本发明涉及井下环空流量电磁测量装置，包括测试主轴、外壳、电极、线圈、电子板、电池组和开关，电极装在电极座上，电极的周围设有线圈，电子板固定在电子板座上，电池组的输出端与电子板的输入端电连接，测试主轴的侧壁上还装有开关；本发明还公开了利用该装置进行测量的测量方法。本发明的优点在于：研究环空条件下的电磁流量测量技术，为钻井过程中井下环空多相流流量电磁测量提供理论指导；通过获得的钻井过程中井下环空中返回的钻井液流量信息，为实现快速反应的微流量控制钻井技术提供技术支撑，为地面快速控制井口回压或微调钻井液密度，防止井涌、井漏等问题的发生，为实现在深井窄泥浆密度窗口条件下的安全而快速钻井提供技术保证。
1.井下环空流量电磁测量装置，其特征在于：包括测试主轴(1)、外壳(2)、电极(7)、线圈(8)、电子板(10)、电池组(16)和开关(19)，测试主轴(1)为中空结构，外壳(2)装于测试主轴(1)的外侧，测试主轴(1)的中部设有槽，该槽与外壳(2)的内壁形成腔体(4)，腔体(4)内沿周向设置有多个电极座(5)，电极(7)安装在电极座(5)上，电极(7)沿测试主轴(1)的径向设置，电极(7)与外壳(2)的连接处设有绝缘套(6)，电极(7)的周围设有线圈(8)，腔体(4)内还固定有电子板座(9)，电子板(10)固定在电子板座(9)上，测试主轴(1)的后端内沿轴线方向设置有电池套筒(15)，电池套筒(15)内装有电池组(16)，电池套筒(15)的一侧设有电池密封压套(12)，另一侧设有密封压帽(13)，电池密封压套(12)和密封压帽(13)将电池组(16)密封并固定在电池套筒(15)内，测试主轴(1)内沿轴线方向设置有导线孔(17)，导线孔(17)的一端与腔体(4)连通，另一端与测试主轴(1)的后端面连通，电池组(16)的输出端与电子板(10)的输入端通过导线连接，且导线从导线孔(17)中穿过，电子板(10)的输出端与线圈(8)连接，靠近测试主轴(1)后端的导线孔(17)内还配合安装有封焊塞销(18)，测试主轴(1)的侧壁上还安装有控制电池组(16)与电子板(10)断开或连接的开关(19)。
2.根据权利要求1所述的井下环空流量电磁测量装置，其特征在于：所述的外壳(2)的外侧还设置有外壳保护层(3)。
3.根据权利要求2所述的井下环空流量电磁测量装置，其特征在于：所述的外壳(2)的一端还设置有多个外壳定位销(11)，外壳定位销(11)依次穿过外壳保护层(3)和外壳(2)，并与测试主轴(1)的外壁配合连接。
4.根据权利要求1所述的井下环空流量电磁测量装置，其特征在于：所述的密封压帽(13)与测试主轴(1)之间还设置有橡胶垫(14)。
5.根据权利要求1所述的井下环空流量电磁测量装置，其特征在于：所述的开关(19)外侧安装有开关密封压套(20)，开关密封压套(20)通过弹性卡簧(21)固定在测试主轴(1)内。
6.如权利要求1～5任意一项所述的井下环空流量电磁测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、将测量装置放入井壁内，激励线圈(8)产生电磁场，当导电流体流过电磁场时，导电流体中产生与平均流速成正比的电压，其感应电压信号被两个与导电流体接触的电极检测到，通过电缆送至测试系统，测试系统对电压信号进行调理，具体包括放大、滤波，并将其转换成标准信号输出，得到电压；
其中，J为传导电流密度；D为电位移矢量；ρ为自由电荷体密度；E为电场强度；B为磁感应强度；t为时间，流动的导电媒质满足的本构关系：满足的边界条件：
代入位函数，假设流体电导率、介电常数均匀，是非磁性材料，可得：
(7)式等号右边第二项是包含了传输电荷密度的额外项，该额外项使方程关于流速具有了非线性属性，因此，流量计读数关于流速也就具有了非线性，但是在实际应用中，该额外项的影响是比较小的，可以忽略：(9)式为电磁流量计的基本方程，可以看成是具有动生源的泊松公式，动生电场源分布前增加了Z参数，(9)式的方程可以直接求解，或利用格林第二定理及其边界条件得到电极间电压信号的积分公式：W＝B×jv (11)
式中的jv是虚电流密度，表示流体不动的情况下，单位电流由正电极流向负电极的分布情况，由电极、管道形状和流体电磁属性决定；W是权函数，体现了流体各部分对感应电压的贡献大小，适当的选择权函数可以减弱流速分布对流量信号的影响，基于式(1)至式(11)及其推导过程，可以设计出最优化的电磁流量测量传感器，从而完成环空流量的测量。
