早期溢流及漏失的新型及時(shí)高精度監(jiān)測(cè)計(jì)量系統(tǒng)

朱煥剛 王樹(shù)江 李宗清 燕修良 宋中文 公培斌

中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的不斷延伸，鉆井的復(fù)雜性和難度越來(lái)越大，溢流和漏失成為石油鉆井過(guò)程中常見(jiàn)現(xiàn)象，若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)或者處理不當(dāng)，則很可能造成井塌、卡鉆、井噴等復(fù)雜情況。因此，鉆井早期溢流和漏失監(jiān)測(cè)方法就顯得尤為重要[1-4]。筆者對(duì)鉆井現(xiàn)場(chǎng)常用的幾種溢流和漏失監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了其存在的問(wèn)題，提出了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、監(jiān)測(cè)精度較高的監(jiān)測(cè)計(jì)量系統(tǒng)，并通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

1 常用溢流和漏失監(jiān)測(cè)方法對(duì)比分析

1.1 鉆井液池液面監(jiān)測(cè)方法

鉆井液池液面監(jiān)測(cè)法是鉆井現(xiàn)場(chǎng)溢流漏失早期監(jiān)測(cè)的一種常用方法。正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液池是一個(gè)封閉的體積固定系統(tǒng)，該方法對(duì)循環(huán)池內(nèi)的鉆井液液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，液面升高超過(guò)一定值代表井涌，液面降低超過(guò)一定值代表漏失。其液面檢測(cè)形式主要有標(biāo)尺式、超聲波式、光纖式、差壓式、磁致伸縮式等多種形式。鉆井液池液面監(jiān)測(cè)方法存在以下問(wèn)題，首先鉆井液必須從井口通過(guò)防溢管流過(guò)振動(dòng)篩、再經(jīng)過(guò)鉆井液槽回到鉆井液池，使得監(jiān)測(cè)溢流和漏失需要的反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)；其次，由于鉆井液池體積大，4個(gè)循環(huán)罐內(nèi)部橫截面積達(dá)到80 m2，液位變化值小，監(jiān)測(cè)誤差大，不能靈敏地檢測(cè)溢流和漏失的發(fā)生，溢流漏失發(fā)現(xiàn)較晚容易錯(cuò)失關(guān)井最佳時(shí)機(jī)[5-13]。

根據(jù)鉆井液池液面監(jiān)測(cè)方法改型的導(dǎo)流管和分離器液面監(jiān)測(cè)方法，減小了液量橫截面積，提高了液位變化的敏感性，但是液位與下游出口流量難于找到確切的定量關(guān)系，溢流漏失速度和總量無(wú)法計(jì)量，溢流漏失總量的缺失就無(wú)法準(zhǔn)確指導(dǎo)下一步壓井施工；其次液位傳感器安裝困難，而且檢測(cè)精度受現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)等條件的干擾，容易誤報(bào)[14-16]。

1.2 井筒出入口流量監(jiān)測(cè)方法

井筒出入口流量監(jiān)測(cè)方法利用井筒進(jìn)出口流量計(jì)測(cè)量進(jìn)出口流量，通過(guò)流量的變化判斷井筒漏失及溢流。其入口流量檢測(cè)主要利用電磁流量計(jì)、超聲波多普勒流量計(jì)或者泵沖換算；出口流量檢測(cè)主要依靠電磁流量計(jì)、超聲波多普勒流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)。其中電磁流量計(jì)以及超聲波多普勒流量計(jì)受測(cè)量原理限制，為保證測(cè)量精度，流量計(jì)的前后管道均需要滿足滿管狀態(tài)，而且由于彎頭、閥門或者管線變徑等現(xiàn)場(chǎng)布置問(wèn)題對(duì)電磁流量計(jì)和超聲波多普勒流量計(jì)的安裝使用產(chǎn)生了限制；另外電磁流量計(jì)內(nèi)襯陶瓷、橡膠等材料，使用一段時(shí)間后，由于鉆井液沖刷導(dǎo)致襯里及電極磨損，精度明顯下降；質(zhì)量流量計(jì)具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在控制壓力鉆井技術(shù)的流量監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，但是存在價(jià)格昂貴、現(xiàn)場(chǎng)安裝復(fù)雜等問(wèn)題[17-20]。

2 新型溢流及漏失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決常用溢流及漏失監(jiān)測(cè)方法存在的不足，尋求一種有效發(fā)揮地面測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，既經(jīng)濟(jì)實(shí)用又及時(shí)準(zhǔn)確，適合于現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模推廣應(yīng)用的新型早期溢流漏失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。新型溢流漏失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求具備早期監(jiān)測(cè)報(bào)警、溢流漏失速度和總量計(jì)量以及自動(dòng)灌漿功能[21]，實(shí)現(xiàn)鉆井全過(guò)程中溢流漏失快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、計(jì)量和報(bào)警。

