精確發(fā)現(xiàn)溢流研究及電磁流量計(jì)在西北工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
來(lái)源：www.wxchgg.com作者：發(fā)表時(shí)間：2017-10-27 09:27:16【小中大】
摘 要 石油鉆探過(guò)程中，井控工作關(guān)乎人員、設(shè)備、生產(chǎn)安全，及時(shí)、精確發(fā)現(xiàn)溢流是井控安全預(yù)防的關(guān)鍵。中國(guó)石化西北油田結(jié)合目前常規(guī)的監(jiān)測(cè)方式，研發(fā)出高架槽上能夠減緩鉆井液波動(dòng)、提升溢流監(jiān)測(cè)靈敏性的“雙擋板”裝置和鉆井液罐上的減緩液面波動(dòng)裝置并進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)探索電磁流量計(jì)在鉆井現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)出口流量的應(yīng)用；在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，建立了溢流預(yù)警模型，開發(fā)出智能監(jiān)測(cè)溢流預(yù)警系統(tǒng)并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。結(jié)果表明，上述方法與綜合錄井目前溢流監(jiān)測(cè)方法相比，有效提高了溢流預(yù)報(bào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，應(yīng)用效果良好。
０ 引 言
井控安全是石油鉆井施工安全的重要保證，因?yàn)榇蠖鄶?shù)井從發(fā)現(xiàn)溢流到井噴持續(xù)時(shí)間只有５～１０ｍｉｎ，有的時(shí)間更短，甚至溢流和井噴同時(shí)發(fā)生，所以溢流越早發(fā)現(xiàn)越容易處理，并可避免引發(fā)井噴事故［１－２］。西北油田主力區(qū)塊油藏以縫洞型碳酸鹽巖為主，具有“超深、高溫、高壓、高礦化度”等特點(diǎn)，特別是順北、順南、順托區(qū)塊油氣“三高”特征更加明顯，鉆進(jìn)過(guò)程中井控風(fēng)險(xiǎn)增大。在西北油田現(xiàn)場(chǎng)，主要是利用安裝在鉆井液出口處高架槽上和鉆井液循環(huán)罐上的超聲波液位傳感器錄取到的液面高度變化數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算溢流量，通過(guò)綜合錄井儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并設(shè)置報(bào)警門限實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)配套鉆機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)行專人輪值坐崗。
高架槽處鉆井液流動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力和鉆井液循環(huán)罐攪拌機(jī)攪拌產(chǎn)生的液面波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致超聲波傳感器獲取的數(shù)據(jù)存在誤差。綜合錄井儀軟件系統(tǒng)的異常預(yù)報(bào)，往往限于單參數(shù)的超限提醒，一般采用的是閾值法，即高低門限設(shè)定報(bào)警［３］。由于報(bào)警邏輯簡(jiǎn)單，在井場(chǎng)施工的復(fù)雜環(huán)境下，可能發(fā)生誤報(bào)，造成操作人員“報(bào)警麻木”。對(duì)此，中國(guó)石化西北油田從減緩、消除高架槽和鉆井液罐液面波動(dòng)及利用綜合錄井儀智能監(jiān)測(cè)溢流等方面入手，進(jìn)行研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并取得了良好效果。
１ 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)減緩液面波動(dòng)裝置
出口流量和池體積是目前地面監(jiān)測(cè)溢流最重要的兩個(gè)參數(shù)，保證這兩項(xiàng)參數(shù)源頭數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對(duì)發(fā)現(xiàn)溢流至關(guān)重要。
