一種深海鉆井隔水管內(nèi)泥漿流速非介入式超聲波檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種泥漿流速檢測(cè)方法，具體涉及一種深海鉆井隔水管內(nèi)泥漿流速非 介入式超聲波檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 早期溢流監(jiān)測(cè)作為防止井噴事故的一種重要手段，在石油鉆井過程中具有極其重 要的作用。傳統(tǒng)的早期溢流檢測(cè)方法主要有泥漿池增量法，出口流量計(jì)法以及聲波法三種。 其中，泥漿池增量法和出口流量計(jì)法實(shí)際原理是一致的，都是通過出口泥漿的增量變化來 進(jìn)行判斷。由于地層流體與鉆井液壓力不平衡導(dǎo)致包含大量天然氣的地層流體侵入鉆井 液，并急速膨脹上涌形成了溢流現(xiàn)象，如果不能及時(shí)控制則可能導(dǎo)致井涌甚至是井噴事故。 從原理上可知，在溢流發(fā)生時(shí)，鉆井環(huán)空管中鉆井液的流速必然會(huì)由于氣體膨脹而發(fā)生變 化，因此鉆井液流速是當(dāng)前早期溢流的重要判定依據(jù)。而聲波法的原理是聲波在不同含氣 量泥漿中的傳播速度不同，通過測(cè)量聲波在整體鉆井液中的傳播速度、時(shí)間以及相位差來 確定氣侵現(xiàn)象的發(fā)生，這種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)的檢測(cè)速度快，通常在1. 5分鐘左右就能確定 氣侵現(xiàn)象的發(fā)生。但是由于聲波在鉆井泥漿中的衰減速度很大，傳感器所能接收到的信號(hào) 一般較弱，同時(shí)容易受到其他因素的干擾，容易產(chǎn)生誤判。
[0003] 由于泥漿對(duì)超聲波衰減非常大，因此對(duì)其流速測(cè)量一般采用介入式方法。例如靶 式流量計(jì)，容積式流量計(jì)等。介入式方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量較準(zhǔn)確，但是安裝時(shí)需要對(duì)管道結(jié)構(gòu) 進(jìn)行改造，可能對(duì)管道結(jié)構(gòu)，性能都將產(chǎn)生較大影響。而用于鉆井工業(yè)的隔水管本身有嚴(yán)格 的工藝要求，因此介入式的流量檢測(cè)方法并不適用于海平面以下的情況。另一方面，非介入 式方法中超聲波流量計(jì)應(yīng)用最為廣泛，但由于泥漿對(duì)超聲波的衰減非常大，因此常規(guī)的超 聲波流量計(jì)方法也不能適用。其他非介入式方法，如壓力差法，放射法等，針對(duì)深海鉆井環(huán) 境，它們都有較難克服的缺陷。對(duì)于壓力差法，由于隔水管內(nèi)還有一鉆桿在不停轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)影 響泥漿的流態(tài)同時(shí)對(duì)管壁壓力造成影響，同時(shí)海底復(fù)雜的壓力環(huán)境也降低了此種方法的測(cè) 量精度。而放射法由于體積大，成本高，安裝在海底有一定危險(xiǎn)性，因此也不能適用。而當(dāng) 前在深海鉆井應(yīng)用中，對(duì)泥漿流速的測(cè)量基本只能在泥漿出口出進(jìn)行，對(duì)泥漿流速變化反 應(yīng)慢，留給氣侵處理的時(shí)間較短。
[0004] 基于以上現(xiàn)況，本算法解決了應(yīng)用于海平面以下的非介入式泥漿流速測(cè)量，能夠 更快更及時(shí)地反應(yīng)隔水管內(nèi)泥漿流速變化，為早期氣侵及溢流檢測(cè)提供及時(shí)的判定依據(jù)。 這將對(duì)深海鉆井過程中的安全生產(chǎn)有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠更快更及時(shí)地反應(yīng)隔水管內(nèi)泥漿流 速變化，為早期氣侵及溢流檢測(cè)提供及時(shí)的判定依據(jù)的深海鉆井隔水管內(nèi)泥漿流速非介入 式超聲波檢測(cè)方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種深海鉆井隔水管內(nèi)泥漿流速非 介入式超聲波檢測(cè)方法，包括以下步驟：
[0007] 1)將發(fā)射傳感器緊貼隔水管管壁，發(fā)射傳感器沿與隔水管內(nèi)泥漿流速一致或相反 的方向發(fā)射超聲波，將接收傳感器垂直于隔水管的管壁方向安裝于超聲波傳播方向路徑上 幅度最大點(diǎn)；
