電子液面坐崗儀研發(fā)及應(yīng)用

錢浩東 張治發(fā) 劉偉

摘要：液面坐崗作為鉆井作業(yè)施工中重要組成部分，是預(yù)防井噴的第一道防線。目前液面坐崗一般使用浮球液面監(jiān)測(cè)儀，依靠坐崗工實(shí)時(shí)觀察浮球液位標(biāo)尺變化，手動(dòng)計(jì)算池體積，但存在讀數(shù)差異大，影響計(jì)量；勞動(dòng)強(qiáng)度大，尤其是在處理復(fù)雜、緊急階段；液面波動(dòng)大、多個(gè)罐的標(biāo)尺累計(jì)計(jì)量，嚴(yán)重影響壓井、排后效等復(fù)雜的處置。針對(duì)上述問題，研發(fā)了電子液面坐崗儀，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)泥漿罐液面波動(dòng)及預(yù)警，實(shí)現(xiàn)液面坐崗由“肉眼觀察、人工記錄”向“自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警+人工確認(rèn)”的無(wú)紙化智能坐崗模式轉(zhuǎn)變，目前已推廣應(yīng)用98口井，井漏、溢流的誤報(bào)率降低90%以上。

關(guān)鍵詞：溢流；井漏；電子液面坐崗儀；報(bào)警

一、前言

液面坐崗作為鉆井作業(yè)施工中的重要組成部分，是井控工作中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是預(yù)防井噴的第一道防線。井控工作成功的關(guān)鍵在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、迅速正確關(guān)井，一旦發(fā)生溢流不可控，將會(huì)對(duì)公司、社會(huì)造成難以挽回的局面。因此，需要液面坐崗人員認(rèn)真觀察、連續(xù)坐崗，及時(shí)發(fā)現(xiàn)在不同工況下的溢流顯示，并及時(shí)校核鉆井液量的變化，及時(shí)提醒灌漿、報(bào)告險(xiǎn)情，迅速控制井口[1]。

目前，液面坐崗?fù)ǔＪ褂酶∏蛞好姹O(jiān)測(cè)儀，依靠坐崗工實(shí)時(shí)觀察浮球液位標(biāo)尺變化，手動(dòng)計(jì)算池體積，但存在以下兩個(gè)問題：一是坐崗工的肉眼觀察會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)存在差異，影響計(jì)量；二是勞動(dòng)強(qiáng)度大，尤其是在處理復(fù)雜、緊急階段，液面波動(dòng)大、多個(gè)罐的標(biāo)尺累計(jì)計(jì)量、坐崗工來(lái)回觀察計(jì)算，嚴(yán)重影響壓井、排后效等復(fù)雜的處置。另外，綜合錄井雖然使用超聲波液位監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)測(cè)的數(shù)字化，但測(cè)量精度受到以下兩方面的制約：一是鉆井液攪拌時(shí)，若鉆井液中含有雜質(zhì)或烴類（普遍未開真空除氣器），會(huì)產(chǎn)生泡沫，嚴(yán)重影響超聲波測(cè)量；二是超聲波測(cè)量會(huì)受到電流、振動(dòng)等環(huán)境因素的影響，數(shù)值波動(dòng)較大，難以濾波清除，導(dǎo)致預(yù)警過(guò)于頻繁。在井控風(fēng)險(xiǎn)方面，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的井控預(yù)警誤報(bào)率居高不下：一是池體積變化原因復(fù)雜多變，以純數(shù)據(jù)為依據(jù)的預(yù)警模型缺乏人工干預(yù)，無(wú)法對(duì)變化原因做出準(zhǔn)確分析，造成誤報(bào)較多；二是現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)罐為不規(guī)則的立方體，并且內(nèi)置管道、攪拌機(jī)等物體，有線超聲波傳感器采集存在很大的偏差。因此，為確保井控安全，研制出了能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)泥漿罐液面波動(dòng)及實(shí)時(shí)智能預(yù)警的電子液面坐崗儀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警+人工確認(rèn)”的無(wú)紙化智能雙保險(xiǎn)坐崗模式，大幅降低預(yù)警誤報(bào)率[2]。

二、電子液面坐崗儀研發(fā)

（一）電子液面坐崗儀組成及特點(diǎn)

電子液面坐崗儀由浮球液面儀、標(biāo)尺位移傳感器、防爆觸摸屏和預(yù)警軟件構(gòu)成，如圖1所示。通過(guò)在循環(huán)罐處增加一臺(tái)防爆顯示器，實(shí)現(xiàn)了液面坐崗記錄的電子化，并集成了液面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)跟蹤、起下鉆井液修正表、回流量記錄表、井控預(yù)警和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，實(shí)現(xiàn)了坐崗工的無(wú)紙化與智能化辦公。

