雙弧曲線形鉆井液出口流量測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及在鉆井測(cè)試領(lǐng)域中測(cè)量鉆井液出口返出流量的技術(shù)，具體設(shè)及雙弧曲 線形鉆井液出口流量測(cè)量裝置及測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石油天然氣資源鉆井過(guò)程中如果地層壓力大于井內(nèi)鉆井液壓力將會(huì)出現(xiàn)地層流 體侵入井眼的現(xiàn)象，稱為溢流，如果處理不當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致井噴甚至失去控制，造成惡性安全事 故。溢流的及早發(fā)現(xiàn)與處理不僅可避免井噴事故，更重要的是，可減輕井噴和壓井作業(yè)對(duì)地 下油氣層的傷害，所W對(duì)溢流進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)有著極其重要的作用。
[0003] 油氣發(fā)生溢流的時(shí)候所表現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)在地面上可W觀測(cè)的到，主要的表現(xiàn)有W 下幾個(gè)方面： ①在鉆井的過(guò)程中，鉆井液在井口返出時(shí)就是主要表現(xiàn)情況之一，如果在沒(méi)有鉆井液 的情況下，鉆井液池內(nèi)的鉆井液的體積會(huì)有一定的增長(zhǎng)，在停止工作的時(shí)候，鉆井液也會(huì)發(fā) 生外溢的情況。
[0004] ②在起鉆的時(shí)候，鉆井內(nèi)的鉆井液的量會(huì)比鉆具的排遣量小，運(yùn)樣就會(huì)使得地層 的流體流入到井內(nèi)當(dāng)中去，運(yùn)時(shí)候就會(huì)發(fā)生溢流的現(xiàn)象。
[0005] ③在下鉆和下套管的時(shí)候，如果返出的鉆井的液量比鉆所具有的排潛量大的時(shí) 候，也同樣會(huì)發(fā)生溢流的情況。
[0006] 地面溢流檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題 判斷鉆井溢流或井涌的方法有很多，目前國(guó)內(nèi)鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的監(jiān)測(cè)方法是泥漿池 液面監(jiān)測(cè)法和鉆井液流量差法。
[0007] (1)泥漿池液面監(jiān)測(cè)法 運(yùn)種溢流檢測(cè)方法目前使用最為普遍。該方法通過(guò)觀察或測(cè)量鉆井液泥漿池內(nèi)液面高 度變化來(lái)估計(jì)液體總量增減，判斷是否有地層流體侵入。但該方法從發(fā)生溢流到被發(fā)現(xiàn)，時(shí) 間上會(huì)有一定滯后，嚴(yán)重影響測(cè)量精度和溢流預(yù)警時(shí)間，主要原因有： ①當(dāng)溢流量比較小時(shí)泥漿池液位變化不明顯 為保障不同鉆井階段的鉆井液用量，通常井隊(duì)的鉆井液池體積較大，有一定的體積安 全余量，但運(yùn)給溢流檢測(cè)帶來(lái)了監(jiān)測(cè)的麻煩，由于鉆井液池底面積較大，溢流初期階段溢流 量較小，致使鉆井液液面高度變化并不明顯，所W很難早期發(fā)現(xiàn)溢流并預(yù)警，從而形成漏 報(bào)。
[0008] ②鉆井液池內(nèi)攬拌器旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致液面波動(dòng) 為保證鉆井液本身物化性能，防止攜帶巖屑沉積，泥漿池內(nèi)鉆井液需要定時(shí)攬拌，而有 些深井作業(yè)明確規(guī)定需24小時(shí)不間斷攬拌，運(yùn)就導(dǎo)致了鉆井液泥漿池液面不穩(wěn)定，造成儀 器或人工觀測(cè)產(chǎn)生誤差，誤報(bào)警情況頻發(fā)。