１．１ 參數(shù)錄取準(zhǔn)確性影響因素
高架槽處（出口流量）：西北油田鉆井作業(yè)工區(qū)高架槽的安裝坡度為１°～３°，氣測(cè)錄井需安裝電動(dòng)脫氣器，在距離緩沖罐０．５～１ｍ處安裝擋板，已達(dá)到能滿足電動(dòng)脫氣器正常工作的狀態(tài)。鉆井液遇到擋板后液面升高，當(dāng)液面高度與擋板相同時(shí)，一部分鉆井液越過(guò)擋板流向緩沖罐，一部分鉆井液則反向流動(dòng)，導(dǎo)致?lián)醢迩暗你@井液液面產(chǎn)生波動(dòng)，且出口流量監(jiān)測(cè)波動(dòng)非常明顯。
鉆井液罐處（池體積）：鉆井液罐上攪拌機(jī)攪拌過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致鉆井液液面明顯波動(dòng)，從而使超聲波
傳感器采集到的鉆井液池體積數(shù)據(jù)誤差及波動(dòng)較大，影響池體積增量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。
１．２ 減緩液面波動(dòng)裝置研發(fā)
將高架槽處（出口流量）的擋板移至導(dǎo)管出口后方０．５ｍ處，為“擋板１”（圖１、圖２ａ），同時(shí)加裝“擋板２”于脫氣器之后靠近緩沖罐處。
“擋板１”對(duì)從導(dǎo)管中流出的鉆井液起到緩沖的作用，當(dāng)鉆井液流向“擋板２”時(shí)流速顯著減緩，以達(dá)到減緩液面波動(dòng)的目的。調(diào)節(jié)擋板的高度，使鉆井液和巖屑可以從“擋板１”底部的弧狀通道流出，降低巖屑沉積的程度。
“擋板２”由圖２ｂ中展示的擋板形態(tài)改進(jìn)為擋板中間切割出一矩形通道，同時(shí)加裝兩塊掛板（圖２ｃ）。可以根據(jù)泵排量有效調(diào)節(jié)鉆井液通過(guò)擋板的寬度，以實(shí)現(xiàn)鉆井液流量變化時(shí)液面高度有顯著變化，提升溢流監(jiān)測(cè)的靈敏性。鉆井液排量大時(shí)，鉆井液和巖屑可以從矩形通道流過(guò)，排量小時(shí)，鉆井液和巖屑從擋板２底部的弧形通道通過(guò)。
根據(jù)Ｕ型管原理，在鉆井液循環(huán)罐安裝池體積傳感器的位置懸掛一根直徑約為３０ｃｍ，長(zhǎng)度小于鉆井液罐高度且底部能浸入鉆井液的鋼管，鋼管一側(cè)開一條寬約６ｃｍ的縱向縫，鋼管內(nèi)鉆井液液面與鉆井液罐中的液面高度一致；加工一個(gè)空心浮球，在該球上方焊一塊直徑略小于圓管內(nèi)徑的圓形鐵板，放置在鋼管內(nèi)（圖３），使池體積傳感器檢測(cè)平板位置的高度，以消除鉆井液波動(dòng)、消除氣泡對(duì)池體積傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響。
１．３ 減緩液面波動(dòng)裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果
１．３．１ 高架槽處雙擋板裝置試驗(yàn)
將“雙擋板”裝置在高架槽上安裝后，超聲波液位傳感器檢測(cè)到高架槽液面波動(dòng)明顯減緩，出口流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)（圖４）。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，證實(shí)“雙擋板”能減緩高架槽因鉆井液流動(dòng)造成的液面波動(dòng)影響，與安裝原有擋板的情況相比，高架槽內(nèi)沉砂差別不大，均可通過(guò)起下鉆期間清理沉砂的方式消除其影響。
兩口井分別在不同鉆井液排量下測(cè)試了原擋板和改進(jìn)后“雙擋板”裝置的出口流量變化值。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加泵沖排量模擬溢流時(shí)，“雙擋板”裝置的靈敏性液面高差比原擋板有顯著增高（表１）。
１．３．２ 鉆井液罐處浮球式裝置試驗(yàn)ＴＰ １井３號(hào)泥漿罐和４號(hào)泥漿罐安裝該裝置前，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線呈毛刺狀，波動(dòng)起伏明顯；安裝該裝置后有明顯的改善，曲線平穩(wěn)（圖５）。
２ 電磁流量計(jì)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
電磁流量計(jì)已經(jīng)成熟應(yīng)用于地面管線測(cè)流量，原理為法拉第電磁感應(yīng)定律。由于測(cè)量方式不受流體溫度、壓力、密度和電導(dǎo)率變化的影響，其在復(fù)雜的鉆井液環(huán)境中，具有較強(qiáng)適應(yīng)性。
