雙弧曲線形鉆井液出口流量測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及在鉆井測試領域中測量鉆井液出口返出流量的技術，具體設及雙弧曲 線形鉆井液出口流量測量裝置及測量方法。
【背景技術】
[0002] 石油天然氣資源鉆井過程中如果地層壓力大于井內鉆井液壓力將會出現地層流 體侵入井眼的現象，稱為溢流，如果處理不當將會導致井噴甚至失去控制，造成惡性安全事 故。溢流的及早發現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對地 下油氣層的傷害，所W對溢流進行早期監測有著極其重要的作用。
[0003] 油氣發生溢流的時候所表現出來的特點在地面上可W觀測的到，主要的表現有W 下幾個方面： ①在鉆井的過程中，鉆井液在井口返出時就是主要表現情況之一，如果在沒有鉆井液 的情況下，鉆井液池內的鉆井液的體積會有一定的增長，在停止工作的時候，鉆井液也會發 生外溢的情況。
[0004] ②在起鉆的時候，鉆井內的鉆井液的量會比鉆具的排遣量小，運樣就會使得地層 的流體流入到井內當中去，運時候就會發生溢流的現象。
[0005] ③在下鉆和下套管的時候，如果返出的鉆井的液量比鉆所具有的排潛量大的時 候，也同樣會發生溢流的情況。
[0006] 地面溢流檢測技術發展現狀及存在問題 判斷鉆井溢流或井涌的方法有很多，目前國內鉆井現場應用最多的監測方法是泥漿池 液面監測法和鉆井液流量差法。
[0007] (1)泥漿池液面監測法 運種溢流檢測方法目前使用最為普遍。該方法通過觀察或測量鉆井液泥漿池內液面高 度變化來估計液體總量增減，判斷是否有地層流體侵入。但該方法從發生溢流到被發現，時 間上會有一定滯后，嚴重影響測量精度和溢流預警時間，主要原因有： ①當溢流量比較小時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，通常井隊的鉆井液池體積較大，有一定的體積安 全余量，但運給溢流檢測帶來了監測的麻煩，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很難早期發現溢流并預警，從而形成漏 報。
[0008] ②鉆井液池內攬拌器旋轉導致液面波動 為保證鉆井液本身物化性能，防止攜帶巖屑沉積，泥漿池內鉆井液需要定時攬拌，而有 些深井作業明確規定需24小時不間斷攬拌，運就導致了鉆井液泥漿池液面不穩定，造成儀 器或人工觀測產生誤差，誤報警情況頻發。
[0009] (2)鉆井液流量差法 該方法測量或計算累入井內與循環出井的鉆井液量差值來判斷是否出現溢流或井漏， 若差值為正說明可能有溢流發生，差值為負說明可能有井漏發生。累入井內的鉆井液排量 因累沖數計量很容易，所W入井鉆井液量容易獲得，但返出流量測量有一定的困難，主要有 W下問題： 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用圓管，管內鉆井液須充滿整個管路，使流動時帶有一定壓力， 或者說管內不能有自由液面，運是由電磁流量計或科里奧利質量流量計的工作原理所決定 的，但在整個鉆井過程中由于不同鉆進階段應用的鉆井液排量差異巨大，所W很難保證整 個鉆井過程中鉆井液始終充滿返出管線。
[0010] ②非有壓管路內濕周截面面積不穩定流速不均勻 井隊應用的矩形返出管線長度有很大的靈活性，鉆井液流經卿趴管開窗時由垂直流動 變為水平流動，卿趴管開窗附近流動很不穩定，流速分布不均勻，導致卿趴管開窗附近的鉆 井液濕周截面面積極不穩定。流體在鉆井液流至返出管線末端時由于重力作用，濕周截面 面積將變小，也就是說鉆井液潤濕矩形槽的高度沿程是變化的，運也給測量流量的準確性 帶來了巨大的困難。
【發明內容】
[0011] 本發明的目的是提供雙弧曲線形鉆井液出口流量測量裝置，運種雙弧曲線形鉆井 液出口流量測量裝置用于解決現有的鉆井液出口流量測量不準確及精度不高的問題，本發 明的另一個目的提供了運種雙弧曲線形鉆井液出口流量測量裝置的測量方法。
