鉆井液漏斗黏度和密度自動檢測儀的研制與應(yīng)用

謝 輝，鄭立群，劉福林，梁夢佳，劉 璇，蔡記華，楊現(xiàn)禹,*，侯繼武,*

(1.武漢譽城千里建工有限公司，湖北 武漢 430051；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

鉆井液技術(shù)是處理和預(yù)防各類井下復(fù)雜情況最為有效的方法之一，而鉆井液漏斗黏度和密度參數(shù)可以最為直觀地反映鉆井液攜帶鉆屑、平衡地層壓力和預(yù)防孔壁坍塌的性能。實時掌握鉆進過程中的鉆井液性能參數(shù)，對于保障鉆井工程的安全高效快速進行具有重要意義。因此，自動化檢測技術(shù)在鉆井過程中將會得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]?，F(xiàn)有的鉆井液檢測大多為人工操作，存在繁瑣、誤差大、檢測不及時等問題，這往往是造成孔內(nèi)事故的重要原因之一[2]。

針對目前鉆探工程中鉆井液自動化檢測程度低的問題，學(xué)者們做了大量的研究工作。在鉆井液黏度和密度自動檢測方面，陳明[3]基于旋轉(zhuǎn)黏度計原理和超聲波原理設(shè)計了鉆井液密度和黏度自動連續(xù)測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鉆井液的自動采樣，對密度和黏度等檢測數(shù)據(jù)的存儲和實時傳輸，提升了檢測作業(yè)效率。張峰等[4]設(shè)計了一種利用微扭矩傳感器配合旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，可以快速檢測泥漿流變性和潤滑性。張志財?shù)萚5]采用變徑管式測量方法和振動管密度測量法研發(fā)出一套鉆井液性能在線測量儀器，測試性能穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)準確[6]。盡管上述研究成果在特定的領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用，但是，由于施工現(xiàn)場條件和成本限制，上述的鉆井液密度和黏度檢測儀器均很難應(yīng)用在實際生產(chǎn)現(xiàn)場[7]。

目前，現(xiàn)場施工一般根據(jù)API 標準，采用馬氏漏斗黏度計檢測鉆井液黏度，采用比重計檢測鉆井液密度[8-10]。所有測試流程均需人工參與，由于操作人員水平不一，會造成較為明顯的人工測量誤差，且測試結(jié)果不能及時上報，現(xiàn)有鉆井液性能檢測技術(shù)普遍沒有提出通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在移動端進行實時數(shù)據(jù)更新[11-12]。此外，由于鉆井液一般屬于非牛頓流體，具有一定的黏附性，如果在測試過程中缺少清洗環(huán)節(jié)，鉆井液會附著在電極等接觸式傳感器及漏斗內(nèi)壁，測試結(jié)果會出現(xiàn)一定誤差，并且在多次測試中會不斷放大這種誤差[13-15]。

針對上述問題，以馬氏漏斗黏度計為設(shè)計基礎(chǔ)，使用可編程邏輯控制器、物聯(lián)網(wǎng)模組、壓力、超聲、蠕動泥漿泵、電動球閥和隔膜泵配套的管線等元器件，組成取漿模塊、檢測模塊、清洗模塊和控制模塊，實現(xiàn)了自動取漿、自動測試、自動清洗、數(shù)據(jù)實時上傳、遠程控制和定時檢測等功能，避免了人工檢測存在的測量誤差較大、檢測不及時等問題，有利于鉆井液工程師及時地了解鉆井液性能參數(shù)，并根據(jù)檢測結(jié)果優(yōu)化鉆井液性能，從而提高鉆進效率，避免由于鉆井液和地層配伍性差導(dǎo)致的孔內(nèi)事故。

1 設(shè)計思路

考慮誤差(文中涉及的測量誤差均為絕對誤差)、量程、體積與成本等因素，綜合鉆井液黏度和密度自動檢測中的難點問題，構(gòu)建鉆井液黏度和密度自動檢測儀設(shè)計方案。

