CN102174887B - 一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，包括一对或三对超声波传感器、信号收发模块、接口电路、测控器以及上位机；若是三对传感器，则按照大约120°相位布置在隔水管外且都位于隔水管某一横截面上，每对传感器中发射传感器和接收传感器并排布置，通过信号收发模块与接口电路相连；测控器一端与接口电路和上位机相连。测控器中包含有依次按输入输出顺序连接的放大电路、滤波电路、自动增益控制电路、模数转换器、电压转换电路、DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器的输出端顺序连接数模转换电路、电压调整电路。装置利用多普勒效应完成测量，可实时测量出海底隔水管与钻柱环空的流量，以便及时判断井下溢流情况。

Description

一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置

技术领域

本发明涉及深水钻井监测设备及方法，特别是关于一种测量海底隔水管与钻柱之间环空瞬时流量的装置。

背景技术

在海洋深水钻井过程中，海底隔水管的工作环境恶劣(深水、高压等)，因此对隔水管的力学性能要求很高，成本很大。隔水管内部设置有钻柱，但是现在还没有隔水管与钻柱之间环空瞬时流量的测量方法及装置。

目前，仅有利用靶式流量计来测量钻井液出口流量。测量原理是依靠出口钻井液的冲力使靶体位置发生变化，依靠传感器传递信号来测量流量的大小，变化反应比较灵敏，测量结果基本上能够反映钻井液出口流量的异常变化，但是，传感器在现场应用存在许多缺点：

1)安装条件要求严格，即传感器必须装在钻井液出口高架槽上，高架槽的直径和坡度需满足靶体在静止时能够垂直或接近垂直状态；

2)本体长时间使用会造成活动不灵活、测量范围缩小，即在长时间的录井过程中，钻井液会逐渐干结成泥饼，堆积在靶体活动轴附近，使其活动范围受到限制或者不灵活，导致其输出信号范围变小或者不能真实反映钻井液流量的变化；

3)现场环境对该传感器的影响较大，长时间使用会造成可变电阻容易损坏，易出现接触不良现象，并且可变电阻长期在潮湿环境下使用易产生阻值误差；

4)由于靶体的重量选择不合适，当受到钻井液冲击后，其上升和回落之间的落差较大，致使输出信号变化范围大，测量结果不够准确；

5)测量结果滞后，不利于提前发现井涌。

发明内容

本发明为了克服传统出口流量测量装置的不足，目的是提供一种采用超声波实时测量出泥线处隔水管与钻柱间环空瞬时流量的装置，及时判断井下井涌情况，提高深水钻井井控安全性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于：它包括超声波传感器、信号收发模块、接口电路、测控器以及上位机；超声波传感器中包括超声波发射传感器和超声波接收传感器，并排夹装在隔水管外壁上，所述超声波传感器通过信号收发模块与接口电路相连；所述测控器一端与接口电路相连，另一端与所述上位机相连；所述测控器电路中包含有依次按输入输出顺序连接的放大电路、滤波电路、自动增益控制电路、模数转换器、电压转换电路、DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器的输出端顺序连接数模转换电路、电压调整电路；还包含有相关外围电路、通信接口。

包含有超声波发射传感器和超声波接收传感器的所述超声波传感为一对。

包含有超声波发射传感器和超声波接收传感器的所述超声波传感为三对，按照120°相位布置在隔水管外且位于同一横截面上。

所述超声波传感器中心频率为640kHz。

所述相关外围电路中包含有FLASH连接电路、RESET电路。

所述接口电路中芯片型号为HEADER7x2，放大电路中芯片型号为NE5534，滤波电路中芯片型号为MX275，自动增益控制电路中芯片型号为VCA80，模数转换器中芯片型号为TT16KK81、ADS802U，数模转换电路中芯片型号为DAC7512，电压转换电路中芯片型号为SN74LVc245A/SN74LVC4245A，电压调整电路中芯片型号选为LM258，RESET电路中芯片型号为CAT811S，FLASH连接电路中芯片型号为S29AL016D。

