气体钻井过程中,钻头工作产生的岩屑需要通过循环介质携带到地面,经排砂管线进入岩屑池内,井底岩屑能否及时有效地返出,关系着钻井的安全和效率。目前,常用的判断岩屑返出是否正常的方法有:排砂管出口人工观察法、注气压力变化分析法和岩屑对排砂管的作用力监测分析法等,这几种方法虽然对监测岩屑返出情况起到了一定作用,但是在实时监测方面具有一定的局限性,不能及时有效地发现岩屑返出变化。为解决上述难题,本文设计了一套气体钻井岩屑监测系统,本系统通过微波固体流量计直接监测返出岩屑量,并与钻头单位进尺产生的岩屑量进行对比,进而能够判断岩屑返出是否正常,为气体钻井安全钻进提供预警信息,避免井下事故的发生,实现安全钻井生产。本文的重点是对微波固体流量计的信号进行分析研究,旨在通过对信号的分析处理,从中得出岩屑颗粒的质量流量。本文首先对比分析了现有的判断岩屑返出的各种方法存在的各种不足,设计了一套气体钻井岩屑监测系统;其次,分析了气体钻井过程中,岩屑颗粒从井底直至排出到岩屑池过程中的岩屑破碎机理、岩屑运移机理、岩屑受力情况以及岩屑颗粒在气体介质中运动时的特征参数;然后从理论上证明了岩屑颗粒的速度与多普勒频率成线性关系,岩屑颗粒的多普勒回波功率与岩屑颗粒质量的平方成线性关系;推导出了依据速度和浓度求解岩屑质量流量的表达式;通过合理的假设和近似,推导出了多普勒回波信号的表达式,并证明了多普勒回波信号为一广义平稳信号,满足功率谱的条件,并在计算机上模拟出了多普勒回波信号;最后,通过对多普勒回波信号做功率谱估计,从功率谱密度中同时提取出信号的平均频率和功率,再根据岩屑颗粒的速度和多普勒频率的关系以及岩屑颗粒质量的平方与多普勒回波功率的关系最终求得岩屑颗粒的质量流量。