王 健， 陳 穎， 張軍陽， 韓軍偉

(中國石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心,新疆輪臺(tái) 841600)

鉆井液循環(huán)系統(tǒng)減緩液面波動(dòng)裝置研發(fā)與應(yīng)用

王 健， 陳 穎， 張軍陽， 韓軍偉

(中國石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心,新疆輪臺(tái) 841600)

鉆井施工過程中需要對溢流、井漏進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題后要立即采取相應(yīng)井控措施。為實(shí)現(xiàn)“1 m3發(fā)現(xiàn)，2 m3關(guān)井”的目標(biāo)，對現(xiàn)有溢流監(jiān)測裝置進(jìn)行了改進(jìn)。將鉆井液高架槽的單擋板改為雙擋板結(jié)構(gòu)，利用擋板1降低鉆井液流動(dòng)速度，減緩鉆井液液面波動(dòng)；利用擋板2調(diào)節(jié)液面高度，實(shí)現(xiàn)液面高度差變化的精確計(jì)量。根據(jù)U形管原理設(shè)計(jì)了鉆井液罐浮球式裝置，不僅消除了濾圓筒外液面的波動(dòng)，同時(shí)解決了氣泡聚集的問題，能夠精確計(jì)量發(fā)生井漏或溢流后鉆井液罐中鉆井液的體積變化量。改進(jìn)后的溢流監(jiān)測裝置在塔河油田60余口井進(jìn)行了推廣使用，其中6口井發(fā)生溢流時(shí)，該裝置均能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)溢流，關(guān)井后溢流量均在2 m3以內(nèi)，較傳統(tǒng)的人工方法能夠更加及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)溢流?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該裝置能有效提高發(fā)現(xiàn)溢流、井漏的靈敏性，解決現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)溢流滯后的問題，可為精確發(fā)現(xiàn)溢流提供技術(shù)支撐。

液面波動(dòng)；浮球式裝置；雙擋板裝置；溢流；監(jiān)測

井控是鉆井作業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，部分井從發(fā)現(xiàn)溢流到井噴只有5～10 min，有的時(shí)間更短，因此精確發(fā)現(xiàn)溢流是井控工作的關(guān)鍵[1-10]。塔河油田常規(guī)溢流監(jiān)測方式是在高架槽和鉆井液罐安裝超聲波傳感器，通過監(jiān)測高架槽和鉆井液罐中鉆井液液面高度的變化來發(fā)現(xiàn)溢流，但該方式受液面波動(dòng)的影響較大，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，難以精確發(fā)現(xiàn)溢流。鉆井過程中需要對溢流、井漏進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題后要立即采取相應(yīng)井控措施。為實(shí)現(xiàn)“1 m3發(fā)現(xiàn)，2 m3關(guān)井”，需要對現(xiàn)有溢流監(jiān)測裝置進(jìn)行改進(jìn)。國內(nèi)外各大石油公司針對隨鉆溢流監(jiān)測進(jìn)行了系統(tǒng)研究，Schlumberger公司和BP公司分別研發(fā)了NDS和THEMATM系統(tǒng)；中國海油研制了早期井涌井漏監(jiān)測系統(tǒng)(EKD)，中石化西南石油工程有限公司地質(zhì)錄井分公司研發(fā)了異常智能預(yù)警技術(shù)中的溢流監(jiān)測部分[11-13]。筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，對鉆井液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，研發(fā)了高架槽雙擋板和鉆井液罐浮球式裝置，并在幾十口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，溢流發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確率達(dá)到100%,為精確發(fā)現(xiàn)溢流并及時(shí)采取技術(shù)措施提供了技術(shù)支撐。

1 溢流監(jiān)測影響因素

1.1高架槽液面波動(dòng)

塔河油田在鉆井液出口處應(yīng)用高架槽，并在高架槽上安裝超聲波液位傳感器來監(jiān)測出口流量[14-18]。高架槽的安裝坡度為1°～3°，確保鉆井液能夠通過高架槽流入緩沖罐，此時(shí)液面高度一般小于2cm，傳感器無法準(zhǔn)確判斷其變化量，難以精確發(fā)現(xiàn)溢流，因此在距離緩沖罐0.50～1.00m處安裝擋板，以提高液面高度和液面監(jiān)測精度(見圖1)。

圖1 出口流量監(jiān)測示意Fig.1 Outlet flow rate monitoring diagram

鉆井液經(jīng)高架槽流至擋板處時(shí)液面升高，當(dāng)液面高于擋板后，一部分鉆井液流向緩沖罐，一部分鉆井液則反向流動(dòng)，導(dǎo)致?lián)醢迩般@井液流態(tài)紊亂，出口流量波動(dòng)非常明顯(見表1)，影響了溢流的精確發(fā)現(xiàn)。

1.2鉆井液罐液面波動(dòng)