２．１ 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)
電磁流量計(jì)系統(tǒng)硬件部分主要包括：電磁流量計(jì)２個(gè)，脫氣器、沉砂助推器各１臺(tái)，防爆控制柜、采集機(jī)柜各１個(gè)，工控機(jī)１套（圖６）。電磁流量計(jì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)必要條件：電磁流量計(jì)需滿管測(cè)量，且前后要保持５Ｄ、３Ｄ（Ｄ為電磁流量計(jì)直徑）的直管段。自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警：選取入口流量和出口流量的差值設(shè)置報(bào)警門限，出口大于入口為溢流，出口小于入口為漏失，當(dāng)二者差值超過(guò)報(bào)警門限時(shí)，系統(tǒng)顯示報(bào)警。
２．２ 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
２．２．１ 現(xiàn)場(chǎng)安裝
鉆井液出、入口處均安裝三通，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常，可以迅速恢復(fù)正常生產(chǎn)。入口流量計(jì)安裝在鉆井液上水罐和鉆井液泵之間管線上，為了滿足電磁
流量計(jì)滿管測(cè)量要求，流量計(jì)外觀設(shè)計(jì)為Ｕ型管，需在入口處挖出長(zhǎng)、寬、高分別為３ｍ、１.８ｍ、３．３ｍ的深槽（圖７）。出口流量計(jì)安裝在防溢管和緩沖槽之間，為了滿足電磁流量計(jì)滿管測(cè)量要求，也設(shè)計(jì)為Ｕ型管（圖８）。
為減少氣體對(duì)電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)可能產(chǎn)生的影響，在Ｕ型管頂端安裝脫氣器；為防止Ｕ型管底部出現(xiàn)沉砂，在Ｕ型管底部安裝防沉砂助推器。
２．２．２ 試驗(yàn)條件
奧陶系灰?guī)r地層鉆進(jìn)施工，井深為６１９３．００ｍ，鉆井液低固相聚磺鉆井液體系，密度為１．１７ｇ／ｃm³。標(biāo)定進(jìn)、出口流量計(jì)及采集機(jī)使其與實(shí)際泵排量一致，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
２．２．３ 試驗(yàn)步驟
①溢流模擬：調(diào)節(jié)入口管線三通處閥門，使經(jīng)過(guò)入口處電磁流量計(jì)的流量從大變小，出口流量保持不變，模擬溢流，觀察系統(tǒng)報(bào)警情況。
②脫氣器試驗(yàn)：打開和關(guān)閉脫氣器，對(duì)比出口處電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化，分析氣體對(duì)電磁流量計(jì)的影響。
③氣侵模擬：從鉆井井口四通閥門間歇性注氣（８ＭＰａ氮?dú)猓M地層氣體逸出井口，觀察電磁流量計(jì)能否有效識(shí)別。
２．２．４ 試驗(yàn)效果
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)出口流量時(shí)，鉆井液內(nèi)氣體對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)影響，流量變化時(shí)自動(dòng)彈出報(bào)警界面，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)靈敏（耗時(shí)＜３ｓ），能夠敏銳地發(fā)現(xiàn)氣侵，實(shí)現(xiàn)在鉆井過(guò)程中發(fā)現(xiàn)溢流的目的。
３ 智能監(jiān)測(cè)溢流預(yù)警系統(tǒng)
整理分析西北油田近５年６４口井８７次溢流資料可知，溢流主要發(fā)生在鉆進(jìn)工況下，提離井底、起鉆、劃眼溢流發(fā)生概率相近，下鉆工況相對(duì)安全。從參數(shù)變化情況看，在發(fā)生的溢流事件中出口流量、池體積、氣測(cè)值都發(fā)生了異常變化，而立壓異常概率接近５０％，鉆時(shí)、出口密度、出口電導(dǎo)率異常概率約為３０％，其他參數(shù)變化概率較低［４］。
３．１ 基礎(chǔ)判斷規(guī)則
