一種隨鉆鉆井液流量定量檢測系統(tǒng)及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種隨鉆鉆井液流量定量檢測系統(tǒng)及其應(yīng)用，屬于管道流量測量領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鉆井過程中如果不能及時(shí)對井噴井漏等復(fù)雜情況進(jìn)行安全處理，很容易釀成嚴(yán)重 的鉆井事故。特別是在天然氣井中，處理措施不當(dāng)，極易引起井場爆炸等災(zāi)難性事故。鉆井 中井控工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是要及早發(fā)現(xiàn)井漏、溢流等初期征兆并及時(shí)處理。對鉆井液流量 參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測，便能及時(shí)發(fā)現(xiàn)井漏、溢流等異常現(xiàn)象，及時(shí)預(yù)警便能防止井噴井 漏等事故的發(fā)生。
[0003] 目前，鉆井現(xiàn)場鉆井液入口流量大都利用泥漿栗沖程來估量的，鉆井液出口流量 是利用靶式流量計(jì)來測量的。前者存在誤差大、受泥漿栗效率影響大等問題。而靶式流量計(jì) 由于其測量是依靠出口鉆井液的沖力使靶體位置發(fā)生變化，短時(shí)間內(nèi)變化反應(yīng)比較靈敏， 在這段時(shí)間內(nèi)的測量結(jié)果基本上能夠反映鉆井液出口流量的變化。但是該傳感器在應(yīng)用中 存在許多缺點(diǎn)：
[0004] 1.靶式流量計(jì)必須裝在鉆井液出口高架槽上，高架槽的坡度和直徑要滿足靜止時(shí) 的靶體可以垂直或接近垂直狀態(tài)。
[0005] 2.長時(shí)間工作時(shí)，鉆井液會(huì)逐漸在靶體表面干結(jié)成泥餅，堆積在活動(dòng)軸附近，使靶 體活動(dòng)范圍受到限制，導(dǎo)致其輸出信號無法真實(shí)反映鉆井液流量變化；
[0006] 3.靶體電阻容易損壞和出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象，而且長期處在潮濕環(huán)境下易產(chǎn)生阻 值誤差。
[0007] 4.當(dāng)鉆井液流量發(fā)生劇烈變化時(shí)，靶體在上升和回落之間落差變大，由于慣性容 易導(dǎo)致輸出劇烈波動(dòng)而且錯(cuò)誤的信號。
[0008] 總結(jié)可知上面這兩種方法都不能準(zhǔn)確的反映鉆井過程中鉆井液的流量變化。因 此，對如何準(zhǔn)確測量鉆井液流量展開深入研究具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
[0009] 中國專利CN102155211公開一種用于深水鉆井泥線處井涌監(jiān)測的電路，包括與超 聲波傳感器相連的超聲波收發(fā)模塊、與收發(fā)模塊通過接口電路相連并和上機(jī)位完成通訊的 測控模塊，其特征在于:超聲波收發(fā)模塊中包含有收發(fā)電路、通路開關(guān)和電源電路，收發(fā)電 路內(nèi)含微處理器，產(chǎn)生一個(gè)具有一定頻率、一定脈沖寬度和一定輸出功率的電脈沖驅(qū)動(dòng)信 號激勵(lì)超聲波傳感器;測控模塊中包含有依次按輸入輸出順序連接的放大電路、濾波電路、 自動(dòng)增益控制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電壓轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器的輸出 端順序連接數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、電壓調(diào)整電路。電路為應(yīng)用多普勒效應(yīng)測量而設(shè)置，可實(shí)時(shí)測量 出海底隔水管與鉆柱環(huán)空的流量，以便及時(shí)判斷井下溢流情況。
[0010] 而本發(fā)明所述系統(tǒng)滿管流量部分應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場鉆井液入口處，這部分管道與泥 漿栗是硬連接關(guān)系，震動(dòng)很大，本系統(tǒng)為超聲多普勒探頭設(shè)計(jì)了專用封裝夾具使探頭面浸 沒在超聲耦合劑里并緊貼管道外壁。所用超聲多普勒探頭原理是發(fā)射頭發(fā)射一固定頻率超 聲波，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)流體的反射后被接收探頭采集，接收頭對信號進(jìn)行放大、去噪、混頻后濾波 采集后將多普勒頻移信號發(fā)送到超聲頻率信號整形模塊。
