鉆井液性能在線監(jiān)測技術(shù)在南海鉆井施工中的應(yīng)用

陳現(xiàn)軍 郭書生 張志財

(①中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司湛江分公司；②中海石油(中國)有限公司海南分公司；③中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院)

0 引 言

隨著自動化、智能化、信息化技術(shù)的發(fā)展，石油鉆井自動化程度越來越高，目前國外高端自動化鉆機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)鉆臺操作自動化、地面設(shè)備信息和井下信息融合貫通，開發(fā)了不同的鉆機(jī)控制系統(tǒng)，可以對接不同的鉆井自動化軟件，實(shí)現(xiàn)自動化鉆井；國內(nèi)在鉆井地面自動化裝備、鉆井自動化智能儀器工具和鉆井遠(yuǎn)程作業(yè)控制系統(tǒng)等方面也取得了較大進(jìn)展[1-2]。鉆井液作為鉆井的“血液”，其性能自動化測量是自動化鉆井的重要組成部分，也是當(dāng)前比較熱門的研究領(lǐng)域。

傳統(tǒng)鉆井液性能的人工測量方法耗時長、不連續(xù)、時效性差，且不易保存，測量精度受人員、經(jīng)驗(yàn)差異影響較大，而離子含量的測量方法則更加繁瑣，需要攜帶大量的試劑，且不易儲存、對人體有傷害，誤差更大，難以實(shí)時監(jiān)控鉆井液性能的變化情況，更重要的是人工測量的數(shù)據(jù)記錄頻次少，一天只有兩個點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以存儲下來。

國外對鉆井液性能自動化測量方面的研究起步比較早，比如哈里伯頓公司研發(fā)了一套自動測量鉆井液性能的BaraLogixTM密度流變性裝置，在2016年休斯敦舉辦的海上技術(shù)年會中獲OTC新技術(shù)聚焦獎，但是該裝置的流變性測量原理還是傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)法，而且沒有進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用；MI-SWACO公司也在2008年發(fā)表了關(guān)于全套鉆井液性能和鉆屑性能的自動化測量文獻(xiàn)，據(jù)資料表明樣機(jī)還處于研發(fā)階段。

國內(nèi)中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水基鉆井液性能在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井液塑性粘度、密度、氯離子含量等10項(xiàng)鉆井液性能參數(shù)的在線監(jiān)測，同時制訂了設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)場技術(shù)規(guī)范，最終實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。

1 鉆井液性能在線監(jiān)測儀器簡介

鉆井液性能在線監(jiān)測儀器(圖1)由中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院自主研發(fā)，可測量密度、流變性(表觀粘度、塑性粘度、動切力、漏斗粘度、流性指數(shù)、稠度系數(shù))、pH值、氯離子和硫離子10項(xiàng)鉆井液性能參數(shù)[1]，與國外現(xiàn)有技術(shù)相比，具有實(shí)時測量、連續(xù)記錄、自動測量、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳四大優(yōu)點(diǎn)，且遠(yuǎn)高于國外同類產(chǎn)品 10 ～15 min的監(jiān)測頻率，能更好預(yù)判井下狀況，應(yīng)對突發(fā)問題，可以更及時地處理鉆井液性能,確保鉆井安全。

儀器由取樣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)組成。取樣系統(tǒng)將鉆井液輸送至測量系統(tǒng)進(jìn)行檢測，得出的數(shù)據(jù)經(jīng)采集系統(tǒng)分析處理后在軟件界面上顯示出來，并最終存儲至專屬文件，同時傳輸至錄井?dāng)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要功能是提供動力，即為整套儀器供電。保護(hù)系統(tǒng)的主要功能是過壓保護(hù)，防止儀器由于壓力過高導(dǎo)致?lián)p壞。

圖1 鉆井液性能在線監(jiān)測儀器

采集系統(tǒng)將測量的各類參數(shù)集成輸入采集箱，整個采集系統(tǒng)在功能模塊上分為：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及參數(shù)標(biāo)定模塊5部分，最終將測量的數(shù)據(jù)通過軟件系統(tǒng)呈現(xiàn)。同時可將10項(xiàng)鉆井液性能參數(shù)以WITS數(shù)據(jù)格式實(shí)時傳輸至現(xiàn)場錄井系統(tǒng)，并通過錄井系統(tǒng)端口將鉆井液性能參數(shù)上傳至隨鉆監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)時曲線的方式將鉆井液性能參數(shù)展示出來，方便作業(yè)人員對鉆井液性能的監(jiān)測與分析。

軟件整體界面如圖2所示，分為9個選項(xiàng)界面，將10項(xiàng)鉆井液性能參數(shù)實(shí)時呈現(xiàn)出來。9個選項(xiàng)界面分別是主界面顯示、密度及溫度顯示界面、離子濃度顯示界面、粘切參數(shù)顯示界面、n和K值顯示界面、參數(shù)設(shè)置界面、通信設(shè)置界面、遠(yuǎn)程設(shè)置界面和遠(yuǎn)程列表界面。

