精確發(fā)現(xiàn)溢流研究及電磁流量計在西北工區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用
來源：m.tzzwkj.com作者：發(fā)表時間：2017-10-27 09:27:16【小中大】
摘 要 石油鉆探過程中，井控工作關(guān)乎人員、設(shè)備、生產(chǎn)安全，及時、精確發(fā)現(xiàn)溢流是井控安全預(yù)防的關(guān)鍵。中國石化西北油田結(jié)合目前常規(guī)的監(jiān)測方式，研發(fā)出高架槽上能夠減緩鉆井液波動、提升溢流監(jiān)測靈敏性的“雙擋板”裝置和鉆井液罐上的減緩液面波動裝置并進行試驗，同時探索電磁流量計在鉆井現(xiàn)場監(jiān)測出口流量的應(yīng)用；在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，建立了溢流預(yù)警模型，開發(fā)出智能監(jiān)測溢流預(yù)警系統(tǒng)并在現(xiàn)場應(yīng)用。結(jié)果表明，上述方法與綜合錄井目前溢流監(jiān)測方法相比，有效提高了溢流預(yù)報的及時性和準(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，因為大多數(shù)井從發(fā)現(xiàn)溢流到井噴持續(xù)時間只有５～１０ｍｉｎ，有的時間更短，甚至溢流和井噴同時發(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，特別是順北、順南、順托區(qū)塊油氣“三高”特征更加明顯，鉆進過程中井控風(fēng)險增大。在西北油田現(xiàn)場，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)來計算溢流量，通過綜合錄井儀實時監(jiān)測并設(shè)置報警門限實現(xiàn)自動報警，同時配套鉆機監(jiān)視系統(tǒng)實行專人輪值坐崗。
高架槽處鉆井液流動產(chǎn)生的沖擊力和鉆井液循環(huán)罐攪拌機攪拌產(chǎn)生的液面波動會導(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，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)定報警［３］。由于報警邏輯簡單，在井場施工的復(fù)雜環(huán)境下，可能發(fā)生誤報，造成操作人員“報警麻木”。對此，中國石化西北油田從減緩、消除高架槽和鉆井液罐液面波動及利用綜合錄井儀智能監(jiān)測溢流等方面入手，進行研究和現(xiàn)場試驗并取得了良好效果。
１ 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)減緩液面波動裝置
出口流量和池體積是目前地面監(jiān)測溢流最重要的兩個參數(shù)，保證這兩項參數(shù)源頭數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對發(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°，氣測錄井需安裝電動脫氣器，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，一部分鉆井液越過擋板流向緩沖罐，一部分鉆井液則反向流動，導(dǎo)致?lián)醢迩暗你@井液液面產(chǎn)生波動，且出口流量監(jiān)測波動非常明顯。
鉆井液罐處（池體積）：鉆井液罐上攪拌機攪拌過程中會導(dǎo)致鉆井液液面明顯波動，從而使超聲波
傳感器采集到的鉆井液池體積數(shù)據(jù)誤差及波動較大，影響池體積增量監(jiān)測的準(zhǔn)確性。
１．２ 減緩液面波動裝置研發(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），同時加裝“擋板２”于脫氣器之后靠近緩沖罐處。
“擋板１”對從導(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”時流速顯著減緩，以達(dá)到減緩液面波動的目的。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)改進為擋板中間切割出一矩形通道，同時加裝兩塊掛板（圖２ｃ）。可以根據(jù)泵排量有效調(diào)節(jié)鉆井液通過擋板的寬度，以實現(xiàn)鉆井液流量變化時液面高度有顯著變化，提升溢流監(jiān)測的靈敏性。鉆井液排量大時，鉆井液和巖屑可以從矩形通道流過，排量小時，鉆井液和巖屑從擋板２底部的弧形通道通過。
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平板位置的高度，以消除鉆井液波動、消除氣泡對池體積傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。
