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溢流研究及在西北工区现场应用
发布时间：2019-05-27

摘要：石油钻探过程中，井控工作关乎人员、设备、生产安全。及时、正确发现溢流是井控安全预防的关键。石化油田结合目前常规的监测方式．高架槽上能够减缓钻井液波动、提升溢流监测灵敏性的“双挡板”装置和钻井液罐上的减缓液面波动装置并进行试验，同时探索电磁流量计在钻井现场监测出口流量的应用；在大量数据统计分析的基础上。建立了溢流预警模型．智能监测溢流预警系统并在现场应用。结果表明，综合录井目前溢流监测方法相比，有效提高了溢流预报的及时性和准确性，应用效果良好。
0引言
　　井控安全是石油钻井施工安全的重要保证，因为大多数井从发现溢流到井喷持续时间只有5～10min，有的时间更短，甚至溢流和井喷同时发生，所以溢流越早发现越容易处理，并可避免引发井喷事故[1。2]。西北油田主力区块油藏以缝洞型碳酸盐岩为主，具有“超深、高温、高压、高矿化度”等特点，特别是顺北、顺南、顺托区块油气“三高”特征更加明显，钻进过程中井控风险增大。在西北油田现场，主要是利用安装在钻井液出口处高架槽上和钻井液循环罐上的超声波液位传感器录取到的液面高度变化数据来计算溢流量，通过综合录井仪实时监测并设置报警门限实现自动报警，同时配套钻机监视系统实行专人轮值坐岗。
　　高架槽处钻井液流动产生的冲击力和钻井液循环罐搅拌机搅拌产生的液面波动会导致超声波传感器获取的数据存在误差。综合录井仪软件系统的异常预报，往往限于单参数的超限提醒，一般采用的是阈值法，即高低门限设定报警[3]。由于报警逻辑简单，在井场施工的复杂环境下，可能发生误批造成操作人员“报警麻木”。对此，中国石化西北油田从减缓、消除高架槽和钻井液罐液面波动及利用综合录井仪智能监测溢流等方面人手。
l钻井液循环系统减缓液面波动装置
　　出口流量和池体积是目前地面监测溢流最重妻的两个参数，保证这两项参数源头数据的准确性对发现溢流至关重要。
1．1参数录取准确性影响因素
　　高架槽处(出口流量)：西北油田钻井作业工区高架槽的安装坡度为1�！�3。，气测录井需安装电动脱气器，在距离缓冲罐0．5～1m处安装挡板，已达到能满足电动脱气器正常工作的状态。钻井液遇到挡板后液面升高，当液面高度与挡板相同时，一部分钻井液越过挡板流向缓冲罐，一部分钻井液则反向流动，导致挡板前的钻井液液面产生波动，且出口流量监测波动非常明显。
　　钻井液罐处(池体积)：钻井液罐上搅拌机搅拌过程中会导致钻井液液面明显波动，从而使超声波传感器采集到的钻井液池体积数据误差及波动较大，影响池体积增量监测的准确性。
1．2减缓液面波动装置研发
　　将高架槽处(出口流量)的挡板移至导管出口后方0．5m处，为“挡板1”(图1、图2a)，同时加装“挡板2”于脱气器之后靠近缓冲罐处。
　　“挡板1”对从导管中流出的钻井液起到缓冲的作用，当钻井液流向“挡板2”时流速显著减缓，以达到减缓液面波动的目的。调节挡板的高度，使钻井液和岩屑可以从“挡板1”底部的弧状通道流出，降低岩屑沉积的程度。

　　“挡板2”由图2b中展示的挡板形态改进为挡板中间切割出一矩形通道，同时加装两块挂板(图2c)�？梢愿荼门帕坑行У鹘谧昃和ü舶宓目矶�，以实现钻井液流量变化时液面高度有显著变化，提升溢流监测的灵敏性。钻井液排量大时，钻井液和岩屑可以从矩形通道流过，排量小时，钻井液和岩屑从挡板2底部的弧形通道通过。
　　根据U型管原理，在钻井液循环罐安装池体积传感器的位置悬挂一根直径约为30cm，长度小于钻井液罐高度且底部能浸人钻井液的钢管，钢管一侧开一条宽约6cm的纵向缝，钢管内钻井液液面与钻井液罐中的液面高度一致；加工一个空心浮球，在该球上方焊一块直径略小于圆管内径的圆形铁板，放置在钢管内(图3)，使池体积传感器检测平板位置的高度，以消除钻井液波动、消除气泡对池体积传感器监测数据的影响。

