一種新型井涌報(bào)警裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型井涌報(bào)警裝置及方法，該裝置包括底座(1)、轉(zhuǎn)軸(2)、連桿(4)、靶板(5)、計(jì)算單元與報(bào)警單元；所述的底座設(shè)置在管道的泥漿流出口處；底座具有一個(gè)底板和兩個(gè)側(cè)板(3)；兩個(gè)側(cè)板垂直與底板固定在底板的相對(duì)兩側(cè)；且沿著泥漿流動(dòng)方向設(shè)置；轉(zhuǎn)軸設(shè)置在2塊側(cè)板上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；連桿的一端固定在轉(zhuǎn)軸上，連桿的另一端固定有所述的靶板；連桿處于豎直位置時(shí)，靶板與泥漿流動(dòng)方向垂直；轉(zhuǎn)軸上設(shè)有扭矩傳感器；扭矩傳感器與計(jì)算單元相連；計(jì)算單元與報(bào)警單元相連；在計(jì)算單元中計(jì)算流速值并啟動(dòng)報(bào)警單元實(shí)施報(bào)警。該新型井涌報(bào)警裝置及方法易于實(shí)施，且能有效地避免井涌的發(fā)生，保障鉆井過程中的人身和財(cái)產(chǎn)安全。
【專利說明】一種新型井涌報(bào)警裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型井涌報(bào)警裝置及方法，適用于一般情況下的井涌報(bào)警，特別適用于非滿管狀態(tài)下的專用井涌報(bào)警。

【背景技術(shù)】
[0002]在鉆井過程中(鉆進(jìn)、固井、測試或修井等各種井下作業(yè))，井內(nèi)流體層壓力大于鉆井液或洗井液柱靜壓力時(shí)，含流體層中的流體或氣體將侵人井筒內(nèi)，積累至一定量后，隨井筒內(nèi)液體循環(huán)至井口，在井口形成沸騰狀，這種現(xiàn)象稱為井涌。而井涌往往是井噴的先兆，因此，對(duì)此種現(xiàn)象必須要預(yù)先檢測，避免事故的發(fā)生。
[0003]現(xiàn)行監(jiān)測鉆井作業(yè)過程中判斷是否發(fā)生井涌的方法主要為體積守恒法，即灌入油井中泥漿的體積與從油井中抽出的泥漿體積在一定范圍內(nèi)是否相等。若抽出的泥漿體積大于灌入的泥漿體積，則可認(rèn)為發(fā)生了井涌；若小于，則可視作發(fā)生了井漏。
[0004]在檢測過程中，現(xiàn)行檢測須要求檢測對(duì)象須處于滿管狀態(tài)，以定值估算泥漿在管內(nèi)的體積量。若在非滿管狀況下，則現(xiàn)有設(shè)備不能很好地檢測出井涌故障。。
[0005]因此，有必要設(shè)計(jì)一種新型井涌報(bào)警裝置及方法，尤其是針對(duì)非滿管狀態(tài)下的井涌報(bào)警的裝置和方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種新型井涌報(bào)警裝置及方法，該新型井涌報(bào)警裝置及方法易于實(shí)施，且能有效地避免井涌的發(fā)生，保障鉆井過程中的人身和財(cái)產(chǎn)安全。
[0007]發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0008]一種新型井涌報(bào)警裝置，包括底座(I)、轉(zhuǎn)軸(2)、連桿(4)、靶板(5)、計(jì)算單元與報(bào)警單元；
[0009]所述的底座設(shè)置在管道的泥漿流出口處；底座具有一個(gè)底板和兩個(gè)側(cè)板(3)；
[0010]兩個(gè)側(cè)板垂直與底板固定在底板的相對(duì)兩側(cè)；且沿著泥漿流動(dòng)方向設(shè)置；
[0011 ] 轉(zhuǎn)軸設(shè)置在2塊側(cè)板上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；