[0009] (2)鉆井液流量差法 該方法測(cè)量或計(jì)算累入井內(nèi)與循環(huán)出井的鉆井液量差值來(lái)判斷是否出現(xiàn)溢流或井漏， 若差值為正說(shuō)明可能有溢流發(fā)生，差值為負(fù)說(shuō)明可能有井漏發(fā)生。累入井內(nèi)的鉆井液排量 因累沖數(shù)計(jì)量很容易，所W入井鉆井液量容易獲得，但返出流量測(cè)量有一定的困難，主要有 W下問(wèn)題： ①鉆井液須充滿流出管線形成有壓管路 即使鉆井液返出管線應(yīng)用圓管，管內(nèi)鉆井液須充滿整個(gè)管路，使流動(dòng)時(shí)帶有一定壓力， 或者說(shuō)管內(nèi)不能有自由液面，運(yùn)是由電磁流量計(jì)或科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的工作原理所決定 的，但在整個(gè)鉆井過(guò)程中由于不同鉆進(jìn)階段應(yīng)用的鉆井液排量差異巨大，所W很難保證整 個(gè)鉆井過(guò)程中鉆井液始終充滿返出管線。
[0010] ②非有壓管路內(nèi)濕周截面面積不穩(wěn)定流速不均勻 井隊(duì)?wèi)?yīng)用的矩形返出管線長(zhǎng)度有很大的靈活性，鉆井液流經(jīng)卿趴管開窗時(shí)由垂直流動(dòng) 變?yōu)樗搅鲃?dòng)，卿趴管開窗附近流動(dòng)很不穩(wěn)定，流速分布不均勻，導(dǎo)致卿趴管開窗附近的鉆 井液濕周截面面積極不穩(wěn)定。流體在鉆井液流至返出管線末端時(shí)由于重力作用，濕周截面 面積將變小，也就是說(shuō)鉆井液潤(rùn)濕矩形槽的高度沿程是變化的，運(yùn)也給測(cè)量流量的準(zhǔn)確性 帶來(lái)了巨大的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是提供雙弧曲線形鉆井液出口流量測(cè)量裝置，運(yùn)種雙弧曲線形鉆井 液出口流量測(cè)量裝置用于解決現(xiàn)有的鉆井液出口流量測(cè)量不準(zhǔn)確及精度不高的問(wèn)題，本發(fā) 明的另一個(gè)目的提供了運(yùn)種雙弧曲線形鉆井液出口流量測(cè)量裝置的測(cè)量方法。
[0012] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：運(yùn)種雙弧曲線形鉆井液出口流量 測(cè)量裝置由光學(xué)液位傳感器、雙弧曲線形返出管線、卿趴管、傳感器支架、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處 理單元、客戶端計(jì)算機(jī)、聲光報(bào)警裝置組成，卿趴管開窗處連接雙弧曲線形返出管線；雙弧 曲線形返出管線由底板、前面板、兩個(gè)側(cè)面板圍成的槽狀體，槽狀體的末端為開放的，兩個(gè) 側(cè)面板上各設(shè)置一個(gè)弧形實(shí)體，兩個(gè)弧形實(shí)體對(duì)應(yīng)設(shè)置形成雙弧曲線形實(shí)體；在雙弧曲線 形實(shí)體起始位置上方20~30cm處安裝傳感器支架，光學(xué)液位傳感器安裝在傳感器支架上； 雙弧曲線形實(shí)體的水平跨度^^等于5-7倍的縱寬^，而縱寬^位置選取在來(lái)水方向雙弧 曲線形實(shí)體水平跨度:至長(zhǎng)度的1/5-1/3處，縱寬心為單個(gè)弧形實(shí)體突起最寬處的寬度，水 平跨度王是雙弧曲線形實(shí)體的長(zhǎng)度，收縮比病選取范圍為0. 55-0. 65,水平跨度i為1. 5m，
為喉口寬度，喉口寬度為兩個(gè)弧形實(shí)體突起最寬處之間的距離，逼;為返出管線 寬度。
[0013] 上述方案中返出管線寬度i?為0. 5-0.6m，此時(shí)臨界流狀態(tài)最穩(wěn)定效果最好。
