一种钻井出口流量监测与井控溢漏预警系统及方法

技术领域

本发明属于钻井液测量及预警领域，具体涉及一种钻井出口流量监测与井控溢漏预警系统及方法。

背景技术

钻井液，俗称钻井泥浆；在钻井作业中，为了保证钻井液的正常循环，通常需要在钻井液循环系统中设置泥浆池、循环罐或缓冲罐。现有录井用的传感器一般设置在循环罐或缓冲罐上，主要包含液位计、密度计、温度计、电导仪、脱气器、有害气体报警器、摄像设备等，传感器集成度低，故障率高，且使用条件限制大，当有传感器发生异常时很难判断故障，参数测量受环境影响大。其中，通过液位间接监测动态流量，采用双膜片差压传感器间接监测钻井液密度，作为井控中重要的监测手段，是溢流发现的第一阵地，但由于钻井返回泥浆性质和现场工艺(不满管、放空、常压)的特殊性，使得现有计量技术使用受到很大限制，例如当流量变小、液位较低时，双差压传感器和温度传感器未被完全淹没，导致测量密度和温度参数异常；又比如，现场使用超声波液位计，当水汽较大、温度较高，产生局部微压或泥浆飞溅等均为导致测量结果误差偏大或测量结果错误，因此，无法准确掌握返回钻井液的准确状况；另外，现有缓冲槽或回流槽沉沙严重，需频繁清理，在停钻或钻进过程中，当井下发生异常情况时（如溢流或漏失），系统异常显示反映滞后或无法异常显示，使得未作出快速准确的井控响应措施，继而发生井涌、井喷事故、导致生命和财产受到重大损失。因此，对钻井液的不满管流量测量及溢漏监测技术的研究，对实现精准井控，降低安全风险、减少生命与财产损失具有重大意义。但是，现有的钻井出口泥浆测量与溢漏预警系统无法准确的进行钻井液的测量；同时，溢漏预警也不准确，无法满足实际生产的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题便是针对上述现有技术的不足，提供一种钻井出口流量监测与井控溢漏预警系统及方法，采用测量槽和双天线测量管导波雷达+电导仪结构的流量测量仪测量钻井液主流量和固相含，从而实现对钻井液不满管条件下的流量监测，并且通过取样流量计测量取样钻井液的密度、温度和取样流量，从而实现对钻井液各运行参数实时监测和溢漏异常预警。

本发明所采用的技术方案是：一种钻井出口流量监测与井控溢漏预警系统，包括槽体和钻井液测量管理系统，所述槽体其中一端设有与槽体内部连通的入口，所述槽体远离入口的一端设有与槽体内部连通的出口，所述槽体内设有隔板组件，所述隔板组件和槽体内侧壁之间在靠近入口的一端形成钻井液整流区，所述隔板组件和槽体内侧壁之间在靠近出口的一端形成钻井液回流区，所述隔板组件与槽体内侧壁之间形成可供钻井液通过且连通钻井液整流区和钻井液回流区的钻井液通道，所述槽体上与钻井液整流区对应的位置设有流量测量仪，所述槽体上与钻井液整流区和钻井液回流区对应的位置分别设有入口液位测量仪和出口液位测量仪，所述入口上设有与其连通的取样管路，所述取样管路上设有取样流量计，所述取样管路另一端与槽体内部靠近出口的一端连通，所述流量测量仪、入口液位测量仪、出口液位测量仪和取样流量计均与钻井液测量管理系统电气连接。

其中一个实施例中，所述钻井液测量管理系统包括控制模块、数据运算模块、数据采集模块、数据转换模块、通讯模块、数据存储模块和显示屏，所述数据采集模块分别与流量测量仪、入口液位测量仪、出口液位测量仪和取样流量计电气连接，所述数据采集模块通过数据转换模块与数据运算模块电气连接，所述数据运算模块、通讯模块、数据存储模块和显示屏分别与控制模块电气连接。

其中一个实施例中，所述隔板组件包括与槽体连接的固定隔板和设置于固定隔板上的活动隔板，所述固定隔板与槽体内侧壁之间形成连通钻井液整流区和钻井液回流区并可供流体通过的钻井液通道，所述活动隔板上设有连通钻井液整流区和钻井液回流区的过滤整流孔。

