適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于石油工程領域，具體地，涉及一種適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量裝置及測量方法。適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量裝置，包括：立式兩相分離器；其中：立式兩相分離器的側部設有分離器流入管線，立式兩相分離器的頂端設有分離器排氣管線，分離器排氣管線上安裝有第一壓力傳感器和文丘里管，第一壓力傳感器位于立式兩相分離器和文丘里管之間；立式兩相分離器的底端設有分離器排液管線，分離器排液管線安裝有第二壓力傳感器和第一閘閥，第二壓力傳感器位于立式兩相分離器和第一閘閥之間。本發(fā)明解決了現(xiàn)有控壓鉆井系統(tǒng)應用質量流量計無法對環(huán)空返出流體含氣后氣液兩相流量進行測量的問題。
【專利說明】適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量裝置及測量方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于石油工程領域，具體地，涉及一種適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測 量裝置及測量方法。

【背景技術】
[0002] 目前油氣鉆探的儲層越來越復雜，鉆井工程中的井涌、井漏、卡鉆、井壁坍塌等井 下復雜情況頻繁發(fā)生，尤其是對于破裂壓力和孔隙壓力窗口較窄甚至漏噴同存的地層，井 下事故的頻繁發(fā)生使非生產時間大大增加，推高了鉆井作業(yè)的成本?？貕恒@井可有效解決 上述復雜問題，提高鉆井效率，保障鉆井作業(yè)安全，因而，越來越多的被應用到油氣鉆探當 中。目前被廣泛應用的控壓鉆井系統(tǒng)主要有Weatherford公司的MFC系統(tǒng)、Schlumberger 的DAPC系統(tǒng)、Halliburton公司的MPD系統(tǒng)，此外還有中石油鉆井工程技術研究院開發(fā)的 國內首套PCDS-I控壓鉆井系統(tǒng)。
[0003] 環(huán)空返出流體的流量是控壓鉆井系統(tǒng)需要測量的關鍵參數(shù)之一，目前各公司開發(fā) 的控壓鉆井系統(tǒng)均用高精度的質量流量計對環(huán)空返出流體的流量進行測量。然而，控壓鉆 井在鉆遇含氣地層時，由于地層壓力難以準確預測，易出現(xiàn)地層壓力高于環(huán)空壓力，氣體侵 入環(huán)空形成氣液兩相流的情況?，F(xiàn)有控壓鉆井系統(tǒng)采用的質量流量計無法對氣液兩相流流 量進行測量，導致流體含氣后控壓鉆井系統(tǒng)無法獲取環(huán)空返出流體的流量這一關鍵參數(shù)， 使控壓鉆井系統(tǒng)控制精度降低，甚至無法進行控壓鉆進。


【發(fā)明內容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量裝 置及測量方法，通過對鉆井液流動過程的控制，借助立式兩相分離器和質量流量計，對環(huán)空 返出流體的氣相流量和液相流量進行測量。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述方案：
[0006] 適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量裝置，包括：立式兩相分離器；其中：立式兩 相分離器的側部設有分離器流入管線，立式兩相分離器的頂端設有分離器排氣管線，分離 器排氣管線上安裝有第一壓力傳感器和文丘里管，第一壓力傳感器位于立式兩相分離器和 文丘里管之間；立式兩相分離器的底端設有分離器排液管線，分離器排液管線安裝有第二 壓力傳感器和第一閘閥，第二壓力傳感器位于立式兩相分離器和第一閘閥之間。