所述信号收发模块中有收发电路。

所述装置利用多普勒效应完成超声波信号检测及超声波收发控制，计算出海底隔水管与钻柱之间环空瞬时流体速度为：

$V=\frac{\mathrm{Ac}}{2f_1\cos \mathrm{\α}}\mathrm{\Δf},$

其中：A——隔水管与钻柱之间的环空的截面积，m²；

      c——超声波在钻井液中的传播速度，m/s；

      f₁——超声波传感器发射的超声波的初始频率，Hz；

      α——发射出的超声波束与垂直于流体运动速度方向的夹角，°；

      Δf——发射的超声波与接收超声波之间的频率差，Hz。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明采用超声波传感器进行测量，实时测量出井下环空的流量，并通过测控器将井下实时的瞬时流量上传到地面，能够及时判断井下溢流情况，报警及时。本发明进一步采用多声路测量，在任何情况下都可以保证有一条声路可以测量出该声路上的流速，从而测出海底隔水管环空流量，准确度高。

附图说明

图1是本发明测控系统布置图；

图2是一对超声波传感器安装在隔水管外布置图；

图3是三对超声波传感器安装在隔水管外横截面示意图；

图4是测控电路框图；

图5是声源运动，观察者相对静止多普勒效应图；

图6是观察者运动，声源相对静止多普勒效应图；

图7是超声波在测量过程中的传播路径示意图；

图8是图7的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

本发明采用的测量海底隔水管与钻柱之间环空瞬时流量的装置是一种超声波多普勒流量计。如图1所示，它包括超声波传感器1、信号收发模块2、接口电路3及测控器4，测控器4与上位机通信，上位机完成对测量数据的显示、存储、分析等任务。

如图2、3所示，超声波传感器1为一对或三对。每对超声波传感器1中包括一个超声波发射传感器11和一个超声波接收传感器12，他们并排布置，夹装在隔水管外壁上，与隔水管之间用耦合剂涂抹。若是三对传感器，则按照约120°相位布置在隔水管外且位于同一横截面上。

如图1所示，每对超声波传感器1通过信号收发模块2与接口电路3相连；测控器4也与接口电路3相连；测控器4与上位机通信，主要实现超声波信号的放大，抗混叠滤波，自动增益控制，模数转换和数模转换等功能，此外还需要实现通信功能和超声波收发控制。上位机完成对测量数据的显示、存储、分析等任务。整个系统从测控功能上分为超声波信号收发电路和测控电路，其中收发电路实现超声波信号的收发工作，测控电路完成超声波信号的检测工作以及实现超声波收发控制、与上位机通信等功能。

因此，如图4所示，测控器4中含有放大电路41、滤波电路42、自动增益控制电路43、模数转换器44、电压转换电路45、DSP数字信号处理器46、数模转换电路47、电压调整电路48，属于相关外围电路49的FLASH连接电路、RESET电路，以及与上位机通信的通信接口50。

接口电路3与放大电路41的输入端连接，放大电路41的输出端与滤波电路42的输入端连接，滤波电路42的输出端与自动增益控制电路43的输入端连接，自动增益控制电路43的输出端与模数转换器44的输入端连接，模数转换器44的输出端通过电压转换电路45与DSP数字信号处理器46的输入端连接，DSP数字信号处理器46的输出端与数模转换电路47的输入端连接，数模转换电路47的输出端通过电压调整电路48的输入端连接，电压调整电路48的输出端与自动增益控制电路43的输入端连接；FLASH连接电路、RESET电路、通信接口都与DSP数字信号处理器46连接。测量的基本流程为，首先数字信号处理器发射一定频率f₁的驱动信号给超声波传感器的发射端，发射端产生超声波信号，经过流体等介质返回到接收端，转换为电信号，通过一系列放大滤波的处理，传送给数字信号处理器，数字信号处理器通过对接收信号进行分析，得到接收信号的频率f₂，从而得到偏移频率Δf，最后计算出流体速度。

上述接口电路3中芯片型号可选为HEADER7x2，放大电路41中芯片型号可选为Ne5534，滤波电路42中芯片型号可选为MX275，自动增益控制电路43中芯片型号可选为VCA80，模数转换器44中芯片型号可选为TT16KK81或ADS802U，电压转换电路45选择SN74LVC245A或SN74LVC4245A，数模转换电路47中芯片型号可选为DAC7512，电压调整电路48中芯片型号可选为LM258，RESET电路中芯片型号可选为CAT811S，FLASH连接电路中芯片型号可选为S29AL016D，通信接口50的芯片型号可选为SP3222E。

