唐 田 李建明，2

（1、長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430100 2、非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢430100）

安全鉆井是優(yōu)質(zhì)高效鉆井的前提，池體積的監(jiān)測作為確保施工安全的一道屏障，在現(xiàn)今綜合錄井與鉆井過程中具有極為重要的作用。通過采用超聲波液位傳感器等相關(guān)設(shè)備來準(zhǔn)確測定鉆井液池體積的液面絕對深度，計(jì)算出池體積的大小與變化，從而達(dá)到監(jiān)測井漏、溢流等井控險(xiǎn)情的目的[1]。

1 超聲波液位傳感器等設(shè)備的安裝

1.1 超聲波液位傳感器安裝

目前，在綜合錄井中，現(xiàn)場普遍使用的為夾持式超聲波液位傳感器和焊接式超聲波液位傳感器（圖1）。在其安裝過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1.1.1 傳感器感應(yīng)面平行于泥漿罐罐面。

1.1.2 傳感器探頭所對應(yīng)的罐面周圍需割一個(gè)開口，開口尺寸半徑應(yīng)至少大于探頭至罐面的垂直距離*tg5°的距離。

1.1.3 傳感器安裝位置盡量遠(yuǎn)離攪拌機(jī)、泥漿進(jìn)出口，遠(yuǎn)離高壓電源線、接觸器及可控硅整流控制電路等。同時(shí)，傳感器應(yīng)盡量位于泥漿灌罐面中部而不要靠近罐面邊部。

1.1.4 傳感器探頭到泥漿面之間不能有障礙物阻擋，且聲波傳播路線垂直于液體表面，以達(dá)到傳感器的感應(yīng)面能直射到真實(shí)的泥漿表面。

1.1.5 安裝在指定溫度范圍區(qū)域。常規(guī)的超聲波液位傳感器在其連續(xù)工作中，工作溫度為-40～60℃(-40～140°F)。注意要在內(nèi)部和外殼的允許溫度范圍內(nèi)進(jìn)行接線、校驗(yàn)等工作。

1.2 泥漿隔離桶安裝

鉆井現(xiàn)場中，由于離心機(jī)、攪拌機(jī)等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，造成鉆井液液面的波動大，從而影響池體積的正常監(jiān)測。目前，在對外服務(wù)的鉆井現(xiàn)場，普遍安裝泥漿隔離桶以實(shí)現(xiàn)緩解液面的波動（圖1）。

根據(jù)U 型管原理，隔離桶的液面高度與泥漿罐液面高度一致，且隔離桶的液面更平穩(wěn)，從而達(dá)到達(dá)到超聲波液位傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)盡可能真實(shí)有效[2]。在其安裝過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1.2.1 一般使用鋼制或鐵質(zhì)材料制成中空圓柱狀置于泥漿罐中，且頂?shù)撞环狻?/p>

1.2.2 隔離桶底部距泥漿罐底1/5 位置，頂部稍低于泥漿罐面。

1.2.3 隔離桶的頂部半徑大于開口半徑，以滿足超聲波液位傳感器發(fā)散的超聲波信號探測到隔離桶內(nèi)部的液面，而避免隔離桶內(nèi)壁影響。

1.3 增加超聲波液位傳感器安裝數(shù)量

國內(nèi)大部分錄井隊(duì)僅在循環(huán)罐、灌漿罐上安裝了液位傳感器監(jiān)測液面變化，部分錄井隊(duì)在緩沖罐上安裝了液位傳感器監(jiān)測出口流量。而忽視了對沉砂罐、儲備罐、加料罐等的液面監(jiān)控。實(shí)際上，增加液位傳感器的安裝數(shù)量與安裝位置，不僅能準(zhǔn)確判斷鉆井液在各個(gè)罐之間的流動變化，還能擴(kuò)展其應(yīng)用。

1.3.1 相對于靶式流量傳感器，超聲波液位傳感器具有信號穩(wěn)定、測量距離準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)、誤差范圍小、易于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，建議在緩沖罐或高架槽上方處安裝超聲波液位傳感器，代替靶式流量傳感器測量出口流量[3]。

1.3.2 在安裝脫氣器的旁邊安裝超聲波液位傳感器測量液面高度，從而判斷、調(diào)節(jié)脫氣器的吃水深度，以達(dá)到脫氣器到最佳工作狀態(tài)[1]。

1.3.3 在沉砂罐、儲備罐、加料罐上安裝超聲波液位傳感器，監(jiān)測現(xiàn)場每一個(gè)泥漿罐體積，準(zhǔn)確判斷鉆井液在各個(gè)罐之間的流動變化，防止對井漏、溢流等井控險(xiǎn)情的誤判、漏判。

2 超聲波液位傳感器的校驗(yàn)與標(biāo)定

2.1 校驗(yàn)

一般采用參照物法校驗(yàn)，即將罐中液位（或目標(biāo)靶）置于期望校驗(yàn)值相應(yīng)的距離上進(jìn)行。值得注意的是該校驗(yàn)值在指定單位中是以傳感器探頭面開始計(jì)算的，而非液面到罐面的高度。

2.2 制定池體積便查表

測量泥漿罐罐內(nèi)的長寬高數(shù)據(jù)，得出液面到罐頂面高度與液體體積的關(guān)系式，從而制定池體積便查表，以便于后期標(biāo)定，準(zhǔn)確快速驗(yàn)證錄井池體積參數(shù)正確與否，及時(shí)校正。

