許利輝 陳仙江

(中國石化集團國際石油工程有限公司，北京 100020) (中石油新疆油田分公司開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000)

鉆井液性能自動化在線測量研究

許利輝 陳仙江

(中國石化集團國際石油工程有限公司，北京 100020) (中石油新疆油田分公司開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000)

鉆井液在鉆井過程中的作用極為關鍵，具有攜帶鉆屑、穩(wěn)定井壁和傳輸信號等功能。鉆井液在線測量鉆井參數并由此預測診斷井下復雜問題已成為現(xiàn)實。介紹了在大型鉆井液流動回路系統(tǒng)中所進行的試驗過程和結果，測量參數包括：流變性、密度、油水比、電穩(wěn)定性(油基鉆井液)、電導率(水基鉆井液)和粒度分布，在線測量結果與常規(guī)離線測量結果基本相符。在線傳感器可用于油田現(xiàn)場，進行鉆井復雜問題的自動化診斷，為油田現(xiàn)場應用提供了大量寶貴的數據。

鉆井液性能; 自動化鉆井液; 流動回路; 在線測量; 神經網絡

鉆井作業(yè)尤其是海洋鉆井成本很高，有必要對施工細節(jié)進行優(yōu)化。鉆井液在鉆井中的作用極為關鍵，具有攜帶巖屑、穩(wěn)定井壁和傳輸信號等諸多功能。近50年來，鉆井液性能控制一直受到業(yè)內人士的關注，在井下和地面對幾個鉆井參數進行在線測量能夠預測并診斷施工中出現(xiàn)的問題。鉆井自動化已成為現(xiàn)實，如自動化裝卸鉆桿、控制起下鉆操作等，但鉆井液性能數據主要來自于人工測量，鉆井液樣品要經過收集、運輸、處理及分析，然后才得到性能報告。人工測量不利于分析流體特性中預期問題的影響，而且還不能正確表征溫度和壓力對鉆井液性能的影響[1]。

隨著鉆井自動化的不斷發(fā)展，在大多數的海洋鉆井中都配備有實時井下傳感器，從而可使用實時診斷系統(tǒng)預測井下復雜情況。2008年，Saasen等[2]用自動化鉆井流動回路進行了一項試驗，所用傳感器為自行研發(fā)或由供應商處購入。試驗過程中采集到了一些在線數據，包括鉆井液流變性、電穩(wěn)定性、濾失量、密度、硫化氫濃度、pH值、固相含量和粒徑分布。研究發(fā)現(xiàn)，基于振動銷或超聲衰減的簡單黏度計不能在預期的剪切速率下準確地測量流體的黏度，建議采用Brookfield公司生產的可實現(xiàn)全自動化控制的庫艾特黏度計。電穩(wěn)定性測量需要專門研發(fā)的設備。用科里奧利裝置測量了密度，而懸浮固體顆粒濃度是通過離線裝置采用x射線技術確定的，并與使用固相蒸餾儀的API方法獲得的結果進行了對比，為后續(xù)研究奠定了基礎。2010年，Broussard等[3]進行了鉆井液性能自動化測量現(xiàn)場研究，利用振動U型技術和庫艾特黏度計分別測量了密度和黏度，并與標準儀器離線狀態(tài)下測得的結果進行了對比，結果表明，兩種測量值在一定的誤差范圍內是一致的。2011年，Miller等[4]提供了一口井鉆井過程中獲得的鉆井液密度和黏度實時數據，分析認為，鉆井監(jiān)測過程中，實時在線數據質量得到提高。為了真正實現(xiàn)鉆井液性能現(xiàn)場自動化在線測量，里約聯(lián)邦農業(yè)大學與巴西國家石油公司的研究人員利用專門開發(fā)的大型自動化鉆井液流動回路系統(tǒng)進行了大量試驗，在線測量了流變性、密度、油水比、電穩(wěn)定性(油基鉆井液)、電導率(水基鉆井液)和粒度分布等性能，并通過與離線測量值對比評價了在線傳感器。結果表明，在線測量值與離線測量值基本相符，為油田現(xiàn)場應用提供了大量寶貴的數據。為推動我國鉆井液在線測量技術的發(fā)展，筆者對試驗過程和結果進行了介紹。