[0011]中國專利CN202596621公開了一種新型泥漿出口流量檢測儀，節(jié)流管(4)由矩形節(jié) 流組件(6)和矩形節(jié)流組件(6)兩端的喇叭口節(jié)流組件(7)組成，節(jié)流管(4)安裝于鉆井液出 口管線(5)上，矩形節(jié)流組件(6)頂部和底部分別安裝有超聲波液位傳感器(1)、超聲波多普 勒探針(2)，超聲波多普勒探針(2)、超聲波液位傳感器(1)、計(jì)算及顯示報(bào)警單元(3)之間分 別電連接。本實(shí)用新型解決了目前泥漿回流管流量計(jì)精度不高、反映滯后等問題，測量段采 用矩形截面，使液流截面與液位呈線性關(guān)系，采用受泥漿中巖肩影響較小的多普勒流量計(jì)， 具有結(jié)構(gòu)簡單，測量精度及可靠度高，適應(yīng)復(fù)雜工況和復(fù)雜流體，廣泛應(yīng)用于鉆井液回流流 量和其它明渠流流量檢測。
[0012] 而本發(fā)明所述系統(tǒng)非滿管流量部分在安裝使用時(shí)無需特定管道形狀。流速方面采 用一發(fā)兩收的超聲多普勒探頭組增加測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種隨鉆鉆井液流量定量檢測系統(tǒng)。
[0014] 本發(fā)明還涉及一種利用上述檢測系統(tǒng)測量鉆井液流量的方法。本發(fā)明能夠可靠的 獲取實(shí)時(shí)鉆井液入口出口流量。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0016] -種隨鉆鉆井液流量定量檢測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括與所述MCU處理模塊 相連的鉆井液入口管道監(jiān)測信道、鉆井液出口管道監(jiān)測信道、信號輸出線路、信號調(diào)試線路 和電源模塊。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述鉆井液入口管道監(jiān)測信道包括設(shè)置在所述鉆井液入口管 道上的第一超聲多普勒發(fā)射探頭和第一超聲多普勒接收探頭，上述第一超聲多普勒發(fā)射探 頭和第一超聲多普勒接收探頭組成第一超聲流速傳感器，所述第一超聲多普勒接收探頭通 過超聲頻率信號整形電路模塊與所述MCU處理模塊相連。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述鉆井液出口管道監(jiān)測信道包括設(shè)置在所述鉆井液出口管 道上的第二超聲多普勒發(fā)射探頭、第二超聲多普勒接收探頭和超聲高度探頭，上述第二超 聲多普勒發(fā)射探頭和第二超聲多普勒接收探頭組成第二超聲流速傳感器，所述第二超聲多 普勒接收探頭通過超聲頻率信號整形電路模塊與所述MCU處理模塊相連，所述鉆井液出口 管道通過超聲高度探頭與所述MCU處理模塊相連。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述信號輸出線路包括與所述MCU處理模塊分別相連的485數(shù) 字信號輸出模塊和4_20mA模擬信號輸出模塊，所述485數(shù)字信號輸出模塊的輸出端與PC上 位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊相連。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述信號調(diào)試線路包括與所述MCU處理模塊相連的工業(yè)觸摸 屏調(diào)試模塊。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述電源模塊為所述MCU處理模塊、超聲高度探頭、第一超聲 流速傳感器和第二超聲流速傳感器供電。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述MCU處理模塊、超聲頻率信號整形電路模塊、485數(shù)字信號 輸出模塊、4-20mA模擬信號輸出模塊、工業(yè)觸摸屏調(diào)試模塊均采用防爆封裝。所述防爆封裝 可以避免在探頭表面凝結(jié)水霧或?qū)Ω鱾€(gè)模塊進(jìn)行防爆保護(hù)，確保系統(tǒng)精確運(yùn)行。防爆等級 為ExnR(ib)IIC，防護(hù)等級為IP66。
[0023]本發(fā)明利用超聲多普勒原理采集鉆井液入口出口的流速信號、超聲高度傳感器利 用時(shí)差法采集鉆井液出口的高度信號，流速信號經(jīng)過超聲頻率信號整形電路模塊處理后與 高度信號并入MCU處理模塊中，MCU處理模塊計(jì)算得到的鉆井液流量數(shù)據(jù)通過與PC上位機(jī)數(shù) 據(jù)處理模塊進(jìn)入PC上位機(jī)，在PC上位機(jī)繪制實(shí)時(shí)的鉆井液流量曲線。
[0024]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述超聲高度探頭為倍加福公司UB800超聲高度探頭。
[0025]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述Μ⑶處理模塊為宏晶公司STC12C5A60S2單片機(jī)。
[0026]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述工業(yè)觸摸屏調(diào)試模塊為迪文公司的Κ600+觸摸屏。