在测控器中，自动增益控制电路、模数转换电路、电压转换电路、DSP数字信号处理器、数模转换电路和电压调整电路组成为自动增益控制系统，通过在DSP数字信号处理器中进行峰值检测和自动增益控制算法来实现调节和稳定超声波信号幅值的目的。

上述所采用的超声波传感器中心频率较佳为640kHz。

在超声波收发接口电路3中需要有多路开关控制线、接收开关控制线、超声波信号发射驱动信号线以及接收信号传输线。

测控器与上位机通信采用RS232或RS485标准。

上述测控系统的如此布置，目的是将井下泥线附近的钻井液的瞬时流量情况实时的传输到地面，在计算机上显示为实时数据曲线图，从而能及时判断井下是否发生溢流情况。超声波的传播和接收是这样实现的：当发射传感器发射出的超声波穿过隔水管管壁进入钻井液中，遇到钻井液中的固相颗粒然后就会发生反射，而反射的超声波被隔水管管壁外的超声波接收传感器所接收。

本发明利用了多普勒效应完成超声波信号检测及超声波收发控制，从而实现隔水管与钻柱之间环空瞬时流量的测量。

多普勒效应是当波源和观察者存在相对运动时，观察者接收到的波，其频率会偏离波动本来的频率，相向运动，频率升高；相背运动，频率则降低，而且相对运动速度越大。多普勒效应存在两种情况：一种情况是声源运动，观察者相对静止，另一种情况是观察者运动，声源相对静止。

(1)声源运动，观察者相对静止

如图5所示，P为观察者，处于静止状态，振动频率为f的声源Q以速度u沿x轴正向运动。设声源行至R₁时的声振动需要经过时间t₁后被观察者接收到，经过很短的时间Δt后声源行至R₂，此处的声振动需要经过时间t₂后被观察者接收到，设声速为c，R₁P＝τ₁，，R₂P＝τ₂，则有：

t₁＝τ₁/c，t₂＝τ₂/c    (1)

经R₂向R₁P做垂线交R₁P于点A，由于所取的时间Δt很小，因此有

τ₁-τ₂＝R₁A＝uΔtcosθ    (2)

其中β为τ₁与X轴正向的夹角。

设Δt为声源由R₁点运动到R₂的过程中接收者接收到的声振动的持续时间，则在时间轴上有下式成立

Δt′＝Δt-t₁+t₂    (3)

考虑(1)，(2)，(3)，则有

Δt′＝Δt-(τ₁-τ₂)/c＝(c-ucosθ)Δt/c₁    (4)

因此观察者在Δt□时间内所接受到的声源的总振动次数fΔt′，所以由频率定义及式(4)可得到观察者所接收到的声音的频率f′为

$f\′=\frac{\mathrm{f\Δt}}{\mathrm{\Δt}\′}=\frac{c}{c-u\cos \mathrm{\θ}}f---\left(5\right)$

讨论：

(a)当Δt→0，则R₁R₂→0，式(5)就是声源运动到R₁点时，观察者接收到的瞬时频率f□，它随着0角而变化，即随着声源在x轴的不同点、不同时刻而变化。

(b)当0为0时，就是声源向着观察者运动的情况，此时观察者所接收到的频率为：

$f\′=\frac{c}{c-u}f>f.$

(c)当θ为π时，就是声源背向观察者运动的情况，此时观察者所接收到的频率为：

$f\′=\frac{c}{c+u}f>f.$

(2)观察者运动，声源相对静止

如图6所示，Q为声源，处于静止状态，观察者以速度u沿x轴正向运动。声源所发出的振动经过t₁时间可传播到S₁点，经过t₂时间可传播到S₂点。考虑到声源产生的振动在空间传播的特性，观察者行至S₁点时声源所接收到的声波应该是观察者行至S’处声源所产生的声振动；同理，观察者运动到S₂处所接收到的声波应该是观察者行至S’’处声源所产生的声振动。设观察者从S₁处经过Δt时间行至S₂点处，研究方法与研究声源运动，观察者相对静止情况类似，由图5得到：

t₁＝τ₁/c，t₂＝τ₂/c    (6)