１．３ 減緩液面波動裝置現(xiàn)場應(yīng)用效果
１．３．１ 高架槽處雙擋板裝置試驗
將“雙擋板”裝置在高架槽上安裝后，超聲波液位傳感器檢測到高架槽液面波動明顯減緩，出口流量監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)（圖４）。通過反復(fù)試驗，證實“雙擋板”能減緩高架槽因鉆井液流動造成的液面波動影響，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試了原擋板和改進后“雙擋板”裝置的出口流量變化值。通過測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加泵沖排量模擬溢流時，“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ＴＰ １井３號泥漿罐和４號泥漿罐安裝該裝置前，監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線呈毛刺狀，波動起伏明顯；安裝該裝置后有明顯的改善，曲線平穩(wěn)（圖５）。
２ 電磁流量計系統(tǒng)現(xiàn)場試驗
電磁流量計已經(jīng)成熟應(yīng)用于地面管線測流量，原理為法拉第電磁感應(yīng)定律。由于測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，具有較強適應(yīng)性。
２．１ 系統(tǒng)組成及特點
電磁流量計系統(tǒng)硬件部分主要包括：電磁流量計２個，脫氣器、沉砂助推器各１臺，防爆控制柜、采集機柜各１個，工控機１套（圖６）。電磁流量計系統(tǒng)監(jiān)測必要條件：電磁流量計需滿管測量，且前后要保持５Ｄ、３Ｄ（Ｄ為電磁流量計直徑）的直管段。自動監(jiān)測報警：選取入口流量和出口流量的差值設(shè)置報警門限，出口大于入口為溢流，出口小于入口為漏失，當(dāng)二者差值超過報警門限時，系統(tǒng)顯示報警。
２．２ 現(xiàn)場試驗
２．２．１ 現(xiàn)場安裝
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
流量計滿管測量要求，流量計外觀設(shè)計為Ｕ型管，需在入口處挖出長、寬、高分別為３ｍ、１.８ｍ、３．３ｍ的深槽（圖７）。出口流量計安裝在防溢管和緩沖槽之間，為了滿足電磁流量計滿管測量要求，也設(shè)計為Ｕ型管（圖８）。
為減少氣體對電磁流量計監(jiān)測可能產(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 試驗條件
奧陶系灰?guī)r地層鉆進施工，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、出口流量計及采集機使其與實際泵排量一致，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
２．２．３ 試驗步驟
①溢流模擬：調(diào)節(jié)入口管線三通處閥門，使經(jīng)過入口處電磁流量計的流量從大變小，出口流量保持不變，模擬溢流，觀察系統(tǒng)報警情況。
②脫氣器試驗：打開和關(guān)閉脫氣器，對比出口處電磁流量計監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，分析氣體對電磁流量計的影響。
③氣侵模擬：從鉆井井口四通閥門間歇性注氣（８ＭＰａ氮氣），模擬地層氣體逸出井口，觀察電磁流量計能否有效識別。
２．２．４ 試驗效果
經(jīng)現(xiàn)場試驗，電磁流量計監(jiān)測出口流量時，鉆井液內(nèi)氣體對監(jiān)測數(shù)據(jù)無影響，流量變化時自動彈出報警界面，數(shù)據(jù)監(jiān)測靈敏（耗時＜３ｓ），能夠敏銳地發(fā)現(xiàn)氣侵，實現(xiàn)在鉆井過程中發(fā)現(xiàn)溢流的目的。
３ 智能監(jiān)測溢流預(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、氣測值都發(fā)生了異常變化，而立壓異常概率接近５０％，鉆時、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，對溢流事件進行早期預(yù)警和核實報警。早期預(yù)警指通過參數(shù)基值運算和參數(shù)異常時間判斷功能剔除單參數(shù)假異常，做到單參數(shù)預(yù)警提醒的及時性和準(zhǔn)確性，針對鉆時模塊、氣測值模塊、立壓模塊、高壓模塊（立壓上升同時懸重下降）、出口流量模塊、池體積模塊進行早期預(yù)警提醒。核實報警是在出口流量、池體積參數(shù)同時增加時判斷為溢流，溢流模塊報警。一旦出現(xiàn)能夠誘發(fā)溢流或是溢流前兆的異常即進行早期預(yù)警，在與溢流直接相關(guān)的多參數(shù)發(fā)生異常后則進行核實報警，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