[0014] 上述雙弧曲線形鉆井液出口流量測(cè)量裝置的測(cè)量方法通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雙弧曲線形 返出管線內(nèi)形成的穩(wěn)定液面高度而進(jìn)一步得到鉆井液返出流量，具體如下： 步驟一、將高精度光學(xué)液位傳感器安裝在雙弧曲線形返出管線內(nèi)雙弧曲線形實(shí)體起點(diǎn) 位置上方20~30cm處； 步驟二、步驟一中高精度光學(xué)液位傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量返出管線內(nèi)濕周截面液面高度，并 輸出模擬輔助變量信號(hào)至數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元； 步驟=、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元實(shí)時(shí)采集并預(yù)處理從步驟二得到的測(cè)量數(shù)據(jù)，隨后結(jié) 合輔助變量輸入客戶端計(jì)算機(jī)； 步驟四、客戶端計(jì)算機(jī)的軟件測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)流量公式擬合計(jì)算得到鉆井液出口流量Q值，流量公式為
系數(shù)a及指數(shù)n值可通過(guò)應(yīng)用實(shí)測(cè)和模型試驗(yàn)數(shù) 據(jù)擬合確，g為重力加速度，壤為喉口寬度，?為喉口處的臨界水深，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定 的極值判斷是否啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置。
[0015] 本發(fā)明具有W下有益效果： 1、本發(fā)明創(chuàng)造性地將鉆井液返出管線內(nèi)的液面高度與鉆井液返出流量結(jié)合起來(lái)，利用 文丘里管原理在鉆井液返出管線內(nèi)增加一雙弧曲線形結(jié)構(gòu)實(shí)體，使返出鉆井液的流動(dòng)成為 射流流動(dòng)，在測(cè)量位置形成穩(wěn)定液面高度和均勻流速，從而計(jì)算返出流量，是突破目前溢流 早期檢測(cè)瓶頸的一項(xiàng)重大的技術(shù)探索，同時(shí)有效解決了鉆井液攜帶巖屑沉積的問(wèn)題。
[0016]2、本發(fā)明不需要形成有壓回路，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中不必改變井場(chǎng)現(xiàn)有裝備，對(duì)常 規(guī)鉆井裝備稍加改進(jìn)就可實(shí)現(xiàn)流量差法溢流檢測(cè)，與鉆井液池液位檢測(cè)法相比預(yù)警時(shí)間大 幅度提前，檢測(cè)精度大幅提高，有效地預(yù)防井噴事故發(fā)生，該發(fā)明實(shí)時(shí)檢測(cè)溢流的同時(shí)亦可 監(jiān)測(cè)井漏是否發(fā)生。
[0017] 3、本發(fā)明選用的高精度光學(xué)液位傳感器安裝在雙弧曲線形返出管線內(nèi)某固定截 面液位上方20-30cm，使之其不與鉆井液接觸，從而避免了鉆井液中固相對(duì)測(cè)量精度的影 響。
[0018] 4、本發(fā)明計(jì)算機(jī)軟件測(cè)量模型中最終回歸的數(shù)學(xué)模型考慮了溫度、鉆井液流變性 等對(duì)濕周截面流速分布的影響，數(shù)據(jù)擬合精度較高，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際流速誤差相對(duì)較小。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是本發(fā)明中雙弧曲線形鉆井液出口流量測(cè)量裝置的示意圖； 圖2是本發(fā)明中雙弧曲線形返出管線的俯視圖； 圖3是圖2中A-A剖面圖； 圖4是本發(fā)明中測(cè)量方法的流程框圖。
[0020] 圖中：1雙弧曲線形返出管線2傳感器支架3光學(xué)液位傳感器4雙弧曲線形 實(shí)體5返出管線內(nèi)鉆井液液面6數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理單元7客戶端計(jì)算機(jī)8聲光報(bào)警 燈9方鉆桿10鉆臺(tái)平面11卿趴管12環(huán)形防噴器13卿趴管開窗。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明： 如圖1所示，運(yùn)種雙弧曲線形鉆井液出口流量測(cè)量裝置由高精度光學(xué)液位傳感器3、雙 弧曲線形返出管線1、卿趴管11、傳感器支架2、數(shù)據(jù)采集與