1．3减缓液面波动装置现场应用效果
1．3．1高架槽处双挡板装胃试验
　　将“双挡板”装置在高架槽上安装后，超声波液位传感器检测到高架槽液面波动明显减缓，出口流量监测数据趋于平稳(图4)。通过反复试验，证实“双挡板”能减缓高架槽因钻井液流动造成的液面波动影响，与安装原有挡板的情况相比，高架槽内沉砂差别不大，均可通过起下钻期间清理沉砂的方式消除其影响。

　　两口井分别在不同钻井液排量下测试了原挡板和改进后“双挡板”装置的出口流量变化值。通过测试数据发现当增加泵冲排量模拟溢流时，“双挡板”装置的灵敏性液面高差比原挡板有显著增高(表1)。
1．3．2钻井液罐处浮球式装置试验
　　TP1井3号泥浆罐和4号泥浆罐安装该装置前，监测数据曲线呈毛刺状，波动起伏明显；安装该装置后有明显的改善，曲线平稳(图5)。


2电磁流量计系统现场试验
　　电磁流量计已经成熟应用于地面管线测流量，原理为法拉第电磁感应定律。由于测量方式不受流体温度、压力、密度和电导率变化的影响，其在复杂的钻井液环境中，具有较强适应性。
2．1系统组成及特点
　　电磁流量计系统硬件部分主要包括：电磁流量计2个，脱气器、沉砂助推器各1台，防爆控制柜、采集机柜各1个，工控机1套(图6)。电磁流量计系统监测必要条件：电磁流量计需满管测量，且前后要保持5D、3D(D为电磁流量计直径)的直管段。自动监测报警：选取人口流量和出口流量的差值设置报警门限，出口大于人口为溢流，出口小于人口为漏失，当二者差值超过报警门限时，系统显示报警。
电磁流量计系统硬件示意图
2．2现场试验
2．2．1现场安装
　　钻井液出、人口处均安装三通，一旦系统出现异常，可以迅速恢复正常生产。入口流量计安装在钻井液上水罐和钻井液泵之间管线上，为了满足电磁流量计满管测量要求，流量计外观设计为U型管，需在入口处挖出长、宽、高分别为3m、1．8m、3．3m的深槽(图7)。出1：3流量计安装在防溢管和缓冲槽之间，为了满足电磁流量计满管测量要求，也设计为U型管(图8)。
　　为减少气体对电磁流量计监测可能产生的影响，在U型管顶端安装脱气器；为防止U型管底部出现沉砂，在U型管底部安装防沉砂助推器。
入口处电磁流量计安装示意图与实物图
2．2．2试验条件
　　奥陶系灰岩地层钻进施工，井深为6193．00m，钻井液低固相聚磺钻井液体系，密度为1．17g／cm3。标定进、出口流量计及采集机使其与实际泵排量一致，保证监测数据的准确性。
2．2．3试验步骤
①溢流模拟：调节入口管线三通处阀门，使经过入口处电磁流量计的流量从大变小，出口流量保持不变，模拟溢流，观察系统报警情况。
②脱气器试验：打开和关闭脱气器，对比出口处电磁流量计监测数据的变化，分析气体对电磁流量计的影响。
③气侵模拟：从钻井井口四通阀门间歇性注气(8MPa氮气)，模拟地层气体逸出井121，观察电磁流量计能否有效识别。
2．2．4试验效果
　　经现场试验，电磁流量计监测出口流量时，钻井液内气体对监测数据无影响，流量变化时自动弹出报警界面，数据监测灵敏(耗时<3S)，能够敏锐地发现气侵，实现在钻井过程中发现溢流的目的。
3智能监测溢流预警系统
　　整理分析西北油田近5年64口井87次溢流资料可知，溢流主要发生在钻进工况下，提离井底、起钻、划眼溢流发生概率相近，下钻工况相对安全。从参数变化情况看，在发生的溢流事件中出口流量、池体积、气测值都发生了异常变化，而立压异常概率接近50％，钻时、出15密度、出口电导率异常概率约为30％，其他参数变化概率较低[4]。
3．1基础判断规则
　　依据溢流的成因及诱发因素，对溢流事件进行早期预警和核实报警。早期预警指通过参数基值运算和参数异常时间判断功能剔除单参数假异常，做到单参数预警提醒的及时性和准确性，针对钻时�？椤⑵庵的？椤⒘⒀鼓？�、高压�？�(立压上升同时悬重下降)、出口流量�？�、池体积�？榻性缙谠ぞ嵝选：耸当ň窃诔隹诹髁�、池体积参数同时增加时判断为溢流，溢流�？楸ň�。一旦出现能够诱发溢流或是溢流前兆的异常即进行早期预警，在与溢流直接相关的多参数发生异常后则进行核实报警，基础判断规则如表2所示[4]。
3．2数据处理分析方法
　　对各类原始的工程参数进行二次处理(如平均值、变化率、振幅计算)与分析，比原始值能更直接地反映钻井异常的变化状态，也能有效发现滤除噪声等非事故因素引起的参数异常变化，提高预警的有效性和准确性；在数据处理后建立参数的实时背景基线，以此为基准实现对参数的动态连续监测与分析，进而根据人工设定的正常变化阈值判断参数是否发生异常，如图9所示[43。


