随钻电导率流量计研究

钻录一体化是石油钻井工程的一个新的发展方向，要求将随钻测量和录井结合起来，将以前地面测量参数做到在井下实时测量。流量是录井地面测量重要的参数之一，包括钻井液入口流量和出口流量。对这一课题开展研究，在以前随钻泥浆电导率仪器研究的基础上，设计出一种在井下实钻环境下测量水眼和环空流量的随钻电导率流量计。这种流量计能实时反应所钻遇地层钻井液漏失和出水，为钻井工艺提供参考，提高钻井施工风险识别的能力，提高钻井施工的安全。

目前测井公司随钻中心已经成功研制出能随钻测量泥浆电阻率的仪器——MRL2711 泥浆电阻率随钻录井仪，并准备将此仪器的核心嵌入到钻录一体化的随钻仪器中，将随钻泥浆电阻率录井仪的测量原理加以推广，调整仪器结构，就可以得到测量实钻环境下钻井液流速和流量的随钻电导率流量计。

1 相关流量测量技术的基本原理

随钻电导率流量计的测量原理是基于随机过程中的互相关理论。相关流量测量技术的基本原理如图 3 所示。在沿流体流动管道相距为已知距离 L 的两个截面处，分别安装有结构相同上游传感器和下游传感器。

当被测流体在钻杆内（或环空内）作稳定流动时，假设流体的流动满足“凝固”模型，即多相流体的各相空间分布在上、下游传感器之间没有发生变化，两传感器的输出信号是相同的，只是其中一路信号在时间上延迟了 τ0 即：

（1-1）

式中 τ0 就是流体的流动噪声从上游传感器运动到下游传感器的时间，称之为渡越时间。x（t）和 y（t）的互相关函数 Rxy（τ）可由下式求得：

（1-2）

将式（1-1）带入式（1-2）可得

（1-3）Rxx（τ）为自相关函数，Rxx（τ）定义为：

（1-4）

由自相关函数的性质可知：当 τ=0 时 Rxx（τ）取得***大值。故当 τ=τ0 时 Rxy（τ）取得***大值，即 x（t）和 y （t）的互相关函数峰值所对应的 τ 值就是渡越时间。

根据随机过程理论可知，对上、下游信号作互相关运算实际上就是在不同的延时值下比较两信号波形的相似程度，

从而求出渡越时间。

在理想的流动状态下，假设管道横截面上各点处流体的速度相等，则流体的平均流速 Vcp 与流体的流动噪声的运移速度即相关流速 Vcc 相等，相关流速表达式为：

（1-5）

式中 L 为上、下游传感器的间距，τ0 为渡越时间。因而被测流体的流量为：

（1-6）

式中，A 是管道的横截面积。

2 流量计传感器结构方案探讨

目前较为流行的传感器电极系一般是 3 组电极。其中激励电极和激励地用来建立电场，上下游电极对检测所在位置的电势差，获得所在位置包含泥浆电阻率信息的曲线。

图4 是环空泥浆电阻率测量电路的硬件设计框图。OUT1

OUT2 是两个相对独立的泥浆电阻率测量探头。微处理器作为逻辑控制和数字波形发生器，其输出的数字波形经 D/A 数模转换器变换为正弦波，经功率放大器放大后送入电极系 A 电极发射出电流，电流经泥浆后由 B 电极返回，发射电流流经泥浆时产生电位差，M、N 电极测量探测到两电极电位送入前置放大器、相敏检波器，经 A/D 模数转换器完成测量，得到包含电阻率信息的曲线。微处理器控制多道开关在两个测量电极间来回切换，得到包含电阻率信息的 2 条曲线。然后根据互相关算法，得到渡越时间。

4.结语

本文在以前随钻泥浆电导率仪器研究的基础上，设计出一种在井下实钻环境下测量水眼和环空流量的随钻电导率流量计。这种井下流量计能实时反应所钻遇地层钻井液漏失和出水，提高钻井施工的安全。