傳統(tǒng)的測量鉆井液罐中鉆井液體積的方法是在鉆井液罐上方安裝超聲波液位傳感器[18-20](見圖2)，鉆井液罐底面積和高度已知，傳感器測量出探頭到液面的距離后，則可計(jì)算出鉆井液罐中的鉆井液體積。

表1 TP190H井出口流量波動(dòng)情況Table 1 Outlet flow rate fluctuations of Well TP190H

注：①的流量為高架槽中的液面高度占高架槽高度的百分比。

圖2 鉆井液液面高度監(jiān)測示意Fig.2 Drilling fluid level height monitoring diagram

人們在鉆井液罐中安裝攪拌機(jī)以防止鉆井液沉降，攪拌機(jī)工作時(shí)鉆井液罐中液面波動(dòng)明顯，并產(chǎn)生大量氣泡，導(dǎo)致超聲波液位傳感器采集到的數(shù)據(jù)誤差較大，影響了監(jiān)測鉆井液罐中鉆井液體積增量的準(zhǔn)確性，溢流監(jiān)測結(jié)果存在一定誤差(見表2)。

表2 TK895X井鉆井液罐中鉆井液體積波動(dòng)情況Table 2 Drilling fluid volume fluctuation of the Well TK895X

2 減緩液面波動(dòng)裝置研發(fā)

出口流量增加和鉆井液罐中鉆井液的體積增量是精確發(fā)現(xiàn)溢流的關(guān)鍵，減緩液面波動(dòng)裝置的工作原理是利用機(jī)械裝置將液面不規(guī)則波動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐妆O(jiān)測的上下平穩(wěn)浮動(dòng)?；炯夹g(shù)思路為：利用雙擋板減緩鉆井液沖擊力，從而改變液面的不規(guī)則波動(dòng)；采用浮球式裝置圈閉鉆井液罐監(jiān)測區(qū)域，以減緩攪拌機(jī)產(chǎn)生的液面波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液面的上下平穩(wěn)波動(dòng)。

2.1高架槽雙擋板裝置

鉆井液從導(dǎo)液管中流入高架槽時(shí)沖擊力大，到達(dá)擋板處時(shí)產(chǎn)生一定回流，導(dǎo)致超聲波液位傳感器探頭處的液面波動(dòng)明顯。為解決高架槽液面的波動(dòng)問題，在導(dǎo)液管出口后方0.50m處加裝一塊擋板，稱為擋板1，緩沖罐前擋板稱為擋板2(見圖3)。擋板1對導(dǎo)液管中流出的鉆井液起到緩沖作用，鉆井液流向擋板2時(shí)流速顯著減緩，能夠有效減弱回流現(xiàn)象，減緩液面波動(dòng)。

圖3 高架槽雙擋板結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Double-baffle structural diagram of the elevated slot

同時(shí)，不同泵排量下高架槽中鉆井液液面的高度不同，出口流量基值不穩(wěn)定，溢流判斷條件復(fù)雜。為解決此問題，確定合理的溢流判斷條件，對擋板2進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)：在擋板中間切割一矩形通道，同時(shí)加裝2塊可以調(diào)節(jié)矩形通道寬度的掛板(如圖4所示)，利用擋板2調(diào)整高架槽中鉆井液的液面高度，確保在不同泵排量下高架槽中鉆井液的液面高度基本一致，即出口流量基值穩(wěn)定，從而可以確定合理的溢流判斷門限值，能更加精確地發(fā)現(xiàn)井漏、溢流等異常情況。

2.2鉆井液罐浮球式裝置

為減緩鉆井液罐中攪拌機(jī)工作導(dǎo)致的液面波動(dòng)，在鉆井液循環(huán)罐安裝超聲波液位傳感器的位置安裝一根直徑為30.0cm、長度為170.0cm的鋼管，根據(jù)U形管原理可知，鋼管內(nèi)鉆井液液面與鉆井液罐中的液面高度相同，且管內(nèi)鉆井液基本保持平穩(wěn)。由于管內(nèi)鉆井液不流動(dòng)，容易產(chǎn)生氣泡，氣泡聚集導(dǎo)致測量的液面高度比實(shí)際液面高2.0～3.0cm。

為解決氣泡聚集問題，在圓管側(cè)面割一條縫，使圓管內(nèi)鉆井液和外面的鉆井液流通，減少氣泡產(chǎn)生；同時(shí)采用浮球式裝置，將監(jiān)測鉆井液液面轉(zhuǎn)換為監(jiān)測浮球平板表面，徹底解決了氣泡對測量精度的影響(見圖5)。