[0012]連桿的一端固定在轉(zhuǎn)軸上，連桿的另一端固定有所述的靶板；連桿處于豎直位置時(shí)，靶板與泥漿流動(dòng)方向垂直；
[0013]轉(zhuǎn)軸上設(shè)有扭矩傳感器；
[0014]扭矩傳感器與計(jì)算單元相連；
[0015]計(jì)算單元與報(bào)警單元相連；
[0016]在計(jì)算單元中執(zhí)行以下計(jì)算和處理:
[0017](I)當(dāng)連桿處于豎直位置且靶板浸沒于泥漿中時(shí)，計(jì)算單元由讀取扭矩傳感器檢測到的力矩值M ;根據(jù)下式計(jì)算得到泥漿液對(duì)靶板所造成的沖力F:
[0018]F = M/L，L是連桿長度；
[0019](2)計(jì)算單元再由下式計(jì)算得到泥漿的流速V:
[0020]Y=sj^jy其中，Cd為流體阻力系數(shù)，A為靶板處于水平位置時(shí)在水平面的投影面積，P為泥漿的密度；
[0021](3)當(dāng)流速V大于第一預(yù)設(shè)閾值時(shí)，或單位時(shí)間內(nèi)流速變化值Λν大于第二預(yù)設(shè)閾值時(shí)，計(jì)算單元啟動(dòng)報(bào)警單元實(shí)施報(bào)警。
[0022]在靶板上設(shè)有一個(gè)電叉；電叉與電流檢測回路的一端相連，電流檢測回路的另一端與流動(dòng)的泥漿液相連；以流動(dòng)的泥漿液作為導(dǎo)體；電流檢測回路中設(shè)有電流表；
[0023]在連桿的旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)電流表的讀數(shù)發(fā)生跳變，即表示電叉接觸到的泥漿液或電叉從泥漿液中離開，記錄此時(shí)角度傳感器檢測出連桿與水平方向所稱的角度α，則液位高度為h = H-L-sin α ;其中H為轉(zhuǎn)軸與底座的上表面的高度，L為連桿C的長度與靶板的長度之和。
[0024]連桿上還設(shè)有用于檢測連桿角度的角度傳感器，靶板上設(shè)有一個(gè)泥漿勺；連桿處于水平位置時(shí)，泥漿勺的開口朝上；
[0025]在計(jì)算單元中執(zhí)行以下計(jì)算和處理:
[0026](I)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)連桿上的泥漿勺從流動(dòng)中的泥漿液中舀出一勺泥漿，并且連桿繼續(xù)上升達(dá)到與水平方向平行時(shí)，計(jì)算此時(shí)泥漿勺中泥漿液的質(zhì)量m【計(jì)算原理為:由M=F*L即有M = mg*L,則質(zhì)量m = M/gL,其中的一種具體的計(jì)算方法為:在連桿均處于水平方向時(shí)，泥漿勺中沒有泥漿時(shí)測量一次轉(zhuǎn)矩，泥漿勺中有泥漿時(shí)再測量一次轉(zhuǎn)矩，兩次測得的轉(zhuǎn)矩值之差即AM是由泥漿勺中泥漿的重量造成的，則泥漿的質(zhì)量m= ΛΜ/gL】，泥漿勺


_ m
的容積V已知，則由下式計(jì)算得到泥漿液的比重值P= y
[0027](2)當(dāng)泥漿液的比重值大于第三預(yù)設(shè)閾值時(shí)，或單位時(shí)間內(nèi)比重變化值大于第四預(yù)設(shè)閾值時(shí)，計(jì)算單元啟動(dòng)報(bào)警單元實(shí)施報(bào)警。
[0028]一種新型井涌報(bào)警方法，采用前述的新型井涌報(bào)警裝置；包括以下步驟:
[0029]步驟1:計(jì)算沖力F:
[0030]當(dāng)連桿處于豎直位置且靶板浸沒于泥漿中時(shí)，計(jì)算單元由讀取扭矩傳感器檢測到的力矩值M ;根據(jù)下式計(jì)算得到泥漿液對(duì)靶板所造成的沖力F:
[0031]F = M/L，L是連桿長度；
[0032]步驟2:計(jì)算流速V
[0033]計(jì)算單元再由下式計(jì)算得到泥漿的流速V:
[0034]V=其中，Cd為流體阻力系數(shù)，A為靶板處于水平位置時(shí)在水平面的投影面積，P為泥漿的密度；
[0035]步驟3:報(bào)警步驟:
[0036]當(dāng)流速V大于第一預(yù)設(shè)閾值時(shí)，或單位時(shí)間內(nèi)流速變化值Λ V大于第二預(yù)設(shè)閾值時(shí)，計(jì)算單元啟動(dòng)報(bào)警單元實(shí)施報(bào)警。
[0037]單位時(shí)間是指預(yù)設(shè)的時(shí)間，比如30秒-10分鐘，優(yōu)選為I分鐘。
[0038]有益效果:
[0039]本發(fā)明是針對(duì)鉆井過程中(鉆進(jìn)、固井、測試或修井等各種井下作業(yè))泥漿、水泥或其他工作液漏失到地層中并且在非滿管狀態(tài)下常規(guī)儀器不能測量的狀況下，設(shè)計(jì)的一種可在非滿管狀態(tài)進(jìn)行井涌測量報(bào)警的裝置【當(dāng)然在滿管狀態(tài)下該儀器也可以正常使用】。當(dāng)介質(zhì)在測量管中流動(dòng)時(shí)，因其自身的動(dòng)能與靶板產(chǎn)生壓差，而產(chǎn)生對(duì)靶板的作用力，其作用力和流速成正相關(guān)；從而判斷出井內(nèi)狀態(tài)，從而更為精準(zhǔn)的宏觀檢測出是否發(fā)生井涌狀態(tài)。
[0040]本發(fā)明的新型井涌報(bào)警裝置及方法，巧妙的設(shè)計(jì)了基于底座、轉(zhuǎn)軸、連桿和靶板的檢測構(gòu)架，再通過設(shè)置一系列傳感裝置完成流速的自動(dòng)測量，進(jìn)而在流速過大時(shí)發(fā)出井涌報(bào)警，從而減小了事故發(fā)生幾率的，保證了鉆探工作的安全性。
[0041]整套系統(tǒng)采用常規(guī)的設(shè)備和器件，成本低，易于推廣實(shí)施。
[0042]本發(fā)明的方案完全不同于現(xiàn)有的技術(shù)方案，而是采用獨(dú)特的構(gòu)思，因而不單可以用于滿管狀態(tài)下的井涌報(bào)警，還能用于現(xiàn)有設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)的非滿管狀態(tài)下的井涌報(bào)警。
[0043]本發(fā)明不但能實(shí)施井涌報(bào)警，還能進(jìn)一步基于檢測液位以及液體比重，從而提供了更為精準(zhǔn)的鉆探事故檢測的參數(shù)，其中比重的檢測可以用作井漏報(bào)警，從而完善和擴(kuò)展井涌報(bào)警裝置的功能。
[0044]本發(fā)明對(duì)各類能源鉆探、能源采集的安全性都具有了極大的改善，是未來更大型的能源鉆探、能源采集硬件設(shè)施及技術(shù)要求的強(qiáng)有力支持之一。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]圖1為新型井涌報(bào)警裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖2為采用該新型井涌報(bào)警裝置測量流速時(shí)的連桿與轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置關(guān)系圖；
[0047]圖3為采用該新型井涌報(bào)警裝置測量流速時(shí)的示意圖(側(cè)視圖)；
[0048]圖4為采用該新型井涌報(bào)警裝置測量液體比重時(shí)的連桿與轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置關(guān)系圖；
[0049]圖5為采用該新型井涌報(bào)警裝置測量液體比重時(shí)的示意圖(側(cè)視圖);
[0050]圖6為液位測量示意圖。
[0051]標(biāo)號(hào)說明:1_底座，2-轉(zhuǎn)軸，3-側(cè)板，4-連桿，5-靶板。

【具體實(shí)施方式】