3．3特殊变量引入
　　引入时间窗：界定参数超限时长的异常判断标准，排除参数正常波动变化，假定参数超限时长标准为t。，如图10所示，如果参数超过异常阈值上限的时间(￡)小于定义的超限标准时间参数t。，则视为未发生异常。
　　引入权重系数：在多参数的综合判断中，根据现场情况定义各参数的权重系数，其中持续、关键的参数作为必要参数，在多参数判断中占主导地位，提高相应参数在判断中的比重设置(如高压油气井适当增加立压和悬重的权重)。西北工区根据油气层类型设置了5种参数权重配置(表3)。

3．4起下钻灌浆返浆情况监测
　　起、下钻工况下，针对灌浆、返浆情况建立监测机制，获取灌浆罐与钻具体积参数，对比灌浆、返浆量与钻具排替理论量，判断起、下钻过程中是否发生溢流。其计算公式如下：
Vg—V2一V1；V。一Vd；V。一Vg—V。+n
即：V。一V2一Vl—Vd+，2
　　式中：V。为实际灌浆、返浆量，m3；V。为灌浆罐静止体积，m3；V。为灌浆罐变化至再次静止的体积，m3；V。为钻具排替体积，m3；V。为钻具体积(根据情况可能为壁厚体积或外径体积)，m3；V。为实际与理论差值，m3；卵为系统误差常量值，m3。
3．5溢流预警系统框架设计
　　软件系统模块化、组件化、开放式设计，具有良好的可维护和可扩展能力。该系统主要由数据采集接口插件、数据处理�？�、预警模型框架、主程序框架及数据库构成，如图11所示‘4I。

　　现场应用中，通过综合录井仪数据接口插件获取实时数据，软件系统对实时数据进行同步处理分析，根据当前工况将处理后的数据自动输入预警模型进行综合判断，随后输出系统判断结果进行人机交互，在交互的过程中，实现系统参数与预警模型的进一步修正完善[4’6]。
4现场应用
　　该系统在西北油田16口井进行了现场部署应用，累计运行562d，能够较准确地识别真、假溢流。通过合理的参数配置，能够有效排除易引起误报的异常，如钻井参数的变化、传感器电磁干扰等因素造成的参数变化。
4．1应用情况1
　　TK915—12H井在2017年03月23日22：24钻进至井深6078．15m，出口流量从19．03％上升至50．42％，总池体积从116．34m3上升至116．62m3。值班人及时通知司钻和钻井队工程师，钻井队于22：26成功关井，关井套压为1．0MPa，溢流量0．28m3。智能预警系统及时监测到出口流量异常，并实时跟踪发展态势，较综合录井仪提前49S报警，为钻井队及时处理井内工程复杂赢得宝贵时间。
4．2应用情况2
　　TK915—12H井正常钻进过程中，接单根时综合录井仪由于�？酶飨喙夭问崞捣北ň绕渫１煤笞艹靥寤捎诠芟呋亓骰崦飨栽黾�，开泵后钻井液泵入井筒过程中总池体积会明显减少。由于该系统能智能识别停开泵时各相关参数的变化，未发生频繁报警。
5结论
①高架槽“双挡板”装置不仅对高架槽液面波动能够起到很好的减缓作用，还可以更加灵敏地反映高架槽出口流量变化，第一时间发现井漏或溢流。
②钻井液罐减缓液面波动装置的试验表明，利用U型管原理能够有效减缓使用钻井液搅拌机引起的液面波动，浮球式的装置改进进一步有效解决了管内气泡积聚的问题，实现了井漏或溢流发生时钻井液体积变化量数据的正确测量。
③上述两种装置保证了源头数据的准确录取，能够更加有效监测溢流。
④电磁流量计监测数据准确，比目前监测溢流的方式更加灵敏，但其安装受场地条件限制，且起、下钻情况下溢流的监测有待进一步研究。
⑤智能监测溢流预警系统能够对录取数据进行二次分析，实时调整参数基值，且引入时间窗和参数权重等变量，能够更加及时、准确地判断是否发生溢流，能够有效减少“误报”的次数，具有一定的推广意义。

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