隔水管超声波气侵监测短节及监测方法与流程

本发明属于油气钻井设备技术领域领域，尤其涉及一种隔水管超声波气侵监测短节及监测方法。

背景技术：

随着油气勘探开发向深海进军，气侵早期监测问题逐步成为深水钻井安全高效实施的关键和研究热点。隔水管超声波气侵监测是一种极具前景的深水钻井气侵早期监测手段。近年来，国内外学者针对隔水管超声波监测气侵技术展开了积极研究，主要集中在：隔水管多相流动计算、超声波在隔水管环空多相流中的传播规律、隔水管超声波气侵监测方法(超声波多普勒、超声波透射)等，以此利用理论、数模和实验手段基本探明了超声波对隔水管气侵监测的有效性和可行性。实践中需要超声波气侵监测装置监测气侵，以对实现超声波气侵监测技术提供支持。

现有超声波气侵监测装置包括超声波发射传感器、超声波接收传感器、信号处理器、钻井工况监测模块及数据分析器，其中，超声波发射传感器用于向环空内流体发射超声波信号，超声波接收传感器用于接收经由环空内流体反射的超声波信号，钻井工况监测模块用于获取钻井状态数据，信号处理器与超声波发射传感器和超声波接收传感器相连，用于对超声波信号进行预处理生成超声波预处理信号(即截面含气率的预测结果)，数据分析器分别与信号处理器和钻井工况监测模块相连，用于将钻井状态数据与预定状态数据进行比较，根据比较结果对超声波预处理信号进行降噪处理，并将处理后的超声波预处理信号与预定阈值进行比较，根据比较结果获得气侵结果数据，数据处理终端与数据分析器通信连接，用于获取气侵结果并显示输出。

然而，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

由于气侵气体在隔水管环空内并非均匀分布，因此不同位置处发射超声波信号的方式，均会使得所获取的截面含气率的预测结果具有较大的误差和失真，进而严重影响了气侵监测结果的准确性。

技术实现要素：

本申请实施例通过提供一种隔水管超声波气侵监测短节及监测方法，解决了现有技术中截面含气率的预测结果误差和失真大的技术问题，提高了气侵监测结果的准确性。

本申请实施例提供了一种隔水管超声波气侵监测短节，包括：

管体，所述管体中空；

超声波发射探头，固定设置于所述管体上，所述超声波发射探头用于向隔水管环空内流体发射超声波信号；及

超声波接收探头，固定设置于所述管体上，所述超声波接收探头用于接收经由隔水管环空内流体反射的超声波信号；

其中，所述超声波发射探头为两个，两个所述超声波发射探头沿着圆形方向间隔设置，两个所述超声波发射探头位于所述圆形的同一直径方向上，即两个所述超声波发射探头共线，并且相对于所述圆形的圆心点对称。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于设置超声波发射探头为两个，并且将两个超声波发射探头沿着圆形方向间隔设置，同时两个超声波发射探头位于圆形的同一直径方向上，因此在对隔水管气侵监测的过程中，两个超声波发射探头呈180°对称式发射超声波信号，从而无论将超声波发射探头设置于何处，均能够对两处不同密度的气侵气体发射超声波信号，继而同时考虑两组接收信号的响应情况，综合评估截面含气率，进而显著提升了超声波监测的有效范围，有效解决了现有技术中截面含气率的预测结果误差和失真大的技术问题，更进而显著提高了气侵监测结果的准确性。

附图说明

图1为本发明隔水管超声波气侵监测短节沿纵向的剖视结构示意图；

图2为本发明隔水管超声波气侵监测短节沿横向的剖视结构示意图；

图3为图2中体现超声波发射探头及超声波接收探头位置的示意图；

以上各图中：1、管体；2、超声波发射探头；3、超声波接收探头；4、第一延迟块；5、第二延迟块；6、第一连接端；7、第二连接端；8、防护套筒；9、密封圈；10、连接法盘；11、输线管。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1至图3，一种隔水管超声波气侵监测短节，包括管体1、超声波发射探头2及超声波接收探头3，其中：

管体1，管体1设置为中空，管体1用于支撑超声波发射探头2及超声波接收探头3；

具体而言，如图2所示，管体1可以为圆管，此时，管体1的截面为圆环形；当然，在其他实施方式中，管体1还可以为矩形管或异形管；

超声波发射探头2，固定设置于管体1上，超声波发射探头2用于向隔水管环空内流体发射超声波信号；

具体而言，超声波发射探头2可以为超声波多普勒发射传感器，如图1和2所示，管体1的内壁开设有第一孔部，超声波发射探头2固定套接于第一孔部的内部，即超声波发射探头2镶嵌于管体1管壁的内部；

