CN105804724B - 一种石油钻井超声波液位监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油钻井超声波液位监控装置，涉及石油钻井的液位检测设备技术领域；它包括地面控制装置和超声波液位检测仪，地面控制装置包括供电电源、数据采集器、控制器、显示器以及触发器，所述数据采集器、触发器以及显示器均与控制器电性连接；超声波液位检测仪包括多组超声波发射传感器和超声波接收传感器，所述超声波发射传感器和超声波接收传感器均连接至数据采集器上，所述触发器电性连接至数据采集器上，且该触发器还连接至上述的超声波发射传感器和超声波接收传感器上；本发明的有益效果是：本发明通过接收到的不同信号，从时间参数的不同和电压脉冲信号状态进行区分辨识，来判定井下该深度下到底是气体还是泥浆介质，从而可以指导地面上的操作人员进行相应的操作。

Description

一种石油钻井超声波液位监控装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井的液位监控设备，更具体的说，本发明涉及一种石油钻井超声波液位监控装置。

背景技术

在石油、天然气勘探、开采钻井时,为了冷却钻头、实施喷射钻井，以及将井底钻头切削下来的岩削从井底带到地面都要使用钻井泥浆，另外，还可以通过调整钻井泥浆的密度，使井眼环空的泥浆液柱与井下的压力相平衡，这种平衡可以防止可能发生的井喷事故。在起钻过程中，当提起钻具时，井筒液位将下降，其下降高度与起钻钻杆的数量(长度)成正比，而应补充的钻井用泥浆的体积亦与起钻钻杆的体积相当，并通过泥浆灌注装置注入井筒内。

常规的钻井泥浆灌注装置包括主控制机、带搅拌器的泥浆罐及其液位监测器，包括泥浆泵、电动机、电控箱及流量传感器在内的灌注机构，溢流返回机构。其灌注方法是起钻时通过人工计算起出的钻杆数，然后输入主机处理后向灌注机构发出灌注指令及需注入的泥浆体积，经泥浆泵及设于其泵口的流量传感器执行、计量，同时将信息返馈主机以控制其灌注量。

正常情况下,泥浆池流出的泥浆和流入的泥浆保持平衡。如果出现不平衡,将意味着要发生井喷或漏井。当井筒内泥浆液位下降时要及时准确的灌注泥浆，因此实时监控井下钻井液位的深度变化十分必要。

大多数情况下，石油井下的液位监控是凭人工经验进行液位判定识别，并不能做到实时监测液位，既不科学，也不确切。

对泥浆池液面进行测量，现有技术一般是现场采用一种浮子式液面检测器和带刻度的标尺，需要钻井工人进行人工观测、记录和对比，再判断是否出现溢流或井漏。因此，在正常情况下，从泥浆罐中泵到井下的泥浆与从井下返回的泥浆量应基本相等，但是在遇到井漏时，从井下返回的泥浆就会很少或者完全失返，这时泥浆罐中的泥浆液面就会快速下降；或者在遇到井下突然发生的高压而产生井涌时，井下向上的压力就会推动井下环空中的泥浆向上涌，并进入泥浆罐，这时泥浆罐中泥浆液面就会快速的上升；当这两种情况发生时，如果不能及时发现并采取灌注泥浆堵漏或者加重泥浆实施压井，就会造成严重的事故。为了及时了解泥浆罐中液面的高低，目前基本方法是在钻达预定层位时安排人员随时检测泥浆罐中的液面，还在泥浆罐上配备有液位显示器，显示器的另一端由软绳连接一个浮子，当液面处于设定的高度时，刚好将浮子浮起，显示器上的读数也在设定的位置，当液位下降或者超过设定的高度时，显示器就会被浮子拉着向下或者向上显示出危险的液位；还有的采用声波或者光对液面进行液面高低进行测试，测出超过液位的上、下限位时就会报警。目前这些装置的问题是:前者由软绳连接，因此测量的液位不准确，有时还会发生误报；后者虽然采用了现代技术，但是所有的装置都是电子产品，在钻井现场的恶劣环境中使用很容易被损坏，特别是对泥浆罐进行清洗时，不可避免的会对这些电子产品带来损坏，而且维护费用也很贵，维修也必须要专业技术人员才能完成。

另外泥浆罐体积大，发生井涌或井漏后，泥浆罐液位变化缓慢，不能灵敏地监控井涌和井漏事故。 因此，需要一种快速、灵敏监控泥浆的系统。

对于井筒内的泥浆液位，国内目前没有成熟可靠的技术进行准确实时的监控，更无法直接利用超声波原理进行井下液位检测，尤其不能做到非接触式的应用。国外利用超声波对液态介质的研究也有。但是由于钻井液（泥浆），尤其是油基泥浆对超声波的散射和吸收特性，即便是短距离传递超声波信号都非常困难。