[0052]以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明:
[0053]實(shí)施例1:
[0054]如圖1，一種新型井涌報(bào)警裝置，包括底座(I)、轉(zhuǎn)軸(2)、連桿(4)、靶板(5)、計(jì)算單元與報(bào)警單元；
[0055]所述的底座設(shè)置在管道的泥漿流出口處；底座具有一個(gè)底板和兩個(gè)側(cè)板(3)；
[0056]兩個(gè)側(cè)板垂直與底板固定在底板的相對(duì)兩側(cè)；且沿著泥漿流動(dòng)方向設(shè)置；
[0057]轉(zhuǎn)軸設(shè)置在2塊側(cè)板上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；
[0058]連桿的一端固定在轉(zhuǎn)軸上，連桿的另一端固定有所述的靶板；連桿處于豎直位置時(shí)，靶板與泥漿流動(dòng)方向垂直；
[0059]轉(zhuǎn)軸上設(shè)有扭矩傳感器；
[0060]扭矩傳感器與計(jì)算單元相連；[0061 ] 計(jì)算單元與報(bào)警單元相連；
[0062]底座和2塊側(cè)板組成一個(gè)兩端開口的固定座，泥漿液從該固定座流過，該固定座作為一個(gè)基座用于安裝轉(zhuǎn)軸等部件。
[0063]扭矩傳感器安裝的轉(zhuǎn)軸與連桿的連接處。靶板(靶板與泥漿勺是一體的)外接有電叉，電叉用于形成電流通路，以便檢測液位，參加后續(xù)的第二部分。電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，二轉(zhuǎn)軸又帶動(dòng)連桿旋轉(zhuǎn)。
[0064]一、流速測量及井涌報(bào)警(參見圖2-3)
[0065]在計(jì)算單元中執(zhí)行以下計(jì)算和處理:
[0066](I)當(dāng)連桿處于豎直位置且靶板浸沒于泥漿中時(shí)，計(jì)算單元由讀取扭矩傳感器檢測到的力矩值M ;根據(jù)下式計(jì)算得到泥漿液對(duì)靶板所造成的沖力F:
[0067]F = M/L，L是連桿長度；
[0068](2)計(jì)算單元再由下式計(jì)算得到泥漿的流速V:
[0069]V= d 其中，Cd為流體阻力系數(shù)，A為靶板處于水平位置時(shí)在水平面的投影面積，P為泥漿的密度；
[0070](3)當(dāng)流速V大于第一預(yù)設(shè)閾值時(shí)，或單位時(shí)間內(nèi)流速變化值Λ V大于第二預(yù)設(shè)閾值時(shí)，計(jì)算單元啟動(dòng)報(bào)警單元實(shí)施報(bào)警?！玖魉俚念A(yù)設(shè)閾值以及流速變化值的預(yù)設(shè)閾值由操作者設(shè)定】
[0071]二、液位測量:
[0072]如圖6，液位測量的原理說明:由于泥漿液的導(dǎo)電性質(zhì)，所以當(dāng)泥漿勺外的電叉在泥漿液中時(shí)會(huì)形成回路。這樣，回路中就有電流。而當(dāng)電叉處在泥漿外時(shí)，空氣電阻無窮大，那么電流就為O。
[0073]因此，在某< 時(shí)刻，電路中有電流，而在?時(shí)刻，電流為O (即連桿C處于如圖6所示的位置)。這時(shí)能計(jì)算出液位高度。電流表采用O?1mA規(guī)格，電壓使用5V直流電壓電源，電阻為500 Ω。
[0074]當(dāng)檢測出液位高度后，連桿C往回做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如此反復(fù)。
[0075]在靶板上設(shè)有一個(gè)電叉；電叉與電流檢測回路的一端相連，電流檢測回路的另一端與流動(dòng)的泥漿液相連；以流動(dòng)的泥漿液作為導(dǎo)體；電流檢測回路中設(shè)有電流表；