井下环空流量电磁测量装置及测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及环空流量电磁测量技术领域，特别是井下环空流量电磁测量装置及测量方法。
背景技术
[0002] 随着我国石油天然气勘探开发领域的扩大，复杂地层、浅气层及老油田由于注水引起的地层高压等问题引起的石油天然气钻井安全问题更加严重。井喷是钻井过程中地层流体(石油、天然气和水)的压力大于井内压力而大量涌入井筒，并从井口无控制地喷出的现象。井喷危害极大，它不仅会造成地面环境污染，还会造成价值几百万甚至几千万的油气井报废，或人身伤亡的重大事故，给社会和油田的正常生产带来危害和重大经济损失。
[0003] 溢流是井喷的前兆，是钻井过程中井底压力不能平衡地层压力时，地层流体侵入井内的现象。在钻井过程中，由于种种原因地层流体会侵入井内，如不及时发现溢流，将造成钻井液污染及钻具腐蚀，严重时将造成重大的事故和危害。在目前的钻井井控作业中，对溢流的研究以及早期溢流监测是防止井喷、迅速平衡地层压力及正确制定压井方案的重要条件。及时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。
[0004] (1)目前我国钻井作业中监测溢流的常规方法是检测地面泥浆池内的钻井液液面高度，根据等量替换的原理，确定出地层流体进入井内的量，即溢流量，据此设计压井施工方案。该方法有两个方面问题，一是在地层流体早期侵入井内时，溢流量小，根据Anadrill/Schlumberger研究结果表明利用泥浆池增量法气侵后数分钟后才可以检测到溢流，存在严重的滞后；二是不能确定溢流的种类。因此现行的常规溢流测量方法对于及时发现溢流存在严重的不足。
[0005] (2)井下环空流量测量技术研究
[0006] 目前投入商业使用的MFC系统，其直接监测对象均为流量，其控制策略是物质守恒原理，是通过在传统的地面钻井液循环线路上安装微流量传感器和节流器来实现对钻井液压力、流量、当量循环密度、流速等参数的随钻实时监控，并同时进行反馈控制，使井筒内流体的量维持恒定，最终达到控压钻井的目的。但采用进出口流量法会有明显的滞后，即在井涌初期，进出口流量变化很小，无法发现气体的侵入，当发现进出口流量明显变化时，气体往往已经到达井口附近。对于油气钻井液而言，由于气体溶解度的影响，这种滞后现象更为明显，因此，采用进出口流量变化法监测井涌存在很大的局限性。
[0007] 为了克服通过进出口流量法监测井涌的不足，国外学者提出直接测量井下环空返回流量。目前，针对井下环空流量测量，国外自2004年起已经有人开始针对井下环空流量测量进行研究。如美国哈里伯顿公司的研究人员WEI Han等基于声学多普勒原理对井下流量测量进行了研究；基于该研究，2011年BP公司研究人员Mark W.Alberty提出了基于声学原理的随钻井下环空流量测量技术。
[0008] 近年来，由于流量测量条件的复杂性以及科学技术的迅速发展，人们对流量计量提出更新更高的要求，特种环境中或特殊工况下电磁流量计的生产与实现也成为生产厂商新的经济增长点，不断有研究人员开始探索并关注特种工况环境下电磁流量计相关理论研究。采用电磁测试法结构简单可靠,无可动部分,也没有阻碍被测钻井液流动的节流部件,不会发生堵塞问题,也几乎没有压力损失；不仅仅可以测量单相的导电性液体的流量,而且也可以测量液固两相介质的流量,并且不受所测介质的密度、粘度、压力、比重以及在一定范围内变化的电导率等参数变化的影响，耐腐蚀性能好。
[0009] 综上所述，实现钻井过程中井下环空流量的测量对于实现快速反应的微流量控制钻井具有核心作用，尽管近几年电磁流量测量相关的理论和井下仪器设计实践研究工作已经引起了国内外研究学者的广泛关注，但针对钻井过程中的环空流量电磁测量理论的研究还远远不够，主要体现在：
[0010] (1)现有的流量测量研究几乎都针对的是圆柱形流道流量的测量，很少有研究专门针对特殊的环形流道；
[0011] (2)目前没有任何研究针对钻井过程中的环空的基于电磁流量测量建立相关测量理论模型；
[0012] (3)由于钻井过程中井下环境十分特殊，是一个高温、高压、强震动和具有腐蚀性的环境，且地磁场和钻杆旋转对电磁测试都会产生影响，很少有研究考虑钻井过程中井下特殊环境对电磁流量测量的影响。
[0013] (4)传统电磁流量测量系统在测量高含水、油水多相流时，由于其非导电物质(气相、油相)含量低，对测量结果影响较小，测量结果较为准确；但是在钻井过程中当电磁流量装置测量非高含水油气水多相流时，其非导电物质含量高，对测量结果影响较大，测量结果误差较大。
发明内容