发明内容

本发明的目的在于有效克服上述技术的不足，提供一种石油钻井超声波液位监控装置，该装置利用超声波在不同介质下具有不同的传播速度的特性以及气体、液体、固体介质不同的穿透特性，对井筒内液位进行实时监测。

本发明的技术方案是这样实现的：它包括地面控制装置和超声波液位检测仪，其原理及实施方案在于：

所述地面控制装置包括供电电源、数据采集器、控制器、显示器以及触发器，所述数据采集器、触发器以及显示器均与控制器电性连接；

所述超声波液位检测仪包括多组超声波发射传感器和超声波接收传感器，所述超声波发射传感器和超声波接收传感器均连接至数据采集器上，所述触发器电性连接至数据采集器上，且该触发器还连接至上述的超声波发射传感器和超声波接收传感器上。超声波液位检测仪是跟随内套管下井的，其下钻深度即为所需监控、检测点液位（或气体）深度，因此是对

钻井液位的实时监测。

所述供电电源与所述的数据采集器、触发器、超声波发射传感器、超声波接收传感器均电性连接，用于提供所需的电能。

优选地，所述超声波液位检测仪的上端连接于内套管上，下端连接于接箍上，且接箍的下端则与另一节内套管相连接。

优选地，所述超声波液位检测仪还包括支撑座套和超声波发射接收集成电路板，所述超声波发射传感器和超声波接收传感器相对的设置于支撑套座的两侧，支撑套座具有与内套管相连通的异形槽，所述超声波发射传感器和超声波接收传感器均电性连接在超声波发射接收集成电路板上。

上述的结构中，所述超声波液位检测仪上连接有钢管电缆，钢管电缆的另一端连接至供电电源和数据采集器上。

上述的结构中，所述的内套管的外表面上安装有电缆卡箍和电缆保护器，所述电缆卡箍用于紧固上述的钢管电缆，电缆保护器对电缆起来保护作用。

上述的结构中，所述超声波液位检测仪还包括有备用超声波发射传感器和备用超声波接收传感器。

本发明的有益效果在于：本发明的石油钻井超声波液位监控装置是利用超声波在不同介质下具有不同的传播速度的特性以及气体、液体、固体介质不同的穿透特性，对石油井下钻井液（俗称泥浆）液位进行监测，通过和石油内套管的螺纹连接，将超声波液位检测仪下至需要监测的井深，通过对地面控制信号，触发仪器中的超声波发射传感器，发出超声波信号，而在仪器的另一侧，设置同样频率的超声波接收传感器，接收相应的超声波信号；通过接收到的不同信号，从时间参数的不同和电压脉冲信号状态进行区分辨识，来判定井下该深度下到底是气体还是泥浆介质，从而可以指导地面上的操作人员进行相应的操作；根据设计井深、套管等因素，在地面以下十到五十米和两百到五百米分别设置两组超声波传感器，在起钻过程中，当检测到上下两组超声波传感器所处位置套管内均为气体时，则开始向管柱内灌注泥浆，当灌注时间超过一定时间，上部超声波传感器仍然不能检测到套管内的泥浆，说明出现井漏，可及时报警堵漏；当上部超声波传感器检测到套管内的泥浆时，则停止灌注；整个过程借助计算机实现自动控制。

【附图说明】

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的具体实施例图；

图3为本发明的原理图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

参照图1所示，本发明揭示的石油钻井超声波液位监控装置，该装置用于判定井下特定深度到底是气体还是泥浆介质，从而可以指导地面上的操作人员进行相应的操作。

具体的，参照图1至图3所示，本发明的石油钻进超声波液位检测装置包括地面控制装置和超声波液位检测仪，其中，地面控制装置包括供电电源10、数据采集器20、控制器30、显示器40以及触发器50，数据采集器20、触发器50以及显示器40均与控制器30电性连接；超声波液位检测仪90包括多组超声波发射传感器60和超声波接收传感器70，所述超声波发射传感器60和超声波接收传感器70均连接至数据采集器20上，所述触发器50电性连接至数据采集器20上，且该触发器50还连接至上述的超声波发射传感器60和超声波接收传感器70上，结合图2所示，超声波液位检测仪90上连接有钢管电缆901，钢管电缆901的另一端连接至供电电源10和数据采集器20上。供电电源10与所述的数据采集器20、触发器50、超声波发射传感器60、超声波接收传感器70均电性连接，用于提供所需的电能。超声波液位检测仪90还包括有备用超声波发射传感器和备用超声波接收传感器。