而

Δt′＝Δt+t₁-t₂    (7)

考虑到Δt很小，所以有

τ₁＝τ-ut₁cosθ

τ₂＝τ-u(t₂+Δt)cosθ    (8)

于是有

τ₁-τ₂＝uΔtcosθ    (9)

综合(6)，(7)，(8)，(9)，可以得到：

$\mathrm{\Δt}\′=\frac{\mathrm{\Δt}}{c}(c+u\cos \mathrm{\θ})---\left(10\right)$

因为观察者在Δt时间内所接收到的声源的振动次数为fΔt′次，所以观察者所接收到的声波的频率为

$f\′=\frac{\mathrm{f\Δt}\′}{\mathrm{\Δt}}=\frac{c+u\cos \mathrm{\θ}}{c}f---\left(11\right)$

讨论：

(a)当Δt’→0时，S′S″→0，式(11)就是观察者运动过程中接收到的瞬时频率，它随着0角的改变而改变，即随观察者所处的不同位置、不同时刻而改变。

(b)当θ＝0时，就是观察者沿着声源运动，此时观察者所接收到的频率为：

$f\′=\frac{c+u}{c}f>f.$

(c)当θ＝π时，就是观察者背离声源运动，此时观察者所接收到的频率为：

$f\′=\frac{c-u}{c}f>f.$

根据声学多普勒效应，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。

在本发明中，超声波发射传感器11为一固定声源，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，当超声波发射传感器11所发射的固定频率的超声波入射到这些固体颗粒上时，被反射到接收传感器12上的超声波频率就会与发射频率之间有一个差值，这个频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的多普勒频移。由于这个频移量正比于流体流速，所以测量该频差就可以求得流速，进而求出流体流量。

假设，超声波束与流体运动速度的夹角为α，超声波传播速度为c，钻井液中悬浮粒子与流体流速相同，均为u。在此前提下，来推导多普勒频移与流体流速之间的关系式。

如图7、8所示，当超声波束在管轴线上遇到一颗固体粒子，该粒子以速度u沿管轴线运动。对超声波发射器而言，该粒子以速度ucosα离去，所以粒子收到的超声波频率f₂应低于发射的超声波频率f₁，根据上节多普勒公式推导可知，这种情况可以看作是声源不动，而观察者在运动，故由式(11)得到粒子所接收到的超声波频率为：

$f_2=f_1(1+\frac{u\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}{c})=f_1(1-\frac{u\cos \mathrm{\α}}{c})---\left(12\right)$

式中：

f₁——发射超声波的频率，Hz；

α——超声波束与管轴线夹角，°；

c——超声波在流体中的传播速度，m/s。

固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以ucosα的速度离开接收器，所以接收器收到的超声波频率f₃又一次降低，这种情况可看作是声源运动而观察者静止的情况，依据公式(5)，f₃可表示为

$f_3=f_2\frac{c}{c-u\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}=f_2\frac{c}{c+u\cos \mathrm{\α}}---\left(13\right)$

将f₂的表达式代入上式，可以得到：

$f_3=f_1\frac{c-u\cos \mathrm{\α}}{c+u\cos \mathrm{\α}}---\left(14\right)$

接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之间的频率差，即多普勒频移Δf可由下式计算：

$\mathrm{\Δf}=f_1-f_3=f_1\frac{2u\cos \mathrm{\α}}{c+u\cos \mathrm{\α}}---\left(15\right)$

由于超声波的速度远大于流体流速，所以上式可写成

$\mathrm{\Δf}=f_1-f_3=f_1\frac{2u\cos \mathrm{\α}}{c}---\left(16\right)$

由上式可得流体流速为：

$u=\frac{c}{2f_1\cos \mathrm{\α}}\mathrm{\Δf}---\left(17\right)$

体积流量为：

$V=\frac{\mathrm{Ac}}{2f_1\cos \mathrm{\α}}\mathrm{\Δf}---\left(18\right)$

其中A为被测管道流通截面积，m²。

由以上流量方程可知，当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与体积流量成正比，所以测量频移量Δf就可以得到流体流量V。

