鉆井液性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

張志財(cái)，劉保雙，王忠杰，羅云鳳，劉振東，涂德洪，徐運(yùn)波

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

自動(dòng)化智能化是世界油氣工業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，是石油工程推進(jìn)技術(shù)革命的主要手段，近10 多年來，國內(nèi)外各大油服公司投入巨資和人力，在自動(dòng)化智能化方面取得了長足進(jìn)展，研發(fā)應(yīng)用了一系列鉆井地面自動(dòng)化裝備、鉆井自動(dòng)化智能儀器工具和鉆井遠(yuǎn)程作業(yè)控制系統(tǒng)等具里程碑意義的重大技術(shù)裝備，鉆井自動(dòng)化、信息化水平大幅度提升，有效提升鉆井效率，保障井下安全，從而達(dá)到降本增效提速效果。自動(dòng)化鉆井、智能化鉆井是未來石油行業(yè)的必然趨勢(shì)，已成為當(dāng)今鉆井的核心技術(shù)和核心競(jìng)爭力，當(dāng)前隨著油田服務(wù)市場(chǎng)需求持續(xù)回暖，國內(nèi)三大油公司在國家能源戰(zhàn)略安全的驅(qū)動(dòng)下有望繼續(xù)加大上游勘探開發(fā)投資力度，加速鉆井自動(dòng)化進(jìn)程是石油裝備自動(dòng)化、信息化、智能化升級(jí)改造的有效促進(jìn)，是國家油氣安全戰(zhàn)略的需要，對(duì)本行業(yè)技術(shù)的發(fā)展有著十分重要的意義。

1 鉆井液性能自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀

鉆井液經(jīng)常被比喻為鉆井工業(yè)的血液，為了保證鉆井施工的安全順利進(jìn)行，預(yù)防井下復(fù)雜情況的發(fā)生，控制維護(hù)鉆井液的性能顯得尤為關(guān)鍵，然而鉆井液性能的測(cè)量還處于人工測(cè)量階段，程序比較復(fù)雜且費(fèi)時(shí)，難以對(duì)鉆井液的性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下復(fù)雜情況，所以如何實(shí)現(xiàn)鉆井液性能參數(shù)的自動(dòng)化測(cè)量，一直是石油行業(yè)研究的課題。

國外在20 世紀(jì)80 年代就對(duì)鉆井液的流變性、密度等單項(xiàng)鉆井液性能的自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)就有過一些零星報(bào)道，但直到2008 年，才見到MI-SWACO關(guān)于全套鉆井液性能和鉆屑性能的自動(dòng)化測(cè)量樣機(jī)文獻(xiàn)。哈里伯頓也于2016 年研發(fā)了一套自動(dòng)測(cè)量鉆井液密度流變性的BaraLogix TM 裝置，但該技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)密度流變性的連續(xù)測(cè)量，目前這套裝置尚未得到現(xiàn)場(chǎng)推廣。

國內(nèi)鉆井液性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)起步比較早，但均局限于單一參數(shù)的測(cè)量上，沒有在測(cè)量方法上實(shí)現(xiàn)突破，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)在線連續(xù)測(cè)量的要求[1-2]，所用方法僅僅是在現(xiàn)場(chǎng)把室內(nèi)測(cè)量方法與計(jì)算機(jī)進(jìn)行簡單的連接，無法在現(xiàn)場(chǎng)展開應(yīng)用。

2 鉆井液性能在線監(jiān)測(cè)儀器的研制

中石化勝利工程公司鉆井工藝研究院研發(fā)了一套鉆井液性能在線測(cè)量儀器，可測(cè)量密度、pH 值、流變參數(shù)（漏斗黏度、表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力、流型指數(shù)、稠度系數(shù)）、氯離子和硫離子10 項(xiàng)鉆井液性能參數(shù)，技術(shù)成熟，與國外現(xiàn)有技術(shù)相比，具有實(shí)時(shí)測(cè)量、連續(xù)記錄、自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等特點(diǎn)，遠(yuǎn)高于國外同類產(chǎn)品10～15 min 的監(jiān)測(cè)頻率，能更好預(yù)判井下狀況，應(yīng)對(duì)突發(fā)問題。

