超声波多普勒原理是基于声学中的多普勒效应发展而来的。根据声学多普勒效应, 当物体和声源之间有相对运动时, 物体所感受到的声音频率将不同于声源所发出的声音频率, 也就是声波的多普勒频移（发射频率与接收频率之差）。多普勒频移与物体和声源的相对速度成正比, 利用频移量和速度之间的对应关系可以得到固体颗粒物的运动速度, 这一速度测量值通常可以用来表征流体的流速^[7]。超声波多普勒是一种非接触式测量方法, 适合测量管道内部流体的流速。因此利用超声波多普勒探头可以实现钻井液流速的测量。

在基于超声波多普勒原理的钻井液出口流量检测系统中, 声源就是超声波多普勒发射探头, 流动钻井液中的细小颗粒、气泡等是与声源产生相对运动的物体^[8]。超声波多普勒流量测量的一个必要条件是：被测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等的多相介质^[9], 钻井液是世界上一种较难测的流体^[10], 含有大量颗粒能够满足测量条件。如图2所示, 在超声波多普勒测量过程中, 超声波发射器为一固定声源, 随流体一起运动的岩屑、处理剂颗粒、气泡等杂质起到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所导致。由于这个频率差正比于流体流速, 通过测量频率差可以求得流速, 进而可以得到流体的流量。

图2

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	图2 超声波多普勒测量原理示意

超声波多普勒钻井液流量检测系统整体结构由超声波探头（超声波发射探头、超声波接收探头和超声波液位探头）、数据采集处理电路防爆箱、计算机软件处理系统3部分组成（图3）。防爆箱内的电源模块负责给其他各模块供电, 超声波发射探头和接收探头贴合在钻井液管道两侧, 用于发射和接收多普勒频率信号, 经过超声频率信号整形模块处理后, 与超声波液位探头的信号一同进入MCU处理模块进行流速、瞬时流量和累计流量的计算, 计算结果通过信号输出模块送到计算机软件处理系统, 计算机软件处理系统不仅能够对系统参数进行设置, 而且可以实时显示、存储及回放流速、流量等数据。

图3

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	图3 超声波多普勒钻井液流量检测系统整体结构

检测系统使用的多普勒超声波探头为+15 V供电, 采用聚砜材料的透声契块, 声契角度为45° , 超声波发射频率为500 kHz。探头包含接收探头和发射探头各一组, 在钻井液入口（满管）处由一组探头采集入口数据, 在钻井液出口（非满管）架空槽处由一发两收的一组探头采集出口数据, 安装在管道下方顺钻井液流速方向, 加入超声耦合剂后牢固贴合在管壁上。需要指出的是, 非满管安装时, 因为非满管管径比较大, 3个探头需要把一个发射探头放在中间, 另外两个接收探头紧挨着发射探头摆在两边, 才能确保最大限度地接收超声反射波。

接收探头必须能够高质量地接收反射回来的超声波信号, 并且为了方便后续电路准确测量发生的多普勒频移, 接收探头要具备对超声波信号的预处理功能。系统采用“ 选频放大、混频、滤波” 的信号处理模式：首先经过两级三极管放大电路, 放大的倍数达到50倍以上, 并且以500 kHz作为中心频率进行选频, 初步滤除噪声; 然后加入490 kHz的基准信号进行混频, 得到990 kHz和10 kHz两个基频信号; 最后经过低通滤波, 滤除990 kHz的信号, 仅剩下10 kHz的基频信号, 因10 kHz频率较低, 后续电路在此基础上能够准确识别出多普勒频移的大小。

超声波多普勒钻井液流量检测系统研发样机在TX 722井等7口井进行了现场实验, 取得了大量的实验数据, 并根据实验结果不断完善钻井液流量定量检测系统。其在井场安装效果如图4所示。

图4

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	图4 超声波多普勒钻井液流量检测系统在井场安装效果

对同一时间段的钻井液出口流量进行监测（图5）, 在地层稳定层段确保无溢流和漏失的情况下, 将钻井液出口流量和泵冲排量进行对比, 钻井液出口累计流量误差统计如图6所示, 可见累计流量的误差基本集中在3.5%以内, 小于5%。

图5

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	图5 钻井液出口流量监测趋势

图6

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	图6 钻井液出口累计流量误差统计

在下钻过程中, 检测出口流量能够验证仪器的灵敏度。如图7所示, 在下钻过程中出口流量检测能够明显、快速地显示出钻井液出口的返浆情况, 该系统的灵敏度能够满足现场使用的需求。

图7

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	图7 下钻过程中出口流量随时间变化趋势

在现场实际应用中发现, 超声波多普勒钻井液流量检测系统对钻井液出口流量的检测存在诸多局限性。一是超声波多普勒探头对不同密度、粘度的钻井液所产生的多普勒频移是不同的, 流量测量具有局限性; 二是系统对于复杂电磁环境、振动的抗干扰性差, 易受环境因素的影响降低检测精度; 三是由于现场钻井液出口管线所用材料的不同以及安装材料、方式的不同, 超声波多普勒的发射频率需要进行现场调整; 四是易受输送管道中多种不稳定复杂流态的影响, 造成流量测量误差较大。