依據(jù)溢流的成因及誘發(fā)因素，對(duì)溢流事件進(jìn)行早期預(yù)警和核實(shí)報(bào)警。早期預(yù)警指通過(guò)參數(shù)基值運(yùn)算和參數(shù)異常時(shí)間判斷功能剔除單參數(shù)假異常，做到單參數(shù)預(yù)警提醒的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，針對(duì)鉆時(shí)模塊、氣測(cè)值模塊、立壓模塊、高壓模塊（立壓上升同時(shí)懸重下降）、出口流量模塊、池體積模塊進(jìn)行早期預(yù)警提醒。核實(shí)報(bào)警是在出口流量、池體積參數(shù)同時(shí)增加時(shí)判斷為溢流，溢流模塊報(bào)警。一旦出現(xiàn)能夠誘發(fā)溢流或是溢流前兆的異常即進(jìn)行早期預(yù)警，在與溢流直接相關(guān)的多參數(shù)發(fā)生異常后則進(jìn)行核實(shí)報(bào)警，基礎(chǔ)判斷規(guī)則如表２所示［４］。
３．２ 數(shù)據(jù)處理分析方法
對(duì)各類原始的工程參數(shù)進(jìn)行二次處理（如平均值、變化率、振幅計(jì)算）與分析，比原始值能更直接地反映鉆井異常的變化狀態(tài)，也能有效發(fā)現(xiàn)濾除噪聲等非事故因素引起的參數(shù)異常變化，提高預(yù)警的有效性和準(zhǔn)確性；在數(shù)據(jù)處理后建立參數(shù)的實(shí)時(shí)背景基線，以此為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)與分析，進(jìn)而根據(jù)人工設(shè)定的正常變化閾值判斷參數(shù)是否發(fā)生異常，如圖９所示［４］
３．３ 特殊變量引入
引入時(shí)間窗：界定參數(shù)超限時(shí)長(zhǎng)的異常判斷標(biāo)準(zhǔn)，排除參數(shù)正常波動(dòng)變化，假定參數(shù)超限時(shí)長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)為ｔ０，如圖１０所示，如果參數(shù)超過(guò)異常閾值上限的時(shí)間（ｔ）小于定義的超限標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間參數(shù)ｔ０，則視為未發(fā)生異常。
引入權(quán)重系數(shù)：在多參數(shù)的綜合判斷中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況定義各參數(shù)的權(quán)重系數(shù)，其中持續(xù)、關(guān)鍵的參數(shù)作為必要參數(shù)，在多參數(shù)判斷中占主導(dǎo)地位，提高相應(yīng)參數(shù)在判斷中的比重設(shè)置（如高壓油氣井適當(dāng)增加立壓和懸重的權(quán)重）。西北工區(qū)根據(jù)油氣層類型設(shè)置了５種參數(shù)權(quán)重配置（表３ ）。
３．４ 起下鉆灌漿返漿情況監(jiān)測(cè)
起、下鉆工況下，針對(duì)灌漿、返漿情況建立監(jiān)測(cè)機(jī)制，獲取灌漿罐與鉆具體積參數(shù)，對(duì)比灌漿、返漿量與鉆具排替理論量，判斷起、下鉆過(guò)程中是否發(fā)生溢流。其計(jì)算公式如下：
Ｖｇ＝Ｖ２－Ｖ１；Ｖｔ＝Ｖｄ；Ｖｅ＝Ｖｇ－Ｖｔ＋ｎ
即：Ｖｅ＝Ｖ２－Ｖ１－Ｖｄ＋ｎ
式中：
Ｖｇ為實(shí)際灌漿、返漿量，m³；
Ｖ１為灌漿罐靜止體積，m³；
Ｖ２為灌漿罐變化至再次靜止的體積，m³；
Ｖｔ為鉆具排替體積，m³；
Ｖｄ為鉆具體積（根據(jù)情況可能為壁厚體積或外徑體積），m³；
Ｖｅ為實(shí)際與理論差值，m³；ｎ為系統(tǒng)誤差常量值，m³。
３．５ 溢流預(yù)警系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)模塊化、組件化、開放式設(shè)計(jì)，具有良好的可維護(hù)和可擴(kuò)展能力。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集接口插件、數(shù)據(jù)處理模塊、預(yù)警模型框架、主程序框架及數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，如圖１１所示［４］。