2.1 鉆井液性能在線測(cè)量儀器的組成

鉆井液性能在線測(cè)量儀器共由5 個(gè)系統(tǒng)組成，分別是取樣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)。取樣系統(tǒng)的功能主要是抽取現(xiàn)場(chǎng)鉆井液，為鉆井液性能在線測(cè)量提供流體來源；測(cè)量系統(tǒng)是整套儀器的核心，主要功能是測(cè)量鉆井液各項(xiàng)性能參數(shù)；采集系統(tǒng)的功能主要是將測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳遞到計(jì)算機(jī)；控制系統(tǒng)的功能主要是提供動(dòng)力，即為整套儀器供電；保護(hù)系統(tǒng)的功能主要是過壓保護(hù)，防止儀器由于壓力過高導(dǎo)致?lián)p壞。

2.1.1 鉆井液性能在線測(cè)量儀器的測(cè)量系統(tǒng)組成

鉆井液性能在線測(cè)量系統(tǒng)可采用圖1 所示的上中下3 層結(jié)構(gòu)，上層平臺(tái)為電子儀表、數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，中層平臺(tái)為毛細(xì)管平臺(tái)，下層平臺(tái)分為2 部分，左邊為流量計(jì)和密度傳感器室；右邊為防爆控制箱。1 層和2 層平臺(tái)除傳感器外，無其他顯示儀表，所有顯示儀表、變送器和數(shù)據(jù)采集箱均安裝于上層平臺(tái)的儀表室。鉆井液取樣泵和清洗水用軟管分別接至鉆井液入口和清洗水入口。

儀器裝置整體采用模塊式結(jié)構(gòu)，儀器整體可拆分成3 大部分，所有儀器部件均可快速拆裝，以方便于儀器的搬運(yùn)。

圖1 集成裝置鉆井液性能在線檢測(cè)模塊的整體結(jié)構(gòu)

2.1.2 鉆井液性能在線測(cè)量儀器的工藝流程

工藝上采用一管式結(jié)構(gòu)工藝流程圖如圖2 所示。①用螺桿取樣泵把從井口流出的經(jīng)振動(dòng)篩過濾的鉆井液，部分注入儀器內(nèi)，經(jīng)過脈動(dòng)阻尼器穩(wěn)定鉆井液的流量。②鉆井液以恒定的流量進(jìn)入科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)將密度、流量和溫度信號(hào)傳給科里奧利質(zhì)量流量計(jì)變送器，經(jīng)奧利質(zhì)量流量計(jì)變送器處理送入微型計(jì)算機(jī)。③鉆井液以恒定的速度進(jìn)入矩形斷面管Ⅰ，高低位兩處的壓力傳感器可測(cè)定該管程的壓力損耗，從而把壓力信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)。④鉆井液以恒定的流量進(jìn)入矩形斷面管Ⅱ，高低位兩處的壓力傳感器可測(cè)定該管程的壓力損耗，從而把壓力信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)。再通過相應(yīng)的軟件程序?qū)?shù)據(jù)處理分析轉(zhuǎn)換成曲線圖形模式呈現(xiàn)出來。

圖2 鉆井液性能在線檢測(cè)模塊工藝流程圖

2.2 工作原理

2.2.1 變徑管式鉆井液流變性測(cè)量方法

流變性的測(cè)量方法有很多種，最常用的有旋轉(zhuǎn)法、管流法、漏斗法、振動(dòng)法等[3]。旋轉(zhuǎn)法是測(cè)量液體黏度應(yīng)用最廣泛的一種方法，也是目前現(xiàn)場(chǎng)鉆井液流變性測(cè)量最常用的方法，該方法適用范圍較寬，測(cè)量方便，易得到大量數(shù)據(jù)，但測(cè)量精度較低。單筒旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)只能測(cè)定低剪切速率下的黏度，而在實(shí)際鉆井中，鉆井液流體的速度梯度往往很高，因此所需的直流力矩電機(jī)調(diào)幅范圍很寬，增加了選用合適電機(jī)的難度，所以設(shè)計(jì)的黏度計(jì)多為雙筒式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)。而雙筒式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)則存在內(nèi)、外桶之間鉆井液的頂替問題，因此要使用旋轉(zhuǎn)法來在線測(cè)量鉆井液流變性，還存在很多問題需要解決。管流法操作方便，毛細(xì)管黏度計(jì)制造簡單，能夠進(jìn)行黏度的絕對(duì)測(cè)量，自動(dòng)化測(cè)量鉆井液流變性最好采用管流法。但是傳統(tǒng)的管流法不能實(shí)現(xiàn)鉆井液流變性的實(shí)時(shí)測(cè)量，也易引起管道堵塞問題，因此經(jīng)過研究改進(jìn)，提出了變徑管式流變性測(cè)量原理。