超声波接收探头3，固定设置于管体1上，超声波接收探头3用于接收经由隔水管环空内流体反射的超声波信号；

具体而言，如图1和2所示，管体1的内壁开设有第二孔部，超声波接收探头3固定套接于第二孔部的内部，即超声波接收探头3镶嵌于管体1管壁的内部；

超声波发射探头2为两个，两个超声波发射探头2沿着圆形方向间隔设置，两个超声波发射探头2位于圆形的同一直径方向上，即两个超声波发射探头2共线，并且两个超声波发射探头2相对于所述圆形的圆心对称设置；

具体而言，如图1至图3所示，所述圆形方向为管体1的圆周方向，即所述圆形的与管体1同轴，此时，两个超声波发射探头2沿着管体1的圆周方向间隔设置，两个超声波发射探头2位于管体1的同一直径方向上，即两个超声波发射探头2呈180°设置。

基于上述，本发明至少具有如下的技术效果或优点：

本发明隔水管超声波气侵监测短节，由于设置超声波发射探头2为两个，并且将两个超声波发射探头2沿着圆形方向间隔设置，同时两个超声波发射探头2位于所述圆形的同一直径方向上，因此在对隔水管气侵监测的过程中，两个超声波发射探头2呈180°对称式发射超声波信号，从而无论将超声波发射探头2设置于何处，均能够对两处不同密度的气侵气体发射超声波信号，继而同时考虑两组接收信号的响应情况，综合评估截面含气率，进而显著提升了超声波监测的有效范围，有效解决了现有技术中截面含气率的预测结果误差和失真大的技术问题，更进而显著提高了气侵监测结果的准确性。

为了进一步提升超声波监测的有效范围，参见图1至图3，在本实施方式中，超声波接收探头3为多个，多个超声波接收探头3沿着圆形方向间隔排列，超声波接收探头3为两组，两组超声波接收探头3分别位于超声波发射探头2的两侧，设两个超声波发射探头2所在的直径为l1，则两组超声波接收探头3相对于l1对称。

基于上述，本发明至少具有如下的技术效果或优点：

本发明隔水管超声波气侵监测短节，通过设置两组超声波接收探头3，并且将两组超声波接收探头3对称设置于超声波发射探头2的两侧，从而提高了超声波接收探头3分布的均匀性，使得超声波接收探头3从管体1的多处接收信号，从而进一步提升了超声波监测的有效范围，进而进一步提高了气侵监测结果的准确性。

具体的，如图1至图3所示，每组超声波接收探头3的数量为两个，在所述圆形所在平面上，即在管体1的圆环形截面上，设垂直于l1的直径为l2，则在每组超声波接收探头3中，两个超声波接收探头3相对于l1对称，以此能够提高超声波接收探头3分布的均匀性，从而更进一步提高了超声波监测的有效范围。

作为优选的，如图3所示，设超声波接收探头3与圆形圆心点的连线为l3，则在每组超声波接收探头3中，两条l3之间的夹角为60°，本发明隔水管超声波气侵监测短节在180°对称式发射的基础上，通过采用60°分布式接收的方案，更加显著的提高了超声波监测的有效范围。

为了降低超声波能量的衰减，参见图1和图2，在本实施方式中，管体1的内壁开设有第一孔部，气侵监测短节还包括第一延迟块4，第一延迟块4为有机玻璃块，第一延迟块4优选为高强度有机玻璃块，第一延迟块4及超声波发射探头2均固定设置于第一孔部的内部，在沿着圆形的径向方向上，第一延迟块4密封设置于超声波发射探头2靠近管体1中空部分的一侧，以阻止管体1中空部分的流体与超声波发射探头2接触，第一延迟块4与超声波发射探头2接触连接，以使得超声波发射探头2发出的超声波信号直接通过第一延迟块4向管体1的内部传输。

具体而言，如图1和图2所示，第一孔部贯穿管体1，以有利于将第一延迟块4和超声波发射探头2于管体1的两侧插入至第一孔部的内部，从而提高了安装效率，为了对超声波发射探头2进行保护，所述气侵监测短节还包括防护套筒8，防护套筒8可以为中空的圆形套筒，防护套筒8套接于管体1的外部，防护套筒8对应于超声波发射探头2设置，以阻止管体1外部的液体与超声波发射探头2接触，进而实现了对超声波发射探头2的保护。

继续如图1和图2所示，防护套筒8与管体1之间设置有密封圈9，密封圈9密封套接于管体1的外部，以进一步阻止管体1外部的液体与超声波发射探头2接触，加强对超声波发射探头2的防护，密封圈9优选为多个，多个密封圈9沿管体1的轴向间隔排列。