利用本发明装置进行测量的方法为：

首先数字信号处理器发射一定频率f₁的驱动信号给超声波发射传感器，发射传感器产生超声波信号，经过流体等介质返回到接收传感器，转换为电信号，通过一系列放大滤波的处理，传送给数字信号处理器；数字信号处理器通过对接收信号进行分析，得到接收信号的频率f₂，从而得到偏移频率Δf，最后计算出流体速度：

$V=\frac{\mathrm{Ac}}{2f_1\cos \mathrm{\α}}\mathrm{\Δf}.$

上述提到本发明超声波传感器1可设置为三对。对于监测海洋钻井深水隔水管与钻柱环空钻井液返出瞬时流量，多个声路(每一对传感器形成一个声路)测量，使用并行的高压脉冲发射器微处理器及控制电路通过译码总线选择不同的发射器，来对不同声路(通道)及不同声路(通道)中的方向(正向或逆向)进行操作。即每个声路的正、逆向有各自的发射器及相应的接收电路。由于发射器之间的切换没有使用继电器，因此发射器之间的切换时间很小(切换时间在微秒级)，这样可以用多脉冲技术，对各个声路进行多次测量，从而提高测量超声波传播时间的精度。

由于环空内流速分布在空间及时间上的变化具有相当大的不确定性，流量测量实际上是一个统计的过程，通过多脉冲技术，大量采样数据进行统计平均，才能获得高精度。另外，接收信号中不可避免会出现随机噪声，采用多脉冲技术也有利于消除噪声的干扰。多脉冲技术还有一个优点，就是在井下环空中的像钻井液这种存在固相颗粒或气泡等阻碍超声波脉冲传播的物体的情况下，能有效克服信号丢失现象。因此，采用多声路时差式超声波流量计的测量方法，具有对各个测量声路同时进行“零时延″测量，且能在短时间内大量采集数据进行统计平均的多脉冲技术，可以有效提高流量计的测量精度，并且在计算机上得出每个声路的实时监控曲线。井下出现溢流的情况下，通过实时监控曲线可以及时判断溢流的发生，从而争取到更多的时间来处理井下溢流事故。

Claims (7)

1.一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，它包括信号收发模块、测控器以及上位机，其特征在于：还包括超声波传感器和接口电路；

所述超声波传感器为三对，按照120°相位布置在隔水管外且位于同一横截面上；每对所述超声波传感器中包括超声波发射传感器和超声波接收传感器，并排夹装在隔水管外壁上，每对所述超声波传感器通过信号收发模块与接口电路相连；

所述测控器一端与接口电路相连，另一端与所述上位机相连；

所述测控器电路中包含有依次按输入输出顺序连接的放大电路、滤波电路、自动增益控制电路、模数转换器、电压转换电路、DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器的输出端顺序连接数模转换电路、电压调整电路；还包含有相关外围电路、通信接口。

2.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于：所述超声波传感器中心频率为640kHz。

3.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于：所述相关外围电路中包含有FLASH连接电路、RESET电路。

4.如权利要求3所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于：所述接口电路中芯片型号为HEADER7x2，放大电路中芯片型号为Ne5534，滤波电路中芯片型号为MX275，自动增益控制电路中芯片型号为VCA80，模数转换器中芯片型号为TT16KK81或ADS802U，数模转换电路中芯片型号为DAC7512，电压转换电路中芯片型号为SN74LVc245A或SN74LVC4245A，电压调整电路芯片型号选为LM258，RESET电路中芯片型号为CAT811S，FLASH连接电路中芯片型号为S29AL016D。

5.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于：所述信号收发模块中有收发电路。

6.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于：所述装置利用多普勒效应完成超声波信号检测及超声波收发控制。

7.如权利要求1所述的一种超声波测量海底隔水管与钻柱间环空流量的装置，其特征在于：利用所述装置计算出海底隔水管与钻柱之间环空瞬时流体速度为：

$V=\frac{\mathrm{Ac}}{2f_1\cos \mathrm{\α}}\mathrm{\Δf},$

其中：A——隔水管与钻柱之间的环空的截面积，m²；

c——超声波在钻井液中的传播速度，m/s；

f₁——超声波传感器发射的超声波的初始频率，Hz；

α——发射出的超声波束与垂直于流体运动速度方向的夹角，°；

Δf——发射的超声波与接收超声波之间的频率差，Hz。

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