结合图2所示，即为本发明的一具体实施例，在本实施例中，超声波液位检测仪90的上端连接于内套管902上，下端连接于接箍903上，且接箍903的下端则与另一节内套管902相连接，通过这种方式将多个超声波液位检测仪90连接起来。超声波液位检测仪90还包括支撑座套和超声波发射接收集成电路板（图中未标示），超声波发射传感器60和超声波接收传感器70相对的设置于支撑套座的两侧，支撑套座具有与内套管相连通的异形槽，所述超声波发射传感器60和超声波接收传感器70均电性连接在超声波发射接收集成电路板上；内套管902的外表面上安装有电缆卡箍904和电缆保护器905，所述电缆卡箍904用于紧固上述的钢管电缆901，电缆保护器905对电缆起来保护作用。

下面结合图3所示，我们对本发明的石油钻井超声波液位监控装置的工作过程及原理进行详细的描述，根据声波的斯奈尔定律：超声波斜入射到界面时，其产生的反射波、折射波和入射波的角度之间存在下列关系（反射折射定律）：sinα/ C₁=sinβ/C₂。其中α为第一种介质的入射角，β为第二种介质的折射角。C₁为第一种介质的传播速率，C₂为第二种介质的传播速率。

根据附图3中的井下超声波液位检测的原理，我们可以确定的是超声波发射的入射角α，而C₁为超声波在金属套管材质中的横波传播速率；C₂为超声波在泥浆（或空气）中的传播速率。以上参数都可以确定，因此我们可以计算出β值，即超声波经过钢质套管折射后进入泥浆（或空气）介质的折射角。

路径1，超声波发射传感器至超声波接收传感器1，为套管内无钻杆有泥浆超声波的传递情形。

路径2，超声波发射传感器至超声波接收传感器2，为套管内有钻杆有泥浆的情形。

当套管内无泥浆时，由于高频超声波在空气中的迅速衰减，超声波接收传感器1和接收传感器2都接收不到信号。

利用超声波的在不同介质下具有不同的传播速度的特性以及气体、液体、固体介质不同的穿透特性，可以进行对石油井下钻井液和空气介质进行判定，从而对特定监控点是否为泥浆液位还是空气介质进行判定，从而达到液位监控的目的。本发明通过接收到的不同信号，从时间参数的不同和电压脉冲信号状态进行区分辨识，来判定井下该深度下到底是气体还是泥浆介质，从而可以指导地面上的操作人员进行相应的操作。

以上所描述的仅为本发明的较佳实施例，上述具体实施例不是对本发明的限制。在本发明的技术思想范畴内，可以出现各种变形及修改，凡本领域的普通技术人员根据以上描述所做的润饰、修改或等同替换，均属于本发明所保护的范围。

Claims (3)

1.一种石油钻井超声波液位监控装置，它包括地面控制装置和超声波液位检测仪，其特征在于：所述地面控制装置包括供电电源、数据采集器、控制器、显示器以及触发器，所述数据采集器、触发器以及显示器均与控制器电性连接；

所述超声波液位检测仪包括多组超声波发射传感器和超声波接收传感器，所述超声波发射传感器和超声波接收传感器均连接至数据采集器上，所述触发器电性连接至数据采集器上，且该触发器还连接至上述的超声波发射传感器和超声波接收传感器上；

所述供电电源与所述的数据采集器、触发器、超声波发射传感器、超声波接收传感器均电性连接，用于提供所需的电能；

所述超声波液位检测仪的上端连接于内套管上，下端连接于接箍上，且接箍的下端则与另一节内套管相连接；所述超声波液位检测仪还包括支撑座套和超声波发射接收集成电路板，所述超声波发射传感器和超声波接收传感器相对的设置于支撑套座的两侧，支撑套座具有与内套管相连通的异形槽，所述超声波发射传感器和超声波接收传感器均电性连接在超声波发射接收集成电路板上；

所述超声波液位检测仪上连接有钢管电缆，钢管电缆的另一端连接至供电电源和数据采集器上。

2.根据权利要求1所述的一种石油钻井超声波液位监控装置，其特征在于：所述的内套管的外表面上安装有电缆卡箍和电缆保护器，所述电缆卡箍用于紧固上述的钢管电缆，电缆保护器对电缆起来保护作用。

3.根据权利要求1所述的一种石油钻井超声波液位监控装置，其特征在于：所述超声波液位检测仪还包括有备用超声波发射传感器和备用超声波接收传感器。