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率儀器研究的基礎上，設計出一種在井下實鉆環(huán)境下測量水眼和環(huán)空流量的隨鉆電導率流量計。這種流量計能實時反應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)整儀器結構，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率流量計。

1 相關流量測量技術的基本原理

隨鉆電導率流量計的測量原理是基于隨機過程中的互相關理論。相關流量測量技術的基本原理如圖 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，分別安裝有結構相同上游傳感器和下游傳感器。

當被測流體在鉆桿內(nèi)（或環(huán)空內(nèi)）作穩(wěn)定流動時，假設流體的流動滿足“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）為自相關函數(shù)，Rxx（τ）定義為：

（1-4）

由自相關函數(shù)的性質(zhì)可知：當 τ=0 時 Rxx（τ）取得***大值。故當 τ=τ0 時 Rxy（τ）取得***大值，即 x（t）和 y （t）的互相關函數(shù)峰值所對應的 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流速 Vcc 相等，相關流速表達式為：

（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 流量計傳感器結構方案探討

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)互相關算法，得到渡越時間。

4.結語

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