[0014] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种井下环空流量电磁测量装置及测量方法。
[0015] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：井下环空流量电磁测量装置，包括测试主轴、外壳、电极、线圈、电子板、电池组和开关，测试主轴为中空结构，外壳装于测试主轴的外侧，测试主轴的中部设有槽，该槽与外壳的内壁形成腔体，腔体内沿周向设置有多个电极座，电极安装在电极座上，电极沿测试主轴的径向设置，电极与外壳的连接处设有绝缘套，电极的周围设有线圈，腔体内还固定有电子板座，电子板固定在电子板座上，测试主轴的后端内沿轴线方向设置有电池套筒，电池套筒内装有电池组，电池套筒的一侧设有电池密封压套，另一侧设有密封压帽，电池密封压套和密封压帽将电池组密封并固定在电池套筒内，测试主轴内沿轴线方向设置有导线孔，导线孔的一端与腔体连通，另一端与测试主轴的后端面连通，电池组的输出端与电子板的输入端通过导线连接，且导线从导线孔中穿过，电子板的输出端与线圈连接，靠近测试主轴后端的导线孔内还配合安装有封焊塞销，测试主轴的侧壁上还安装有控制电池组与电子板断开或连接的开关。
[0016] 所述的外壳的外侧还设置有外壳保护层。
[0017] 所述的外壳的一端还设置有多个外壳定位销，外壳定位销依次穿过外壳保护层和外壳，并与测试主轴的外壁配合连接。
[0018] 所述的密封压帽与测试主轴之间还设置有橡胶垫。
[0019] 所述的开关外侧安装有开关密封压套，开关密封压套通过弹性卡簧固定在测试主轴内。
[0020] 所述的井下环空流量电磁测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0021] S1、将测量装置放入井壁内，激励线圈产生电磁场，当导电流体流过电磁场时，导电流体中产生与平均流速成正比的电压，其感应电压信号被两个与导电流体接触的电极检测到，通过电缆送至测试系统，测试系统对电压信号进行调理，具体包括放大、滤波，并将其装换成标准信号输出，得到电压；
[0022] S2、通过麦克斯韦方程微分形式组：
[0023]
[0024] 其中，J为传导电流密度；D为电位移矢量；ρ为自由电荷体密度；E为电场强度；B为磁感应强度；t为时间，流动的导电媒质满足的本构关系：
[0025]
[0026] 满足的边界条件：
[0027]
[0028] maxwell时谐场复数形式：
[0029]
[0030] 考虑到电场主要是库仑场，所以：
[0031]
[0032] 将本构关系(2)代入(4)式第一式可得：
[0033]
[0034] 代入位函数，假设流体电导率、介电常数均匀，是非磁性材料，可得：
[0035]
[0036] 其中
[0037]
[0038] (7)式等号右边第二项是包含了传输电荷密度的额外项，该额外项使方程关于流速具有了非线性属性，因此，流量计读数关于流速也就具有了非线性，但是在实际应用中，该额外项的影响是比较小的，可以忽略：
[0039]
[0040] (9)式为电磁流量计的基本方程，可以看成是具有动生源的泊松公式，动生电场源分布前增加了Z参数，该方程可以直接求解，或利用格林第二定理及其边界条件得到电极间电压信号的积分公式：
[0041]
[0042] 其中
[0043] W＝B×jv (11)
[0044] 式中的jv是虚电流密度，表示流体不动的情况下，单位电流由正电极流向负电极的分布情况，由电极、管道形状和流体电磁属性等决定；W是权函数，体现了流体各部分对感应电压的贡献大小，适当的选择权函数可以减弱流速分布对流量信号的影响，基于以上理论，可以设计出最优化的电磁流量测量传感器，从而完成环空流量的测量。
[0045] 本发明具有以下优点：
[0046] 1、本发明针对8-1/2″井眼，考虑多种影响因素，研究环空条件下的电磁流量测量技术，为钻井过程中井下环空多向流流量电磁测量提供理论指导。通过获得的钻井过程中井下环空中返回的钻井液流量信息，为实现快速反应的微流量控制钻井技术提供技术支撑，为地面快速控制井口回压或微调钻井液密度，防止井涌、井漏等问题的发生，为实现在深井窄泥浆密度窗口条件下的安全而快速钻井提供技术保证。
[0047] 2、本发明提出了井下多相流环空流量电磁测量理论模型，该模型也可应用于日常环空型流道的测量需要，实现井下环空流量电磁测量系统机构最优化设计。
[0048] 3、根据该模型研制的环空流量电磁测量系统把油气都当成不导电的干扰相，适用于测量以钻井液和岩屑为主体的多相流流体。
