井下环空流量电磁检测机理及模型试验研究

Normal microflux control system exists obviously supervising delay on the surface drilling fluid circulation pipeline. The downhole disasters of overflow or loss could be solved effectively by measuring the annular return downhole flow directly, which is difficult to develop because of complex downhole condition and lack of annular fluid measuring theory. To remedy the shortage of differential pressure method and ultrasonic method in flow rate measurement, the theory of electromagnetic measurement of downhole annular flow rate is studies in this paper. Based on the electromagnetic optimization measurement theory for round pipeline and the particular downhole environment, the electromagnetic model of the electromagnetic measurement of downhole annular flow is constructed and solved if boundary conditions are provided. And then, based on ANSYS and MATLAB, the magnetic distribution and the computer simulation model of the measuring devices of electromagnetic flow are constructed, and the optimal structure design is completed when coil structure, measuring structure, excited field and electrode are analyzed based on the simulation model. Finally, a multiphase annular flow measurement experiment device is constructed and is used to verify and modify the theory model researched in this paper. The research results provide the theory principle of the electromagnetic measurement device of downhole multiphase annular flow, which may improve the safety of drilling proceeding.

目前常规微流量控制系统在地面钻井液循环管线上监测有明显的滞后，通过直接测量井下环空流量是解决溢流或漏失等井下事故的有效途径。然而，井下工况复杂，现有环形空间流量检测理论很少，成为制约该项技术推广应用的主要瓶颈。本项目针对差压法与超声波流量检测方法的不足，拟对井下环空流量电磁检测机理开展研究。在考虑井下特殊环境基础上，通过已有的圆形管道电磁最优化检测理论，建立井下环空流量电磁测量电磁学模型并通过边界条件进行求解；进而进行环空流道的流场仿真，基于ANSYS和MATLAB实现井下环空电磁流量测量装置的磁场分布及计算机仿真模型，结合模型仿真分析线圈结构、测量结构、激励磁场以及电极等，实现测量系统的最优结构设计；最后通过搭建多相流环空流量测量模拟实验装置进行实验研究，验证并修正研究的环空流量电磁测量理论模型，为安全钻井过程中井下环空多向流流量电磁测量装置设计提供理论依据。

随着油气田勘探开发力度的增大，工况复杂的钻井作业日益增加，由于仪器设备技术落后等原因，已经无法完全满足在这些特殊地区进行钻井作业的要求，容易引发溢流、漏失或其他复杂情况。而采用井下微流量控制钻井技术来解决这些问题，使用随钻井下环空流量测量技术实时获取井下的环空流量信息是实现井下微流量控制钻井技术的核心部分。. 近年来快速发展的电磁流量计研究为井下环空流量测量提供了机遇，本项目开展钻井过程中井下的环空流量电磁测量基础理论和方法方面的研究工作，建立井下环空流量电磁测量仿真模型，分析影响井下环空流量电磁测量的影响因素，设计了环空流量电磁测量的地面样机并完成了相关的实验测试，本项目具体开展了以下几个方面的工作：1. 整理与研究了前人在环空流量电磁检测相关领域中的相关重要理论研究成果，并在此基础上进行了分析和推导；2.对环空流量电磁测量系统虚电流求解进行了研究；3.基于COMSOL仿真软件对环空电磁流量测量系统的激励系统结构进行了设计和优化；4.对环空流量电磁系统的响应特性进行了仿真研究；5.实现了井下环空流量电磁系统地面实验样机；6.为验证地面样机功能，搭建了地面试验平台，并对样机进行了测试。. 本项目的研究为以后实现井下环空流量电磁测量仪器打下基础，该技术的研究对发现和检测早期的溢流，对于预防井喷事故、减小井喷造成的设备损坏、保护人员和油气资源及减少环境污染，确保使地下油气资源能安全有效地开发利用具有重要的作用和意义。