標(biāo)尺傳感器是依據(jù)循環(huán)罐上方液面標(biāo)尺上下浮動(dòng)，通過(guò)細(xì)鋼絲和位移傳感器將液面標(biāo)尺上下移動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行收集并傳遞給液面坐崗系統(tǒng)。防爆觸摸屏主要是作為電子液面坐崗系統(tǒng)的載體，讓坐崗工可以在上面應(yīng)用液面坐崗系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)填寫處理等工作，同時(shí)也作為預(yù)警軟件的安裝載體與展示載體。預(yù)警軟件是依據(jù)電子液面坐崗系統(tǒng)中液面?zhèn)鞲衅鱾鬏數(shù)囊好娓叨葘?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且依據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則進(jìn)行分析，同時(shí)將預(yù)警結(jié)果在防爆觸摸屏進(jìn)行展示[3]。

電子液面坐崗儀具有以下特點(diǎn)：

1.結(jié)構(gòu)可靠

批量化后，產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)部件采用不銹鋼材料、鋁合金部件，表面氧化處理耐潮濕環(huán)境、酸堿腐蝕。拉繩采用具有防腐、耐磨、柔性好的0.8mm/0.6mm的7×7包塑不銹鋼鋼繩，其有效承重＞16kg，一端固定在泥漿罐上的浮球標(biāo)尺上，另一端接入傳感器內(nèi)，傳感器內(nèi)有鋼繩回收裝置，鋼繩回收力＜450g，確保不會(huì)影響浮球標(biāo)尺的測(cè)量準(zhǔn)確性。自上而下的布置方式可以有效減少鋼繩的污染，鋼繩自動(dòng)導(dǎo)向伸縮裝置確保鋼繩不會(huì)重疊、纏繞，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。不銹鋼P(yáng)VC包塑鋼絲繩具有耐酸堿、耐腐蝕、耐磨損、耐低溫、強(qiáng)度高，具有阻燃、防潮、壽命長(zhǎng)等優(yōu)質(zhì)特性[4]。

液位數(shù)據(jù)模塊內(nèi)部具有緩沖結(jié)構(gòu)。內(nèi)部采用＜450g拉力的彈簧緩沖張力自動(dòng)收縮，且預(yù)留三分之一液位標(biāo)尺高度的繩長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)液位浮球上下波動(dòng)時(shí)沖擊拉伸的緩沖。類似結(jié)構(gòu)在工控自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，普遍應(yīng)用于復(fù)雜、惡劣環(huán)境的工業(yè)設(shè)備的位移測(cè)量模組。

2.液位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠

機(jī)械浮球標(biāo)尺刻度數(shù)據(jù)是每個(gè)循環(huán)罐出廠時(shí)標(biāo)定罐體液量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。防爆無(wú)線液位數(shù)據(jù)模塊采用與浮球標(biāo)尺同步變化的計(jì)量檢測(cè)方式，采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)尺數(shù)據(jù)同步一致，是機(jī)械標(biāo)尺刻度數(shù)字化最直接的一種信息化設(shè)備[5]。

核心部件采用4096分辨率的位移檢測(cè)芯片，測(cè)量精度＞0.1mm，保障測(cè)量準(zhǔn)確性。機(jī)械彈簧濾波功能，有效濾除液面快速流動(dòng)、攪拌波動(dòng)造成的浮球標(biāo)尺上下波動(dòng)與振動(dòng)，減少原始干擾數(shù)據(jù)。確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性能，降低統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的誤差變化值。

（二）電子液面坐崗儀工作原理

現(xiàn)有的循環(huán)罐鉆井液量化數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)方式為人工讀取每個(gè)罐體配套的機(jī)械浮球裝置標(biāo)尺刻度值，錄井專業(yè)的遠(yuǎn)程液位數(shù)據(jù)采集均采用有線超聲波傳感器、超聲波雷達(dá)等非接觸式高度數(shù)據(jù)測(cè)量模塊，易受使用環(huán)境條件干擾。由于鉆井液池內(nèi)含有管道，攪拌機(jī)等，且為不規(guī)則的立方體，使用超聲波雷達(dá)等直接測(cè)量液位高度來(lái)計(jì)算池體積的方法會(huì)有很大的偏差，且計(jì)算準(zhǔn)確難度大，易受干擾。機(jī)械浮球標(biāo)尺刻度數(shù)據(jù)是每個(gè)循環(huán)罐液量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，設(shè)計(jì)一種利用液位標(biāo)尺的上下移動(dòng)帶動(dòng)鋼繩長(zhǎng)度自動(dòng)同步伸縮變化的外掛機(jī)械裝置，通過(guò)內(nèi)置低功耗位移檢測(cè)芯片測(cè)量鋼繩移動(dòng)距離，計(jì)算出當(dāng)前液位標(biāo)尺的位置，從而得到泥漿池泥漿體積，通過(guò)測(cè)量鋼繩與浮球標(biāo)尺刻度指示器同步變化量來(lái)測(cè)量池體積的方法，不受其他環(huán)境因素干擾，準(zhǔn)確性高。

