鉆井液入口流量與出口流量詳解

李小溪

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井二公司，吉林松原138000）

在實際工作中，有些錄井參數(shù)的字面意思相近，易被誤解，導(dǎo)致應(yīng)用上的錯誤，尤其是室內(nèi)研究人員更易對這些參數(shù)產(chǎn)生錯誤的理解和應(yīng)用。其中鉆井液入口流量與鉆井液出口流量是鉆井現(xiàn)場最重要、最常用的鉆井液參數(shù)，也是最易被誤解和用錯的參數(shù)。鉆井液入口流量與鉆井液出口流量的單位不同，實際意義也不一樣。在實際工作中鉆井液入口流量的單位是m3/min或者L/s。而鉆井液出口流量的單位是%。前者是指由鉆井液泵在單位時間內(nèi)泵入井口的鉆井液量，即鉆井液泵的排量，而后者是指鉆井液返出井口時在架空槽或緩沖罐內(nèi)的鉆井液液面的變化值，是個相對變化量。具體說明如下所述。

1 鉆井液入口流量

1.1 實際意義

鉆井液入口流量是絕對流量，指在單位時間內(nèi)流入井口的鉆井液的體積，常用單位是m3/min或者L/s。實際工作中鉆井液入口流量就是指由鉆井液泵在單位時間內(nèi)泵入井口的鉆井液量，即鉆井液泵的流量。此參數(shù)是通過監(jiān)測鉆井液泵的泵沖數(shù)，而得出的計算參數(shù)。

鉆井液泵的流量和排量實際上是兩個不同的概念。泵的流量是指單位時間內(nèi)泵通過排出或吸入管道所輸送的液體量。流量通常以單位時間內(nèi)的體積表示，稱體積流量，用Q表示，單位為m3/min 或者L/s。而泵的排量是指往復(fù)泵的曲軸旋轉(zhuǎn)一周（360°）、活塞或柱塞往復(fù)運行一次（一個沖次），泵所排出或吸入的液體體積，常用單位為L/沖或m3/沖。它只與泵的液缸數(shù)目及幾何尺寸（液缸內(nèi)徑、活塞或柱塞的沖程長度）有關(guān)，而于時間無關(guān)。

泵沖數(shù)n：是指單位時間內(nèi)活塞或柱塞的往復(fù)次數(shù)，簡稱沖次，用n表示，單位為min-1。

1.2 數(shù)據(jù)來源及采集方法

現(xiàn)場測量鉆井液入口流量一般是通過使用泵沖傳感器監(jiān)測鉆井液泵的活塞（或柱塞）的沖數(shù)（也就是我們所說的泵沖數(shù)），來監(jiān)測和計算實時流量和累計流量。

泵沖數(shù)的測量原理：泵沖的測量采用電感接近式開關(guān)傳感器，當(dāng)泵的聯(lián)動機構(gòu)上金屬物體在接近開關(guān)傳感器的感應(yīng)面附近劃過時會產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過信號采集及數(shù)據(jù)處理得出單位時間內(nèi)泵的單個活塞的運動頻率從而獲得脈沖數(shù)（單位：沖/min），以及一定時間內(nèi)的累計泵沖數(shù)（單位：沖）。泵沖數(shù)乘以缸的個數(shù)，即可得出整臺鉆井液泵的泵沖數(shù)，但實際工作中所說的泵沖數(shù)是指把泵的三個缸的活塞同時運行一個沖次看作一沖而取得的數(shù)值。

1.3 鉆井液入口流量的應(yīng)用

鉆井液入口流量是鉆井現(xiàn)場所需要錄取的必不可少的鉆井液參數(shù)之一，它對鉆井和錄井施工都起著至關(guān)重要的作用。實時監(jiān)測鉆井液入口流量（泵沖數(shù)）可以幫助司鉆了解鉆井液泵的工作情況和現(xiàn)在鉆井液注入量和累計注入量，并間接地掌握井內(nèi)的壓力和流量情況，杜絕安全事故的發(fā)生。只有通過監(jiān)控鉆井液入口流量，才能夠計算遲到時間及其他派生參數(shù)，工程人員才能記錄和監(jiān)控鉆井液泵的運行狀態(tài)，錄井人員才能準(zhǔn)確錄取巖屑、氣測等資料，建立精確的地層剖面。鉆井液入口流量主要用來計算遲到時間、油氣上竄速度、精確計量和定位特殊處理劑、計算平均井徑等，同時它還反映了泵的工作狀態(tài)，結(jié)合其他參數(shù)可以判別異常工況。

