号进行处理，同时结合温度、压力数据可对超声波信号进行温度 补偿，得到频率偏移值，根据测量数据即可计算瞬时流速、流量等数据，同时测得了井眼环 空压力和温度数据；在下井测量时将流量数据存储在数据存储器(109)中；在随钻测量过 程中MWD作为上位机(117)，在地面标定、调试、测试及数据回放过程中计算机作为上位机 (117 );上位机(117 )通过串口通讯(116 )与微处理器(114)通讯，微处理器(114)在接收到 上位机(117)信号时，通过串口通讯(116)上传所需数据；因此，实测数据可通过MWD上传， 也可起钻后回放分析。
权利要求
1.一种在钻井过程中测量井下环空流量、环空压力和环空温度的随钻井下流量测量装置。其特征在于，所述超声波传感器安装在钻铤短节外壁同一母线方向的不同横截面，所述超声波接收发射传感器以45°倾角对着井眼环空钻井液流动方向，所述电源、电路板安装于探管内部，超声波传感器通过引线销引线连接至探管内电路板，所述环空流体引导装置将环空液体引入压力和温度传感器进行压力和温度测量，所述探管引线通过压力传递引导装置与MWD接头连接，所述环空流体引导装置、MWD接头连接、探管、扶正器整体连接后安装在所述钻铤短节内部，安装后由弹性压缩垫圈垫护在环空流体引导装置上端固定探管轴向位置，测量装置通过MWD接头与MWD连接实时上传数据。
2.根据权利要求1所述的随钻井下流量测量装置，其特征是所述环空流体引导装置将环空液体引入压力和温度传感器进行压力和温度测量，所述压力和温度传感器安装在环空流体引导装置内部，并与测量电路连接实时测量井眼环空压力和温度，在钻铤短节与环空流体引导装置开设有压力传递小孔将环空流体引入环空流体引导装置内部，便于内部传感器与环空引入的流体接触测量，为避免钻柱内流体的影响，在环空流体引导装置上下端与钻铤短节内壁接触位置安装了密封圈。
3.根据权利要求1所述的随钻井下流量测量装置，其特征是所述超声波传感器安装及布置方式可以采用一对超声波传感器方案、三对超声波传感器方案以及更多超声波传感器的方案，以测量井下环空流量和环空流量变化。
4.根据权利要求1所述的随钻井下流量测量装置，其特征是所述测量装置电气系统包含模拟系统和数字系统两个模块，微处理器控制超声波发射电路发出激励信号，该激励信号驱动超声波发射器以45°角向流体中发射超声波，接收器将接收到的信号转换成电信号，经滤波后将信号放大，再混频电路得到接收与发射的超声波信号频差，经过低通滤波器滤除高频噪声，然后经信号调理电路将信号放大，放大后的信号供微处理器进行A/D转换并采样，采样后存储，微处理器对数字信号进行处理，同时结合温度、压力数据可对超声波信号进行温度补偿，从而得到频率偏移值，根据仪表参数即可计算瞬时流速、流量、压力和温度等数据；在下井测量时将流量数据存储在数据存储器中，实测数据可通过MWD上传，也可起钻后回放分析。
全文摘要
一种能在随钻过程中测量井下环空流量、环空压力和环空温度监测早期溢流的随钻井下流量测量装置。测量装置通过安装在钻铤短节超声波传感器测量井下环空流量及流量变化，通过安装在环空流体引导装置内部的压力和温度传感器测量环空压力和环空温度，电源、电路板安装于探管内部，环空流量、压力和温度等物理信号通过传感器变换成电信号，经过电路板进行记录、存储并上传数据，测量装置通过MWD接头与MWD连接将实测数据实时上传至地面。该装置结构简单，制造成本不高，工作寿命长，通过井下实时上传数据及地面相关数据综合分析和处理，可实时判别井下溢流等工况，达到监测早期溢流的目的，从而有效提高钻井井控的安全性。
文档编号E21B47/10GK103061753SQ201310018018
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月18日 优先权日2013年1月18日
发明者陈平, 马天寿, 黄万志, 胡泽, 王旭东, 任超 申请人:西南石油大学