電子液面坐崗儀是坐崗工面對(duì)的一個(gè)電腦操作屏，一切坐崗數(shù)據(jù)都在操作屏上完成。坐崗工采用手持機(jī)對(duì)每個(gè)循環(huán)罐的標(biāo)尺進(jìn)行掃描確認(rèn)，確認(rèn)后的罐體積數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送到電腦操作屏上，然后坐崗工在操作屏上對(duì)頁(yè)面進(jìn)行數(shù)據(jù)校核、差值原因分析等操作。坐崗工還可以根據(jù)回流量記錄表、起下鉆鉆井液修正表來(lái)校核起下鉆時(shí)灌漿是否正常，填寫液面變化原因。若校核發(fā)現(xiàn)，理論和實(shí)際的體積變化不一致或者相差較大，開始進(jìn)行預(yù)警，提醒司鉆，工作原理如圖2所示。

電子液面坐崗儀的浮球拉繩位移傳感器實(shí)現(xiàn)由人工讀取標(biāo)尺數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化自動(dòng)測(cè)量，解決了目前液面監(jiān)測(cè)儀依靠人工坐崗單點(diǎn)測(cè)量、容易產(chǎn)生誤報(bào)和漏報(bào)的問題。具有三個(gè)方便的功能特點(diǎn)：1.液位高度測(cè)量精度：±1mm、體積監(jiān)測(cè)精度：±0.01m3。2.自動(dòng)測(cè)量循環(huán)罐內(nèi)鉆井液動(dòng)態(tài)體。3.與一體化平臺(tái)對(duì)接，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警。

（三）電子液面坐崗儀功能

電子液面坐崗儀能自動(dòng)生成電子坐崗記錄，查詢使用方便快捷，有效提高工作效率。甲乙方、前后方數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享，協(xié)助事前分析、事中處理和事后調(diào)查。液面變化實(shí)時(shí)分析，智能預(yù)警提示，采用“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)+人工參與”大幅降低預(yù)警誤報(bào)率。電子液面坐崗儀包括鉆進(jìn)階段液面坐崗、起下鉆階段液面坐崗、傳感器故障情況下的液面坐崗、異常情況下的智能預(yù)警四塊內(nèi)容。

1.鉆進(jìn)階段液面坐崗

液面記錄邏輯和流程和原有模式一樣，只是將坐崗人員原來(lái)的紙質(zhì)填寫坐崗記錄變?yōu)榱死檬殖謾C(jī)打卡核實(shí)電子讀數(shù)與標(biāo)尺讀數(shù)是否一致。若總池體積有變化，則在系統(tǒng)標(biāo)注差值原因。

2.起下鉆階段液面坐崗

除了使用該系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)還保留了手工記錄進(jìn)行監(jiān)測(cè)核實(shí)，“雙軌”并行以確保起下鉆液面數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.傳感器故障情況下的液面坐崗

若傳感器故障，可通過(guò)手持機(jī)或平板顯示器人工輸入標(biāo)尺讀數(shù)，以保障坐崗記錄的連續(xù)性。

4.異常情況下的液面坐崗。

當(dāng)發(fā)生溢流、井漏等異常情況時(shí)，電子坐崗儀發(fā)出警告，告知液面坐崗人員，液面坐崗人員進(jìn)行判斷、處理，若為誤報(bào)，點(diǎn)擊結(jié)束預(yù)警；若為異常，進(jìn)行記錄。若坐崗人員3分鐘未做處理，則自動(dòng)推送到值班干部/司鉆進(jìn)行處理。