[0007]相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明解決了現(xiàn)有控壓鉆井系統(tǒng)應 用質量流量計無法對環(huán)空返出流體含氣后氣液兩相流量進行測量的問題。硬件方面，本發(fā) 明充分利用了井場上現(xiàn)有的立式兩相分離器和質量流量計，僅需對現(xiàn)有管線進行改造，以 及在相應管線上加裝一個文丘里管和兩個壓力傳感器，工藝簡單，成本低廉。在計算方法 上，本發(fā)明不僅對分離后的液相流量和氣相流量進行測量，還考慮了分離器內液相體積和 氣相體積變化的影響，具有更高的精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1是適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量裝置示意圖；
[0009] 圖2是適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量方法；
[0010] 圖3是應用氣液兩相流測量裝置的控壓鉆井系統(tǒng)示意圖。
[0011] 圖中，1、立式兩相分離器，2、分離器流入管線，3、分離器排氣管線，4、分離器排液 管線，5、第一壓力傳感器，6、第二壓力傳感器，7、文丘里管，8、第一閘閥，9、第一管匯三通， 10、第二閘閥，11、第三閘閥，12、第一泥漿池流入管線，13、第一管線，14,質量流量計流入管 線，15、第二管匯三通，16、第四閘閥，17、第三管匯三通，18、第二管線，19、自動節(jié)流管匯流 出管線，20、質量流量計，21、第五閘閥，22、第三管線，23、第四管匯三通，24、止回閥，25、節(jié) 流管匯流出管線，26、第二泥漿池流入管線，27、手動節(jié)流管匯，28、自動節(jié)流管匯，29、泥漿 池，30、節(jié)流管匯流入管線，31、井口四通，32、壓井管線，33、旋轉控制頭，34、鉆柱，35、旋轉 控制頭排出管線，36、回壓泵排出管線，37、回壓泵，38、回壓泵流入管線，39、泥漿泵流入管 線，40、泥漿泵，41、泥漿泵排出管線。

【具體實施方式】
[0012] 如圖1所示，適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量裝置，包括：立式兩相分離器1 ; 其中：
[0013] 立式兩相分離器1的側部設有分離器流入管線2,環(huán)空返出的氣液兩相流體通過 分離器流入管線2流入立式兩相分離器1 ;
[0014] 立式兩相分離器1的頂端設有分離器排氣管線3,分離器排氣管線3上安裝有第一 壓力傳感器5和文丘里管7,第一壓力傳感器5位于立式兩相分離器1和文丘里管7之間； 進入立式兩相分離器1的氣液兩相流體經分離后，氣相流體通過分離器排氣管線3排出；第 一壓力傳感器5測量分離器排氣管線的入口壓力，用于計算立式兩相分離器1內氣液兩相 體積的變化；文丘里管7用于測量測量立式兩相分離器1排出的氣體流量；
[0015] 立式兩相分離器1的底端設有分離器排液管線4,分離器排液管線4安裝有第二壓 力傳感器6和第一閘閥8,第二壓力傳感器6位于立式兩相分離器1和閘閥8之間；進入立 式兩相分離器1的氣液兩相流體經分離后，液相流體通過分離器排液管線4排出；第二壓力 傳感器6測量分離器排液管線4的入口壓力，用于計算立式兩相分離器1內氣液兩相體積 的變化；第一閘閥8用于控制分離后的液相從分離器排液管線4排出。
[0016] 如圖2所示，適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量方法，包括以下步驟：
[0017] 1、測量分離器排出的氣相流量
[0018] 由文丘里管7測量立式兩相分離器1排出的氣相標準體積流量;
[0019] 2、測量分離器排出的液相流量
[0020] 由質量流量計20測量立式兩相分離器1排出的液相流量g：T;
[0021] 3、根據第一壓力傳感器和第二壓力傳感器讀數(shù)，計算分離器內氣相液相體積變化
[0022] 由第一壓力傳感器5測量立式兩相分離器1頂端的壓力ρ1Λ，由第二壓力傳感器6 測量立式兩相分離器1底端的壓力P2il，立式兩相分離器1中氣體體積Vgl可用公式（0)計 算得到：

【權利要求】