[0008] 2)對(duì)采集到的發(fā)射傳感器的實(shí)際工作信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的濾波、放大處理后獲得發(fā)射 傳感器的實(shí)際工作信號(hào)頻率，采集接收傳感器的回波信號(hào)，并對(duì)采集到的接收傳感器的回 波信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的濾波、放大處理后獲得回波信號(hào)，回波信號(hào)中含有因多譜勒效應(yīng)而產(chǎn)生 的頻移信息；
[0009] 3)將實(shí)際工作信號(hào)頻率與回波信號(hào)中的頻移信息進(jìn)行差頻運(yùn)算得到差頻信號(hào)，計(jì) 算差頻ig號(hào)頻率；
[0010] 4)根據(jù)隔水管中泥漿流速范圍以及隔水管中泥漿流速分布規(guī)律與多普勒頻移理 論，計(jì)算出理論差頻信號(hào)頻率最大值，舍去差頻信號(hào)頻率大于理論差頻信號(hào)頻率最大值的 差頻ig號(hào)；
[0011] 5)對(duì)步驟4)中剩余的差頻信號(hào)采用DFT或FFT進(jìn)行時(shí)頻變換獲得幅度-頻率或 功率-頻率的頻域信息；
[0012] 6)在獲得的幅度-頻率或功率-頻率頻域彳目息中，去除幅度值小于最大幅度值的 2%或功率值小于最大功率值的2%的差頻信號(hào)，對(duì)剩余的的差頻信號(hào)進(jìn)行加權(quán)積分，得到 頻差結(jié)果；
[0013] 7)采用一模擬管道模擬深海鉆井隔水管，使泥漿流過管道，通過改變變頻器頻率 控制泥漿栗，進(jìn)而控制模擬管道中的泥漿流速，采用步驟1)~6)對(duì)模擬管道中的泥漿流速 進(jìn)行N次檢測(cè)獲得頻差結(jié)果，在每次檢測(cè)中，采用計(jì)量裝置得到模擬管道中的泥漿流速測(cè) 量值，將N次檢測(cè)得到的頻差結(jié)果與采用計(jì)量裝置得到的泥漿流速測(cè)量值使用最小二乘法 進(jìn)行擬合及修訂，獲得泥漿流速與頻差結(jié)果的關(guān)系曲線；
[0014] 8)采用步驟1)~6)獲得超聲波通過鉆井隔水管的頻差結(jié)果，根據(jù)步驟7)中獲得 的泥漿流速與頻差結(jié)果的關(guān)系曲線表達(dá)式計(jì)算鉆井隔水管內(nèi)的泥漿流速。
[0015] 所述步驟1)中發(fā)射傳感器與隔水管管壁間的夾角角度范圍為π /18~4 π /9。
[0016] 所述步驟1)中發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波頻率范圍為40KHz~200KHZ。
[0017] 所述步驟3)中，差頻信號(hào)頻率的計(jì)算公式如下：
[0018] Δ fs= f ^f2s;
[0019] 式中，匕為實(shí)際工作信號(hào)頻率，S為正整數(shù)，f2S為回波信號(hào)中的第S個(gè)頻移信息， A fs為第S個(gè)差頻信號(hào)頻率。
[0020] 所述步驟4)中，理論差頻信號(hào)頻率最大值Δ f_的計(jì)算公式如下：
[0021] Afnax= 2u ^f1Zc1 ；
[0022] 式中，△ f_為理論差頻信號(hào)頻率最大值，u _為隔水管中泥漿流速最大值，f i為實(shí) 際工作信號(hào)頻率，(^為超聲波在聲楔結(jié)構(gòu)中傳播的速度。
[0023] 所述步驟6)中，頻差結(jié)果計(jì)算公式如下：
[0024] f = W(Af0) X Af^ff(Af1) X Af^ff(Af2) X Af2+-+W(Afs) X Δ fs；
[0025] 式中，f為頻差結(jié)果，S為正整數(shù)，Afs為第S個(gè)差頻信號(hào)頻率，W(Af s)為第S個(gè) 差頻信號(hào)頻率的權(quán)重系數(shù)，W(Afs)的確定公式如下： υ?Ν 丄 υυιο? 丄丄 ? J o/ o
[0026]
[0027] ScKx=AfsMfnax;
[0028] 其中，Δ f_為理論差頻{目號(hào)頻率最大值。
[0029] 所述步驟7)中，泥漿流速與頻差結(jié)果的關(guān)系曲線由以下步驟獲?。?br>[0030] (I)N次檢測(cè)中，在泥漿實(shí)際流速為[0, V1, v2，... vM]的離散區(qū)間上采用計(jì) 量裝置測(cè)得的模擬管道中的泥漿流速測(cè)量值為{vn(m) 11彡η彡N，1彡m彡M}，采用 步驟1)到步驟6)對(duì)模擬管道中的泥漿流速進(jìn)行N次檢測(cè)獲得的頻差結(jié)果檢測(cè)值為 {F n (m) 11 ^ n ^ N, I ^ m ^ M}；