1 試驗裝備

為了對現(xiàn)有的或新設計的鉆井液性能在線測量傳感器進行測試，里約聯(lián)邦農業(yè)大學與巴西國家石油公司合作，專門設計開發(fā)了大型自動化鉆井液流動回路系統(tǒng)(圖1)。該系統(tǒng)由管線、2臺泵、3個罐、測試儀器和監(jiān)控系統(tǒng)組成，罐體積為500L，可實時監(jiān)測返出鉆井液的溫度、壓力和體積流量，測量鉆井液的流變性、密度、電穩(wěn)定性、電導率和固相含量，并可在較大范圍內對不同作業(yè)條件下的傳感器進行評估[5]。

圖1 自動化鉆井液流動回路系統(tǒng)結構示意圖

1.1流變性測量儀

原始的流程黏度計是Brookfield公司生產的庫艾特黏度計TT-100，該黏度計與FANN35A黏度計一樣，能在6種不同的剪切速率下工作。該黏度計工作壓力為0.1014～1.5207MPa，最高工作溫度160°C，體積流量1～3m3/h，主要局限性是固體懸浮物的尺寸，允許固體顆粒的最大直徑是1mm。

1.2密度測量儀

Metroval公司生產的科里奧利密度計以科里奧利力為基礎，不僅能測量密度，還能測量質量流量。該密度計局限性也是固體顆粒的尺寸，允許固體顆粒的最大直徑是1mm，并且流體中必須不含氣體或氣泡。

1.3電導率和乳液穩(wěn)定性測量儀

按照離線標準儀器(FANN 25D)的技術設計，制作了一個專門的傳感器樣機(EEON)。該樣機原理：監(jiān)視器產生特定的信號并發(fā)送到信號放大器，放大的信號被發(fā)送到浸入在管路中的探針，由于電壓產生電流，樣機信息通過模擬信號返回到監(jiān)視器。樣機的結構可以被靈活地調整并改變信號的各個方面，如形式、頻率、幅度、電壓升高速率等，從而使用戶能夠探索不同類型電信號對最終電壓值的影響。

2 結果分析

2.1流變性

為了驗證改進的庫艾特黏度計TT-100的標定，選擇牛頓流體甘油和非牛頓流體CMC溶液分別在32℃和33℃時進行了試驗，并與Fann 35A黏度計測量值進行了對比，結果見圖2。

從圖2(a)中看出，對于2種儀器來說，剪切速率和剪切應力之間都呈線性關系，證實甘油為牛頓流體。豎線表示以每個傳感器精確度為基礎的試驗不確定性。圖2(b)中，可以看到剪切速率和剪切應力之間是非線性關系，證實CMC溶液為典型的假塑性流體。在線數據偏離離線數據的主要原因可能是每個儀器的間隙尺寸。對于非牛頓流體來說，由于剪切速率微積分過程中的數值擬合，間隙越大，產生的誤差也就越大。

圖2 流體的流變性曲線

水基鉆井液(實驗室配制)和非水基鉆井液(鉆井液公司)分別在34℃和51℃時用改進的庫艾特黏度計TT-100進行了試驗，并與Fann 35A黏度計測量值進行了對比，結果見圖3。在這2種情況下，都存在在線數據偏離離線數據的情形。對于水基鉆井液來說，在線數據偏離離線數據的原因可能是與滑動效應相關的間隙尺寸效應。在油基鉆井液的測量過程中，可以看到500s-1后曲線開始偏離離線數據。油基鉆井液比水基鉆井液有更高的潤滑性，因此圖3(b)中測量結果與圖3(a)中的情況正好相反。圖3(a)中，TT-100剪切應力測量值低于FANN35A剪切應力測量值，而圖3(b)中，TT-100剪切應力測量值高于FANN35A剪切應力測量值[5]。