電子液面坐崗儀在異常情況下的智能預(yù)警如圖3所示，電子液面坐崗儀發(fā)出預(yù)警，告知坐崗工。坐崗工及時(shí)對(duì)液面進(jìn)行校核，判斷是否為異常或者誤報(bào)，若為誤報(bào)，坐崗工點(diǎn)擊結(jié)束預(yù)警；若判斷為異常，坐崗工在3分鐘內(nèi)告知值班干部或者司鉆，值班干部或者司鉆在5分鐘之內(nèi)進(jìn)行處理。若為溢流或者井漏，根據(jù)相應(yīng)的處理措施進(jìn)行處理。若值班干部或者司鉆，超過(guò)5分鐘還未對(duì)預(yù)警進(jìn)行處理，該預(yù)警就自動(dòng)推送到EISC工程領(lǐng)導(dǎo)，同時(shí)會(huì)告知安全監(jiān)督和甲方監(jiān)督，有EISC工程領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況預(yù)判，下達(dá)指令，要求現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。

（四）技術(shù)成果

1.研發(fā)了標(biāo)尺電子液面監(jiān)測(cè)儀，提升液面監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度

經(jīng)試驗(yàn)，研發(fā)的拉繩傳感器具有結(jié)構(gòu)可靠、液位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、安裝簡(jiǎn)單便捷等優(yōu)點(diǎn)，滿足作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用需求。電子液面監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量精度達(dá)到±0.01m?，保障了測(cè)量準(zhǔn)確性。傳感器將距離轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)浮球的標(biāo)尺數(shù)字化，能夠在開泵、停泵、變排量等環(huán)節(jié)均實(shí)時(shí)、連續(xù)、穩(wěn)定監(jiān)測(cè)循環(huán)罐液面波動(dòng)，相較于傳統(tǒng)超聲波傳感器切實(shí)提高了液位監(jiān)測(cè)精度。

2.開發(fā)了液面實(shí)時(shí)跟蹤分析軟件，降低溢漏報(bào)警誤報(bào)率

由于現(xiàn)場(chǎng)施工情況復(fù)雜多變，導(dǎo)致以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為依據(jù)的溢流、井漏預(yù)警的誤報(bào)率居高不下。電子液面坐崗系統(tǒng)提供了一種新的解決方案，集成“電子坐崗+人工校驗(yàn)”模式，大幅減少了誤報(bào)情況。同時(shí)全面考慮非溢漏情況的液面變化影響因素，包括開停泵、膠液補(bǔ)充、倒罐轉(zhuǎn)漿、浮標(biāo)波動(dòng)等，不斷修改預(yù)警模型，優(yōu)化算法，顯著提高了井控預(yù)警準(zhǔn)確率。使用效果較好的隊(duì)伍整體誤報(bào)率下降90%以上。

3.實(shí)現(xiàn)坐崗無(wú)紙化，提升工作效率

電子坐崗系統(tǒng)可自動(dòng)生成工況、池體積、起下鉆灌返量等39項(xiàng)坐崗記錄，實(shí)現(xiàn)了坐崗記錄無(wú)紙化。經(jīng)測(cè)試，傳統(tǒng)人工記錄一條數(shù)據(jù)需用時(shí)1分鐘以上，而電子坐崗系統(tǒng)僅需10秒即可完成一條記錄，與原來(lái)手工填寫相比可大幅提升工作效率，減少人工記錄錯(cuò)誤。

4.集成EISS，實(shí)現(xiàn)坐崗記錄實(shí)時(shí)共享

電子坐崗系統(tǒng)可通過(guò)一體化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，液面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享至鉆井工程師平臺(tái)和EISC工作平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)干部和后方EISC專家可快速查詢循環(huán)罐情況，協(xié)助事前分析和事后調(diào)查。

三、結(jié)語(yǔ)

電子液面坐崗儀與司鉆領(lǐng)航儀、工程師平臺(tái)共同協(xié)作，組成了“三維一體”的井筒保障，極大降低了預(yù)警的誤報(bào)率。已在PS8井、PS12井、MX019-H2井等98口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，整體誤報(bào)率下降90%以上，系統(tǒng)成功對(duì)30井次溢流事件中的26井次進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)警，預(yù)警成功率86.6%，表1為井漏、溢流預(yù)警統(tǒng)計(jì)結(jié)果。該系統(tǒng)上線以來(lái)，精準(zhǔn)記錄液面，及時(shí)報(bào)警溢流和井漏信息，大幅降低井控預(yù)警誤報(bào)情況，提高了預(yù)警的準(zhǔn)確性，有效降低了起下鉆溢流風(fēng)險(xiǎn)，保障了鉆井隊(duì)井控安全，具有全面推廣的應(yīng)用價(jià)值。

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作者單位：中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程研究院

■ 責(zé)任編輯：張津平、尚丹