(1)采用抽汲能力強的蠕動泵，滿足抽汲高固相含量鉆井液的要求。鉆井施工現(xiàn)場使用鉆井液中含有一定的固相顆粒和鉆渣鉆屑。檢測儀器的取漿模塊應(yīng)該具備抽取含有固相顆粒的鉆井液的能力。同時，對過大的鉆渣鉆屑具備過濾功能，避免因鉆渣鉆屑過大引起的測試管道堵塞等一系列問題[16]。

(2)采用多傳感器和數(shù)據(jù)融合技術(shù)來提高儀器檢測精度和穩(wěn)定性。由于現(xiàn)有超聲波測距傳感器的檢測精度和穩(wěn)定性不能完全滿足檢測要求[17]?？紤]到成本因素，檢測儀器應(yīng)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計降低對傳感器檢測精度要求，并采用多種傳感器和相應(yīng)的濾波算法來提高儀器檢測的準確性和穩(wěn)定性[18]。

(3)設(shè)置清洗模塊，減少系統(tǒng)誤差。在測試過程中鉆井液會附著在電極等接觸式傳感器及漏斗內(nèi)壁，會導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)一定誤差，并且在多次測試中會不斷放大這種誤差[19]，因此，清洗模塊需要具備可以對專用馬氏漏斗黏度計實現(xiàn)全面清洗的能力，在實現(xiàn)鉆井液黏度和密度連續(xù)檢測的同時保障儀器測試精度和穩(wěn)定性[20-21]。

(4)使用電動球閥作為控制開關(guān)，減少系統(tǒng)誤差。在檢測過程中，需要使用閥門控制漏斗黏度檢測開始和結(jié)束，傳統(tǒng)的電磁閥通道狹窄，會導(dǎo)致測量得到的漏斗黏度存在很大誤差，而電動球閥可以全通道打開，但需要解決開閉時間過長等問題。

(5)使用鋰電池供電和無線通信技術(shù)，增強儀器使用的便捷性?？紤]到工程現(xiàn)場可能存在的問題，在檢測儀器供電模塊和通信模塊采用鋰電池供電和無線通信，方便儀器的推廣應(yīng)用[22]。

2 結(jié)構(gòu)原理及特點

鉆井液漏斗黏度和密度自動檢測儀結(jié)合馬氏漏斗的結(jié)構(gòu)特點，在馬氏漏斗黏度計的基礎(chǔ)上，設(shè)計增加溢漿管、清洗噴頭、壓力傳感器接口和超聲波傳感器支架的專用馬氏漏斗黏度計。同時，配合可編程邏輯控制器、物聯(lián)網(wǎng)模組、壓力傳感器、超聲測距傳感器、溫度傳感器蠕動泥漿泵、電動球閥、隔膜泵以及配套的管線，形成了取漿模塊、檢測模塊、清洗模塊和控制模塊4 個功能單元，實現(xiàn)了自動取漿、自動檢測、自動清洗和檢測數(shù)據(jù)自動上傳等功能，使儀器具備自動檢測、連續(xù)檢測的能力。儀器設(shè)計參數(shù)見表1，設(shè)計如圖1 所示，實物如圖2 所示。

圖2 檢測儀器實物Fig.2 Physical picture of the testing instrument

表1 儀器設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of the testing instrument

2.1 取漿模塊

取漿模塊以蠕動泵作為主體，可以將含有固相顆粒的鉆井液泵入專用馬氏漏斗黏度計中，黏度計上方設(shè)有超聲波測距傳感器，在泵入泥漿達到設(shè)定高度時控制模塊通過繼電器關(guān)閉蠕動泥漿泵，多余鉆井液通過溢漿管流出至廢液桶，保證馬氏漏斗內(nèi)的鉆井液為1.5 L[23]。

專用馬氏漏斗黏度計如圖3 所示，作為檢測儀器的主體部分，取漿、檢測、清洗3 個重要環(huán)節(jié)都圍繞其展開。為了實現(xiàn)3 個環(huán)節(jié)，在原有馬氏漏斗黏度計的基礎(chǔ)上進行了以下幾個部分的設(shè)計。