[0076]在連桿的旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)電流表的讀數(shù)發(fā)生跳變，即表示電叉接觸到的泥漿液或電叉從泥漿液中離開，記錄此時(shí)角度傳感器檢測出連桿與水平方向所稱的角度α，則液位高度為h = H-L-sin α ;其中H為轉(zhuǎn)軸與底座的上表面的高度，L為連桿C的長度與靶板的長度之和。
[0077]三、液體比重測量及井噴報(bào)警:
[0078]參見圖4-5，連桿上還設(shè)有用于檢測連桿角度的角度傳感器，靶板上設(shè)有一個(gè)泥漿勺；連桿處于水平位置時(shí)，泥漿勺的開口朝上；
[0079]當(dāng)連桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)軸下方時(shí)，從底座上方流過的泥漿液中S出一定體積的泥漿液。而當(dāng)連桿旋轉(zhuǎn)至如圖4所示的位置(即角度傳感器檢測出連桿與水平方向平行，即為180° )時(shí)，安裝在轉(zhuǎn)軸上的扭矩傳感器測出轉(zhuǎn)矩值并計(jì)算得到當(dāng)前的泥漿勺中的泥漿液的質(zhì)量。泥漿勺質(zhì)量和體積均為已知，測得泥漿勺與泥漿勺內(nèi)液體質(zhì)量，這樣可以很容易得到泥漿液的比重。例如，已知設(shè)計(jì)的容器體積為V，當(dāng)角度傳感器檢測出連桿C與水平方向成180°角時(shí)，計(jì)算液體的比重；
[0080]當(dāng)測出泥漿勺中質(zhì)量后，連桿C則往回做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
[0081]在計(jì)算單元中執(zhí)行以下計(jì)算和處理:
[0082](4)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)連桿上的泥漿勺從流動(dòng)中的泥漿液中舀出一勺泥漿，并且連桿繼續(xù)上升達(dá)到與水平方向平行時(shí)，計(jì)算此時(shí)泥漿勺中泥漿液的質(zhì)量m【計(jì)算原理為:由M=F*L即有M = mg*L,則質(zhì)量m = M/gL,其中的一種具體的計(jì)算方法為:在連桿均處于水平方向時(shí)，泥漿勺中沒有泥漿時(shí)測量一次轉(zhuǎn)矩，泥漿勺中有泥漿時(shí)再測量一次轉(zhuǎn)矩，兩次測得的轉(zhuǎn)矩值之差即AM是由泥漿勺中泥漿的重量造成的，則泥漿的質(zhì)量m= ΛΜ/gL】，泥漿勺


_ m
的容積V已知，則由下式計(jì)算得到泥漿液的比重值
[0083]當(dāng)泥漿液的比重值大于第三預(yù)設(shè)閾值時(shí)，或單位時(shí)間內(nèi)比重變化值大于第四預(yù)設(shè)閾值時(shí)，計(jì)算單元啟動(dòng)報(bào)警單元實(shí)施報(bào)警?！颈戎氐念A(yù)設(shè)閾值以及比重變化值的預(yù)設(shè)閾值由操作者設(shè)定】。
【權(quán)利要求】
1.一種新型井涌報(bào)警裝置，其特征在于，包括底座(I)、轉(zhuǎn)軸(2)、連桿(4)、靶板(5)、計(jì)算單元與報(bào)警單元； 所述的底座設(shè)置在管道的泥漿流出口處；底座具有一個(gè)底板和兩個(gè)側(cè)板(3);兩個(gè)側(cè)板垂直與底板固定在底板的相對(duì)兩側(cè)；且沿著泥漿流動(dòng)方向設(shè)置； 轉(zhuǎn)軸設(shè)置在2塊側(cè)板上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)； 連桿的一端固定在轉(zhuǎn)軸上，連桿的另一端固定有所述的靶板；連桿處于豎直位置時(shí)，靶板與泥漿流動(dòng)方向垂直； 轉(zhuǎn)軸上設(shè)有扭矩傳感器； 扭矩傳感器與計(jì)算單元相連； 計(jì)算單元與報(bào)警單元相連； 在計(jì)算單元中執(zhí)行以下計(jì)算和處理: (1)當(dāng)連桿處于豎直位置且靶板浸沒于泥漿中時(shí)，計(jì)算單元由讀取扭矩傳感器檢測到的力矩值M ;根據(jù)下式計(jì)算得到泥漿液對(duì)靶板所造成的沖力F: F = M/L，L是連桿長度； (2)計(jì)算單元再由下式計(jì)算得到泥漿的流速V: V = d 其中，Cd為流體阻力系數(shù)，A為靶板處于水平位置時(shí)在水平面的投影面積，P為泥漿的密度； (3)當(dāng)流速V大于第一預(yù)設(shè)閾值時(shí)，或單位時(shí)間內(nèi)流速變化值A(chǔ)v大于第二預(yù)設(shè)閾值時(shí)，計(jì)算單元啟動(dòng)報(bào)警單元實(shí)施報(bào)警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型井涌報(bào)警裝置，其特征在于，在靶板上設(shè)有一個(gè)電叉； 電叉與電流檢測回路的一端相連，電流檢測回路的另一端與流動(dòng)的泥漿液相連；以流動(dòng)的泥漿液作為導(dǎo)體；電流檢測回路中設(shè)有電流表； 在連桿的旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)電流表的讀數(shù)發(fā)生跳變，即表示電叉接觸到的泥漿液或電叉從泥漿液中離開，記錄此時(shí)角度傳感器檢測出連桿與水平方向所稱的角度α，則液位高度Sh = H-L-sin α ;其中H為轉(zhuǎn)軸與底座的上表面的高度，L為連桿C的長度與靶板的長度之和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的新型井涌報(bào)警裝置，其特征在于，連桿上還設(shè)有用于檢測連桿角度的角度傳感器，靶板上設(shè)有一個(gè)泥漿勺；連桿處于水平位置時(shí)，泥漿勺的開口朝上； 在計(jì)算單元中執(zhí)行以下計(jì)算和處理: (1)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)連桿上的泥漿勺從流動(dòng)中的泥漿液中S出一勺泥漿，并且連桿繼續(xù)上升達(dá)到與水平方向平行時(shí)，計(jì)算此時(shí)泥漿勺中泥漿液的質(zhì)量m，泥漿勺的容積V已知，

_ m則由下式計(jì)算得到泥漿液的比重值P= y




? (2)當(dāng)泥漿液的比重值大于第三預(yù)設(shè)閾值時(shí)，或單位時(shí)間內(nèi)比重變化值大于第四預(yù)設(shè)閾值時(shí)，計(jì)算單元啟動(dòng)報(bào)警單元實(shí)施報(bào)警。
4.一種新型井涌報(bào)警方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1或2所述的新型井涌報(bào)警裝置；包括以下步驟: 步驟1:計(jì)算沖力F: 當(dāng)連桿處于豎直位置且靶板浸沒于泥漿中時(shí)，計(jì)算單元由讀取扭矩傳感器檢測到的力矩值M ;根據(jù)下式計(jì)算得到泥漿液對(duì)靶板所造成的沖力F: F = M/L，L是連桿長度； 步驟2:計(jì)算流速V 計(jì)算單元再由下式計(jì)算得到泥漿的流速V:
Jc^Ap 其中，Cd為流體阻力系數(shù)，A為靶板處于水平位置時(shí)在水平面的投影面
、 ，積，P為泥漿的密度； 步驟3:報(bào)警步驟: 當(dāng)流速V大于第一預(yù)設(shè)閾值時(shí)，或單位時(shí)間內(nèi)流速變化值△ V大于第二預(yù)設(shè)閾值時(shí)，計(jì)算單元啟動(dòng)報(bào)警單元實(shí)施報(bào)警。
【文檔編號(hào)】E21B47/10GK104131809SQ201410332173
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】王莉, 吳志虎, 肖凱文, 魯五一 申請(qǐng)人:中南大學(xué)