鉆錄一體化是石油鉆井工程的一個新的發(fā)展方向，要求將隨鉆測量和錄井結(jié)合起來，將以前地面測量參數(shù)做到在井下實時測量。流量是錄井地面測量重要的參數(shù)之一，包括鉆井液入口流量和出口流量。對這一課題開展研究，在以前隨鉆泥漿電導(dǎo)率儀器研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種在井下實鉆環(huán)境下測量水眼和環(huán)空流量的隨鉆電導(dǎo)率流量計。這種流量計能實時反應(yīng)所鉆遇地層鉆井液漏失和出水，為鉆井工藝提供參考，提高鉆井施工風(fēng)險識別的能力，提高鉆井施工的安全。

目前測井公司隨鉆中心已經(jīng)成功研制出能隨鉆測量泥漿電阻率的儀器——MRL2711 泥漿電阻率隨鉆錄井儀，并準(zhǔn)備將此儀器的核心嵌入到鉆錄一體化的隨鉆儀器中，將隨鉆泥漿電阻率錄井儀的測量原理加以推廣，調(diào)整儀器結(jié)構(gòu)，就可以得到測量實鉆環(huán)境下鉆井液流速和流量的隨鉆電導(dǎo)率流量計。

1 相關(guān)流量測量技術(shù)的基本原理

隨鉆電導(dǎo)率流量計的測量原理是基于隨機過程中的互相關(guān)理論。相關(guān)流量測量技術(shù)的基本原理如圖 3 所示。在沿流體流動管道相距為已知距離 L 的兩個截面處，分別安裝有結(jié)構(gòu)相同上游傳感器和下游傳感器。

當(dāng)被測流體在鉆桿內(nèi)（或環(huán)空內(nèi)）作穩(wěn)定流動時，假設(shè)流體的流動滿足“凝固”模型，即多相流體的各相空間分布在上、下游傳感器之間沒有發(fā)生變化，兩傳感器的輸出信號是相同的，只是其中一路信號在時間上延遲了 τ0 即：

（1-1）

式中 τ0 就是流體的流動噪聲從上游傳感器運動到下游傳感器的時間，稱之為渡越時間。x（t）和 y（t）的互相關(guān)函數(shù) Rxy（τ）可由下式求得：

（1-2）

將式（1-1）帶入式（1-2）可得

（1-3）Rxx（τ）為自相關(guān)函數(shù)，Rxx（τ）定義為：

（1-4）

由自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可知：當(dāng) τ=0 時 Rxx（τ）取得***大值。故當(dāng) τ=τ0 時 Rxy（τ）取得***大值，即 x（t）和 y （t）的互相關(guān)函數(shù)峰值所對應(yīng)的 τ 值就是渡越時間。

根據(jù)隨機過程理論可知，對上、下游信號作互相關(guān)運算實際上就是在不同的延時值下比較兩信號波形的相似程度，

從而求出渡越時間。

在理想的流動狀態(tài)下，假設(shè)管道橫截面上各點處流體的速度相等，則流體的平均流速 Vcp 與流體的流動噪聲的運移速度即相關(guān)流速 Vcc 相等，相關(guān)流速表達(dá)式為：

（1-5）

式中 L 為上、下游傳感器的間距，τ0 為渡越時間。因而被測流體的流量為：

（1-6）

式中，A 是管道的橫截面積。

2 流量計傳感器結(jié)構(gòu)方案探討

目前較為流行的傳感器電極系一般是 3 組電極。其中激勵電極和激勵地用來建立電場，上下游電極對檢測所在位置的電勢差，獲得所在位置包含泥漿電阻率信息的曲線。

圖4 是環(huán)空泥漿電阻率測量電路的硬件設(shè)計框圖。OUT1

OUT2 是兩個相對獨立的泥漿電阻率測量探頭。微處理器作為邏輯控制和數(shù)字波形發(fā)生器，其輸出的數(shù)字波形經(jīng) D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換器變換為正弦波，經(jīng)功率放大器放大后送入電極系 A 電極發(fā)射出電流，電流經(jīng)泥漿后由 B 電極返回，發(fā)射電流流經(jīng)泥漿時產(chǎn)生電位差，M、N 電極測量探測到兩電極電位送入前置放大器、相敏檢波器，經(jīng) A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成測量，得到包含電阻率信息的曲線。微處理器控制多道開關(guān)在兩個測量電極間來回切換，得到包含電阻率信息的 2 條曲線。然后根據(jù)互相關(guān)算法，得到渡越時間。

4.結(jié)語

本文在以前隨鉆泥漿電導(dǎo)率儀器研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種在井下實鉆環(huán)境下測量水眼和環(huán)空流量的隨鉆電導(dǎo)率流量計。這種井下流量計能實時反應(yīng)所鉆遇地層鉆井液漏失和出水，提高鉆井施工的安全。