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中石化胜利工程有限公司地质录井公司
摘要：钻井液出入口流量的准确检测是发现以上异常现象的重要手段之一，因此准确实现钻井液出入口流量的检测，对于现场油气钻探的安全施工有着重要的意义。
关键词：钻井液流量；检测；录井；研究方法
引言
在钻井现场，钻井液出口流量是一个重要的参数，根据出口流量的变化能够判断井下异常情况，通常情况下是利用靶式流量计来测量，其测量原理是靠泥浆的冲击使靶体发生位移，带动电阻变化，产生信号变化，反应灵敏，测量结果能够快速反映钻井液出口流量的变化；靶体使用优质不锈钢材料制作，成本低廉、原理简单、不容易损坏。该传感器存在诸多缺点：
1、使用困难，传感器一般是装在架空管线上，需要对架空管线开口，安装人员需要佩戴安全带，进行高处作业；
2、经过长时期使用，传感器会变得不灵活，泥浆在靶体上固结，形成泥饼，影响了测量的精度，导致传感器的输出信号变小，不能反映泥浆流量的真实变化；
3、无法根据实际情况标定传感器，当受到钻井液冲击后，其上升和回落之间的落差较大，只能反映一个相对值，不能计算真实的流量变化。
所以，靶式流量传感器的测量精度不能满足钻井过程中井涌、井漏及其他钻井安全事故监控预报的需求。
1、研究意义
钻井液入口流量采用泥浆泵计算的方法获得，存在误差大、受泥浆泵效率影响大等问题。因此，研制一套钻井液出入口流量实时检测单元，对于准确计算钻井过程中的钻井液体积变化具有重要意义。
在钻井现场，如果采用的流量检测手段不适合，对井漏井涌等异常工况的发生预测不及时，将会造成极为严重的后果。在重庆开县发生过重大的死伤事故，在天然气井钻进时，若处理措施不恰当，还会引起失控着火、爆炸以及地层下陷等事故。为预防各种事故的发生，钻井过程中，录井人员应该做好井控监视工作，及时发现溢流、井漏等征兆，进行快速汇报。需要对钻井液流量进行定量、实时的检测，及时发现各类异常工况，及时进行预警，在根本上防止井喷等事故的发生，以便于钻井工作的顺利实施，提高社会效益。
目前，录井技术逐渐向智能化发展，以电子设施、智能化仪表的自动监测控制代替常规的人工坐岗，能够减少因人工疲倦、失误造成的情况误判、漏报、错报，尤其在情况复杂的地区，凭人工的经验进行施工，容易造成巨大的事故，导致国家财产蒙受巨量的损失。钻井液流量的智能监测、智能预报，不仅提供了可观的数据信息，还可以实时分析相关的参数，进行智能化预报，为钻井工程技术人员的现场施工和后方人员的决策提供了配套的数据。因此研发出一套相应的系统，能够实时监测钻井液的流量，采集各项数据，自动对钻井现场情况提出分析，实现对井涌井漏等复杂工况的预报，具有十分重要的意义。
2、研究方法选择
人们利用超声波来测量流体流量的历史已经接近一百年。最早的是Ruttgen于 1931 年发表的德国专利，写了一种相差法计算流速的超声波流量计。但该专利并没有实际的产品研制成。自 50 年代，美国人提出将时差通过多次循环放大后再进行测量的“鸣环”（sing-around）时差法，弥补了当时电子技术不足，使超声波流量计的产品化迈出关键性一步。1963 年首台工业应用样机由日本的 Tokyo Keiki 公司研制成功，60 年代末期到 70年代早期，人们把兴趣转向了利用声学中的多普勒效应的超声波流量计的理论研究与研制上，从而导致超声多普勒流量计在这一时刻的诞生。进入 80 年代后，由于数字电子技术、数字超声技术、微处理器技术等现代先进技术的发展，落后的模拟超声波流量计技术被逐步取代，超声波流量计的各种测量性能得到了大幅度的提高，使其开始真正进入工业测量领域。进入二十一世纪以后，高速数字信号处理器技术，现代数字信号技术等先进技术在超声波流量计方面的成功应用，再加上使用了友好的人机界面，参数设置等其它辅助功能，使得超声波流量计测量的精确性、稳定性及操作的便利性得到了充分的体现。