毛細(xì)管壁處的剪切應(yīng)力為：

毛細(xì)管壁處的速度梯度：

計(jì)算得出2 個(gè)速度梯度下的切應(yīng)力值，采用平面膜壓力傳感器測(cè)量壓差，根據(jù)平板層流壓差法的流變性測(cè)量研究及流場(chǎng)模擬分析進(jìn)行計(jì)算，最終可通過賓漢模式計(jì)算出塑性黏度、動(dòng)切力和表觀黏度，根據(jù)冪律模型計(jì)算出流性指數(shù)和稠度系數(shù)。

2.2.2 密度測(cè)量方法[4-5]

密度的測(cè)量方法可分為壓差式密度測(cè)量法、振動(dòng)管密度測(cè)量法、伽馬測(cè)量法、稱重測(cè)量法等，應(yīng)用較廣泛的是壓差式密度測(cè)量法，優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，適用范圍廣。但是也有一些明顯的不足，比如測(cè)量誤差大、測(cè)量位置影響測(cè)量數(shù)據(jù)等。而振動(dòng)管密度測(cè)量法具有較高的可靠性、高精度以及較長使用壽命，比較適合用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量鉆井液密度，但其成本均比差壓式密度傳感器高。

根據(jù)實(shí)時(shí)在線測(cè)量鉆井液密度的需求，選用振動(dòng)管密度測(cè)量法，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，采用減震底座減少外界振動(dòng)的影響，同時(shí)也減少振動(dòng)管的振動(dòng)對(duì)其他儀表的影響；采用雙壓力振動(dòng)管消除氣體（氣泡）對(duì)密度測(cè)量的影響。

振動(dòng)管密度計(jì)的工作原理都是基于振動(dòng)體（元件）的振動(dòng)頻率與其密度間的關(guān)系。但是，振動(dòng)管在井場(chǎng)使用的時(shí)候，往往因?yàn)殂@井液混入氣體的干擾而產(chǎn)生誤差。針對(duì)氣體侵入影響測(cè)量精度問題，提出了雙壓力振動(dòng)管技術(shù)，可有效地根據(jù)2 個(gè)壓力下的密度計(jì)算出氣體含量和鉆井液真實(shí)密度，保證氣侵下測(cè)量精度，提高了密度測(cè)量的準(zhǔn)確度。

式中，f為振動(dòng)管內(nèi)有、無流體流過時(shí)的振動(dòng)頻率，s-1；E為振動(dòng)體彈性模量；k 為由振動(dòng)模式?jīng)Q定的常數(shù)；m為振動(dòng)系統(tǒng)（包括振動(dòng)體與流體介質(zhì)）的質(zhì)量，g；I為振動(dòng)體倔強(qiáng)系數(shù)；ρm為流體真實(shí)密度，g/cm3；A為振動(dòng)管橫截面積，mm2；L為振動(dòng)管長度，mm；ρ1為壓力P1下的流體密度，g/cm3；為壓力P2下的流體密度，g/cm3；P1、P2為2 個(gè)不同壓力傳感器的壓力值，kPa。

2.2.3 離子測(cè)量方法

鉆井液中離子含量是影響鉆井液性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常流體離子含量的檢測(cè)方法主要有：離子選擇電極法、離子色譜法、熒光標(biāo)記技術(shù)和ISFE（離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管）法。離子選擇電極法是一種對(duì)溶液中離子活度有電位響應(yīng)的電化學(xué)傳感器，利用電極電位和離子濃度之間的關(guān)系來確定離子含量；ISFET 是一種微電子離子選擇性敏感元件，對(duì)溶液中離子活度的響應(yīng)可由電化學(xué)勢(shì)對(duì)閾電壓的影響來表征，因此可通過閾值電壓的變化來確定離子含量；離子色譜法是利用陰陽離子與有機(jī)陰離子的分離檢測(cè)痕量陰陽離子的一種方法；熒光標(biāo)記技術(shù)是通過熒光染料來標(biāo)記所測(cè)離子，成本很高，應(yīng)用在鉆井液上不可行?？偠灾?，通過對(duì)比，選擇離子選擇電極法進(jìn)行離子測(cè)量。