附图说明
[0049] 图1为本发明的剖视结构示意图；
[0050] 图2为图1中A-A剖视结构示意图；
[0051] 图3为图1中B-B剖视结构示意图；
[0052] 图4为图1中C-C剖视结构示意图；
[0053] 图中：1-测试主轴，2-外壳，3-外壳保护层，4-腔体，5-电极座，6-绝缘套，7-电极，8-线圈，9-电子板座，10-电子板，11-外壳定位销，12-电池密封压套，13-密封压帽，14-橡胶垫，15-电池套筒，16-电池组，17-导线孔，18-封焊塞销，19-开关，20-开关密封压套，21-弹性卡簧。
具体实施方式
[0054] 下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
[0055] 如图1所示，井下环空流量电磁测量装置，包括测试主轴1、外壳2、电极7、线圈8、电子板10、电池组16和开关19，测试主轴1为中空结构，外壳2装于测试主轴1的外侧，测试主轴1的中部设有槽，该槽与外壳2的内壁形成腔体4，腔体4内沿周向设置有多个电极座5，电极7安装在电极座5上，电极7沿测试主轴1的径向设置，电极7与外壳2的连接处设有绝缘套6，电极7的周围设有线圈8，腔体4内还固定有电子板座9，电子板10固定在电子板座9上，测试主轴1的后端内沿轴线方向设置有电池套筒15，电池套筒15内装有电池组16，电池套筒15的一侧设有电池密封压套12，另一侧设有密封压帽13，电池密封压套12和密封压帽13将电池组
16密封并固定在电池套筒15内，测试主轴1内沿轴线方向设置有导线孔17，导线孔17的一端与腔体4连通，另一端与测试主轴1的后端面连通，电池组16的输出端与电子板10的输入端通过导线连接，且导线从导线孔17中穿过，电子板10的输出端与线圈8连接，靠近测试主轴1后端的导线孔17内还配合安装有封焊塞销18，测试主轴1的侧壁上还安装有控制电池组16与电子板10断开或连接的开关19。
[0056] 所述的外壳2的外侧还设置有外壳保护层3。
[0057] 所述的外壳2的一端还设置有多个外壳定位销11，外壳定位销11依次穿过外壳保护层3和外壳2，并与测试主轴1的外壁配合连接。
[0058] 所述的密封压帽13与测试主轴1之间还设置有橡胶垫14。
[0059] 所述的开关19外侧安装有开关密封压套20，开关密封压套20通过弹性卡簧21固定在测试主轴1内。
[0060] 所述的井下环空流量电磁测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0061] S1、将测量装置放入井壁内，激励线圈8产生电磁场，当导电流体流过电磁场时，导电流体中产生与平均流速成正比的电压，其感应电压信号被两个与导电流体接触的电极检测到，通过电缆送至测试系统，测试系统对电压信号进行调理，具体包括放大、滤波，并将其装换成标准信号输出，得到电压；
[0062] S2、通过麦克斯韦方程微分形式组：
[0063]
[0064] 其中，J为传导电流密度；D为电位移矢量；ρ为自由电荷体密度；E为电场强度；B为磁感应强度；t为时间，流动的导电媒质满足的本构关系：
[0065]
[0066] 满足的边界条件：
[0067]
[0068] maxwell时谐场复数形式：
[0069]
[0070] 考虑到电场主要是库仑场，所以：
[0071]
[0072] 将本构关系(2)代入(4)式第一式可得：
[0073]
[0074] 代入位函数，假设流体电导率、介电常数均匀，是非磁性材料，可得：
[0075]
[0076] 其中
[0077]
[0078] (7)式等号右边第二项是包含了传输电荷密度的额外项，该额外项使方程关于流速具有了非线性属性，因此，流量计读数关于流速也就具有了非线性，但是在实际应用中，该额外项的影响是比较小的，可以忽略：
[0079]
[0080] (9)式为电磁流量计的基本方程，可以看成是具有动生源的泊松公式，动生电场源分布前增加了Z参数，该方程可以直接求解，或利用格林第二定理及其边界条件得到电极间电压信号的积分公式：
[0081]
[0082] 其中
[0083] W＝B×jv (11)
[0084] 式中的jv是虚电流密度，表示流体不动的情况下，单位电流由正电极流向负电极的分布情况，由电极、管道形状和流体电磁属性等决定；W是权函数，体现了流体各部分对感应电压的贡献大小，适当的选择权函数可以减弱流速分布对流量信号的影响，基于以上理论，可以设计出最优化的电磁流量测量传感器，从而完成环空流量的测量。
