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

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。

说明书

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高和提高单井产能的需要，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：(1)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硅胶。 

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： 

(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Q_fv，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C_m，i； 

各字符代表参数：钻井液流速u_f，测量管路的截面面积A，固相颗粒声发射能量W_i，固相颗粒流经喷嘴撞击鼓膜速度u_s，喷嘴流速系数B，固相颗粒撞击鼓膜声压p_i；鼓面截面积S，声压转化效率η； 

Q_fv＝Au_f    (6) 

$C_{m,i}=\frac{W_i}{2\mathrm{\eta S}{\left({\mathrm{Bu}}_f\right)}^3}---\left(9\right)$

(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Q_m； 

$Q_m=C_{m,j}{Q}_v=\frac{W_i{\mathrm{AU}}_f}{2\mathrm{\eta S}{\left({\mathrm{Bu}}_f\right)}^3}=\frac{W_{i}A}{2\eta {\mathrm{SB}}^{\prime }{u_f}^2}---\left(10\right)$

(6)存储模块按照步骤(2)、(3)中设置方式对步骤(5)中的处理结果数据进行存储，以备后续分析、调用； 

(7)显示模块可显示岩屑质量流量，包括瞬时质量流量和累积质量流量。 

优选的是，所述数据采集模块中的计算原理及公式推导如下： 

多普勒法测量原理是基于多普勒效应，当观察者和声源之间有相对运动时，观察者得到的声频率与声源发出的频率是不同的，多普勒法测量液流速度u与频差值Δf的关系如下： 

$u=\frac{c}{2f_1\cos \gamma }\mathrm{\Delta f}---\left(1\right)$

由公式(1)可知，所得流体流速与流体中超声波速度c有关。而流体中的声速c又与流体的温度有关，这样在测量中就难以保证声速为常数。为了消除这一影响，可以在管外加入声楔结构，使超声波先经过声楔再经壁进入流体中。设声楔中超声波的波速为c₁，超声波入射角为α，折射角为β，超声波与流速u的夹角为γ，根据折射原理可得： 

$\frac{\sin \alpha }{\sin \beta }=\frac{c_1}{c}---\left(2\right)$

由于sinβ＝cosγ，可得 

$\frac{c}{\sin \beta }=\frac{c}{\cos \gamma }=\frac{c_1}{\sin \alpha }---\left(3\right)$

代入流速表达式中，可得 

$u=\frac{c_1}{2f_1\sin \alpha }\mathrm{\Delta f}---\left(4\right)$

由上式可以看出，加入声楔后流体流速已与流体中的声速无c关，而与声楔中的声速c₁有关。由于声楔为固体，声速在固体中温度系数比在液体中小了一个数量级，这样大大降低了温度对多普勒流速测量的影响。 

对各组流速按照积分权重求和，得到截面平均流速u_f，乘以截面面积A，再经过流量修正系数K修正，进而得到钻井液体积流量Q_fv为： 

$u_f=K\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{u}_i{w}_i---\left(5\right)$

Q_fv＝Au_f    (6) 

由固相颗粒检测仪表测量得出固相颗粒声发射能量W_i与其质量浓度C_m，i关系，固相颗粒流经喷嘴撞击鼓膜速度u_s等于喷嘴流速系数B乘以钻井液流速u_f，其中p_i为固相颗粒撞击鼓膜声压；S为鼓面截面积，η为声压转化效率，可得： 

$W_i=p_i{\mathrm{Su}}_s=2\eta C_{m,i}{\mathrm{Su}}_s^3---\left(7\right)$

u_s＝Bu_f    (8) 

综上述得到岩屑质量流量Q_m： 

$C_{m,i}=\frac{W_i}{2\mathrm{\eta S}{\left({\mathrm{Bu}}_f\right)}^3}---\left(9\right)$

$Q_m=C_{m,j}{Q}_v=\frac{W_i{\mathrm{AU}}_f}{2\mathrm{\eta S}{\left({\mathrm{Bu}}_f\right)}^3}=\frac{W_{i}A}{2\eta {\mathrm{SB}}^{\prime }{u_f}^2}---\left(10\right)$

本发明的有益效果是： 

(1)同时采用了超声波检测组件和冲击检测组件，结合信号采集仪和计算机处理单元，可以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。 

(2)所述的超声波测量组件包括多个超声波传感器，可以对在线流量进行大量、反复测量，且这些超声波传感器对称分布在测量管路管轴线的两侧，可以最大限度的消除误差，提高液流流量的测量精度。 