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型溢流和漏失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖1所示。

圖1 新型溢流漏失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

監(jiān)測(cè)罐通過(guò)隔板分割為兩個(gè)腔室（圖2），分別為主腔室和副腔室，其上端分別安裝主腔室液位計(jì)和副腔室液位計(jì)；主腔室有主腔室入口管、主腔室出口管和灌漿管；主腔室入口管與井口防溢管出漿口（或者旋轉(zhuǎn)防噴器排漿口）連接，主腔室出口管與調(diào)節(jié)閥連接，灌漿管與灌漿泵的排出口連接，灌漿泵的吸入口與鉆井液池連接；副腔室加工有副腔室出口管，副腔室出口管與截止閥A連接；主腔室和副腔室之間安裝有連通管線，連通管線上安裝有截止閥B；可選的泵沖傳感器安裝在鉆井泵上，鉆井泵出口連接可選的鉆井泵出口流量計(jì)。

圖2 監(jiān)測(cè)罐及其閥門連接示意圖

主腔室液位計(jì)、副腔室液位計(jì)、泵沖傳感器（可選）、鉆井泵出口流量計(jì)（可選）、截止閥A、截止閥B和調(diào)節(jié)閥的測(cè)量信號(hào)通過(guò)信號(hào)電纜傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置；監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置控制截止閥A、截止閥B和調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)、灌漿泵的啟停并對(duì)溢流漏失進(jìn)行計(jì)算、分析和預(yù)警。

2.2 監(jiān)測(cè)方法分析

2.2.1 鉆井液循環(huán)

鉆井液循環(huán)過(guò)程中，截止閥A與截止閥B處于關(guān)閉狀態(tài)；鉆井泵從鉆井液池吸入鉆井液，排出的鉆井液依次經(jīng)過(guò)鉆井泵、鉆井泵出口流量計(jì)、泥漿閥、立管、井筒、防噴器組、防溢管、防溢管出漿口、主腔室入口管、主腔室、主腔室出口管和調(diào)節(jié)閥、振動(dòng)篩，最后返回鉆井液池。

首先通過(guò)監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)，使得主腔室的液位升高，當(dāng)主腔室的液位超過(guò)隔板的高度后，鉆井液從主腔室溢流到副腔室，停止調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)；調(diào)節(jié)閥停止開(kāi)關(guān)后，副腔室內(nèi)的液位（如圖1中的液位H）升高速度將穩(wěn)定在速度v。

當(dāng)速度v增大且增大值大于設(shè)定的速度增大值時(shí)，監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置發(fā)出溢流報(bào)警。

當(dāng)速度v減小且減小值大于設(shè)定的速度減小值時(shí)，監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置發(fā)出漏失報(bào)警。

通過(guò)副腔室內(nèi)液位變化速度差值判斷溢流井漏情況的發(fā)生，并通過(guò)速度差值與副腔室的橫截面積計(jì)算溢流漏失速度和溢流漏失總量；當(dāng)副腔室液位到達(dá)隔板高度時(shí)，監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置停止溢流漏失監(jiān)測(cè)，并打開(kāi)截止閥A，將副腔室內(nèi)的鉆井液泄放到振動(dòng)篩，然后關(guān)閉截止閥A并繼續(xù)進(jìn)行溢流漏失監(jiān)測(cè)。

2.2.2 起鉆

起鉆過(guò)程中，首先通過(guò)監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置關(guān)閉截止閥A和調(diào)節(jié)閥，并打開(kāi)截止閥B使主腔室與副腔室連通；監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置通過(guò)監(jiān)測(cè)主腔室以及副腔室的液位變化計(jì)算出監(jiān)測(cè)罐的液量變化值，從而與需灌漿量進(jìn)行比較判斷溢流漏失情況；當(dāng)主腔室的液位降低至灌漿設(shè)定下限值時(shí)，監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置停止溢流漏失監(jiān)測(cè)，啟動(dòng)灌漿泵進(jìn)行灌漿，鉆井液通過(guò)灌漿管進(jìn)入主腔室，主腔室的液位達(dá)到灌漿設(shè)定上限值時(shí)停止灌漿并繼續(xù)進(jìn)行溢流漏失監(jiān)測(cè)。

