基于電磁流量計的鉆井液出口流量監測系統

鉆井液出口流量是判斷鉆井現場(chǎng)井涌溢流的關(guān)鍵參數，為了實(shí)現安全、快速、經(jīng)濟的鉆井，對鉆井液定量、實(shí)時(shí)、準確監測顯得尤其重要。目前國內一般是由綜合錄井儀池體積參數監測與人工定時(shí)觀(guān)測、記錄、并加以對比，以判斷是否出現溢流或者井漏等事故。這種判斷方法自動(dòng)化程度和精度較低，不能實(shí)現定量檢測，而且溢流發(fā)現時(shí)間晚。近些年在鉆井液定量監測技術(shù)上有了新的突破，引進(jìn)質(zhì)量流量計和電磁流量計兩種設備用于石油鉆探過(guò)程中的鉆井液的定量監測。質(zhì)量流量計雖然具有測量精度高、穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是存在價(jià)格昂貴，現場(chǎng)安裝復雜等缺點(diǎn)，因此目前多采用電磁流量計定量監測鉆井現場(chǎng)鉆井液流量。電磁流量計受測量原理限制，為保證測量精度，流體流經(jīng)流量計的前后管道內均需要滿(mǎn)足滿(mǎn)管狀態(tài)，對電磁流量計的安裝使用產(chǎn)生了限制；另外當鉆井液流量較大時(shí)，固定管徑下的電磁流量計會(huì )對流體通過(guò)產(chǎn)生抑制作用，從而造成鉆井液的回流，對鉆井的安全作業(yè)產(chǎn)生影響。

該文通過(guò)對鉆井液返出管線(xiàn)流速場(chǎng)進(jìn)行水力學(xué)模擬，分析返出管線(xiàn)的流體流動(dòng)規律，優(yōu)化了出口流量監測系統結構設計；同時(shí)設計了鉆井液定量監測過(guò)流分流裝置，克服了大流量狀態(tài)下的鉆井液回流問(wèn)題；從而滿(mǎn)足電磁流量計的滿(mǎn)管測量條件，提高了流量計適用性和測量準確性，實(shí)現了鉆井液出口流量的實(shí)時(shí)準確監測，為溢流的準確預警和鉆井的安全施工提供了支持，減輕了井噴和壓井作業(yè)對地下油氣層的傷害，從而提高經(jīng)濟和社會(huì )效益，降低對環(huán)境的影響。

1 國內外溢流監測現狀

國內外監測溢流的方法很多，主要研究方向集中于微流量監測和壓力監測方面。微流量監測方面陸續開(kāi)發(fā)出包括井口導管液面監測技術(shù)、鉆井液流量計監測技術(shù)、改進(jìn)流量監測技術(shù)、壓力監測方面則有隨鉆環(huán)空壓力測量監測技術(shù)、立壓套壓監測技術(shù)以及聲波監測技術(shù)。郭元恒等人從改進(jìn)設備和分析類(lèi)型方面綜合給出了不同的溢流監測方法的對比分析[1]。目前國內對于溢流、井涌等復雜情況的監測，一般是由鉆井參數儀、綜合錄井儀池體積參數監測與人工定時(shí)觀(guān)測、記錄、并加以對比，判斷是否出現溢流或者井漏等事故。這種判斷方法自動(dòng)化程度和精度較低，溢流發(fā)現時(shí)間晚；另外對于早期溢流監測領(lǐng)域研究工作還集中于對鉆井液存儲區域的體積變化進(jìn)行精確化測量，從而根據進(jìn)出鉆井液的差值判斷溢流狀態(tài)。由于存儲區域的基礎體積較大，微小流量的變化范圍不容易測得，另外改造添加輔助設施，增加了施工復雜程度，而且液面波動(dòng)范圍受環(huán)境影響因素較大，從而從根本上決定了測量精度較低和發(fā)現預警時(shí)間的延遲。通常在鉆井過(guò)程中，出現液面變化到發(fā)生井噴的時(shí)間較短，大多數井從發(fā)現溢流到井噴時(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，幾乎沒(méi)有應急處理的時(shí)間。溢流監測的原理并不復雜，但是由于溢流現象的模糊性和不確定性，測量條件和設備的限制以及監測方案的缺陷，使得溢流監測達不到預期的效果。