其中一个实施例中，所述槽体内部靠近活动隔板的位置设有测量区，所述流量测量仪设置于测量区内。

其中一个实施例中，所述流量测量仪包括变送器和设置于变送器下方的两个天线，其中一个所述天线内设有导波雷达传感器和电导率传感器负极回路，另一个所述天线内设有电导率传感器和雷达传感器回波回路，所述天线和导波雷达传感器分别与数据采集模块电气连接。

其中一个实施例中，所述槽体底部设有沿出口方向倾斜的导流板。

其中一个实施例中，所述导流板包括设置于钻井液整流区一端的第一导流段和设置于钻井液回流区内的第二导流段，所述第一导流段和第二导流段均沿出口方向倾斜。

其中一个实施例中，所述槽体上与入口相对一侧设有防溢口。

其中一个实施例中，所述取样管路上设有与取样流量计内部连通的清洗口。

本发明还公开了一种钻井出口流量监测与井控溢漏预警方法，其通过一种钻井出口流量监测与井控溢漏预警系统实现，所述的钻井出口流量监测与井控溢漏预警方法包括如下步骤：

步骤10、钻井液由入口进入槽体和取样管路，流量测量仪测量钻井液主流量、电导率和固相含率，取样流量计测量钻井液取样流量、密度、温度和含气率，入口液位测量仪和出口液位测量仪分别测量入口和出口的钻井液液位，如进行返回钻井液流量测量，进入步骤20，如进行返回钻井液主流量测量，进入步骤30，如进行返回钻井液取样流量测量，进入步骤40，如进行返回钻井液固相含率测量，进入步骤50，如进行异常预警，进入步骤60；

步骤20、计算返回钻井液流量，计算公式为：

步骤30、计算返回钻井液主流量，计算公式为：

步骤40、计算返回钻井液取样流量，计算公式为：

步骤50，计算返回钻井液固相含率，计算公式为：

其中,

步骤60，如钻井处于钻进状态，进入步骤70，如钻井处于停钻状态，进入步骤80；

步骤70，将流量测量仪、入口液位测量仪和出口液位测量仪采集到的数据与录井系统中的钻井状态和泵程数据进行实时比对，当流量测量仪测得的钻井液主流量、入口液位测量仪测得的槽体入口液位和出口液位测量仪测得的槽体出口液位的其中二个或三个参数出现突然上升或下降，且超出泵程数据设定预警波动率时，确定钻井是否为钻进状态，如钻井为钻进状态且泵程数据稳定,同时钻井并未存在异常操作，则判定钻井存在溢流或漏失风险，钻井液测量管理系统做出相应的异常提示；

步骤80，将取样流量计采集到的数据与录井系统中的钻井状态和泵程数据进行实时比对,当取样流量计获取的钻井液密度或钻井液流量出现突然上升或持续性上升，确定钻井是否为停钻状态，如钻井为停钻状态且泵程数据为0,同时钻井并未存在异常操作，则判定钻井存在溢流风险，钻井液测量管理系统做出相应的异常提示，当取样流量计获取的钻井液密度或钻井液取样流量持续上升或出现异常时，钻井液测量管理系统可结合钻井液温度、入口液位和出口液位进行溢流监测与预警。

本发明的有益效果在于：

1、通过隔板组件对进入槽体内部的钻井液进行导流和整理，结合流量测量仪的测量效果，可实现流量在不满管的情况下直接测量，不受内壁附着泥饼影响测量结果；

2、通过隔板组件和导流板的作用，解决槽体沉沙问题，减少现场人员作业强度；

3、通过对异常数据和不同状态流体的监控，可实现异常情况（溢流或漏失）发生时能快速响应，防止误判误报，如停钻过程中发生溢流时，能准确监测来液信号，并迅速做出异常信号反馈；

4、系统设置的测量元件和钻井液测量管理系统的设置，能融入现有录井系统，与钻井状态和泵程数据联动，实现预警和联动功能；

5、流量测量仪采用顶装结构，方便安装和维护，该传感器可以监测多种类型的液体流量，包括单一液体、气液两相流体和液固两相流体，并通过设定不同的影响系数，对气液两相流量或液固两相流量对总流量的影响进行修正，提高了测量的准确性和稳定性；