2.2.3 下鉆

下鉆過(guò)程中，首先通過(guò)監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置關(guān)閉截止閥A和調(diào)節(jié)閥，并打開(kāi)截止閥B使主腔室與副腔室連通；監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置通過(guò)監(jiān)測(cè)主腔室以及副腔室的液位變化計(jì)算出監(jiān)測(cè)罐的液量變化值，從而與理論排量進(jìn)行比較判斷溢流漏失情況；當(dāng)主腔室的液位增加至放漿設(shè)定上限值時(shí)，監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置停止溢流漏失監(jiān)測(cè)，打開(kāi)調(diào)節(jié)閥，鉆井液通過(guò)調(diào)節(jié)閥泄放至振動(dòng)篩，主腔室的液位達(dá)到放漿設(shè)定下限值時(shí)關(guān)閉調(diào)節(jié)閥停止放漿并繼續(xù)進(jìn)行溢流漏失監(jiān)測(cè)。

井筒內(nèi)鉆井液停止循環(huán)，且井筒內(nèi)無(wú)鉆具上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先通過(guò)監(jiān)測(cè)控制報(bào)警裝置關(guān)閉截止閥A、調(diào)節(jié)閥和截止閥B；當(dāng)主腔室的液位持續(xù)升高且升高值大于設(shè)定的升高值則發(fā)出溢流報(bào)警，當(dāng)主腔室的液位持續(xù)降低，且降低值大于設(shè)定的降低值則發(fā)出漏失報(bào)警。

3 新型溢流及漏失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)流程及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)流程及設(shè)備如圖3所示。

圖3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)流程圖

1）鉆井泵：用于模擬鉆井泵流體注入，型號(hào)3HB100，最大工作壓力32 MPa，最大排量415 L/min。

2）高壓清洗機(jī)：用于模擬地層流體，型號(hào)LT8.7/19M-2，最大壓力13 MPa，最大流量15 L/min。

3）質(zhì)量流量計(jì)：用于系統(tǒng)流量計(jì)量，型號(hào)CMF300，最大測(cè)量流量4 533 L/min，測(cè)量精度±0.5‰。

4）超聲波液位計(jì)：用于主腔室和副腔室液位測(cè)量，型號(hào)LU20，量程0.15～5.48 m，分辨率3 mm。

5）調(diào)節(jié)閥：用于監(jiān)測(cè)罐初始液位調(diào)節(jié)，QT型電動(dòng)球閥通徑200 mm，壓力1.6 MPa。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

溢流實(shí)驗(yàn)過(guò)程：?jiǎn)?dòng)鉆井泵記錄循環(huán)排量，調(diào)節(jié)球閥使主腔室流體與隔板平行或溢出到副腔室，記錄副腔室液位并換算液量增加速度，開(kāi)清洗機(jī)模擬地層溢流，記錄流體溢流時(shí)副腔室液位并換算溢流速度。

漏失實(shí)驗(yàn)過(guò)程：?jiǎn)?dòng)鉆井泵及清洗機(jī)記錄循環(huán)排量，調(diào)節(jié)球閥使的主腔室流體溢出到副腔室，記錄副腔室液位并換算液量增加速度，關(guān)清洗機(jī)模擬地層漏失，記錄地層流體漏失后副腔室液位換算漏失速度。

1）副腔室內(nèi)部橫截面積設(shè)計(jì)為2 m2，遠(yuǎn)小于鉆井液池內(nèi)部橫截面積80 m2，1 m3溢流量在副腔室和鉆井液池內(nèi)液面升高高度分別為0.5 m和0.012 5 m，大大提高了液位變化的靈敏度。

2）超聲波液位計(jì)分辨率為3 mm，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溢流漏失總量檢測(cè)精度為6 L，可以準(zhǔn)確計(jì)量微小的溢流漏失量。

3）從表1可以看出，新型溢流及漏失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流和漏失，溢流和漏失速度的監(jiān)測(cè)誤差小于8%。

表1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

4 結(jié)論

1）新型溢流及漏失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)罐的內(nèi)部橫截面積小，液面檢測(cè)更加靈敏，能夠更加及時(shí)地發(fā)現(xiàn)溢流和漏失。

2）監(jiān)測(cè)罐主腔室出口管線水頭保持不變，出口流量穩(wěn)定，通過(guò)副腔室內(nèi)液位的變化可以定量地計(jì)算溢流漏失速度和溢流漏失總量，溢流和漏失總量的監(jiān)測(cè)誤差小于8%。

3）起鉆過(guò)程中，監(jiān)測(cè)罐內(nèi)鉆井液在自重作用下進(jìn)入井筒，可以始終保持井筒滿液位，消除了灌漿不及時(shí)和灌漿不滿的情況。

4）新型溢流漏失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備早期監(jiān)測(cè)報(bào)警、溢流漏失速度和總量計(jì)量以及自動(dòng)灌漿功能，不僅可以有效發(fā)揮地面測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用、及時(shí)準(zhǔn)確，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的可行性，為下一步現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。