[发明专利]L型连通管钻井液返出流量测量装置及其测量方法

说明书

一、    技术领域：

本发明涉及的是在石油天然气钻井随钻检测领域中溢流快速识别技术，具体涉及的是L型连通管钻井液返出流量测量装置及其测量方法。

二、     背景技术：

石油天然气资源钻井过程中如果地层压力大于井内钻井液压力将会出现地层流体侵入井眼的现象，称为溢流，如果处理不当将会导致井喷甚至失去控制，造成恶性安全事故。预防井喷的关键是及时发现溢流，溢流发现越早，溢流量越小，处理溢流的难度也越小，发生井喷的概率就越低，这就要求钻井现场溢流检测装置做出快速准确的预警，及时关井，重新建立压力平衡。

与溢流检测相关的井口防喷装备通常由防喷器、喇叭管（溢流管）、喇叭管开窗（返出口）、钻井液返出管线（海洋钻井平台亦称高架槽）和钻井液池构成。

钻井现场普遍应用的溢流检测方法是钻井液池液位检测方法，该方法通过观察或测量钻井液池内液面高度变化来估计钻井液总量增减，判断是否有地层流体侵入。但该方法有以下问题，一是在较小溢流量时，因钻井液池底面积较大，液面高度变化不明显。二是侵入的流体需流经返出管线后到钻井池积累，体积积累效应导致报警延迟。另外为保证钻井液在池内不发生沉淀，需应用搅拌器，搅拌器旋转导致池内液面波动，严重影响测量精度和溢流预警时间。

另一种精度较高的溢流检测方法是流量差法，该方法分别测量泵入井内和返出的钻井液流量，并依据其差值判断溢流或井漏，泵入井内的钻井液流量可以通过泵冲计数器较精确的获得，但在井口处测量返出流量却非常困难，原因是喇叭管返出口存在自由液面（非有压管路）和方钻杆旋转等因素影响，该方法无法在常规钻机上普及，仅有少数具备全封闭钻井液循环系统的钻机（如控压钻井系统）才能实现流量差法溢流检测。

常规钻机喇叭管内直接测量钻井液返出流量的难点：

一、应用接触式流量测量仪器（如涡轮流量计）

应用该类型流量计需要下至喇叭管内，与环空的钻井液直接接触测量。问题主要以下两点：

①由于更换钻头、固井、电测等作业时需要起下钻柱，钻柱或钻头很难避免与管内测量仪器发生碰撞。

②因为环空（指方钻杆或钻杆与喇叭管之间的环形空间）中钻井液存在自由液面、方钻杆或钻杆（顶驱时为钻杆）高速旋转、喇叭管存在横向返出口等因素影响，导致钻井液在喇叭管内产生带有横向开窗的环空螺旋流，速度为周向和轴向速度的耦合，流动规律及其复杂。我们期望能得到的轴向平均速度而精确计算出返出流量，但轴向速度仅仅是环空螺旋流速度的一个分量，目前任何接触式测量仪器测量的均是耦合速度，还无法直接测量轴向速度。

二、非接触式流量测量仪器

目前常用于钻井工业的非接触式流量测量仪器有以下三大类：

①电磁流量计：目前该类流量计还无法测量喇叭管内的环空螺旋流流量，这是其工作原理所决定的，其原理是流体流动过程中切割磁感线产生电信号，转换为流量信息。但由于喇叭管内的方钻杆（或钻杆）内钻井液竖直向下流动，环空返出的钻井液为螺旋流向上流动，也就是说喇叭管内同时存在同时向上和向下流动的流体，其切割磁场产生的电信号混乱，无法识别。

②超声波多普勒流量计：超声波多普勒流量原理是测量发射和遇到固体颗粒反射的超声波频率差，这个频率差是流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移，正比于流体流速，进而换算可以得到流体的流量。该类流量计无法测量喇叭管内钻井液返出流量的原因是方钻杆或钻杆旋转导致钻井液内的固相颗粒周向运动速度远高于轴向运动速度，所以该流量计测量出的固相颗粒流速并非我们期望得到的轴向流速，换算出的结果也并不是真实返出流量。

②液位传感器（光学，超声波）：一是防碰问题依然很难克服，另外因方钻杆高速旋转导致的自由液面波动问题给喇叭管内测量带来了非常大的困难，旋转导致喇叭管内钻井液液面呈现凹状，凹陷深度随方钻杆转数增加而加深，这就导致光学或超声波液位传感器无法准确识别液面变化是由溢流引起还是方钻杆旋转引起。

三、发明内容：

本发明的一个目的是提供一种L型连通管钻井液返出流量测量装置，本发明的另一个目的是提供这种L型连通管钻井液返出流量测量装置的测量方法，它用于解决现有钻井液返出流量无法在井口位置实现精确测量的问题，在常规钻机上实现流量差法溢流快速识别。