鉆井液流量檢測技術

中石化勝利工程有限公司地質錄井公司

摘要：鉆井液出入口流量的準確檢測是發現以上異常現象的重要手段之一，因此準確實現鉆井液出入口流量的檢測，對于現場油氣鉆探的安全施工有著重要的意義。

關鍵詞：鉆井液流量；檢測；錄井；研究方法

引言

在鉆井現場，鉆井液出口流量是一個重要的參數，根據出口流量的變化能夠判斷井下異常情況，通常情況下是利用靶式流量計來測量，其測量原理是靠泥漿的沖擊使靶體發生位移，帶動電阻變化，產生信號變化，反應靈敏，測量結果能夠快速反映鉆井液出口流量的變化；靶體使用優質不銹鋼材料制作，成本低廉、原理簡單、不容易損壞。該傳感器存在諸多缺點：

1、使用困難，傳感器一般是裝在架空管線上，需要對架空管線開口，安裝人員需要佩戴安全帶，進行高處作業；

2、經過長時期使用，傳感器會變得不靈活，泥漿在靶體上固結，形成泥餅，影響了測量的精度，導致傳感器的輸出信號變小，不能反映泥漿流量的真實變化；

3、無法根據實際情況標定傳感器，當受到鉆井液沖擊后，其上升和回落之間的落差較大，只能反映一個相對值，不能計算真實的流量變化。

所以，靶式流量傳感器的測量精度不能滿足鉆井過程中井涌、井漏及其他鉆井安全事故監控預報的需求。

1、研究意義

鉆井液入口流量采用泥漿泵計算的方法獲得，存在誤差大、受泥漿泵效率影響大等問題。因此，研制一套鉆井液出入口流量實時檢測單元，對于準確計算鉆井過程中的鉆井液體積變化具有重要意義。

在鉆井現場，如果采用的流量檢測手段不適合，對井漏井涌等異常工況的發生預測不及時，將會造成極為嚴重的后果。在重慶開縣發生過重大的死傷事故，在天然氣井鉆進時，若處理措施不恰當，還會引起失控著火、爆炸以及地層下陷等事故。為預防各種事故的發生，鉆井過程中，錄井人員應該做好井控監視工作，及時發現溢流、井漏等征兆，進行快速匯報。需要對鉆井液流量進行定量、實時的檢測，及時發現各類異常工況，及時進行預警，在根本上防止井噴等事故的發生，以便于鉆井工作的順利實施，提高社會效益。

目前，錄井技術逐漸向智能化發展，以電子設施、智能化儀表的自動監測控制代替常規的人工坐崗，能夠減少因人工疲倦、失誤造成的情況誤判、漏報、錯報，尤其在情況復雜的地區，憑人工的經驗進行施工，容易造成巨大的事故，導致國家財產蒙受巨量的損失。鉆井液流量的智能監測、智能預報，不僅提供了可觀的數據信息，還可以實時分析相關的參數，進行智能化預報，為鉆井工程技術人員的現場施工和后方人員的決策提供了配套的數據。因此研發出一套相應的系統，能夠實時監測鉆井液的流量，采集各項數據，自動對鉆井現場情況提出分析，實現對井涌井漏等復雜工況的預報，具有十分重要的意義。

2、研究方法選擇

人們利用超聲波來測量流體流量的歷史已經接近一百年。最早的是Ruttgen于 1931 年發表的德國專利，寫了一種相差法計算流速的超聲波流量計。但該專利并沒有實際的產品研制成。自 50 年代，美國人提出將時差通過多次循環放大后再進行測量的“鳴環”（sing-around）時差法，彌補了當時電子技術不足，使超聲波流量計的產品化邁出關鍵性一步。1963 年首臺工業應用樣機由日本的 Tokyo Keiki 公司研制成功，60 年代末期到 70年代早期，人們把興趣轉向了利用聲學中的多普勒效應的超聲波流量計的理論研究與研制上，從而導致超聲多普勒流量計在這一時刻的誕生。進入 80 年代后，由于數字電子技術、數字超聲技術、微處理器技術等現代先進技術的發展，落后的模擬超聲波流量計技術被逐步取代，超聲波流量計的各種測量性能得到了大幅度的提高，使其開始真正進入工業測量領域。進入二十一世紀以后，高速數字信號處理器技術，現代數字信號技術等先進技術在超聲波流量計方面的成功應用，再加上使用了友好的人機界面，參數設置等其它輔助功能，使得超聲波流量計測量的精確性、穩定性及操作的便利性得到了充分的體現。

超聲波多普勒測流量原理以物理學中多普勒效應為基礎。當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發出的頻率。這個因相對運動而產生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。在超聲波多普勒流量測量過程中，發射器發生一個固定聲源，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用。發射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運動而產生的聲波多普勒頻移。由于這個頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速。進而可以得到流體的流量。

3、研究思路

用一對斜探頭夾裝于被測管道的外側。假設流體運動方向和超聲波束的夾角是，超聲波在被測液體中的速度為，并認為懸浮粒子和流體以相同的速度運動，推導流體流速與多普勒頻移之間的關系。當發射探頭發射的超聲波束在管道的中心軸線上遇到一粒固體散射顆粒，且該粒子正以一定的速度做勻速直線運動，因為發射的超聲波束與管軸線有一定的夾角，所以對于超聲波發射端換能器來說，該粒子是以勻速離去，那么散射粒子接收到的超聲波頻率應該低于換能器發射的超聲波頻率，由多普勒效應原理可以推導出粒子的運動速度。當流量計、管道條件及被測介質確定以后，多普勒頻移與流速成正比，所以測量出頻移量就可以得到流體流速，當管道截面積確定后流體流量也就確定了。

一般來說，流體聲速與介質成分有關。為了避免影響，超聲波多普勒流量計一般采用管外聲契結構，使超聲波束先通過聲契及管壁再進入流體。采用聲契結構以后，流量與頻移關系式中僅含有聲契材料中的聲速，而與流體介質中的聲速無關。由于固體聲速的溫度系數至少比流體聲速的溫度系數小一個數量級，所以該流速方程式基本上不受溫度的影響，也就是說，這樣多普勒法測量流量基本不受溫度的影響。

超聲波多普勒流量測量的必要的條件為：被測流體應含一定數量能反射聲波的固體粒子或氣泡等介質。這個工作條件實際上也是它的一大優點，即這種流量測量方法適宜于對三相流的測量，這是其它流量計難以解決的問題。

參考文獻：

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