一种钻井液出口流量准确测量方法和装置

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种钻井液出口流量准确测量方法和装置。

背景技术

在石油钻井行业，钻井液出口流量的准确测量对安全钻井具有重要意义。通过监测钻井液出口流量的准确变化，能够及早发现井下溢流或漏失等钻井风险，做到早发现、早处理，将钻井风险在初期就能得到控制，减少井涌、井漏等事故的发生。

目前，石油钻井液出口流量的测量方式大多采用相对测量方法，即通过观察、测量钻井液在振动筛的出浆情况或液体在导流管内充满的相对高度，对钻井液流体出口流量变化进行评估。在一般情况下，这种测量方法虽能满足钻井液出口处钻井液流体变化量的定性监测，但不能实现对钻井液流体流量的定量测量，在易漏、高压地层等复杂区块或井段，这种方法就带有非常高的钻井风险。

现有的流量定量测量传感器基本上都是基于满管流测量，同时钻井设备配套的钻井液出口导流管为大尺寸圆形管道，属于非满管流状态，这就造成很多传感器无法直接用于石油钻井出口处的钻井液流量测量，而且钻井液流体本身的特性也限制了很多传感器的应用。为实现钻井液出口流量的定量测量，现有方法就是创造满管流条件，采用满管流测量传感器测量钻井液出口流量。这种方式的测量方法，虽然能够实现定量测量，但是其缺点是测量装置的安装方式比较复杂，面临的问题是泥沙淤堵，造成测量系统失效，现场无法广泛应用。在高风险、复杂井段，为最大程度规避风险，钻井队实行坐岗制，定时测量观察钻井液出口流量，人为主观因素的影响较大，井下复杂情况信息获取滞后，同时也无法实现对出口流量实时准确测量。

发明内容

有鉴于此，本发明目的是针对现有钻井液出口流量定量测量的难题，提供一种钻井液出口流量准确测量方法，实现钻井液出口流量的准确测量，及时发现井漏、溢流、井涌等井下复杂情况，规避、降低钻井风险。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种钻井液出口流量准确测量方法，包括步骤：

S1、计算单位时间内平均液位高度；

S2、根据所述单位时间内平均液位高度计算流体截面积；

S3、计算单位时间内液体平均流速；

S4、根据所述流体截面积和所述单位时间内液体平均流速计算单位时间内流体流量。

优选地，所述步骤S1包括：根据采集的流体液位高度计算单位时间内平均液位高度，公式为：

式中：h-单位时间内平均液位高度，h

优选地，所述步骤S2的计算公式为：

h≥r时，

h＜r时，

式中：S-流体截面积，r-测量管半径，h-单位时间内平均液位高度。

优选地，所述步骤S3包括：根据采集的流体流速计算单位时间内平均流速，公式为：

式中：v-液体平均流速，v

优选地，所述步骤S4的计算公式为：

h≥r时，

h＜r时，

优选地，还包括：

步骤S5、根据所述流平均流速计算单位时间内流体流量计算累计流量。

优选地，所述步骤S4的计算公式为：

Q

式中：Q

一种钻井液出口流量准确测量装置，包括：测量系统和功能模块；

所述测量系统包括：测量管、连接法兰、液位传感器和流速传感器；

所述功能模块用于实施如上述的钻井液出口流量准确测量方法。

优选地，所述液位传感器为非接触式电子传感器，安装在所述测量管的顶部；

所述流速传感器安装在所述测量管的底部。

优选地，所述流速传感器为嵌入式电子传感器，且安装位置与液位传感器对应；

或者，所述流速传感器为插入式电子传感器，且安装位置与所述液位传感器错开。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的钻井液出口流量准确测量方法，属石油天然气钻探类钻井仪器仪表工具技术领域。该方法可实现钻井液出口管道内流体满管、非满管的流量准确测量，能及早发现井下溢流或漏失等井下异常情况，规避、降低钻井风险，为安全钻井提供技术支撑。

本发明还提供了一种钻井液出口流量准确测量装置，包括测量系统和功能模块。测量系统包括测量管、液位传感器、流速传感器及连接法兰等，设计成一体式测量系统，通过连接法兰与流体主管道连接。传感器采集的数据由功能模块处理后，根据建立的计算方法，计算出流经测量管的钻井液流量，并实时显示，实现对钻井液出口流量的准确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的钻井液出口流量准确测量装置的结构示意图。