基于上述，本发明至少具有如下的技术效果或优点：

本发明隔水管超声波气侵监测短节，通过在管体1上设置第一延迟块4，并且将第一延迟块4设置为有机玻璃块，同时超声波发射探头2直接与第一延迟块4连接，由于有机玻璃与钻井液之间的声阻抗差异较钢铁(隔水管材质)与钻井液之间的声阻抗差异大大降低，因此可大幅降低超声波能量的衰减，同时，该设计还可以有效避免超声波在隔水管壁内的传播和能力耗散，同样也降低了超声波的衰减，以及提高了超声波的有效发射能量和透射能力，进而提高了气侵监测结果的准确性。

为了进一步降低超声波能量的衰减，参见图1和图2，在本实施方式中，管体1的内壁开设有第二孔部，气侵监测短节还包括第二延迟块5，第二延迟块5为有机玻璃块，第二延迟块5优选为高强度有机玻璃块，第二延迟块5及超声波接收探头3均固定设置于第二孔部的内部，在沿着圆形的径向方向上，第二延迟块5密封设置于超声波接收探头3靠近管体1中空部分的一侧，以阻止管体1中空部分的流体与超声波接收探头3接触，第二延迟块5与超声波接收探头3接触连接，以此使得从隔水管环空内流体反射出的超声波信号直接通过第二延迟块5传输给超声波接收探头3。

基于上述，本发明至少具有如下的技术效果或优点：

本发明隔水管超声波气侵监测短节，通过在管体1上设置第二延迟块5，并且将第二延迟块5设置为有机玻璃块，同时超声波接收探头3直接与第二延迟块5连接，由于有机玻璃与钻井液之间的声阻抗差异较钢铁(隔水管材质)与钻井液之间的声阻抗差异大大降低，因此可大幅降低超声波能量的衰减，同时，该设计还可以有效避免超声波在隔水管壁内的传播和能力耗散，同样也降低了超声波的衰减，以及提高了超声波的有效发射能量和透射能力，进而提高了气侵监测结果的准确性。

针对本发明隔水管超声波气侵监测短节的固定方式，在一种实施方式中，管体1的两端分别设计为可与钻杆固定连接的结构，然而，该种设计方式监测气侵时的稳定性差。基于此，参见图1，在本实施方式中，管体1的两端别为用于固定连接隔水管的第一连接端6及第二连接端7，以此通过与隔水管固定连接，在气侵监测的过程中，气侵监测短节能够始终保持稳定，从而提高了气侵检测结果的准确性。

具体的，如图1所示，第一连接端6的外壁形成有外螺纹，以套接于隔水管内部并与隔水管螺纹连接，通过采用螺纹连接的固定方式，能够提高气侵监测短节的安装效率；第二连接端7的内壁形成有内螺纹，以套接于隔水管的外部并与隔水管螺纹连接，通过采用螺纹连接的固定方式，能够进一步提高气侵监测短节的安装效率。

继续如图1所示，为了使得气侵监测短节与隔水管顺畅连接，本发明还包括连接法盘10及输线管11，连接法盘10可以为圆板状，连接法盘10与管体1同轴设置，连接法盘10的直径大于管体1，连接法盘10多出管体1的部分沿轴向开设有固定通孔，以固定输线管11，连接法盘10为两个，两个连接法盘10分别连接于管体1的两端，输线管11用于穿入压井管线、节流管线及液压控制管线，输线管11的两端分别与两个连接法盘10的固定通孔固定连接。

本发明还提供一种隔水管超声波气侵监测方法，应用如上的隔水管超声波气侵监测短节，包括以下步骤：

两个超声波发射探头2向隔水管环空内流体交替发射超声波单脉冲，超声波接收探头3接收经由隔水管环空内流体反射的两组超声波信号；

设两个超声波发射探头2一次交替发射超声波单脉冲为一个周期，则基于超声波在隔水管环空内流体中的传播规律、超声波信号与截面含气率的对应关系，根据一个发射周期内接收到的两组超声波信号的响应情况，综合评估截面含气率，例如取均值。

本发明隔水管超声波气侵监测方法，由于采用上述隔水管超声波气侵监测短节，即设置超声波发射探头2为两个，并且将两个超声波发射探头2沿着圆形方向间隔设置，同时两个超声波发射探头2位于所述圆形的同一直径方向上，因此在对隔水管气侵监测的过程中，两个超声波发射探头2呈180°对称式发射超声波信号，从而无论将超声波发射探头2设置于何处，均能够对两处不同密度的气侵气体发射超声波信号，继而同时考虑两组接收信号的响应情况，综合评估截面含气率，进而显著提升了超声波监测的有效范围，有效解决了现有技术中截面含气率的预测结果误差和失真大的技术问题，更进而显著提高了气侵监测结果的准确性。