[0031 ] (2)在第η次檢測(cè)中，以頻差結(jié)果檢測(cè)值Fn (m)為橫坐標(biāo)，泥漿流速測(cè)量值Vn (m)為 縱坐標(biāo)，基于泥漿流速與泥漿流場(chǎng)的非線性關(guān)系分析，使用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合得到 泥漿流速測(cè)量值1〇11)與頻差結(jié)果檢測(cè)值Fn(m)之間的關(guān)系曲線Vn(Fn);
[0032] (3)對(duì)η次實(shí)驗(yàn)得到的η條泥漿流速測(cè)量值Vn(m)與頻差結(jié)果檢測(cè)值F n(m)之間 的關(guān)系曲線Vn(Fn)求平均值，得到泥漿流速與頻差結(jié)果的關(guān)系曲線表達(dá)式如下：
[0033] ν=〇. OOOlf3-0.00 48f2+0. 0939f+0. 0348 ；
[0034] 式中，v為泥衆(zhòng)流速，f為頻差結(jié)果。
[0035] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明由于采用超聲波檢測(cè) 隔水管中泥漿流速，不容易受到其他因素的干擾，且檢測(cè)速度快，可以更及時(shí)地反應(yīng)隔水管 內(nèi)泥漿流速變化，為早期氣侵及溢流檢測(cè)提供及時(shí)的判定依據(jù)。2、本發(fā)明由于采用將發(fā)射 傳感器和接收傳感器設(shè)置在隔水管外面的非介入式超聲波檢測(cè)方法，不需要對(duì)隔水管結(jié)構(gòu) 進(jìn)行改造，因而不會(huì)對(duì)隔水管結(jié)構(gòu)、性能產(chǎn)生影響。3、本發(fā)明由于采用將超聲波的差頻信號(hào) 進(jìn)行加權(quán)積分得到頻移結(jié)果，通過頻移結(jié)果計(jì)算泥漿流速，因而得到的泥漿流速準(zhǔn)確性更 高。綜上所述，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于深海鉆井隔水管內(nèi)泥漿流速檢測(cè)中。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明中超聲波發(fā)射傳感器和超聲波接收傳感器的安裝示意圖；
[0037] 圖2是在模擬管道模擬深海鉆井隔水管中采用本發(fā)明獲得的檢測(cè)頻差結(jié)果分布 以及采用靶式流量計(jì)測(cè)得的檢測(cè)泥漿流速分布，其中9表示采用靶式流量計(jì)測(cè)得的 檢測(cè)泥漿流速，"表示采用本發(fā)明獲得的檢測(cè)頻差結(jié)果；
[0038] 圖3是在模擬管道模擬深海鉆井隔水管中采用本發(fā)明獲得的泥漿流速分布以及 采用靶式流量計(jì)測(cè)得的檢測(cè)泥漿流速分布，其中，"?"表示采用靶式流量計(jì)測(cè)得的檢測(cè) 泥漿流速，表示采用本發(fā)明獲得的泥漿流速。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0040] 本發(fā)明提供一種深海鉆井隔水管內(nèi)泥漿流速非介入式超聲波檢測(cè)方法，包括以下 步驟：
[0041] 1)如圖1所示，將發(fā)射傳感器1以/18~4 31 /9的角度貼緊隔水管2的管壁。 發(fā)射傳感器1沿與隔水管2內(nèi)泥漿流速一致或相反的方向發(fā)射頻率為40KHZ~200KHZ的 超聲波。將接收傳感器3垂直于隔水管2的管壁方向安裝于超聲波傳播方向路徑上幅度最 大點(diǎn)。
[0042] 2)對(duì)采集到的發(fā)射傳感器1的實(shí)際工作信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的濾波、放大等信號(hào)處理后 獲得發(fā)射傳感器1的實(shí)際工作信號(hào)頻率A。在一定的泥漿流速上采集接收傳感器3的回波 信號(hào)，并對(duì)采集到的接收傳感器3的回波信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的濾波、放大等信號(hào)處理后獲得回 波信號(hào)，回波信號(hào)中含有因多譜勒效應(yīng)而產(chǎn)生的頻移信息[f 2(]，