[0012] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：運種雙弧曲線形鉆井液出口流量 測量裝置由光學液位傳感器、雙弧曲線形返出管線、卿趴管、傳感器支架、數據采集與預處 理單元、客戶端計算機、聲光報警裝置組成，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、兩個側面板圍成的槽狀體，槽狀體的末端為開放的，兩個 側面板上各設置一個弧形實體，兩個弧形實體對應設置形成雙弧曲線形實體；在雙弧曲線 形實體起始位置上方20~30cm處安裝傳感器支架，光學液位傳感器安裝在傳感器支架上； 雙弧曲線形實體的水平跨度^^等于5-7倍的縱寬^，而縱寬^位置選取在來水方向雙弧 曲線形實體水平跨度:至長度的1/5-1/3處，縱寬心為單個弧形實體突起最寬處的寬度，水 平跨度王是雙弧曲線形實體的長度，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，喉口寬度為兩個弧形實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，此時臨界流狀態最穩定效果最好。
[0014] 上述雙弧曲線形鉆井液出口流量測量裝置的測量方法通過實時監測雙弧曲線形 返出管線內形成的穩定液面高度而進一步得到鉆井液返出流量，具體如下： 步驟一、將高精度光學液位傳感器安裝在雙弧曲線形返出管線內雙弧曲線形實體起點 位置上方20~30cm處； 步驟二、步驟一中高精度光學液位傳感器實時測量返出管線內濕周截面液面高度，并 輸出模擬輔助變量信號至數據采集與預處理單元； 步驟=、數據采集與預處理單元實時采集并預處理從步驟二得到的測量數據，隨后結 合輔助變量輸入客戶端計算機； 步驟四、客戶端計算機的軟件測量系統根據流量公式擬合計算得到鉆井液出口流量Q值，流量公式為
系數a及指數n值可通過應用實測和模型試驗數 據擬合確，g為重力加速度，壤為喉口寬度，?為喉口處的臨界水深，然后根據預先設定 的極值判斷是否啟動聲光報警裝置。
[0015] 本發明具有W下有益效果： 1、本發明創造性地將鉆井液返出管線內的液面高度與鉆井液返出流量結合起來，利用 文丘里管原理在鉆井液返出管線內增加一雙弧曲線形結構實體，使返出鉆井液的流動成為 射流流動，在測量位置形成穩定液面高度和均勻流速，從而計算返出流量，是突破目前溢流 早期檢測瓶頸的一項重大的技術探索，同時有效解決了鉆井液攜帶巖屑沉積的問題。
[0016]2、本發明不需要形成有壓回路，同時在現場應用中不必改變井場現有裝備，對常 規鉆井裝備稍加改進就可實現流量差法溢流檢測，與鉆井液池液位檢測法相比預警時間大 幅度提前，檢測精度大幅提高，有效地預防井噴事故發生，該發明實時檢測溢流的同時亦可 監測井漏是否發生。
[0017] 3、本發明選用的高精度光學液位傳感器安裝在雙弧曲線形返出管線內某固定截 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測量精度的影 響。
[0018] 4、本發明計算機軟件測量模型中最終回歸的數學模型考慮了溫度、鉆井液流變性 等對濕周截面流速分布的影響，數據擬合精度較高，測量結果與實際流速誤差相對較小。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明中雙弧曲線形鉆井液出口流量測量裝置的示意圖； 圖2是本發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是本發明中測量方法的流程框圖。
[0020] 圖中：1雙弧曲線形返出管線2傳感器支架3光學液位傳感器4雙弧曲線形 實體5返出管線內鉆井液液面6數據采集與預處理單元7客戶端計算機8聲光報警 燈9方鉆桿10鉆臺平面11卿趴管12環形防噴器13卿趴管開窗。
【具體實施方式】
[0021] 下面對本發明作進一步的說明： 如圖1所示，運種雙弧曲線形鉆井液出口流量測量裝置由高精度光學液位傳感器3、雙 弧曲線形返出管線1、卿趴管11、傳感器支架2、數據采集與