[发明专利]用于计算流速的系统和方法

说明书

本发明公开用于计算流速的系统和方法。该系统包括至少两个超声传感器、超声收发装置及信号处理装置。至少两个超声传感器被设置在用于流体流过的管道上，至少两个超声传感器具有不同的超声束路径，并且，至少两个超声传感器的超声束路径具有重叠区域。超声收发装置用于激励至少两个超声传感器，并且用于通过至少两个超声传感器中的一个或多个向管道发射一个或多个超声信号，并通过至少两个超声传感器接收超声信号。信号处理装置用于对接收到的超声信号进行处理，从而能够精确地计算出流体的流速。本发明的系统和方法能够应用于多个领域，具有较高的应用价值。

技术领域

本发明大体涉及计算流速的系统和方法，尤其涉及一种在钻井过程中用于计算流速的系统和方法。

背景技术

在钻井时，可转动的钻头设置在钻杆上，海面平台通过钻杆对钻头进行控制，钻杆驱动钻头转动，从而从海床下钻出井筒。在此期间，来自设置在海面平台的流体罐中的钻井液通过钻杆到达钻头，然后，通过形成于钻杆和立管之间的环形空间来返回流体罐中。钻井液维持了一定的静水压力来平衡来自井筒的流体的压力并对钻头进行冷却。另外，钻井液与井筒形成过程中产生的物料相混合以返回并携带其到海面进行处理。

在钻井过程中，当从井壁中进入井筒中的流体的压力大于钻井液的压力时，则会导致地层中的流体随同钻井液一同进入环形空间中，从而产生较大压力的返回的钻井液，如果控制不当就会导致井喷的发生。因此，需要对返回的钻井液进行实时的监控测量以确定是否会发生井喷。通常，通过对返回的钻井液的流速进行测量来确定流体是否发生变化，从而来监控井喷的发生，确保钻探的安全运行。

图1a示出一种立管的轴向示意图及图1b示出一种立管的横向示意图。如图1a和1b所示，已知使用任一个超声传感器能够计算出在立管11中流动的返回的钻井液130(如图3所示)在平行于超声束路径的方向上的流速v_i，然后，在不考虑返回的钻井液130的横向流速分量v_R的情况下，直接将返回的钻井液130在平行于超声束路径的方向上的流速v_i投影到轴向方向(即z轴方向)，从而可以计算出返回的钻井液130的轴向流速v_z，即z轴方向上的流速分量v_z。然而，在实际操作中，钻杆会不时地移动，当钻杆移动时，返回的钻井液130的横向流速分量v_R所作出的贡献非常明显，此时，返回的钻井液130的横向流速分量v_R是不能被忽略的。在这种情况下，仅使用一个超声传感器是无法计算出返回的钻井液130的轴向流速v_z和横向流速分量v_R，即返回的钻井液130的二维流速。进一步地，横向流速分量v_R可以分解成x轴方向上的流速分量v_x和y轴方向上的流速分量v_y。因此，通过一个超声传感器更无法计算出返回的钻井液130的在x轴、y轴、z轴方向上的流速分量v_x、v_y、v_z，即返回的钻井液130的三维流速。

因此，有必要提供一种改进的系统和方法以解决如上所述的至少一个问题。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种用于计算流速的系统，其包括至少两个超声传感器、超声收发装置及信号处理装置。其中，所述至少两个超声传感器被设置在用于流体流过的管道上，所述至少两个超声传感器具有不同的超声束路径，并且，所述至少两个超声传感器的超声束路径具有重叠区域。超声收发装置用于激励所述至少两个超声传感器，并且用于通过所述至少两个超声传感器中的一个或多个向所述管道发射一个或多个超声信号，并且，通过所述至少两个超声传感器接收超声信号。信号处理装置用于对所述接收到的超声信号进行处理，以计算出所述流体的流速。