[实用新型]超声波测量海底隔水管与钻柱间环空瞬时流量的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及深水钻井监测设备及方法，特别是关于一种测量海底隔水管与钻柱之间环空瞬时流量的装置。

背景技术

在海洋深水钻井过程中，海底隔水管的工作环境恶劣(深水、高压等)，因此对隔水管的力学性能要求很高，成本很大。隔水管内部设置有钻柱，但是现在还没有隔水管与钻柱之间环空瞬时流量的测量方法及装置。

目前，仅有利用靶式流量计来测量钻井液出口流量。测量原理是依靠出口钻井液的冲力使靶体位置发生变化，依靠传感器传递信号来测量流量的大小，变化反应比较灵敏，测量结果基本上能够反映钻井液出口流量的异常变化，但是，传感器在现场应用存在许多缺点：

1)安装条件要求严格，即传感器必须装在钻井液出口高架槽上，高架槽的直径和坡度需满足靶体在静止时能够垂直或接近垂直状态；

2)本体长时间使用会造成活动不灵活、测量范围缩小，即在长时间的录井过程中，钻井液会逐渐干结成泥饼，堆积在靶体活动轴附近，使其活动范围受到限制或者不灵活，导致其输出信号范围变小或者不能真实反映钻井液流量的变化；

3)现场环境对该传感器的影响较大，长时间使用会造成可变电阻容易损坏，易出现接触不良现象，并且可变电阻长期在潮湿环境下使用易产生阻值误差；

4)由于靶体的重量选择不合适，当受到钻井液冲击后，其上升和回落之间的落差较大，致使输出信号变化范围大，测量结果不够准确；

5)测量结果滞后，不利于提前发现井涌。

发明内容

本实用新型为了克服传统出口流量测量装置的不足，目的是提供一种采用超声波实时测量出泥线处隔水管与钻柱间环空瞬时流量的装置，及时判断井下井涌情况，提高深水钻井井控安全性。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：超声波测量海底隔水管与钻柱间环空瞬时流量的装置，其特征在于：它包括超声波传感器、信号收发模块、接口电路、测控器以及上位机；超声波传感器中包括超声波发射传感器和超声波接收传感器，并排夹装在隔水管外壁上，所述超声波传感器通过信号收发模块与接口电路相连；所述测控器一端与接口电路相连，另一端与所述上位机相连；所述测控器电路中包含有依次按输入输出顺序连接的放大电路、滤波电路、自动增益控制电路、模数转换器、电压转换电路、DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器的输出端顺序连接数模转换电路、电压调整电路；还包含有相关外围电路、通信接口。

包含有超声波发射传感器和超声波接收传感器的所述超声波传感为一对。

包含有超声波发射传感器和超声波接收传感器的所述超声波传感为三对，按照120°相位布置在隔水管外且位于同一横截面上。

所述超声波传感器中心频率为640kHz。

所述相关外围电路中包含有FLASH连接电路、RESET电路。

所述接口电路中芯片型号为HEADER7x 2，放大电路中芯片型号为NE5534，滤波电路中芯片型号为MX275，自动增益控制电路中芯片型号为VCA80，模数转换器中芯片型号为TT16KK81、ADS802U，数模转换电路中芯片型号为DAC7512，电压转换电路中芯片型号为SN74LVc245A/SN74LVC4245A，电压调整电路中芯片型号选为LM258，RESET电路中芯片型号为CAT811S，FLASH连接电路中芯片型号为S29AL016D。

所述信号收发模块中有收发电路。

所述装置利用多普勒效应完成超声波信号检测及超声波收发控制，计算出海底隔水管与钻柱之间环空瞬时流体速度为：

V=Ac2f1cosαΔf,]]>

其中：A——隔水管与钻柱之间的环空的截面积，m²；

c——超声波在钻井液中的传播速度，m/s；

f₁——超声波传感器发射的超声波的初始频率，Hz；

α——发射出的超声波束与垂直于流体运动速度方向的夹角，°；

Δf——发射的超声波与接收超声波之间的频率差，Hz。