科氏流量计传感器内部有两根平行的“ U” 型振动管, 钻井液流经振动管产生科氏力效应, 使每个流量管与每个振动周期流过管子的质量流量成比例地扭曲, 其中一个流量管的扭曲滞后于另一个流量管, 可以用电路比较器比较两个流量管上的传感器信号以确定扭曲量。变送器用精确的电路和一个高频晶振控制的时钟测量左右检测线圈信号之间的滞后时间, 这个“ 时间差” 乘上流量标定系数就可获得质量流量。两端的检测线圈将产生相位不同的两组信号, 其中液体介质的质量与振动管出、入口的相位差成正比, 密度与振动管的振动频率成正比, 其内部结构如图8所示。目前科氏流量计可以采集多种参数, 其中包括：钻井液瞬时体积流量、钻井液瞬时质量流量、钻井液累积体积流量、钻井液累积质量流量、钻井液密度、钻井液温度6个参数。该类型设备在石油化工领域得到了广泛应用。

图8

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	图8 科氏流量计内部结构

科氏流量计非常适合用于钻井液流量精确测量, 具有以下优点：一是测量结果不受介质工作压力、温度、粘度、成分、密度以及流速分布等因素的影响; 二是测量精度高, 一般的流量仪表测量精度在0.5%~1.0%之间, 科氏流量计的测量精度可以达到± 0.2%; 三是多参数同时测量, 在测量质量流量的同时, 可以同时测量体积流量、密度和温度等参数; 四是管道内压损小, 无可动部件, 故障因素少, 便于清洗, 维护和保养方便; 五是一体化封装设计, 具有抗蚀、防污、防爆、耐热等特点, 非常适合井场环境使用。

科氏流量计也存在以下缺点：一是无法测量两相流, 当介质中气体的含量达到一定值时, 无法正常工作; 二是对振动较为敏感, 需要进行抗振设计; 三是安装、设计复杂, 周期长, 价格昂贵。

为掌握科氏流量计的使用方法, 验证其对钻井液测量的适应性, 按照井场出口管线的实际布局, 搭建了科氏流量计1∶ 1模拟实验装置（图9）。系统主要由科氏流量计、电磁流量计、立式灌浆泵、节流阀、井口模拟装置、变频器、数据采集系统组成, 分别采用清水和钻井液进行模拟实验, 通过变频器模拟钻井过程中不同的钻井液流量, 配合节流阀的控制实现不同排量、不同液位高度条件下的模拟实验。实验主要有3个目的：一是通过模拟环境, 测试流量计的安装及使用方法; 二是分别以清水和钻井液作为循环介质, 测试不同流速下流量计的响应情况; 三是验证科氏流量计的测量精度。

图9

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	图9 科氏流量计1∶ 1模拟实验装置

首先采用清水进行实验, 保持排量为100 m³/h, 连续运行120 min, 采集数据如图10a所示, 电磁流量计与科氏流量计进行累计体积测量值的对比, 两者累计体积测量误差为0.22%。调节节流阀使排量在75~100 m³/h之间变化, 测试2个流量计在变排量下的测量精度, 连续测试50 min, 采集数据如图10b所示, 两者累计体积测量误差为0.36%。最后分别采用密度为1.18、1.25 g/cm³ 的钻井液进行实验。

图10

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	图10 科氏流量计模拟实验的采集数据

经实验测试表明：（1）科氏流量计稳定工作需要满足满管且介质均匀的两个条件要求; （2）科氏流量计与电磁流量计的累积计量误差较小, 总体< 0.4%; （3）钻井液的测量误差总体稍大于清水; （4）测量钻井液的瞬时流量变化幅度高于用清水的实验结果, 初步分析原因为钻井液更容易混入较多气泡, 导致液体不均匀。通过实验验证了科氏流量计可以满足出口流量测量的需要。

科氏流量计已经在胜利油区完成了多口井的现场实验, 实验结果表明, 该流量装置实现了钻井液出口流量从定性测量到定量测量的巨大转变, 同时在多个方面具有明显技术优势, 主要包括：井涌井漏的早期预警, 较钻井液池体积监控法提前5 min发现井漏异常。如图11所示, 在06:42:48时刻, Y 1井钻井液入口流量非常稳定几乎没有变化, 而科氏流量计测得的瞬时钻井液出口流量由652 L/min下降到264 L/min, 而总池体积变化不明显, 最终确定为储层渗透性漏失, 共漏失钻井液5.0 m³。该实例充分展示了科氏流量计能够在井漏发生的短时间内检测到流量的变化, 并根据流量计累加器提供的累计流量数据, 定量监测钻井液的漏失量, 具有快速、准确、定量的特点, 相较常规钻井液池体积监测等方法可以更及时预报异常。

图11

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	图11 Y 1井井漏异常曲线

此外, 现场实验表明, 科氏流量计装置在以下6方面也具有非常好的监控效果：一是出口钻井液的微流量监测; 二是起下钻、下套管过程中的微流量安全监测; 三是钻具刺穿及憋泵的早期发现; 四是钻井泵工作状况监测（泵故障早期预警、上水效率监测）; 五是循环周检测、岩屑迟到时间的准确校正; 六是气侵早期发现等。

经过现场实验发现, 科氏流量计具有非常好的检测效果, 但也具有一定的适应性要求：一是需要介质满管条件下进行测量, 在装置结构上采用一定的设计确保装置满管; 二是流量计的出入口需要保持合理的压差, 压差不合理易造成流量及工作状态不稳定; 三是两相流状态下, 随着管内气泡含量的不断增加会出现采集误差增大, 一旦达到一定气泡浓度时装置将无法正常工作。