6、流量测量仪、取样流量计、入口液位测量仪和出口液位测量仪等传感器高度集成，减少传感器的安装和使用故障，提高数据的准确性和可靠性，为高效、快速、精准的溢漏预警监测提供数据保障。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明钻井液整流区、钻井液通道和钻井液回流区示意图；

图3为本发明槽体结构示意图；

图4为本发明槽体俯视图；

图5为本发明钻井液测量管理系统各组件连接示意图；

图6为本发明隔板组件结构示意图；

图7为本发明流量测量仪结构示意图；

图8为本发明导流板结构示意图。

图中：1、槽体；2、钻井液测量管理系统；3、入口；4、出口；5、隔板组件；6、钻井液整流区；7、流量测量仪；8、取样管路；9、取样流量计；10、入口液位测量仪；11、出口液位测量仪；12、导流板；13、钻井液回流区；14、钻井液通道；15、测量区；16、防溢口；17、清洗口；18、电导仪；19、脱气器；20、固井泥浆接口；201、控制模块；202、数据运算模块；203、数据采集模块；204、数据转换模块；205、通讯模块；206、数据存储模块；207、显示屏；501、固定隔板；502、活动隔板；503、过滤整流孔；701、变送器；702、天线；1201、第一导流段；1202、第二导流段。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-图8所示，一种钻井出口流量监测与井控溢漏预警系统，包括槽体1和钻井液测量管理系统2，所述槽体1其中一端设有与槽体1内部连通的入口3，所述槽体1远离入口3的一端设有与槽体1内部连通的出口4，所述槽体1内设有隔板组件5，所述隔板组件5和槽体1内侧壁之间在靠近入口3的一端形成钻井液整流区6，所述隔板组件5和槽体1内侧壁之间在靠近出口4的一端形成钻井液回流区13，所述隔板组件5与槽体1内侧壁之间形成可供钻井液通过且连通钻井液整流区6和钻井液回流区13的钻井液通道14，所述槽体1上与钻井液整流区6对应的位置设有流量测量仪7，所述槽体1上与钻井液整流区6和钻井液回流区13对应的位置分别设有入口液位测量仪10和出口液位测量仪11，所述入口3上设有与其连通的取样管路8，所述取样管路8上设有取样流量计9，所述取样管路8另一端与槽体1内部靠近出口4的一端连通，所述流量测量仪7、入口液位测量仪10、出口液位测量仪11和取样流量计9均与钻井液测量管理系统电气连接。

本实施例中，所述钻井液测量管理系统2包括控制模块201、数据运算模块202、数据采集模块203、数据转换模块204、通讯模块205、数据存储模块206和显示屏207，所述数据采集模块203分别与流量测量仪7、入口3液位测量仪、出口4液位测量仪和取样流量计9电气连接，所述数据采集模块203通过数据转换模块204与数据运算模块202电气连接，所述数据运算模块202、通讯模块205、数据存储模块206和显示屏207分别与控制模块201电气连接。

本实施例中，所述隔板组件5包括与槽体1连接的固定隔板501和设置于固定隔板501上的活动隔板502，所述固定隔板501与槽体1内侧壁之间形成连通钻井液整流区6和钻井液回流区13并可供流体通过的钻井液通道14，所述活动隔板502上设有连通钻井液整流区6和钻井液回流区13的过滤整流孔503。

本实施例中，所述槽体1内部靠近活动隔板502的位置设有测量区15，所述流量测量仪7设置于测量区15内。

本实施例中，所述流量测量仪7包括变送器701和设置于变送器701下方的两个天线702，其中一个所述天线702内设有导波雷达传感器和电导率传感器负极回路，另一个所述天线702内设有电导率传感器和雷达传感器回波回路，所述天线702和导波雷达传感器分别与数据采集模块203电气连接。

本实施例中，所述槽体1底部设有沿出口4方向倾斜的导流板12。

本实施例中，所述导流板12包括设置于钻井液整流区6一端的第一导流段1201和设置于钻井液回流区13内的第二导流段1202，所述第一导流段1201和第二导流段1202均沿出口4方向倾斜。