圖5 鉆井液罐浮球式裝置Fig.5 Schematic diagram of the floating ball device

3 現(xiàn)場應(yīng)用

減緩液面波動(dòng)裝置在塔河油田60余口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，其中6口井發(fā)生了溢流，均及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)溢流，關(guān)井成功后溢流量均在2m3以內(nèi)(見表3)，實(shí)現(xiàn)了“1m3發(fā)現(xiàn)，2m3關(guān)井”的目標(biāo)。

表3減緩液面波動(dòng)裝置的應(yīng)用效果

Table3Theeffectofapplyingthedevicetoattenuatefluctuations

井號溢流井深/m溢流層位關(guān)井后溢流量/m3TP133XCH6545.30O1-2y0.9TH10241CH25817.00O2yj0.7HY1-5X5370.64C1kl1.7TH10271CH25518.00O2yj0.5TP1937118.00O1-2y0.8TP255CH6994.39O2yj0.2

將改進(jìn)后的雙擋板裝置安裝在高架槽上，采用超聲波液位傳感器監(jiān)測高架槽液面，可以看出液面波動(dòng)明顯減緩，出口流量監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，監(jiān)測曲線不再出現(xiàn)鋸齒狀(見圖6)。多口井的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明， 雙擋板能有效減緩鉆井液流動(dòng)對高架槽液面波動(dòng)的影響。

在TP1井的鉆井液罐3和鉆井液罐4進(jìn)行了浮球式裝置現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)。未安裝浮球式裝置前，鉆井液罐3與鉆井液罐4的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線呈鋸齒狀，上下波動(dòng)起伏明顯；安裝浮球式裝置后，鉆井液體積波動(dòng)有明顯改善，鉆井液罐3與鉆井液罐4的監(jiān)測曲線平穩(wěn)(見圖7)。

圖6 雙擋板裝置安裝前后出口流量變化對比Fig.6 Comparison of outlet flow rate before and after the installation of double baffle devices

圖7 浮球式裝置安裝前后鉆井液罐體積變化對比Fig.7 Comparison of mud pit volume before and after the installation of floating ball style devices

4 結(jié)論與建議

1) 雙擋板和浮球式裝置能夠減緩鉆井液循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的液面波動(dòng)，可以及時(shí)精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)溢流。

2) 與國外的NDS、THEMATM等系統(tǒng)的監(jiān)測方式相比，地面監(jiān)測方式仍具有一定的滯后性，但與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式相比具有連續(xù)性和及時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，且該裝置的制造成本低、簡單可靠、可推廣應(yīng)用性強(qiáng)。

3) 采集的數(shù)據(jù)仍需要錄井技術(shù)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，下一步將研發(fā)溢流監(jiān)測預(yù)警軟件，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的智能化。

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[編輯 滕春鳴]

DevelopmentandApplicationofaDeviceforAlleviatingLiquidLevelFluctuationtobeUsedinDrillingFluidCirculationSystem

WANGJian,CHENYing,ZHANGJunyang,HANJunwei

(PetroleumEngineeringSupervisionCenter,SinopecNorthwestOilfieldCompany,Luntai,Xinjiang,841600,China)

In drilling operation process,overflow and well leakages need to be monitored in a timely manner and established so that the appropriate well control measures can be taken.In order to achieve the target of“1 m3discovery and 2 m3shutdown”,the innovative development of an existing overflow monitoring system was carried out.The elevated slot of drilling fluid was changed to double baffle structure.The first baffle plate was used to alleviate the fluctuation of the liquid level by reducing the flow velocity of drilling fluid and the second baffle plate was used for the accurate measurement of liquid height deviation by adjusting liquid level height.The design of floating ball device of the drilling fluid tank by using the principle of U tube had effectively eliminated the fluctuation of the liquid level outside the filter cylinder.Meanwhile,the floating ball solved the problem of bubble accumulation and could accurately measure the volume change in of the mud pit after the occurrence of well leakage or overflow.This device was widely used in more than 60 wells and the overflow only occurred in 6 wells in total.Overflow detection accuracy was 100%.After the well was shut in,the overflow amount was less than 2 m3.The device could detect the overflow more promptly and accurately than the traditional methods of using human beings to record the data.The field application showed that this device could effectively enhance the ability to attain sensitive measurements of overflow and well leakage,solve the problem of overflow detection delay in the field and provide technical support for the accurate detection of overflow.

alleviate liquid level fluctuation;floating ball device;double baffle devices;overflow;monitoring

TE921+.5

A

1001-0890(2017)05-0048-05

10.11911/syztjs.201705009

2017-04-25；改回日期2017-09-12。

王健(1987—)，男，新疆奇臺(tái)人，2009年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)石油工程專業(yè)，助理工程師，主要從事石油地質(zhì)方面的研究工作。E-mail：wangjian7432@126.com。

中國石化西北油田分公司科技攻關(guān)項(xiàng)目“精確發(fā)現(xiàn)溢流綜合技術(shù)研究”(編號：XOKYXX160029)部分研究內(nèi)容。