1. 一種適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量裝置，包括：立式兩相分離器；其特征在 于：立式兩相分離器的側部設有分離器流入管線，立式兩相分離器的頂端設有分離器排氣 管線，分離器排氣管線上安裝有第一壓力傳感器和文丘里管，第一壓力傳感器位于立式兩 相分離器和文丘里管之間；立式兩相分離器的底端設有分離器排液管線，分離器排液管線 安裝有第二壓力傳感器和第一間閥，第二壓力傳感器位于立式兩相分離器和間閥之間。
2. -種適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量方法，采用權利要求1所述的適用于控壓 鉆井的氣液兩相流量測量裝置，其特征在于，包括W下步驟： (1) 、測量分離器排出的氣相流量 由文丘里管測量立式兩相分離器排出的氣相標準體積流量 (2) 、測量分離器排出的液相流量 由質量流量計測量立式兩相分離器排出的液相流量始,t"; (3) 、根據第一壓力傳感器和第二壓力傳感器讀數(shù)，計算分離器內氣相液相體積變化 由第一壓力傳感器測量立式兩相分離器頂端的壓力Pi,i，由第二壓力傳感器測量立式 兩相分離器底端的壓力P2,i，立式兩相分離器中氣體體積Vgi可用公式（O)計算得到：
間隔A t后，A t為0. 2s，應用第一壓力傳感器測量立式兩相分離器頂端的壓力Pi,2,應 用第二壓力傳感器測量立式兩相分離器底端的壓力P2,2 ;立式兩相分離器頂端的壓力變化 率P' 1和底端的壓力變化率P' 2用公式（1)和公式似計算得到： Pl=化2 心Pu (1) 挺=竺:當似 立式兩相分離器內鉆井液液面高度的變化率h'用公式（3)計算得到： = (3) Pn,S 公式（0)、公式（1)、公式（2)和公式（3)中： Vi為立式兩相分離器上部半球體體積； L為立式兩相分離器上部半球體下端到第二壓力傳感器垂直距離； P m為鉆井液密度； g為重力加速度； A為氣液分離器圓柱體橫截面面積； (4) 、計算氣相標準體積流量與液相流量 立式兩相分離器內鉆井液體積的變化率V' m用公式（4)計算得到， V' m = h' A (4) 根據理想氣體定律，立式兩相分離器內氣體標準體積變化率V' g。用公式（5)計算得 到，
吃。=競心-化對 妨 根據質量守恒原理，進入立式兩相分離器的液相流量Qm用公式（6)計算得到， 斯=K,;+姑"' ㈱ 進入立式兩相分離器的氣相標準體積流量Qg用公式（7)計算得到。 恥=Go+捉" 仍 公式（4)、公式巧）、公式做和公式（7)中： T。為標準溫度； Po為標準壓力； Tl為測量時環(huán)境溫度。
3. 應用權利要求1所述氣液兩相流測量裝置的控壓鉆井系統(tǒng)，包括：立式兩相分離器、 質量流量計、井口四通、手動節(jié)流管匯、自動節(jié)流管匯、泥漿池、旋轉控制頭、回壓粟和泥漿 粟；其特征在于： 井口四通設置在井口上方，井口四通頂端安裝有旋轉控制頭，旋轉控制頭包裹鉆柱； 泥漿池通過泥漿粟流入管線與泥漿粟相連，泥漿粟通過泥漿粟排出管線與鉆柱相連； 井口四通通過節(jié)流管匯流入管線與手動節(jié)流管匯相連，手動節(jié)流管匯通過節(jié)流管匯流 出管線與第四管匯H通相連，節(jié)流管匯流出管線上設有止回閥；第四管匯H通通過分離器 流入管線與立式兩相分離器相連，立式兩相分離器通過分離器排液管線與第一管匯H通相 連，排液管線上設有二壓力傳感器和第一間閥，第二壓力傳感器位于立式兩相分離器和間 閥之間；第一管匯H通通過第一泥漿池流入管線與泥漿池相連，第一泥漿池流入管線上設 有第二間閥； 旋轉控制頭通過旋轉控制頭排出管線與自動節(jié)流管匯相連，自動節(jié)流管匯通過自動節(jié) 流管匯流出管線與第H管匯H通相連，第H管匯H通通過第二管線與第二管匯H通相連， 第二管線上設有第四間閥；第二管匯H通通過質量流量計流入管線與質量流量計相連，質 量流量計通過第二泥漿池流入管線與泥漿池相連； 泥漿池通過回壓粟流入管線與回壓粟相連，回壓粟通過回壓粟排出管線與旋轉控制頭 排出管線相連； 第一管匯H通通過第一管線與第二管匯H通相連，第一管線上設有第H間閥；第H管 匯H通通過第H管線與第四管匯H通相連，第H管線上設有第五間閥；分離器排氣管線與 立式兩相分離器的頂端相連，分離器排氣管線上設有第一壓力傳感器和文丘里管，第一壓 力傳感器位于立式兩相分離器和文丘里管之間； 井口四通連接壓井管線。