通過(guò)對國內外的溢流監測現狀分析，可以看出井下壓力和地層因素是流量變化的誘因，其它工程參數的變化則是流體狀態(tài)發(fā)生變化的間接影響結果，而流體流量的變化則是反映溢流狀態(tài)的最直接表現，選擇出口流量監測技術(shù)為突破口即能夠判斷早期溢流狀態(tài)，又是立足于我國錄井技術(shù)現狀的合理選擇。

2 出口流量監測系統

2.1 出口流量定量監測方法

該方法基于流體動(dòng)力學(xué)計算，分析出口管線(xiàn)的流體流動(dòng)規律，考慮流體自然流速和出口壓力狀態(tài)，采用V型出口管線(xiàn)方案，流量計測試系統滿(mǎn)足滿(mǎn)管狀態(tài)，返出管線(xiàn)的入口端傾角范圍為30°～45°。Ansys流體計算后可知，在30°至45°的角度范圍內，隨著(zhù)返出管線(xiàn)的入口端傾角的增大，支線(xiàn)管道彎管造成的能量損失增大，則后端測試位置處的伯努利方程C常量值逐漸減小，從而表現為測試位置流速值逐漸減小，所以在保證鉆井液的通過(guò)率前提下，應盡量減小入口端傾角；減小入口端傾角保證一定流速的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)還在于保持了鉆井液的巖屑攜帶能力，這一點(diǎn)也在其它的研究工作中得到證實(shí)。

2.2 定量監測過(guò)流分流裝置裝置

采用多管測量技術(shù)，在原有測量系統上加裝兩個(gè)或多個(gè)分管，使得分管流通量之和大于或等于主通管，從而有效的解決了大流量狀態(tài)下的鉆井液回流問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化分管安裝角度，在主管和分管交接口處安裝限流裝置和防回流閥，滿(mǎn)足電磁流量計的滿(mǎn)管測量條件，提高了流量計適用性和測量準確性，實(shí)現了鉆井液出口流量的實(shí)時(shí)準確監測。

3 應用實(shí)例

利用出口流量監測裝置獲取的高可靠性瞬時(shí)流量值，利用軟件WinBUGS對溢流事件進(jìn)行了溢流概率計算和驗證。具體事例為：BS24-5-27井位于天津市濱海新區南港工業(yè)規劃區，構造位置為濱海斷鼻南翼BS16X1井區巖性圈閉。井別為開(kāi)發(fā)井，井型為定向井。該井于2014年3月7日開(kāi)鉆，2014年4月1日鉆進(jìn)至3673.88m。地層：沙一上，03：26分出口流量由27.99L/s上升至36.69L/s，氣測全烴值由0.601%上升至88.034%，甲烷由0.508%上升至73.1327%，出口溫度由61℃上升至80℃，電導率由0.915s/m下降至0.832s/m，鉆井液密度由1.40g/cm³降至1.35～1.38g/cm³，粘度由55s上升至80s，池體積由120.38m3上升至125.17m³�，F場(chǎng)觀(guān)察發(fā)現返出管線(xiàn)鉆井液含氣泡明顯，當班人員在全烴放空管線(xiàn)處用球膽取樣，點(diǎn)火試驗火焰呈淡藍色。將相關(guān)參數整理后代入預警模型，發(fā)現經(jīng)過(guò)720s的時(shí)間預警概率由0上升至99%，與實(shí)際溢流發(fā)生時(shí)間相吻合，驗證了流量數據的可用性。

4 結語(yǔ)和展望

電磁流量計在石油鉆井現場(chǎng)應用廣泛，其測量過(guò)程中對滿(mǎn)管性的要求影響了現場(chǎng)數據的準確性。該文通過(guò)過(guò)流分流裝置的設計及流體動(dòng)力學(xué)理論的模擬計算，優(yōu)化了設計角度，在提高鉆井液通過(guò)性的同時(shí)又滿(mǎn)足了電磁流量計的精確測量條件，獲取了真實(shí)有效的流量數據，從而為準確判斷溢流狀態(tài)打下了堅實(shí)基礎。