1）離子選擇電極法的基本原理。離子選擇電極法已廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室痕量分析、常規(guī)離子分析、地下水分析以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。離子選擇電極是利用電極電位和離子濃度之間的關(guān)系來確定物質(zhì)含量。其電位與被測(cè)離子濃度的關(guān)系式為：

式中，E為離子選擇性電極與參比電極之間的電位差，mV；E0為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，mV；R 為氣體常數(shù)；T為溶液的絕對(duì)溫度，K；A為離子濃度，mol/L，2.303×RT/nF 為能斯特因子，該因子隨溫度變化；F為法拉第常數(shù)；n為離子電荷，包括正負(fù)號(hào)；當(dāng)溫度一定時(shí)，電位E只與離子濃度有關(guān)，即E與lgA呈線性關(guān)系，電位E就反映出了離子的濃度。

2）離子選擇電極法的可檢測(cè)離子類型。可檢測(cè)出的離子類型見表1 和表2。

表1 離子選擇電極法可檢測(cè)離子類型

表2 可檢測(cè)陰離子類型及測(cè)量范圍

2.3 儀器測(cè)量指標(biāo)

2.3.1 測(cè)量參數(shù)

研制的鉆井液性能在線監(jiān)測(cè)儀器可測(cè)量密度、pH 值、流變參數(shù)（漏斗黏度、表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力、流性指數(shù)、稠度系數(shù)）、氯離子和硫離子10 項(xiàng)鉆井液性能參數(shù)。

2.3.2 測(cè)量參數(shù)技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量參數(shù)技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 測(cè)量參數(shù)技術(shù)指標(biāo)

2.3.3 測(cè)量要求

環(huán)境溫度：–35 ℃～50 ℃；測(cè)試鉆井液溫度：4 ℃～80 ℃。

3 鉆井液性能在線測(cè)量儀器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 工作界面

鉆井液性能在線測(cè)量儀器軟件的工作界面分為主界面、密度和溫度、pH 值和離子濃度、黏度切力參數(shù)、n和K值、參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)傳設(shè)置、遠(yuǎn)傳列表、通信設(shè)置9 個(gè)界面。部分界面見圖3?？芍@井液性能在線監(jiān)測(cè)儀器測(cè)出的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強(qiáng)、可視界面清晰、分類明確，能直觀的監(jiān)測(cè)鉆井液性能參數(shù)。

圖3 鉆井液性能在線測(cè)量儀器軟件的工作界面

3.2 應(yīng)用情況分析

鉆井液性能在線測(cè)量儀器在勝利區(qū)塊坨90-斜13 井、樁12 區(qū)塊等10 余口井和中海油南海某海域4 口高溫高壓深井（密度最高2.30 g/cm3、井底溫度203 ℃）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。中海油某4 井、某5 井工作12 h 的流變性曲線圖分別見圖4、圖5，測(cè)得氯離子含量曲線圖見圖6。儀器測(cè)量和人工測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。

圖4 中海油某4 井工作12 h 的流變性曲線圖

圖5 中海油某5 井工作12 h 的流變性曲線圖

圖6 中海油某5 井監(jiān)測(cè)的氯離子含量曲線圖

表4 儀器測(cè)量和人工測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

儀器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液流變性能和密度，并連續(xù)記錄鉆井液的流變性能的變化過程，通過現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)量結(jié)果與API 人工測(cè)量結(jié)果相比可以看出，儀器測(cè)量數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確，誤差很小，完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

4 結(jié)論

1.研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鉆井液性能在線測(cè)量儀器，該儀器可同時(shí)測(cè)量密度、流變性、pH值和離子含量等10 項(xiàng)鉆井液性能參數(shù)。

2.該儀器具有實(shí)時(shí)測(cè)量、連續(xù)記錄、自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳四大優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量頻率、采集頻率和發(fā)送頻率均達(dá)到1 s/次，實(shí)現(xiàn)了鉆井液性能的自動(dòng)化測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.該儀器軟件分為九大界面，可視界面清晰、分類明確，能直觀地監(jiān)測(cè)鉆井液性能參數(shù)。

4.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，該儀器性能可靠穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高，與API 人工手動(dòng)測(cè)量結(jié)果相比基本一致，誤差較小，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能自動(dòng)化測(cè)量的需要。

5.該技術(shù)的研發(fā)填補(bǔ)了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白，形成了自主知識(shí)的鉆井液性能在線監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，提高了我國鉆井工程自動(dòng)化水平，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)展前景較好，可加速鉆井自動(dòng)化的進(jìn)程。