4. 一種氣液兩相流量的測量測量方法，采用權利要求3所述的氣液兩相流測量裝置的 控壓鉆井系統(tǒng)，其特征在于，包括：開回壓粟控壓鉆井、不開回壓粟控壓鉆井、壓井。
5. 根據權利要求4所述的氣液兩相流量的測量測量方法，其特征在于，開回壓粟控壓 鉆井的方法如下，當環(huán)空返出流體不含氣體為純液相時，第一間閥打開，第二間閥打開，第 H間閥關閉，第四間閥打開，第五間閥關閉；環(huán)空返出流體在旋轉控制頭排出管線與回壓粟 排出管線流出的鉆井液混合后，經自動節(jié)流管匯、自動節(jié)流管匯流出管線、第二管線、質量 流量計流入管線，到達質量流量計進行液相流量測量。質量流量計測得流量為qi，回壓粟鉆 井液排量為Q2,則環(huán)空返出流體排量為：Qi-Qs ; 當環(huán)空返出流體含有氣體為氣液兩相時，第一間閥打開，第二間閥關閉，第H間閥打 開，第四間閥關閉，第五間閥打開；環(huán)空返出流體在旋轉控制頭排出管線與回壓粟排出管線 流出的鉆井液混合后，經自動節(jié)流管匯、自動節(jié)流管匯流出管線、第H管線、分離器流入管 線，到達立式兩相分離器進行氣液兩相的分離；分離后的氣相經分離器排氣管線排出，氣相 經過文丘里管時進行氣相流量的測量；分離后的液相經分離器排液管線、第一管線、質量流 量計流入管線，到達質量流量計進行液相流量測量。應用適用于控壓鉆井的氣液兩相流量 測量方法，計算得到進入立式兩相分離器的液相流量Qm和氣相標準體積流量Qg?；貕核阢@ 井液排量為Q2,則環(huán)空返出流體液相流量為=Qm-Qs,環(huán)空返出流體氣相標準體積流量為：屯。
6. 根據權利要求4所述的氣液兩相流量的測量測量方法，其特征在于，不開回壓粟控 壓鉆井的方法如下；當環(huán)空返出流體不含氣體為純液相時，第一間閥打開，第二間閥打開， 第H間閥關閉，第四間閥打開，第五間閥關閉；環(huán)空返出流體自旋轉控制頭排出管線，經自 動節(jié)流管匯、自動節(jié)流管匯流出管線、第二管線、質量流量計流入管線，到達質量流量計進 行液相流量測量；質量流量計測得流量為則環(huán)空返出流體排量為；Qi ; 當環(huán)空返出流體含有氣體為氣液兩相時，第一間閥打開，第二間閥關閉，第H間閥打 開，第四間閥關閉，第五間閥打開；環(huán)空返出流體自旋轉控制頭排出管線，經自動節(jié)流管匯、 自動節(jié)流管匯流出管線、第H管線、分離器流入管線，到達立式兩相分離器進行氣液兩相的 分離；分離后的氣相經分離器排氣管線排出，氣相經過文丘里管時進行氣相流量的測量； 分離后的液相經分離器排液管線、第一管線、質量流量計流入管線，到達質量流量計進行液 相流量測量；應用適用于控壓鉆井的氣液兩相流量測量方法，計算得到進入立式兩相分離 器1的液相流量Qm和氣相標準體積流量Qg，則環(huán)空返出流體液相流量為；q。，環(huán)空返出流體 氣相標準體積流量為；QgD
7. 根據權利要求4所述的氣液兩相流量的測量測量方法，其特征在于，壓井的方法如 下：井口四通上方的防噴器組關閉，第一間閥打開，第二間閥關閉，第H間閥打開，第四間閥 打開，第五間閥關閉；環(huán)空返出流體自節(jié)流管匯流入管線，經手動節(jié)流管匯、節(jié)流管匯流出 管線、分離器流入管線，到達立式兩相分離器進行氣液兩相的分離；分離后的氣相經分離器 排氣管線排出，氣相經過文丘里管時進行氣相流量的測量；分離后的液相經分離器排液管 線、第一管線、質量流量計流入管線，到達質量流量計進行液相流量測量；應用適用于控壓 鉆井的氣液兩相流量測量方法，計算得到進入立式兩相分離器1的液相流量Qm和氣相標準 體積流量Qg，則環(huán)空返出流體液相流量為；Qm,環(huán)空返出流體氣相標準體積流量為；qg。
【文檔編號】E21B47/00GK104265267SQ201410483662
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權日:2014年9月19日
【發(fā)明者】王寧, 孫寶江, 王志遠, 孫小輝, 李 昊, 孫文超 申請人:中國石油大學(華東)