圖2 鉆井液性能在線監(jiān)測軟件界面

2 鉆井液性能在線監(jiān)測技術(shù)原理

2.1 鉆井液流變性測量原理

鉆井液流變性的傳統(tǒng)手動測量方法總結(jié)有 2 種：旋轉(zhuǎn)法和管流法[3-5]。旋轉(zhuǎn)法是目前現(xiàn)場鉆井液流變性測量最常用的方法，適用范圍寬，測量方便，但這種方法取樣、測量時間較長，只能定時單點(diǎn)測量，對實(shí)現(xiàn)流變性的實(shí)時在線自動測量具有一定局限性。而傳統(tǒng)的管流法由于幾何形狀和直徑的問題，很容易引起管道堵塞、壓力測量不準(zhǔn)等問題。為此，鉆井液流變性的測量采用全新的理念，其原理為變徑管式流變性測量原理。根據(jù)矩形斷面的寬度、高度以及2 個測壓點(diǎn)之間的距離，計算出管壁處作用在流體上的剪切應(yīng)力，得出兩個速度梯度下的切應(yīng)力值，再通過賓漢模式計算出塑性粘度、動切力和表觀粘度，根據(jù)冪律模式計算出流性指數(shù)和稠度系數(shù)。

2.2 鉆井液密度測量原理

鉆井液密度的測量是根據(jù)振動管式原理[6]，其工作原理是基于振動體(元件)的振動頻率與其密度間的關(guān)系。當(dāng)振動管的幾何尺寸、形狀和材質(zhì)一定時，振動頻率僅由振動系統(tǒng)的質(zhì)量決定；而流經(jīng)振動管內(nèi)的一定容積的流體質(zhì)量則是由其密度決定，即密度變化將改變振動管的固有振動頻率。具體來說，振動系統(tǒng)的振動頻率和管內(nèi)流體密度的平方根成正比，通過測量振動頻率確定流體密度。

2.3 鉆井液離子濃度測量原理

鉆井液的離子濃度采用離子選擇電極法進(jìn)行測量[7]。離子選擇電極是一種對溶液中離子活度有電位響應(yīng)的電化學(xué)傳感器，離子選擇電極法就是利用電極電位和離子濃度之間的關(guān)系來確定溶質(zhì)含量，現(xiàn)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)測等領(lǐng)域。

3 鉆井液性能在線監(jiān)測儀器的應(yīng)用效果

3.1 鉆井液性能在線監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高

鉆井液性能在線監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過上百余口井的現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好，其測試數(shù)據(jù)精度高、偏差小、實(shí)時連續(xù)而且穩(wěn)定性好。為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每間隔12 h或根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需要，選取定點(diǎn)鉆井液樣品，結(jié)合人工傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)，對比實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行一次校驗(yàn)，每天記錄一次校驗(yàn)結(jié)果。從校驗(yàn)結(jié)果可以看出，儀器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)同人工測量數(shù)據(jù)對比偏差較小，數(shù)據(jù)誤差在儀器設(shè)定精確度范圍之內(nèi)，較為客觀地反映了鉆井液性能狀況(表1)。測量數(shù)據(jù)存在偏差主要與鉆井液溫度、取樣點(diǎn)位置和人工測量手法不同有關(guān)。

表1 某井鉆井液性能人工測量與儀器測量校驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

3.2 實(shí)時監(jiān)測預(yù)警溢流

鉆井液性能在線監(jiān)測儀器可連續(xù)實(shí)時測量鉆井液性能數(shù)據(jù)，能直觀地監(jiān)測鉆井液性能參數(shù)變化趨勢，做到早預(yù)判、早準(zhǔn)備；同時結(jié)合工程、地質(zhì)和地層等各類綜合錄井信息，對出現(xiàn)的溢流等井下風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警，從而降低事故發(fā)生風(fēng)險。

中海油南海樂東區(qū)塊高溫高壓深水井具有井底壓力高、地層存在多套壓力系統(tǒng)、安全密度窗口窄、漏噴共存風(fēng)險大等技術(shù)難點(diǎn)，因此嚴(yán)格控制鉆井液密度是該區(qū)塊施工的重點(diǎn)。

在鉆井施工現(xiàn)場，出口鉆井液密度均間隔15 min或更長時間測量一次，入口鉆井液密度的測量往往在需要時才進(jìn)行測量，鉆井液密度無法實(shí)時測量給鉆井安全施工帶來了較大隱患，而采用鉆井液性能在線測量技術(shù)可有效規(guī)避該類風(fēng)險。比如在樂東區(qū)塊某高溫高壓深井鉆進(jìn)過程中，出、入口密度監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖3)顯示，03∶30前后，入口監(jiān)測密度穩(wěn)定，出口監(jiān)測密度突然降低，檢查設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)無異常后，結(jié)合綜合錄井出現(xiàn)鉆井液出口流量增大等井況信息，提前對可能出現(xiàn)的溢流進(jìn)行報警。通過及時上報處理，避免了井下復(fù)雜情況進(jìn)一步惡化，降低了事故發(fā)生的風(fēng)險。