2 鉆井液出口流量

2.1 實際意義

實際上我們一直以來所說鉆井液的出口流量是相對流量，指鉆井液出口流量的相對變化量，即與鉆井液泵正常工作時的出口流量相比，實時流量的變化趨勢，是增多、相近還是減少，也可以說是指鉆井液返出井口時在架空槽或緩沖罐內(nèi)的鉆井液面的相對變化量，實際工作中是以%為單位。

2.2 數(shù)據(jù)來源及采集方法

出口流量是出口流量傳感器采集的實時參數(shù)值。具體說明如下：

在鉆井過程中，為了對鉆井液出口流量的實時監(jiān)控，綜合錄井通常使用靶式流量計或者超聲波液位傳感器來測量鉆井液出口流量的變化。二者測量原理和方法不同，精度也不同。

2.2.1 靶式流量計

（1）常見的靶式流量計。常見的靶式流量計主要用于高粘度、低雷諾數(shù)流體的流量測量，也可用于測量一般氣體、液體和蒸汽等流體介質(zhì)的流量。靶式流量計是安裝在管道中的，是一種節(jié)流變壓降式流量計，靶式流量計的關(guān)鍵技術(shù)是力的轉(zhuǎn)換方式，即力傳感器的結(jié)構(gòu)形式。雖然按靶式流量計使用的力轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)或信號形式可分為將其不同類型，但其基本結(jié)構(gòu)均是由測量裝置（包括靶板和測量管）、力轉(zhuǎn)換器和信號處理單元（包括顯示部分）組成。其基本工作原理如下：在恒定截面的圓筒形測量管(儀表體)直管段的截面中心同軸放置一個與流束垂直的圓形靶板（或圓鋼球），當(dāng)流體沖擊靶板、并沿靶板周圍流過時，靶板上受到一個推力F，它與流速V（或流體的動能）、流體密度ρ和靶板受力面積A之間的成正比，具體關(guān)系如式（1）所示：

式中：F——靶板上受的力，N；

CD——阻力系數(shù)；

ρ——流體密度，kg/m3；

V——流體流速，m/s；

A——靶板受力面積，mm2。

靶式流量計適用場所有如下要求：①所測流體必須是牛頓流體；②流體必須充滿流量計的測量管；③流體在物理學(xué)和熱力學(xué)上是均勻的，并可知道測量條件下的密度和粘度；④流體流經(jīng)流量計時不發(fā)生相變；⑤管道雷諾數(shù)應(yīng)大于2000（不同的制造商可能有不同的要求）。

目前施工現(xiàn)場所使用的鉆井液絕大多數(shù)均是非牛頓流體，而且鉆井液從井底返出時還要攜帶大量的巖屑，有時其中還要溶解地層中的流體（包括油、氣、水等）。同時鉆井現(xiàn)場一般是在鉆井液出口處安裝方形敞口高架槽來連接緩沖罐及振動篩，即使是使用圓形導(dǎo)管連接，當(dāng)正常鉆進時，鉆井液也并不能充滿架空槽（導(dǎo)管），只是在其中形成一定高度的液面。所以常見的靶式流量計不適用于鉆井現(xiàn)場，即使勉強使用，也無法測出鉆井液的流量大小。

（2）鉆井現(xiàn)場使用的靶式流量計。

①工作原理：長期以來鉆井施工現(xiàn)場是使用靶式流量計來測量鉆井液出口流量的，此流量計與安裝在管道中的靶式流量計不同，此傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，其核心部件是傳感器的靶板和與其相連的可變電阻，靶板位置變化會導(dǎo)致相連的可變電阻的阻值變化。其測量原理是依靠出口鉆井液的沖擊力使靶板位置發(fā)生變化，進而根據(jù)鉆井液流體連續(xù)性原理和伯努利方程以及靶體受力的分析，可得出流量與傳感器靶板之間的函數(shù)關(guān)系，并以電阻值線性變化反映靶板的角位移（即轉(zhuǎn)動的角度），從而表示出口液面的高度，即可測得鉆井液流量的相對變化。其輸出信號為4～20mA。經(jīng)實地觀察實際流量的大小與靶板轉(zhuǎn)動的角度呈正相關(guān)性，即流量大，轉(zhuǎn)動的角度也大，槽內(nèi)的液面高度也就高，反之，則轉(zhuǎn)動的角度也小，槽內(nèi)的液面高度也就低。也就是通過靶板轉(zhuǎn)動的角度及槽內(nèi)液面的高度變化來代表實際的流量變化。此傳感器靶板的張開角度為0°～50°，其變化反應(yīng)比較靈敏，測量結(jié)果基本上能反映出口鉆井液流量的異常變化，其測得的是出口鉆井液流量相對變化，無絕對量程。