超声波多普勒测流量原理以物理学中多普勒效应为基础。当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。在超声波多普勒流量测量过程中，发射器发生一个固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速。进而可以得到流体的流量。
3、研究思路
用一对斜探头夹装于被测管道的外侧。假设流体运动方向和超声波束的夹角是，超声波在被测液体中的速度为，并认为悬浮粒子和流体以相同的速度运动，推导流体流速与多普勒频移之间的关系。当发射探头发射的超声波束在管道的中心轴线上遇到一粒固体散射颗粒，且该粒子正以一定的速度做匀速直线运动，因为发射的超声波束与管轴线有一定的夹角，所以对于超声波发射端换能器来说，该粒子是以匀速离去，那么散射粒子接收到的超声波频率应该低于换能器发射的超声波频率，由多普勒效应原理可以推导出粒子的运动速度。当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与流速成正比，所以测量出频移量就可以得到流体流速，当管道截面积确定后流体流量也就确定了。
一般来说，流体声速与介质成分有关。为了避免影响，超声波多普勒流量计一般采用管外声契结构，使超声波束先通过声契及管壁再进入流体。采用声契结构以后，流量与频移关系式中仅含有声契材料中的声速，而与流体介质中的声速无关。由于固体声速的温度系数至少比流体声速的温度系数小一个数量级，所以该流速方程式基本上不受温度的影响，也就是说，这样多普勒法测量流量基本不受温度的影响。
超声波多普勒流量测量的必要的条件为：被测流体应含一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等介质。这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种流量测量方法适宜于对三相流的测量，这是其它流量计难以解决的问题。
参考文献：
[1]冉昭明.流量检测[M].天津：天津大学出版社.1990.
[2]黄维一.测试技术——理论与应用[M].北京：国防工业出版社.1988.
[3]姜建胜.国外钻井液微流量控制系统的开发与应用.石油机械.湖北：2008
摘要：钻井液出入口流量的准确检测是发现以上异常现象的重要手段之一，因此准确实现钻井液出入口流量的检测，对于现场油气钻探的安全施工有着重要的意义。
关键词：钻井液流量；检测；录井；研究方法
引言
在钻井现场，钻井液出口流量是一个重要的参数，根据出口流量的变化能够判断井下异常情况，通常情况下是利用靶式流量计来测量，其测量原理是靠泥浆的冲击使靶体发生位移，带动电阻变化，产生信号变化，反应灵敏，测量结果能够快速反映钻井液出口流量的变化；靶体使用优质不锈钢材料制作，成本低廉、原理简单、不容易损坏。该传感器存在诸多缺点：
1、使用困难，传感器一般是装在架空管线上，需要对架空管线开口，安装人员需要佩戴安全带，进行高处作业；
2、经过长时期使用，传感器会变得不灵活，泥浆在靶体上固结，形成泥饼，影响了测量的精度，导致传感器的输出信号变小，不能反映泥浆流量的真实变化；
3、无法根据实际情况标定传感器，当受到钻井液冲击后，其上升和回落之间的落差较大，只能反映一个相对值，不能计算真实的流量变化。
所以，靶式流量传感器的测量精度不能满足钻井过程中井涌、井漏及其他钻井安全事故监控预报的需求。
1、研究意义
钻井液入口流量采用泥浆泵计算的方法获得，存在误差大、受泥浆泵效率影响大等问题。因此，研制一套钻井液出入口流量实时检测单元，对于准确计算钻井过程中的钻井液体积变化具有重要意义。
在钻井现场，如果采用的流量检测手段不适合，对井漏井涌等异常工况的发生预测不及时，将会造成极为严重的后果。在重庆开县发生过重大的死伤事故，在天然气井钻进时，若处理措施不恰当，还会引起失控着火、爆炸以及地层下陷等事故。为预防各种事故的发生，钻井过程中，录井人员应该做好井控监视工作，及时发现溢流、井漏等征兆，进行快速汇报。需要对钻井液流量进行定量、实时的检测，及时发现各类异常工况，及时进行预警，在根本上防止井喷等事故的发生，以便于钻井工作的顺利实施，提高社会效益。