圖3 不同鉆井液的流變曲線

2.2密度

用科里奧利密度計和常規(guī)泥漿比重計測量了水基鉆井液和合成基鉆井液的密度，并將結果進行了對比。水基鉆井液測試包括逐步加重(添加重晶石)和加熱，測量結果如圖4(a)所示；隨后逐步稀釋，測量結果如圖4(b)所示。

結果表明，在線測量數據與離線數據相符，證實在線設備能夠采集由于重晶石的添加引起的密度增大數據，以及由于溫度升高和鉆井液稀釋引起的密度下降數據。同樣，對合成基鉆井液也進行了相似的對比，結果見圖5。由于安全問題(泵壓限制)，不可能在之前的試驗范圍內評估密度計。結果顯示，2種儀器的測量值基本相符[5]。

圖4 水基鉆井液密度測試

圖5 合成基鉆井液的密度及壓力變化

2.3乳液穩(wěn)定性

反相乳液在鉆井中極為常用，其穩(wěn)定性對于保持設計性能尤其是流變性能極為關鍵。使用FANN 23D和新研制的傳感器樣機EEON進行對比試驗。試驗中使用了3種不同油水體積比的乳液，分別為50∶50、40∶60和30∶70，如圖6所示?？梢钥闯?，隨著電壓升高，電流保持在低值直到快速呈指數增長，此時油相提供的電氣屏障遭到破壞，水中的極性端暴露出來，產生的電流與施加的電壓成正比，與電阻成反比。圖6(a)中，電穩(wěn)定性離線測量值大約為800V，豎線表示標準偏差?？梢钥闯?，在線測量值略低于常規(guī)測量值(775V)。隨著含水率的增大，電穩(wěn)定性降低，當油水體積比為40∶60 和30∶70時，兩種儀器的電壓峰值相同。

在線監(jiān)測乳液狀態(tài)和流變性。測試時，首先在鉆井液中加入純油，立即導致罐中流體體積增加，流體密度減小(圖7)。每次罐體積達到325L時，都要進行清理以保證試驗能夠繼續(xù)進行。在第一次清理之后，測試7500s，加入水直到滿罐，重復該步驟直到乳液被破壞。圖8顯示了整個鉆井液體系的壓力、流量和溫度變化。為了使電穩(wěn)定性和電導率室內的流體得到及時更新，必須保持流量在最小值。溫度變化曲線表明，每當遇到干擾時，體系溫度都會下降。溫度升高是由摩擦力引起的，而不是加熱設備。從圖9中可以看出，加入油后表觀黏度降低，加入水后表觀黏度明顯增大，引起壓力升高。在試驗的最后階段，當乳液被破壞時，表觀黏度突然減小，導致壓力降低，此時體系變?yōu)閮上?油和水)流體，黏度都低于之前狀態(tài)下的黏度。圖10為試驗過程中乳液狀態(tài)的常規(guī)電氣監(jiān)測結果。僅僅加入油還不能明顯改變體系的電穩(wěn)定性，而加入水后電壓則迅速降低。從圖(7)～(10)中都可以看出，在約12000s時由于乳液被破壞，體系狀態(tài)明顯發(fā)生變化。圖10在12000s時，不僅電壓低于25V，電導率值也在0附近。因此，電穩(wěn)定性測定儀是一種可以反映單相條件下乳液穩(wěn)定性的工具，而電導率儀可作為判斷乳液是否破壞(相分離)的輔助工具[6]。

2.4固相含量

處理懸浮固相顆粒濃度所用的數學方法是以人工神經網絡為基礎，通過大量的實驗結果對人工神經網絡進行優(yōu)化。優(yōu)化過程中，固體懸浮物的質量濃度是目標變量，密度、黏度、超聲衰減和聲速是自變量。圖11～14為用于一些神經網絡優(yōu)化的典型測量數據。