②現(xiàn)場安裝步驟：a必須安裝在鉆井液出口導(dǎo)管或高架槽上，距井口3～4m 處，且要求高架槽的寬度（或?qū)Ч艿闹睆剑┖推露纫獫M足靶板在靜止時（即沒有鉆井液返出時）能夠保持垂直或接近垂直狀態(tài)；b 靶板活動方向與鉆井液流向一致；c靶板浸入鉆井液的深度以不被沉砂擱置為宜。注意：在安裝后，應(yīng)檢查靶板可在管內(nèi)空間自由擺動，不與管線內(nèi)壁相碰。否則影響傳感器輸出信號正確性。此傳感器一般備有兩種加重塊，可由用戶在現(xiàn)場根據(jù)不同的情況自由選用，可單獨用一塊，也可兩塊疊用。如鉆井液流速很大，傳感器擺臂沖到極限位置時，可以適當(dāng)增加配重，若鉆井液流速較小，傳感器擺臂擺幅太小，可以適當(dāng)減小配重。

③傳感器標(biāo)定方法：實際工作中常用的標(biāo)定方法有幾種：

方法一：a 在鉆井液泵處于停止?fàn)顟B(tài)，井口沒有鉆井液返出，靶板此時處于最低位，呈垂直或接近垂直狀態(tài)，把此時傳感器所測得的信號值標(biāo)定成0%，b把靶板抬到最高位，大約與垂直方向呈50°時，把此時傳感器所測得的信號值標(biāo)定成100%。

方法二：a 在井口沒有鉆井液返出時，靶板此時處于最低位，把此時傳感器所測得的信號值標(biāo)定成0%；b在鉆井液泵處于正常工作狀態(tài)、鉆井液從井口正常返出時，靶板偏轉(zhuǎn)到一定的位置，把此時傳感器所采集到的信號值標(biāo)定成80%（之所以不標(biāo)成100%，是因為一旦鉆井液排量再加大或有溢流產(chǎn)生，參數(shù)值可能會超過100%。）。

④靶式流量計的優(yōu)、缺點：靶式流量計是鉆井現(xiàn)場應(yīng)用最多流量傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格最低廉、能夠長期使用的優(yōu)點，主要測量鉆井液的相對變化量，只能定性地從井底返出的鉆井液的變化情況，不能定量測量。在使用中，靶式流量計具有很多缺點：安裝條件嚴(yán)格且過程繁瑣；靶板長期使用后會因掛上泥餅而活動范圍縮小、靈敏度變差，需要定期對擋板進行清洗；配種塊如果選擇不當(dāng)會導(dǎo)致測量誤差加大；潮濕的環(huán)境導(dǎo)致傳感器的可變電阻易損且電阻值產(chǎn)生誤差等。經(jīng)過計算，鉆井液返出流量從24L/s 增加到25L/s 時，由于泥漿的粘滯作用，其升高只有2%左右，這導(dǎo)致靶式流量計在實際測量返出鉆井液流量時精度不夠，不能準(zhǔn)確預(yù)測溢流。

2.2.2 超聲波液位傳感器

（1）替代原理：鑒于靶式流量計在現(xiàn)場應(yīng)用中顯現(xiàn)出來的諸多缺點，人們開始研究如何用其他方式來測量鉆井液出口流量。通過分析不難看出：靶式流量計只能測量鉆井液出口流量的相對變化，鉆井液出口流量變化導(dǎo)致高架槽（出口導(dǎo)管）內(nèi)的鉆井液液面的高低發(fā)生相應(yīng)的變化，不同的出口流量會形成不同高度的液面，即流量與液面高度具正相關(guān)性，現(xiàn)場只要能準(zhǔn)確測量這一高度，便可達到準(zhǔn)確反映出口鉆井液流量變化的目的。綜上所述，完全可以用出口鉆井液面的高低變化來替代出口流量變化。

（2）工作原理：超聲波液位傳感器，用來測量敞開或密封容器中的液體液位。此傳感器裝有超聲波探頭及溫度感應(yīng)元件。傳感器由探頭發(fā)射一系列超聲波脈沖，而超聲波脈沖遇到液面后返回，被傳感器接收。傳感器中的濾波裝置可從來自聲波、電波噪聲等各種假回波中分辨出從液面上返回的真回波，脈沖波從發(fā)射到液面、再返回到傳感器所用的時間經(jīng)溫度補償后，轉(zhuǎn)換成可顯示的距離，并轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA 電流信號輸出。超聲波傳感器具有輸出信號穩(wěn)定、抗干擾能力強、測量距離準(zhǔn)確、誤差范圍小等優(yōu)點。