本实施例中，所述槽体1上与入口3相对一侧设有防溢口16。

本实施例中，所述取样管路8上设有与取样流量计9内部连通的清洗口17。

本发明还公开了一种钻井出口流量监测与井控溢漏预警方法，其通过一种钻井出口流量监测与井控溢漏预警系统实现，所述的钻井出口流量监测与井控溢漏预警方法包括如下步骤：

步骤10、钻井液由入口3进入槽体1和取样管路8，流量测量仪7测量钻井液主流量、电导率和固相含率，取样流量计9测量钻井液取样流量、密度、温度和含气率，入口液位测量仪10和出口液位测量仪11分别测量入口3和出口4的钻井液液位，如进行返回钻井液流量测量，进入步骤20，如进行返回钻井液主流量测量，进入步骤30，如进行返回钻井液取样流量测量，进入步骤40，如进行返回钻井液固相含率测量，进入步骤50，如进行异常预警，进入步骤60；

步骤20、计算返回钻井液流量，计算公式为：

步骤30、计算返回钻井液主流量，计算公式为：

步骤40、计算返回钻井液取样流量，计算公式为：

步骤50，计算返回钻井液固相含率，计算公式为：

其中,

步骤60，如钻井处于钻进状态，进入步骤70，如钻井处于停钻状态，进入步骤80；

步骤70，将流量测量仪7、入口液位测量仪10和出口液位测量仪11采集到的数据与录井系统中的钻井状态和泵程数据进行实时比对，当流量测量仪7测得的钻井液主流量、入口液位测量仪10测得的槽体1入口液位和出口液位测量仪11测得的槽体1出口液位的其中二个或三个参数出现突然上升或下降，且超出泵程数据设定预警波动率时，确定钻井是否为钻进状态，如钻井为钻进状态且泵程数据稳定,同时钻井并未存在异常操作，则判定钻井存在溢流或漏失风险，钻井液测量管理系统2做出相应的异常提示；

步骤80，将取样流量计9采集到的数据与录井系统中的钻井状态和泵程数据进行实时比对,当取样流量计9获取的钻井液密度或钻井液流量出现突然上升或持续性上升，确定钻井是否为停钻状态，如钻井为停钻状态且泵程数据为0,同时钻井并未存在异常操作，则判定钻井存在溢流风险，钻井液测量管理系统做出相应的异常提示，当取样流量计9获取的钻井液密度或钻井液取样流量持续上升或出现异常时，钻井液测量管理系统2可结合钻井液温度、入口液位和出口液位进行溢流监测与预警。

本申请所述的钻井出口泥浆测量与溢漏预警系统工作时，钻井液由入口3进入槽体1和取样管路8。进入槽体1内的钻井液，首先进入钻井液整流区6，由于固定隔板501在槽体1内的钻井液整流区6形成有利钻井液按特定路径流通，因此钻井液可在钻井液整流区6内顺畅流动。这个过程中，大部分的钻井液通过钻井液通道14进入钻井液回流区13。少部分的钻井液通过活动隔板502的过滤整流孔503进行二次整流，并在过滤整流孔503的作用下隔离大颗粒岩屑干扰，然后由流量测量仪7测量钻井液主流量、电导率和固相含率。为保证更好的测量效果，可设置单独的测量区15，以进行测量。测量完成后，钻井液再进入到钻井液回流区13。钻井液流通的过程中，入口液位测量仪10和出口液位测量仪11分别测量入口3和出口4的钻井液液位。取样管路8上设置的取样流量计9用于测量钻井液取样流量、密度、温度和含气率；测量完成后的取样钻井液再进去到钻井液回流区13。进入到钻井液回流区13的钻井液由出口4排出槽体1。为防止沉沙，槽体1内设置导流板12，并将导流板12分为第一导流段1201和第二导流段1202；第一导流段1201和第二导流段1202均朝着出口4的方向倾斜，使得出口4处成为整个槽体1的最低点，从而防止沉沙。

本申请所述的钻井出口泥浆测量与溢漏预警系统的控制模块201、数据运算模块202、数据采集模块203、数据转换模块204、通讯模块205、数据存储模块206和显示屏207的具体功能如下：

控制模块201：本系统的神经中枢，实现各模块数据功能调度、现场端数据采集、与本系统相关算法逻辑处理和数据库调用等，与远端录井系统数据通信交互，最终实现钻井液测量与溢漏精准预警的功能；

