鉆井是石油及天然氣開采的重要環(huán)節(jié)，為了保證高效、安全地鉆井，防止井漏和井噴，需要在鉆井過程中采用具有一定粘結(jié)性能的泥漿作為鉆井液。它是由多種原料根據(jù)井下的地質(zhì)情況按適當(dāng)?shù)谋壤渲瞥傻?，其費(fèi)用約占整個(gè)鉆井成本的三分之一。由于井下地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，常常遇到裂縫和有孔隙的地層，造成泥漿漏失，這不僅嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)的進(jìn)行，造成經(jīng)濟(jì)上不必要的損失，而且泥漿是一種有害物質(zhì)，漏失后會(huì)對(duì)地下水資源和地層造成污染，危及子孫后代的生存環(huán)境。發(fā)生泥漿漏失現(xiàn)象后，最為重要的是盡可能準(zhǔn)確地找出漏失位置，以便調(diào)整泥漿成份和顆粒度，堵塞地層裂縫和其它漏源。歷史上采用過的方法主要有兩種：一種是用溫度傳感器監(jiān)測(cè)井下不同深度處的溫度變化情況[1]。由于受溫度傳播的不實(shí)時(shí)性和漏失量較小時(shí)溫度變化不明顯等因素的影響，這種方法不能準(zhǔn)確地測(cè)定泥漿漏失位置。另一種是采用流量計(jì)直接測(cè)量流速的變化，以此確定泥漿的漏失位置[2]。但由于受測(cè)量環(huán)境本身的制約，所使用的流量計(jì)中含有轉(zhuǎn)子等可動(dòng)部件，而可動(dòng)部件極易受到鉆井中沙粒的影響而造成測(cè)量的不可靠或失敗。
本論文所述的超聲波鉆井液測(cè)漏儀的主要特點(diǎn)是：(1)采用了超聲波傳感器，不存在機(jī)械可動(dòng)部件；(2)具有很好的實(shí)時(shí)性；(3)采用兩只性能相同的超聲波傳感器對(duì)發(fā)、對(duì)收，不象壓力傳感器那樣存在直接測(cè)量的敏感面；(4)采用了TMS320VC33浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，提高了測(cè)量精度。
1 測(cè)量原理
1.1 測(cè)漏儀的結(jié)構(gòu)與安裝方式
超聲波鉆井液測(cè)漏儀的結(jié)構(gòu)和安裝方式如圖1所示。測(cè)量電路安裝在上、下套筒組成的空腔內(nèi)，兩只超聲波傳感器分別安裝在上、下套筒的端面上，泥漿經(jīng)鉆桿中心孔進(jìn)入井下后再經(jīng)鉆桿外壁與井壁構(gòu)成的環(huán)形空間返回到地面。 
圖1 測(cè)漏儀結(jié)構(gòu)示意圖
1.2 超聲波傳感器的研制
由圖1可見，傳感器軸線與鉆桿外壁之間的距離是十分有限的，為了保證超聲波傳感器發(fā)出的信號(hào)能夠通過泥漿直接進(jìn)入接收傳感器，需要控制超聲波傳感器的中心角。設(shè)兩只傳感器的距離為L(zhǎng)，傳感器軸線距井軸的距離為D，鉆桿直徑為d，則應(yīng)使中心角θ滿足： 
實(shí)際結(jié)構(gòu)允許的θ為2.95°，這對(duì)一般的超聲波傳感器來說是一個(gè)比較嚴(yán)格的指標(biāo)。另外，由于井下的溫度可高達(dá)150°C，壓力為100Mpa，因此研制了專門的超聲波傳感器，其工作頻率為600kHz。
1.3 測(cè)量原理
兩只傳感器交替地發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，把靠近地面的一只記作B，靠近井下的一只記作A，則A發(fā)送、B接收所用的時(shí)間為： 
同理，B發(fā)送、A接收所用的時(shí)間為： 
由以上兩式可得： 
其中，C為超聲波在泥漿中的傳播速度，V為泥漿流速。
由于C>>V，所以C2-V2≈C2，因此有： 
可見，只要測(cè)出時(shí)間差△t，就可以求出泥漿流速，從而推斷井下漏失情況。漏層位置是通過時(shí)間與深度的換算關(guān)系確定的，地面計(jì)算機(jī)與井下測(cè)量電路在同一時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，由于地面可以方便地實(shí)時(shí)掌握儀器的下井深度，而井下儀器又可記錄任意時(shí)間點(diǎn)的泥漿流速，當(dāng)儀器提升到地面后，將記錄的數(shù)據(jù)回放到計(jì)算機(jī)，就可知道任意深度處的流速。
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