安裝要求：超聲波液位傳感器最佳的安裝位置是在出口導(dǎo)管（或高架槽）上，距離井口3～4m、液面穩(wěn)定處。為了提高測量精度，盡量避免裝在緩沖罐上面。因為注入流量一定的情況下，容器的底面積越小，液面高度的變化越明顯。一般要求傳感器探頭距離出口導(dǎo)管（高架槽）頂面25cm（超聲波液位傳感器的盲區(qū)為25cm）。

傳感器標(biāo)定方法：①初始化傳感器：設(shè)定傳感器的最小監(jiān)測距離為25cm（即導(dǎo)管或高架槽頂面位置）；設(shè)定最大監(jiān)測距離為25cm+導(dǎo)管內(nèi)徑或高架槽內(nèi)部高度。②標(biāo)定：于錄井軟件標(biāo)定界面中，把最大距離所對應(yīng)的信號標(biāo)定為0%；把最小距離所對應(yīng)的信號標(biāo)定為100%。

2.3 鉆井液出口流量的應(yīng)用

鉆井過程中，如果對井漏、井涌等復(fù)雜情況的發(fā)生處理不及時，則會釀成嚴(yán)重的事故。尤其是在天然氣井中，如果處理的方法和措施不當(dāng)，極易引起井噴失控著火、井場爆炸及井場下陷等災(zāi)難性事故。為了預(yù)防井噴，鉆井過程中的井控工作中，應(yīng)該及早發(fā)現(xiàn)溢流、井漏等征兆并及時處理，這也是井控技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鉆井液出口流量是判斷鉆井現(xiàn)場井涌溢流及井漏的關(guān)鍵參數(shù)，對鉆井液流量參數(shù)進行實時動態(tài)監(jiān)測，便能及時發(fā)現(xiàn)溢流、井漏等異常現(xiàn)象，及時預(yù)警，以便安全、高效地完成鉆井工作。

鉆井液出口流量主要應(yīng)用是結(jié)合其他參數(shù)來判斷和預(yù)警以下井下復(fù)雜情況和工程事故。

井漏：井漏發(fā)生時的特征是在入口流量恒定的情況下，出口流量減小，同時鉆井液池體積下降，立管壓力下降。

溢流及井涌：此類異常情況的特征是在入口流量恒定的情況下，出口流量增大，同時鉆井液池體積增大，立管壓力上升。

堵水眼：一旦鉆頭水眼被堵，會出現(xiàn)泵壓急劇上升，泵速下降，出口流量減小的現(xiàn)象。

斷鉆具：斷鉆具的事故發(fā)生，會導(dǎo)致泵壓急劇下降、泵速上升、懸重突然下降、扭矩下降、出口流量上升等情況。

3 問題探討

由于條件限制，目前陸地鉆井現(xiàn)場絕大多數(shù)是使用靶式流量計或超聲波液位傳感器來測量鉆井液出口流量，用泵沖數(shù)來計算鉆井液入口流量。在實際工作中鉆井液泵的排量要受泵的機械效率和上水效率的影響，而且靶式流量計和超聲波液位傳感器所測得的鉆井液出口流量只是相對流量，無法進行入口、出口流量的對比。隨著井控技術(shù)的發(fā)展，越來越要求現(xiàn)場能精確測量出鉆井液的入口、出口流量，以便及時對比，及早預(yù)報井漏、井涌和井噴等事故的發(fā)生。所以近些年在鉆井液定量監(jiān)測技術(shù)上有了新的突破，有些油氣田引進質(zhì)量流量計和電磁流量計兩種設(shè)備用于石油鉆探過程中的鉆井液的定量監(jiān)測。質(zhì)量流量計雖然具有測量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是存在價格昂貴、現(xiàn)場安裝復(fù)雜等缺點，因此目前多采用電磁流量計定量監(jiān)測鉆井現(xiàn)場鉆井液流量。電磁流量計受測量原理限制，為保證測量精度，流量計前后的管道必須有一定長度的直管段，流體流經(jīng)流量計的前后管道內(nèi)均需要是滿管狀態(tài)，這就對電磁流量計的安裝使用產(chǎn)生了限制；另外當(dāng)鉆井液流量較大時，固定管徑下的電磁流量計會對流體通過產(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。也有些油氣田引進多普勒流量計來進行鉆井液流量監(jiān)測，但是由于各種原因，均沒有得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)束語

截止目前鉆井液入口與出口流量的實際意義不同是由于現(xiàn)場監(jiān)測方法及條件限制所導(dǎo)致的，而為了實現(xiàn)安全、快速、經(jīng)濟的鉆井，對鉆井液定量、實時、準(zhǔn)確監(jiān)測顯得尤其重要。這就要求必須有新的、更科學(xué)的測量方法應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場，如何高精度、真實、準(zhǔn)確測量返出鉆井液成為石油工業(yè)界需要探索的課題之一。