圖3 專用馬氏漏斗黏度計Fig.3 Specialized Marsh funnel viscometer

(1)在位于馬氏漏斗1.5 L 液面處設(shè)計了溢漿管。溢漿管內(nèi)壁和1.5 L 液面平齊，通過溢漿管來保障在進行測試時，馬氏漏斗內(nèi)漿液體積為1.5 L。

(2)根據(jù)API 標準，確定了壓力傳感器的接口位置。馬氏漏斗黏度計錐度為27°，錐面高度305 mm，上錐面直徑156 mm，下錐面和導(dǎo)管直徑為4.76 mm。計算得到鉆井液流出946 mL 時液面和上錐面垂直距離，設(shè)計壓力傳感器接口位置在與下錐面垂直距離55 mm 處，來確保壓力傳感器檢測流出液體體積的量程范圍大于946 mL，提高測試精度。

(3)增加了原有馬氏漏斗上部的環(huán)形空間，避免由于傳感器精度、閥體損壞等問題引起的漿液外溢問題。在位于馬氏漏斗正上方設(shè)計了超聲波傳感器支架和清洗噴頭，超聲波傳感器支架位于距馬氏漏斗上錐面60 mm 處，避免傳感器測試盲區(qū)和漿液濺射在傳感器后造成儀器故障。清洗噴頭安裝在馬氏漏斗1.5 L 液面和超聲波傳感器安裝面之間。

2.2 檢測模塊

檢測模塊由可編程邏輯控制器、快速電動球閥和壓力傳感器作為主體，完成取漿后，待多余鉆井液排出，可編程邏輯控制器根據(jù)壓力傳感器數(shù)據(jù)計算得到鉆井液密度，并控制繼電器打開電動球閥和開始計時，超聲波測距模塊直接檢測馬氏漏斗內(nèi)液面高度，壓力傳感器數(shù)據(jù)通過壓力變化可以計算出液面高度，可編程邏輯控制器依據(jù)該數(shù)據(jù)可以計算出流出鉆井液體積，對2 種數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波函數(shù)得到流出鉆井液體體積，當(dāng)流出鉆井液體積為946 mL 時停止計時，得到鉆井液漏斗黏度。傳感器等元器件參數(shù)見表2。

表2 元器件參數(shù)Table 2 Component parameters

2.3 清洗模塊

清洗模塊由隔膜泵和清洗噴頭(噴射角度160°)作為主體，在測試結(jié)束后，可編程邏輯控制器控制隔膜泵打開，清洗液進入清洗噴頭對馬氏漏斗進行全面清洗，等待液體全部流出后，可編程邏輯控制器通過繼電器控制電動球閥關(guān)閉，同時通過物聯(lián)網(wǎng)模塊上傳檢測數(shù)據(jù)至云平臺，云平臺同步數(shù)據(jù)至移動端設(shè)備。

2.4 控制模塊

控制模塊由可編程邏輯控制器和繼電器作為主體，在測試的各個階段，控制蠕動泥漿泵和電動球閥的開關(guān)，實現(xiàn)測試過程中的自動控制，同時可編程邏輯控制器會將計算得到的鉆井液黏度和密度數(shù)據(jù)，配合通信模塊上傳至云平臺，通信模塊使用Esp8266 芯片，搭配無線WiFi，使用Blinker 軟件進行開發(fā)，該軟件配置有對應(yīng)的云平臺。計算方法如圖4 所示。

圖4 密度和黏度測試流程Fig.4 Flow chart of the density and viscosity testing

2.4.1 密度計算

鉆井液密度由壓力傳感器數(shù)據(jù)計算得到，由于壓力傳感器安裝位置和馬氏漏斗1.5 L 液面之間高差為固定值H1，在取漿結(jié)束后，馬氏漏斗內(nèi)多余鉆井液沿溢漿管流出，確保馬氏漏斗內(nèi)鉆井液為1.5 L，此時壓力傳感器數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，將此時的壓力傳感器數(shù)據(jù)定義為P1，根據(jù)液體壓強公式可以計算得到鉆井液密度，具體計算方式如下：