[0027] -種利用上述檢測系統(tǒng)測量鉆井液流量的方法，包括步驟如下：
[0028] 1)在鉆井液入口管道中，所述第一超聲多普勒接收探頭通過超聲頻率信號整形電 路模塊與所述MCU處理模塊相連；
[0029] 在鉆井液出口管道中，所述第二超聲多普勒接收探頭通過超聲頻率信號整形電路 模塊與所述MCU處理模塊相連;所述鉆井液出口管道通過超聲高度探頭與所述MCU處理模塊 相連；
[0030] 2)所述Μ⑶處理模塊通過采集鉆井液入口管道處超聲多普勒頻移信號計(jì)算鉆井液 入口管道處鉆井液流量；
[0031] 超聲多普勒頻移為：
[0032]
[0033]
[0034] 在公式（I)和（II)中，S為管道有效截面積、Q則為流體流量、為超聲多普勒發(fā)射 探頭發(fā)射的聲波頻率，νο為流體的流速，c為超聲在被測介質(zhì)中的速度，α為超聲波束與被測 流體速度方向的夾角；
[0035] 然后再根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)計(jì)算出鉆井液入口管道處鉆井液流量；
[0036] 所述MCU處理模塊通過采集鉆井液出口管道處高度信號計(jì)算鉆井液出口管道處鉆 井液流量：
[0037] 液面高度hw = hf-h+hP，其中hf是鉆井液出口管道的管徑，h是超聲高度探頭采集的 高度信號，h P是超聲高度探頭下表面距離鉆井液出口管道上表面的距離；按照現(xiàn)有技術(shù)求 得所述鉆井液出口管道液面截面積；
[0038]結(jié)合所述MCU處理模塊通過采集鉆井液出口管道處超聲多普勒頻移信號計(jì)算鉆井 液出口管道處鉆井液流量;非滿管同理，根據(jù)高度信號可得有效截面積，最終可得流量； [0039] 3)根據(jù)mj處理模塊將計(jì)算得到的流量信號通過4 - 20mA模擬信號輸出模塊輸出； [0040] 4)M⑶處理模塊將計(jì)算得到的流量信號通過485數(shù)字信號輸出模塊輸出；
[0041]本系統(tǒng)MCU處理模塊有兩個(gè)單板，分別處理滿管和非滿管部分，所述兩個(gè)部分各有 一個(gè)4-20mA模擬信號輸出模塊和485數(shù)字信號輸出模塊：
[0042] 4-20mA模擬信號輸出模塊是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD420將MCU處理模塊中計(jì)算得到的 流量轉(zhuǎn)換成模擬電流信號輸出；
[0043] 485數(shù)字信號輸出模塊是通過MAX487通信收發(fā)芯片將MCU處理模塊中計(jì)算得到的 流量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出；
[0044] 5)M⑶處理模塊通過串口與工業(yè)觸摸屏調(diào)試模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并現(xiàn)場調(diào)試；
[0045] 所述工業(yè)觸摸屏調(diào)試模塊用以顯示實(shí)時(shí)的鉆井液入口出口的流量、流速、累積、當(dāng) 前液面高度等信息;現(xiàn)場修改MCU處理模塊中存儲(chǔ)的滿管和非滿管管徑、滿管和非滿管修正 系數(shù)、非滿管高度傳感器位置等參數(shù)；
[0046] 6)M⑶處理模塊通過485數(shù)字信號輸出模塊與PC上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并遠(yuǎn)程調(diào)試；
[0047] PC上位機(jī)用以顯示實(shí)時(shí)的鉆井液入口出口的流量、流速、累積、當(dāng)前液面高度等信 息;遠(yuǎn)程修改MCU處理模塊中存儲(chǔ)的滿管和非滿管管徑、滿管和非滿管修正系數(shù)、非滿管高 度傳感器位置等參數(shù);繪制實(shí)時(shí)的流量曲線并存儲(chǔ)所有的測量數(shù)據(jù)；
[0048] 7)PC上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊將Μ⑶處理模塊的鉆井液入口管道、鉆井液出口管道的 流量進(jìn)行實(shí)時(shí)儲(chǔ)存，并形成實(shí)時(shí)曲線儲(chǔ)存，所述實(shí)時(shí)曲線的縱坐標(biāo)是流量(m3/h)，橫坐標(biāo)是 時(shí)間。
[0049] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0050] 本發(fā)明利用非接觸式的超聲多普勒原理傳感器獲取鉆井液流量的各項(xiàng)參數(shù)，在PC 上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示的鉆井液入口、出口流量并繪制實(shí)時(shí)曲線?？稍赑C上位機(jī)上調(diào)整管徑、滿 管或非滿管修正系數(shù)、傳感器高度的工程參數(shù)，方便在鉆井液密度、黏度等改變時(shí)實(shí)時(shí)修正 鉆井液流量。通過對