(3)采用自行研发并改进的冲击检测组件，所述的冲击检测组件采用了流线型弧状的喷嘴，有利于增大钻井液的速度和冲击力，又避免了固相颗粒在喷嘴的小口径处阻塞；冲击检测组件可以有效、准确的提取固相颗粒的质量信息。 

(4)本发明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，流量测量模块和冲击检测模块处理后的信息将同步传输至数据耦合模块，所述耦合模块利用 自行开发的固相颗粒质量流量计算公式，即公式(10)，能在线检测钻井筒中返出固相颗粒的质量流量，为现场钻井施工作业及岩屑床的预测监测提供有利参考。 

附图说明

图1是本发明的示意图； 

图2是超声波测量组件的剖面结构示意图； 

图3是冲击检测组件的剖面结构示意图； 

图4是超声波传感器的剖面结构示意图； 

图5是计算机处理单元的模块组成示意图； 

图6是本发明所述检测方法的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。 

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3、超声波测量组件2、冲击检测组件5、超声信号收集仪6、冲击信号收集仪8和计算机处理单元10，超声波测量组件2通过超声信号收集仪6与计算机处理单元7相连，冲击检测组件5通过冲击信号收集仪8与计算机处理单元7相连，钻井筒返出流体从所述测量管路3的进口1流入，出口4流出。所述超声波测量组件2紧贴在测量管路3的外壁上，所述冲击检测组件5通过连接部件12与测量管路3相连。所述超声波测量组件2位于冲击检测组件5的前方，且超声波测量组件2与冲击检测组件5的中心轴间距为5～10倍的测量管路3的管径。 

所述超声波测量组件2包括四个分为两组的超声波传感器11，所述超声波传感器11通过螺纹固定在组件槽10的四个槽位9里；所述两组超声波传感器11交叉布置在测量管路3上，且分别与测量管路3的管轴线成相等的角度。所述超声波测量组件2的两组超声波传感器11与各自独立的发射电路和接收电路相连，且所有传感器实现同步发射及接收产生波信号。所述超声波传感器11包括壳体17、声楔19、匹配元件18和压电晶片20，壳体17内填充有硅胶21。加入声楔19后，流体流速与流体中的声速无关，而与声楔19中的声速有关，由于声楔19为固体，声速在固体中的温度系数比在液体中小了一个数量级，从而大大增加了超声波传感器的计量精度。 

所述冲击检测组件5包括高压保护罩13和固定在高压保护罩13内的喷嘴16、冲击感受鼓膜15以及振动传感器14。所述喷嘴16的小孔径开口面向冲击感受鼓膜15，有利于增大钻井液的速度和冲击力。所述冲击感受鼓膜15是一块圆形不锈钢波纹片，增强了其对岩屑冲击的感受效果。振动传感器14与冲击感受鼓膜15背向喷嘴16的一侧紧密粘结，以感受钻井液 中固相颗粒对冲击感受鼓膜15的冲击信号，并将信号通过信号电缆将信号传输给冲击信号收集仪8。所述喷嘴16为流线型弧状，有利于增大钻井液的速度和冲击力，又避免了固相颗粒在喷嘴的小口径处阻塞。高压保护罩13可以防止管路内流体高压击穿冲击感受鼓膜15而造成的安全隐患。 

所述计算机处理单元7包括初始化模块、功能选择模块、参数设置模块、数据采集模块、数据耦合模块、存储模块和显示模块。所述数据采集模块包括流量测量模块和冲击检测模块，所述流量检测模块分为控制模块、分析模块和计时模块，所述冲击检测模块分为滤波模块、分析模块和计算模块。所述流量测量模块与超声信号采集仪6相连，所述冲击检测模块与冲击信号采集仪8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： 

(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Q_fv，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C_m，i； 

Q_fv＝Au_f     (6) 

$C_{m,i}=\frac{W_i}{2\mathrm{\eta S}{\left({\mathrm{Bu}}_f\right)}^3}---\left(9\right)$

(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Q_m； 

$Q_m=C_{m,j}{Q}_v=\frac{W_i{\mathrm{AU}}_f}{2\mathrm{\eta S}{\left({\mathrm{Bu}}_f\right)}^3}=\frac{W_{i}A}{2\eta {\mathrm{SB}}^{\prime }{u_f}^2}---\left(10\right)$

(6)存储模块按照步骤(2)、(3)中设置方式对步骤(5)中的处理结果数据进行存储，以备后续分析、调用； 

(7)显示模块可显示岩屑质量流量，包括瞬时质量流量和累积质量流量。