2.4.2 漏斗黏度計算

鉆井液黏度數(shù)據(jù)可由測試過程中可編程邏輯控制器時鐘記錄的電動球閥打開時間t1和由超聲波和壓力傳感器數(shù)據(jù)計算得到的流出液體為946 mL 的時間t2之差計算得到，為了提高檢測精度，對壓力傳感器數(shù)據(jù)使用卡爾曼濾波得到馬氏漏斗內(nèi)實際液面高度，具體計算方式如下：

2.4.3 傳感器濾波算法

為了提高測試精度，對超聲波測距傳感器測試數(shù)據(jù)進行誤差數(shù)據(jù)排除處理[24-25]，將濾波后得到的高程數(shù)據(jù)和壓力傳感器測得的高程數(shù)據(jù)使用卡爾曼濾波，得到實際高程[26]。

由于超聲波傳感器直接測量不平整的液面，會導(dǎo)致測量存在異常值，在對濾波算法對比后采用萊特、格拉布準則來剔除異常數(shù)據(jù)，計算方法為：

式(4)用于計算均值，式(5)用于計算殘差，式(6)為貝塞爾公式，式(7)為粗大數(shù)據(jù)剔除準則。其中|Ei|＞f(n,a)σ(x)時就作為粗差數(shù)據(jù)，格拉布斯準則中的f(n,a)取決于測量次數(shù)n和置信概率a。

在測量過程中，溫度的變化會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，因此，在超聲波傳感器包含有測溫模塊，通過聲速和溫度的線性關(guān)系降低溫度變化引起的測量誤差。

對濾波后的數(shù)據(jù)和壓力傳感器數(shù)據(jù)依次間隔排列后采用卡爾曼濾波算法進行濾波得到最終測量的實時高程：

式(8)-式(9)為預(yù)測方程。

B是當(dāng)前輸入增益矩陣。整個系統(tǒng)是不存在輸入的，則B=0。

式(13)由協(xié)方差矩陣的公式推導(dǎo)。

式(14)-式(16)為更新方程。

3 儀器工作界面

鉆井液漏斗黏度和密度自動檢測儀的工作界面包括儀器顯示界面以及移動端軟件界面。儀器顯示界面可實時顯示儀器狀態(tài)包括檢測頻率、檢測次數(shù)、密度和漏斗黏度測量值，通過操作面板可以對檢測頻率、檢測次數(shù)和通信進行設(shè)置，部分界面如圖5 所示。移動端軟件界面分為數(shù)據(jù)顯示頁面以及參數(shù)設(shè)置頁面，用戶通過數(shù)據(jù)顯示頁面可以實時查看顯示儀器狀態(tài)參數(shù)，以及檢測儀器實時上傳檢測得到的漏斗黏度和密度，用戶通過參數(shù)設(shè)置頁面可以遠程對儀器的檢測頻率和檢測次數(shù)進行設(shè)置。移動端軟件部分界面如圖6 所示。

圖5 儀器顯示界面Fig.5 Display interfaces of the testing instrument

圖6 移動端軟件界面Fig.6 Software interface of the testing instrument at the mobile terminal

通過以上界面可知，鉆井液漏斗黏度和密度自動檢測儀可視化界面清晰、操作便捷、數(shù)據(jù)信息化程度高，及時為鉆井液工程師提供準確的鉆井液性能參數(shù)，保障鉆井施工的安全性和高效性。

4 應(yīng)用情況

4.1 室內(nèi)測試

在室內(nèi)開展了鉆井液漏斗黏度和密度自動檢測儀穩(wěn)定性和準確性測試，對人工測量馬氏漏斗黏度為36 s和密度1.12 g/cm3進行連續(xù)測試，測試得到的馬氏漏斗黏度曲線和密度曲線如圖7 所示。對不同配方鉆井液的密度和漏斗黏度分別進行儀器測量和人工測量，測量數(shù)據(jù)對比見表3。

圖7 穩(wěn)定性測試曲線Fig.7 Stability testing curves

表3 儀器測量和人工測量數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of instrument and manual measurement data

通過現(xiàn)場儀器的連續(xù)檢測數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)對比可以看出，漏斗黏度自動測試誤差為±1 s，密度自動測試誤差為±0.01 g/cm3，均在設(shè)計允許范圍以內(nèi)。通過室內(nèi)穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)可以看出，儀器在連續(xù)測量過程中漏斗黏度波動范圍在±1.2 s 以內(nèi)，密度波動在±0.011 g/cm3以內(nèi)，體現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