在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，通過(guò)綜合錄井儀數(shù)據(jù)接口插件獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理分析，根據(jù)當(dāng)前工況將處理后的數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入預(yù)警模型進(jìn)行綜合判斷，隨后輸出系統(tǒng)判斷結(jié)果進(jìn)行人機(jī)交互，在交互的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)與預(yù)警模型的進(jìn)一步修正完善［４－６］。
４ 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
該系統(tǒng)在西北油田１６口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)部署應(yīng)用，累計(jì)運(yùn)行５６２ｄ，能夠較準(zhǔn)確地識(shí)別真、假溢流。通過(guò)合理的參數(shù)配置，能夠有效排除易引起誤報(bào)的異常，如鉆井參數(shù)的變化、傳感器電磁干擾等因素造成的參數(shù)變化。
４．１ 應(yīng)用情況１
ＴＫ ９１５－１２Ｈ井在２０１７年０３月２３日２２：２４鉆進(jìn)至井深６０７８．１５ｍ，出口流量從１９．０３％上升至５０．４２％，總池體積從１１６．３４m³上升至１１６．６２m³。值班人及時(shí)通知司鉆和鉆井隊(duì)工程師，鉆井隊(duì)于２２：２６成功關(guān)井，關(guān)井套壓為１．０ＭＰａ，溢流量０．２８m³。智能預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)監(jiān)測(cè)到出口流量異常，并實(shí)時(shí)跟蹤發(fā)展態(tài)勢(shì)，較綜合錄井儀提前４９ｓ報(bào)警，為鉆井隊(duì)及時(shí)處理井內(nèi)工程復(fù)雜贏得寶貴時(shí)間。
４．２ 應(yīng)用情況２
ＴＫ ９１５－１２Ｈ井正常鉆進(jìn)過(guò)程中，接單根時(shí)綜合錄井儀由于停開泵各相關(guān)參數(shù)會(huì)頻繁報(bào)警，尤其停泵后總池體積由于管線回流會(huì)明顯增加，開泵后鉆井液泵入井筒過(guò)程中總池體積會(huì)明顯減少。由于該系統(tǒng)能智能識(shí)別停開泵時(shí)各相關(guān)參數(shù)的變化，未發(fā)生頻繁報(bào)警。
５ 結(jié) 論
①高架槽“雙擋板”裝置不僅對(duì)高架槽液面波動(dòng)能夠起到很好的減緩作用，還可以更加靈敏地反映高架槽出口流量變化，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)井漏或溢流。
②鉆井液罐減緩液面波動(dòng)裝置的試驗(yàn)表明，利用Ｕ型管原理能夠有效減緩使用鉆井液攪拌機(jī)引起的液面波動(dòng)，浮球式的裝置改進(jìn)進(jìn)一步有效解決了管內(nèi)氣泡積聚的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了井漏或溢流發(fā)生時(shí)鉆井液體積變化量數(shù)據(jù)的精確測(cè)量。
③上述兩種裝置保證了源頭數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確錄取，能夠更加有效監(jiān)測(cè)溢流。
④電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，比目前監(jiān)測(cè)溢流的方式更加靈敏，但其安裝受場(chǎng)地條件限制，且起、下鉆情況下溢流的監(jiān)測(cè)有待進(jìn)一步研究。
⑤智能監(jiān)測(cè)溢流預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)︿浫?shù)據(jù)進(jìn)行二次分析，實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)基值，且引入時(shí)間窗和參數(shù)權(quán)重等變量，能夠更加及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷是否發(fā)生溢流，能夠有效減少“誤報(bào)”的次數(shù)，具有一定的推廣意義。
作者：電磁流量計(jì)
版權(quán)屬于：中國(guó)石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心，原文作者：韓軍偉、楊紅滿、張軍陽(yáng)
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