图中1为测量管，2为连接法兰，3为液位传感器，4为液体流速传感器，5为功能模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的钻井液出口流量准确测量装置，包括：测量系统和功能模块5。

所述测量系统包括：测量管1、连接法兰2、液位传感器3和流速传感器4。

所述测量管道1通过连接法兰2与被测流体管道连接并固定。

所述液位传感器3为非接触式电子传感器，安装在测量管的正上端，安装方向垂直于测量管，用于测量管道内液体流体高度。

所述流速传感器4安装在测量管道底端，根据现场实际情况，传感器可选用插入式b或嵌入式a电子传感器，用于测量管道内流体流速。若使用嵌入式a传感器，其安装在与液位传感器对应的测量管底部，若要选用插入式b传感器，其安装位置与液位传感器3要错开，两个传感器安装位置不能在同一轴线上。

所述功能模块5把液位传感器3采集的测量管内液位高度和流速传感器4采集的液体流速模拟量参数，转化成数字量后，通过建立的测量算法，计算出流体流量，并显示流量值，同时功能模块具备采样频率设定、参数输入，单位设置、传感器标定，校准等功能。

所述测量算法计算流体流量方法为，流体流量为测量管内流体截面积与流速的乘积。其中管内流体截面积利用流体液位高度参数，通过管内流体截面积计算算法获取，流速参数由流速传感器采集的数据经功能模块转化后获取。

所述测量算法计算流体流量为单位时间内流体流量，建立的数学模型中需要的参数为单位时间内流体液位高度、单位时间内流体流速。其中液体高度和液体流速采用单位时间内的采样值和采样频率的平均算法获取。

所述测量算法即计算流体流量方法：Q＝S*V，其中Q为流量，S为流体截面积，V为液体流速。

所述测量算法可以计算出瞬时流量，也可以计算流体单位时间内平均流量。计算单位时间内流体平均流量，建立的数学模型中需要的参数为单位时间内流体平均液位高度、单位时间内流体平均流速。其中液体平均高度和液体平均流速是利用单位时间内的采样值和采样频率，利用采样值平均算法获取。

流量计算分以下步骤：

步骤一、单位时间内平均液位高度计算

式中：h-单位时间内平均液位高度；

h

f-采样次数。

步骤二、流体截面积计算

h≥r时

h＜r时

式中：S-流体截面积；

r-测量管半径；

h-单位时间内液位平均高度；

π-常数。

步骤三、单位时间内液体平均流速计算

式中：v-液体平均流速；

v

f-采样频率。

步骤五、瞬时流量计算

h≥r时

h＜r时

步骤六、累计流量计算

Q

式中：Q

下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：

图1是流量测量示意图。参考图1，测量管1通过连接法兰2与主管道连接在一起，连接时注意连接处的密封，测量管1口径尺寸要与主管道口径尺寸基本一致。液位传感器3垂直安装在测量管1的顶部位置，用于测量测量管1内流经的液体高度，液位传感器采用非接触式电子传感器，液位传感器3不能装偏，以免影响测量数据的准确性。流速传感器4可选用嵌入式或插入式，安装在测量管1的底部，用于测量测量管内液体的流速，根据选用传感器的不同，安装位置有所不同，若是采用嵌入式流量传感器，其安装在与液位传感器对应的测量管底部，若是采用插入式流速传感器，其安装位置向要与顶部的液位传感器错开。功能模块5根据现场实际情况，可以固定安装在测量管1上，也可以单独安装放置，其具备测量数据采集频率设定，传感器标定、校准，参数输入，单位设定，数据计算处理，数据显示等功能。

测量流量时，对传感器先进行标定、校准后，设定采集频率，输入测量管半径参数。液位传感(3)和流速传感器(4)采集的信号经功能模块根据建立的算法公式(1-1)和公式(1-4)，计算出单位时间内的平均液位高度和液体流速，然后根据平均液位高度根据公式(1-2)和公式(1-3)计算出测量管内流体截面积，最后根据流量计算公式(1-5)和公式(1-6)、(1-7)计算出流体流量，流量数据在功能模块实时显示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。