對各類原始的工程參數(shù)進行二次處理（如平均值、變化率、振幅計算）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)的實時背景基線，以此為基準(zhǔn)實現(xiàn)對參數(shù)的動態(tài)連續(xù)監(jiān)測與分析，進而根據(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
引入時間窗：界定參數(shù)超限時長的異常判斷標(biāo)準(zhǔn)，排除參數(shù)正常波動變化，假定參數(shù)超限時長標(biāo)準(zhǔn)為ｔ０，如圖１０所示，如果參數(shù)超過異常閾值上限的時間（ｔ）小于定義的超限標(biāo)準(zhǔn)時間參數(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
起、下鉆工況下，針對灌漿、返漿情況建立監(jiān)測機制，獲取灌漿罐與鉆具體積參數(shù)，對比灌漿、返漿量與鉆具排替理論量，判斷起、下鉆過程中是否發(fā)生溢流。其計算公式如下：
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
軟件系統(tǒng)模塊化、組件化、開放式設(shè)計，具有良好的可維護和可擴展能力。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)庫構(gòu)成，如圖１１所示［４］。
在現(xiàn)場應(yīng)用中，通過綜合錄井儀數(shù)據(jù)接口插件獲取實時數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)進行同步處理分析，根據(jù)當(dāng)前工況將處理后的數(shù)據(jù)自動輸入預(yù)警模型進行綜合判斷，隨后輸出系統(tǒng)判斷結(jié)果進行人機交互，在交互的過程中，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)與預(yù)警模型的進一步修正完善［４－６］。
４ 現(xiàn)場應(yīng)用
該系統(tǒng)在西北油田１６口井進行了現(xiàn)場部署應(yīng)用，累計運行５６２ｄ，能夠較準(zhǔn)確地識別真、假溢流。通過合理的參數(shù)配置，能夠有效排除易引起誤報的異常，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。值班人及時通知司鉆和鉆井隊工程師，鉆井隊于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)及時監(jiān)測到出口流量異常，并實時跟蹤發(fā)展態(tài)勢，較綜合錄井儀提前４９ｓ報警，為鉆井隊及時處理井內(nèi)工程復(fù)雜贏得寶貴時間。
４．２ 應(yīng)用情況２
ＴＫ ９１５－１２Ｈ井正常鉆進過程中，接單根時綜合錄井儀由于停開泵各相關(guān)參數(shù)會頻繁報警，尤其停泵后總池體積由于管線回流會明顯增加，開泵后鉆井液泵入井筒過程中總池體積會明顯減少。由于該系統(tǒng)能智能識別停開泵時各相關(guān)參數(shù)的變化，未發(fā)生頻繁報警。
５ 結(jié) 論
①高架槽“雙擋板”裝置不僅對高架槽液面波動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，第一時間發(fā)現(xiàn)井漏或溢流。
②鉆井液罐減緩液面波動裝置的試驗表明，利用Ｕ型管原理能夠有效減緩使用鉆井液攪拌機引起的液面波動，浮球式的裝置改進進一步有效解決了管內(nèi)氣泡積聚的問題，實現(xiàn)了井漏或溢流發(fā)生時鉆井液體積變化量數(shù)據(jù)的精確測量。
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)測溢流。
④電磁流量計監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，比目前監(jiān)測溢流的方式更加靈敏，但其安裝受場地條件限制，且起、下鉆情況下溢流的監(jiān)測有待進一步研究。
⑤智能監(jiān)測溢流預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)︿浫?shù)據(jù)進行二次分析，實時調(diào)整參數(shù)基值，且引入時間窗和參數(shù)權(quán)重等變量，能夠更加及時、準(zhǔn)確地判斷是否發(fā)生溢流，能夠有效減少“誤報”的次數(shù)，具有一定的推廣意義。
作者：電磁流量計
版權(quán)屬于：中國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
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