数据运算模块202：用于数据深度处理与数据库学习，与控制模块匹配算法前运行、与控制模块通讯实现数据内部交互；

数据采集模块203：与现场端传感器通讯，实现采集端与现场端通讯物理隔离，数据采集与筛选过滤，为数据转换做准备工作；

数据转换模块204：与数据采集模块和数据运算模块进行数据格式转换与数据交互，起到承上启下的作用；

通讯模块205：主要为现场端数字通讯传感器提供数据通讯隔离与交互功能，保障系统内部模块安全；

数据存储模块206：所有生产运行参数、预警信息及其它事件记录信息存储，掉电长周期保存，数据黑匣子，为录井系统提供备份数据，便于后期回查；

显示屏207：用于运行参数的显示，以及运行曲线、事件记录、设置参数、系统内部参数等信息的查询、操作和修改。

本申请所述的钻井出口泥浆测量与溢漏预警系统设置的防溢口16可在钻井液大量进入到槽体1且无法顺利从钻井液整流区6进入到钻井液回流区13的情况下，对钻井液进行回收，防止钻井液的流失。清洗口17的设置用于在钻井处于停钻状态时对取样流量计9进行清洗，以保证测量的准确性。

本申请所述的钻井出口泥浆测量与溢漏预警系统根据实际需求，可在槽体1上设置电导仪18、脱气器19和固井泥浆接口20，以增加其功能性。

本申请所述的固定隔板501用于使槽体1内的钻井液整流区6形成有利钻井液按特定路径流通，以便于钻井液顺畅流动，减少死区形成，避免局部沉沙，以满足测量的需求。活动隔板502配合开设于其上的过滤整流孔503用于过滤钻井液二次整流和隔离大颗粒岩屑干扰，为流量测量提供较好测量调节的作用。

本申请所述的入口液位测量仪10和出口液位测量仪11均为非介入式射频雷达液位计。入口液位测量仪10和出口液位测量仪11采用高频射频雷达液位计，不接触介质，不受温度、水汽、局部微压影响，设置有保护罩，防止泥浆飞溅影响，反应速度快，故障率低，提高液位测量准确性和稳定性。所述的取样流量计9为气液两相质量流量计。取样流量计9采用谐振技术和气液两相含气管理系统测量介质密度，可实现空管至满管介质密度准确测量，实现停钻至正常钻进的钻井液密度监测，不受液位高低，温度、压力、固相含率变化，含气状态等因素影响；取样流量计9采用充氮隔离技术实现温度监测，在测量管外侧使用贴片热电阻，测量管和保护外壳中间隔离区充有氮气，介质温度测量不受外界环境温度和钻井状态、液位高低等因素影响。

本申请的导流板12的设置使得钻井液按设计路径由入口3至出口4（由高向低）流动，且死角区域均采用提前预埋的方式填充，防止钻井液在槽体1内沉沙，减少维护难度和成本。

本申请所述的测量方法中，步骤30中，所述的流道为固定隔板501与槽体1之间形成的钻井液通道14；所述的水力半径为流道横截面湿周和横截面面积的比值；流体坡度为流道液面高程的变化量与流道长度的比值。

步骤50中，修正数据库通过室内和现场数据收集整理学习获得；注入井下的钻井液电导率是录井系统中已知技术参数指标；所述的固相电导率包含岩屑和泥土，在流量测量仪7双天线702边缘设置由稳定的流体电导率监测区域，针对水基泥浆，固相的电阻率要远大于钻井液，因此

步骤70中，为更准确的进行异常预警，流量测量仪7、入口液位测量仪10和出口液位测量仪11采取冗余设计；当确定钻井状态为钻进中，泵程数据较为稳定时，监测到的钻井液主流量、入口液位和出口液位参数出现下降超标，则判断为存在漏失风险；监测到的钻井液主流量、入口液位和出液位参数出现上升超标，则判断为存在溢流风险，钻井液测量管理系统2并做相应的预警提示；判断过程中需结合当前钻井启停泵状态变化和起下柱对测量结果的干扰，实现准确快速的溢漏异常预警，避免或减少误报误判。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。