4.2 現(xiàn)場試驗

4.2.1 基礎(chǔ)工程

2023 年5 月，在武漢市某地下連續(xù)墻項目進行了現(xiàn)場試驗，對施工井段鉆井液馬氏漏斗黏度和密度進行了自動測試?，F(xiàn)場測試的鉆井液漏斗黏度和密度結(jié)果如圖8 和圖9 所示，可見該儀器可以滿足對鉆井液漏斗黏度和密度的連續(xù)測試。同時，由于鉆井液不斷受到水泥污染，馬氏漏斗黏度逐漸降低，密度逐漸升高。

圖8 現(xiàn)場測試鉆井液漏斗黏度曲線Fig.8 Field testing-derived funnel viscosity curves of drilling fluids

圖9 現(xiàn)場測試鉆井液密度曲線Fig.9 Field testing-derived density curves of drilling fluids

4.2.2 石鹽礦勘探

2023 年9 月，在湖北省天門市小板鹽礦區(qū)便市礦段石鹽礦勘探項目進行了現(xiàn)場試驗。對鉆孔ZK201(取樣井深909 m，飽和鹽水鉆井液)、ZK301(取樣井深83 m，膨潤土鉆井液)現(xiàn)場鉆井液分別取漿3 次后，進行了馬氏漏斗黏度自動測試，同時以人工測試結(jié)果作為參照，結(jié)果見表4。由表4 可知，全部測試中，儀器測量和人工測量誤差小于±1 s，體現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

表4 石鹽礦勘探現(xiàn)場測試漏斗黏度數(shù)據(jù)對比Table 4 Comparison of funnel viscosity testing data from the halite ore exploration site

綜上可知，鉆井液漏斗黏度和密度自動檢測儀具有良好的準確性和穩(wěn)定性，可以滿足鉆井現(xiàn)場的測試需求。

5 結(jié)論

a.研制了鉆井液漏斗黏度和密度自動檢測儀，可以檢測鉆井液和工程漿液的馬氏漏斗黏度和密度。

b.該儀器可以對鉆井液馬氏漏斗黏度和密度定時連續(xù)自動檢測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至移動端設(shè)備，鉆井液工程師可以遠程查看鉆井液的馬氏漏斗黏度和密度的變化過程。

c.該儀器軟硬件經(jīng)過測試具有良好的穩(wěn)定性和準確性，漏斗黏度自動測試誤差為±1 s，密度自動測試誤差為±0.01 g/cm3，可以滿足工程現(xiàn)場的測試需求。

d.下一步將在優(yōu)化儀器內(nèi)外結(jié)構(gòu)、減少儀器的系統(tǒng)誤差，并在不同的鉆探領(lǐng)域開展現(xiàn)場試驗。

符號注釋：

A為N×N的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；C為輸入關(guān)系矩陣；Ei為殘差；f(n,a)σ為準則偏差值；g為重力加速度，N/m；h為壓力傳感器膜片安裝位置到馬氏漏斗內(nèi)液面的垂直距離，m；Kk為濾波增益；Li為當(dāng)前測距長度；Li-1為上一次測距長度；P為壓力傳感器上方鉆井液液柱壓強，Pa；R為測量噪聲向量的協(xié)方差矩陣；Sk為后驗狀態(tài)均方差矩陣；Sk-1為更新后上一次的后驗狀態(tài)均方差矩陣；Q為過程噪聲；t為測試時間，s；t1為電動球閥打開時間，s；t2為流出液體為946 mL 的時間，s；va為平均速度，m/s；vi為瞬時速度，m/s；FV 為漏斗黏度測試結(jié)果，s；ρ為測得鉆井液密度，g/cm3；xi為輸入原始參數(shù)；為原始參數(shù)均值；為當(dāng)前最優(yōu)的先驗預(yù)測值；為上一次的最優(yōu)后驗值；σ為貝塞爾公式標準差；uk為當(dāng)前的輸入值。