[发明专利]基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测装置及检测方法

权利要求书

1.一种基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测装置，其特征在于该装置包括：

声波信号发射装置，所述声波信号发射装置用于向钻井液中发射声波信号；

声波信号接收装置，所述声波信号接收装置用于接收钻井液中的声波信号；以及，

数据采集与处理系统，所述数据采集与处理系统用于控制所述声波信号发射装置工作，并采集来自所述声波信号接收装置接收的声波信号，通过分析同一声波信号沿不同声波传播路径到达所述声波信号接收装置的时间差，确定钻杆刺漏点位置；其中：确定钻杆刺漏点位置为结合钻井液相关参数计算得出井下钻杆刺漏点处的深度，具体过程为：

不同路径的声波传播距离不同，声波在钻井液中传播的速度计算公式满足：

式中，v代表声波在钻井液中的传播速度，单位m/s；ρ代表钻井液流体的密度，单位kg/m³；k代表钻井液流体的体积弹性模量，单位MPa；

钻井液的流动速度计算公式满足：

式中，v_d,i、v_a,i分别代表钻井液在对应钻杆、环空段中的流动速度，单位m/s；Q代表钻井液泵排量，单位L/s；d_in,i代表对应位置段处的钻杆内径，单位mm；d_out,i代表对应位置段处的钻杆外径，单位mm；d_c,i代表对应位置段处的套管内径，单位mm；

已知井深H，假设钻杆刺漏点深度为h，则声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离ΔL＝2(H-h)；

传播距离差值与时间差值的公式表示如下：

式中，ΔL为声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离，单位m；ΔL_d为钻杆中声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离，单位m；ΔL_a为环空中声波传播长路径比声波传播短路径多出的传播距离，单位m；Δt为声波信号两个峰值的时间间隔，单位s；n₁、n₂分别为刺漏点到井底路径中钻杆、环空的变径段数；ΔL_d,i、ΔL_a,i分别为刺漏点到井底路径中钻杆、环空的不同变径段长度，单位m；

通过以上公式求解即可根据所接收声波信号波峰的时间差计算得出井下钻杆刺漏点处的深度。

2.根据权利要求1所述的基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测装置，其特征在于，所述声波信号发射装置包括声波信号发射器接头、出液端接头和声波信号发射器；所述声波信号发射器接头后端部密封连接所述出液端接头的前端部形成管体，所述管体内径与安装钻井的立管外径相匹配；所述声波信号发射器接头的前端部围设有所述声波信号发射器，所述声波信号发射器接头与所述出液端接头连接的间隙形成空心圆柱形空间，所述空心圆柱形空间内设置黄铜套管及压电堆，所述压电堆通过所述声波信号发射器接头设置的线孔连接所述声波信号发射器用于为其进行供电，所述声波信号发射器连接所述数据采集与处理系统。

3.根据权利要求2所述的基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测装置，其特征在于，所述压电堆由被施加预紧力而相互叠加组成的多片压电陶瓷圆环片及薄电极圆环片组成，所述压电堆两端装有绝缘垫片实现电磁的隔离，所述压电堆的正极引线的一端接在所述压电堆的正极及与其紧靠的绝缘垫片之间，所述压电堆的负极引线的一端接在所述压电堆的负极及与其紧靠的绝缘垫片之间，所述压电堆正极引线和负极引线另一端均穿过所述压电堆的绝缘垫片及线孔连接所述声波信号发射器，实现对所述声波信号发射器的电池供电。

4.根据权利要求2或3所述的基于声波时差的钻杆刺漏点位置检测装置，其特征在于，所述声波信号发射器接头的后端部外侧周向采用阶梯状结构，所述声波信号发射器接头的阶梯状结构设置有后端外密封螺纹和外壁下台阶外密封螺纹；相应地，所述出液端接头的前端部内侧周向采用阶梯状结构，所述出液端接头的阶梯状结构设置有前端内密封螺纹和内壁下台阶内密封螺纹；所述声波信号发射器接头的外壁下台阶面与所述出液端接头的前端处设置有外密封橡胶垫圈，所述出液端接头的内壁台阶面与所述声波信号发射器接头的后端处装设置内密封橡胶垫圈。