目前，录井技术逐渐向智能化发展，以电子设施、智能化仪表的自动监测控制代替常规的人工坐岗，能够减少因人工疲倦、失误造成的情况误判、漏报、错报，尤其在情况复杂的地区，凭人工的经验进行施工，容易造成巨大的事故，导致国家财产蒙受巨量的损失。钻井液流量的智能监测、智能预报，不仅提供了可观的数据信息，还可以实时分析相关的参数，进行智能化预报，为钻井工程技术人员的现场施工和后方人员的决策提供了配套的数据。因此研发出一套相应的系统，能够实时监测钻井液的流量，采集各项数据，自动对钻井现场情况提出分析，实现对井涌井漏等复杂工况的预报，具有十分重要的意义。
2、研究方法选择
人们利用超声波来测量流体流量的历史已经接近一百年。最早的是Ruttgen于 1931 年发表的德国专利，写了一种相差法计算流速的超声波流量计。但该专利并没有实际的产品研制成。自 50 年代，美国人提出将时差通过多次循环放大后再进行测量的“鸣环”（sing-around）时差法，弥补了当时电子技术不足，使超声波流量计的产品化迈出关键性一步。1963 年首台工业应用样机由日本的 Tokyo Keiki 公司研制成功，60 年代末期到 70年代早期，人们把兴趣转向了利用声学中的多普勒效应的超声波流量计的理论研究与研制上，从而导致超声多普勒流量计在这一时刻的诞生。进入 80 年代后，由于数字电子技术、数字超声技术、微处理器技术等现代先进技术的发展，落后的模拟超声波流量计技术被逐步取代，超声波流量计的各种测量性能得到了大幅度的提高，使其开始真正进入工业测量领域。进入二十一世纪以后，高速数字信号处理器技术，现代数字信号技术等先进技术在超声波流量计方面的成功应用，再加上使用了友好的人机界面，参数设置等其它辅助功能，使得超声波流量计测量的精确性、稳定性及操作的便利性得到了充分的体现。
超声波多普勒测流量原理以物理学中多普勒效应为基础。当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。在超声波多普勒流量测量过程中，发射器发生一个固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速。进而可以得到流体的流量。
3、研究思路
用一对斜探头夹装于被测管道的外侧。假设流体运动方向和超声波束的夹角是，超声波在被测液体中的速度为，并认为悬浮粒子和流体以相同的速度运动，推导流体流速与多普勒频移之间的关系。当发射探头发射的超声波束在管道的中心轴线上遇到一粒固体散射颗粒，且该粒子正以一定的速度做匀速直线运动，因为发射的超声波束与管轴线有一定的夹角，所以对于超声波发射端换能器来说，该粒子是以匀速离去，那么散射粒子接收到的超声波频率应该低于换能器发射的超声波频率，由多普勒效应原理可以推导出粒子的运动速度。当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与流速成正比，所以测量出频移量就可以得到流体流速，当管道截面积确定后流体流量也就确定了。
一般来说，流体声速与介质成分有关。为了避免影响，超声波多普勒流量计一般采用管外声契结构，使超声波束先通过声契及管壁再进入流体。采用声契结构以后，流量与频移关系式中仅含有声契材料中的声速，而与流体介质中的声速无关。由于固体声速的温度系数至少比流体声速的温度系数小一个数量级，所以该流速方程式基本上不受温度的影响，也就是说，这样多普勒法测量流量基本不受温度的影响。
超声波多普勒流量测量的必要的条件为：被测流体应含一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等介质。这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种流量测量方法适宜于对三相流的测量，这是其它流量计难以解决的问题。
参考文献：
[1]冉昭明.流量检测[M].天津：天津大学出版社.1990.
[2]黄维一.测试技术——理论与应用[M].北京：国防工业出版社.1988.
[3]姜建胜.国外钻井液微流量控制系统的开发与应用.石油机械.湖北：2008