圖3 某高溫高壓井鉆井液入口和出口密度變化曲線

3.3 實(shí)時監(jiān)測及時進(jìn)行鉆井液性能調(diào)整

鉆井液性能在線監(jiān)測儀器對鉆井過程中鉆井液性能變化進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測，鉆遇油氣層或水層、調(diào)整鉆井液體系，以及鉆井液提密度循環(huán)前中后期所造成的鉆井液性能變化，都能從監(jiān)測曲線圖中顯示出來，并以數(shù)據(jù)的形式記錄存檔。以中海油A井為例：通過實(shí)時監(jiān)測鉆井液流變性的變化(圖4)，發(fā)現(xiàn)表觀粘度(AV)、塑性粘度(PV)、漏斗粘度(FV)均出現(xiàn)波動，表明鉆井液性能不穩(wěn)定，工程師根據(jù)監(jiān)測情況對鉆井液性能進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)時掌握鉆井液性能的調(diào)整情況，避免出現(xiàn)調(diào)整不到位或調(diào)整過度的情況。

鉆井液性能在線監(jiān)測儀器還可以在入口進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時監(jiān)控入口密度，保證入井鉆井液密度不超過設(shè)計密度，尤其在目的層鉆進(jìn)期間，一方面可以保護(hù)油氣層，降低儲層損害，另一方面降低井漏風(fēng)險。對于安全密度窗口窄的地層，密度略高就會井漏，密度略低就會井涌，此時入口處鉆井液密度的實(shí)時監(jiān)測至關(guān)重要。通過監(jiān)測入口鉆井液密度，可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整鉆井液性能，從而節(jié)約調(diào)整時間和鉆井液材料成本。

圖4 A井鉆井液流變性實(shí)時監(jiān)測曲線

3.4 實(shí)時監(jiān)測及時判斷地層流體特征

鉆井液性能參數(shù)的監(jiān)測還可以為判斷地層流體提供依據(jù)，以中國南海鶯歌海盆地的一口深井B井為例：該井鉆進(jìn)至3 088 m,氣測全烴值突破6%，同時出現(xiàn)電阻率升高、自然伽馬下降的情況，而鉆井液監(jiān)測曲線也隨之波動，出口鉆井液密度從2.025 g/cm3降至2.015 g/cm3，返出的鉆井液回流至循環(huán)罐后，導(dǎo)致入口鉆井液密度延后出現(xiàn)對應(yīng)下降(圖5)；從12∶54開始，表觀粘度(AV)、塑性粘度(PV)、漏斗粘度(FV)均出現(xiàn)下降趨勢(圖6)，受氣體中酸根離子影響，pH值也相應(yīng)下降；綜合整個目的層氣測升高過程，電阻率對應(yīng)變化不強(qiáng)烈，從而得出地層含水的可能性建議。

圖5 B井鉆井液入口密度和出口密度變化曲線

圖6 中海油B井鉆井液流變性變化曲線

通過對各類參數(shù)曲線圖進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在氣測值升高期間，對應(yīng)的鉆井液密度、漏斗粘度、離子濃度等參數(shù)的變化過程；通過綜合分析，總結(jié)變化規(guī)律，為后續(xù)地層狀況判斷提供了輔助參數(shù)依據(jù)，完整的數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)也為后續(xù)資料復(fù)盤和調(diào)取提供了可能。

4 結(jié) 論

(1)鉆井液性能在線測量儀器可實(shí)時監(jiān)測密度、流變性、pH值和離子濃度等10項(xiàng)鉆井液性能參數(shù)，具有實(shí)時測量、連續(xù)記錄、自動測量、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳四大優(yōu)點(diǎn)，通過曲線圖實(shí)時直觀地反映鉆井液性能的變化趨勢，并全方位采集存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，便于今后的查驗(yàn)和對比分析，解決了人工測量不連續(xù)、記錄零散、人為差異干擾誤差、測量數(shù)據(jù)單一等問題。

(2)通過實(shí)時監(jiān)測鉆井液性能變化可預(yù)警溢流，做到早預(yù)判、早準(zhǔn)備，從而降低事故發(fā)生風(fēng)險；測量數(shù)據(jù)結(jié)合氣測變化，為判斷地層流體特征提供依據(jù)。結(jié)合工程、地質(zhì)和地層等各類綜合錄井信息，建立區(qū)域鉆井作業(yè)知識庫，可為后續(xù)鉆井作業(yè)提供專業(yè)分析。

(3)上百余口井的現(xiàn)場應(yīng)用證明，該儀器性能可靠穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高，與手動測量結(jié)果相比基本一致，誤差較小，完全滿足現(xiàn)場鉆井液性能自動化測量的需要。

(4)鉆井液性能實(shí)時在線監(jiān)測技術(shù)還處于起步階段，但鉆井自動化、信息化的發(fā)展，為該技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用空間，同時該技術(shù)的推廣也將加快鉆井自動化發(fā)展進(jìn)程。