圖7 罐中流體體積和密度隨時間的變化 圖8 流體的流速、壓力、溫度隨時間的變化

圖9 表觀黏度隨時間的變化 圖10 常規(guī)電學特性

圖11 第一種水基鉆井液的性能

圖12 第二種水基鉆井液的性能

用工業(yè)水配制水基鉆井液,其變量初始值：在1021s-1時表觀黏度為2mPa·s，密度1.00g/cm3，聲速1495m/s，衰減5.5dB，固相顆粒質量濃度0g/L。圖11為加入第1種固相顆粒后鉆井液性能，質量濃度升高至60g/L (離線測量)，衰減升高至8dB，表觀黏度增大至5.5mPa·s，密度增大至1.02g/cm3，而聲速降至1490m/s。當加入第2種固相顆粒時，體系再次發(fā)生變化。圖12為加入第2種固相顆粒時水基鉆井液的性能,由于量很少(低于1%)，實際上密度沒有變化，僅黏度發(fā)生了改變。因此，從開始一直到聚合物溶解后，固相顆粒的質量濃度都為0，衰減則從5dB升高至10dB。由于聚合物變?yōu)槿芙庀?，聲速也明顯發(fā)生了變化。7000s后，加入加重材料，體系也相應地發(fā)生了變化。

在第2種水基鉆井液中持續(xù)加入固相顆粒，模擬了地層固相顆粒的侵入，鉆井液性能如圖13所示。在加入第1種固相顆粒后，除聲速以外，其他所有的性能都迅速提高。再加入第2種重固相顆粒后，密度明顯增大，而黏度僅略有增大，此時聲速隨著衰減和固相顆粒質量濃度的升高而減小。在多次加入第2種固相顆粒后，在3000s處開始加入碳酸鹽固相顆粒，該體系保持了相同的變化趨勢，而聲速卻開始增大而不是減小，說明碳酸鹽在流體中溶解了[5]。

圖13 第二種水基鉆井液中加入固相顆粒后性能

3 結論建議

1)鉆井液流變性、密度、電穩(wěn)定性和電導率以及固相顆粒質量濃度在線評估表明，測量結果與常規(guī)離線測量結果基本相符。

2)根據在線評估結果，認為在線傳感器可用于油田現(xiàn)場，進行鉆井復雜問題的自動化診斷。

3)為了在將來實現(xiàn)鉆井自動化，建議對更多的傳感器進行在線評估并進行現(xiàn)場試驗，以滿足現(xiàn)場應用的需要。

[1]Ghilardi, Pedro, de Mari.Real time drilling data diagnosis implemented in deepwater wells-a reality[J]. OTC 24275,2013.

[2]Saasen A, Omland T H, EkreneS.Automatic measurement of drilling fluid and drill-cuttings properties[J]. SPE 112687, 2009.

[3]Broussard S, Gonzalez P, Murphy R.Making real-time fluid decision with real-time fluid data at the Rig Site[J]. SPE137999, 2010.

[4]Miller A，Minton R C，Colquhoun R L.The continuous measurement and recording of drilling fluid density and viscosity[J].SPE140324, 2011.

[5]Eric Motz, Duane Canny, Eddie Evans.Ultrasonic Velocity and Attenuation measurements in high density drilling muds[R].SPWLA 1998-F, 1998..

[6]Sergio M, Claudia M S, Luis A C.Development of on-line sensors for automated measurement of drilling fluid properties[J].SPE 167978, 2014.

[編輯] 帥群

TE254

A

1673-1409(2017)19-0068-07

2016-06-10

中國石油化工集團公司前瞻性項目(JP14023)。

許利輝(1973-)，男，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事鉆井工程技術與海外鉆井項目管理工作,xulih.sips@sinopec.com。

[引著格式]許利輝，陳仙江.鉆井液性能自動化在線測量研究[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(19):68～74.