2.3 標(biāo)定

根據(jù)緩沖罐、高架槽、儲備罐、循環(huán)罐等罐的實(shí)際深度，以及實(shí)際工作環(huán)境中傳感器的盲區(qū)值，進(jìn)行超聲波液位傳感器的初始化設(shè)定。盲區(qū)從傳感面向外開始計(jì)算的，最小盲區(qū)值（建議值）是0.25m，但由于盲區(qū)的擴(kuò)大該值可能會增大。故其最小檢測距離一般設(shè)置為0.25m，對應(yīng)輸出信號20mA。最大檢測距離設(shè)置為最小檢測距離設(shè)置值加上罐深度，對應(yīng)輸出信號4mA（圖1）。

根據(jù)池體積便查表，利用兩點(diǎn)法標(biāo)定傳感器，完成各罐體積的工作曲線標(biāo)定。

3 井漏

3.1 井漏的原因與分類

井漏是由于井筒鉆井液液柱壓力高于地層壓力時(shí)，鉆井液從井筒漏入地層中[4]。在錄井儀器上最明顯的表現(xiàn)為在進(jìn)口流量不變的情況下，出口流量變小，總池體積明顯減少，嚴(yán)重情況時(shí)立壓降低。井漏產(chǎn)生的原因復(fù)雜多樣，主要是由于地質(zhì)因素和人為因素造成。

3.1.1 地質(zhì)因素：①滲透性地層：粗砂巖、礫巖、含礫砂巖等；②天然裂縫、溶洞。

3.1.2 人為因素：①注水開發(fā)、壓裂施工等造成地層破裂壓力的變化；②鉆井過程中措施不當(dāng)：起下鉆具壓力激動，鉆井液加重不均，坍塌、泥包等條件下泥漿泵開泵過猛。

根據(jù)地層特點(diǎn)，可以將井漏分為滲透型漏失、裂縫型漏失和孔洞型漏失[5]；根據(jù)漏速的大小，可以分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級漏失（表1）。

表1 漏速級別分類表

3.2 井漏的實(shí)例分析

在SN202 井綜合錄井過程中，2019 年12 月11 日4:01 用密度2.19g/cm3、粘度78s、白油基鉆井液鉆進(jìn)至井深5134.01m，層位：龍馬溪組，發(fā)現(xiàn)井漏，出口流量38.38%↓34.16%，漏失白油基鉆井液0.5m3。錄井人員立刻通知當(dāng)班司鉆，司鉆提鉆循環(huán)觀察，出口流量、總池體積、溢漏值（總池體積差）持續(xù)下降，并伴隨著泵沖微弱升高，立壓下降。4:00～4:04 共漏失鉆井液3.0m3，出口流量下降20%，目前漏速45m3/h，確定為Ⅳ級大漏，準(zhǔn)備開始進(jìn)行堵漏(圖2)。

4 溢流

4.1 溢流的原因與分類

與井漏相反，當(dāng)井筒鉆井液柱壓力低于地層壓力時(shí)，地層孔隙中的流體(油、氣、水)將進(jìn)入井內(nèi)，就會產(chǎn)生井浸、溢流、井涌等現(xiàn)象。一般來說，在鉆井現(xiàn)場，井浸、溢流、井涌是一個(gè)漸進(jìn)的過程。井浸后可能產(chǎn)生溢流，溢流未得到有效抑制，進(jìn)一步發(fā)展則極有可能發(fā)生井涌，甚至井噴。溢流產(chǎn)生的原因也是復(fù)雜多樣，主要有以下幾種：

4.1.1 鉆進(jìn)過程中，鉆井液密度不夠，或鉆遇地層壓力異常，造成井內(nèi)的液柱壓力小于地層壓力，從而地層流體進(jìn)入鉆井液。

4.1.2 起鉆過程中，井內(nèi)未灌滿泥漿而導(dǎo)致溢流，或起鉆產(chǎn)生的抽吸壓力也有可能會誘發(fā)溢流。

4.1.3 當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重井漏后，井筒未及時(shí)補(bǔ)充鉆井液，井內(nèi)的液柱壓力減小，當(dāng)液柱壓力小于地層壓力時(shí)，會發(fā)生溢流。

根據(jù)溢流流體的種類，可以將溢流簡單分為天然氣溢流、油溢流、水溢流以及混合物溢流四種類型，而流體的種類可以通過公式計(jì)算溢流流體的密度來確定；還可以根據(jù)溢流速度的大小對其分級。

4.2 溢流的實(shí)例分析

圖2 SN202 井井漏預(yù)報(bào)圖

圖3 SN213 井溢流預(yù)報(bào)圖

在SN213 井綜合錄井過程中，2019 年6 月26 日07:06 用密度1.61g/cm3、粘度77s、鉀聚鉆井液鉆進(jìn)至井深2973.85m（遲深2971.86m）見氣測異常，層位：茅口組，全烴：0.5762%↑1.0371%，C1：0.4238%↑0.8527%，至7:12 鉆進(jìn)至井深2974.01m，氣測值持續(xù)上漲，出口流量變化不明顯，溢漏值、總池體積上漲0.5m3，立壓微弱升高，發(fā)生溢流，錄井操作工立即報(bào)告當(dāng)班司鉆，司鉆立即關(guān)井；關(guān)井套壓4.0MPa，立壓2.1MPa(圖3)。

5 結(jié)論

池體積的監(jiān)測關(guān)乎現(xiàn)場安全、優(yōu)質(zhì)、高效實(shí)施鉆探作業(yè)。超聲波液位傳感器作為鉆井液池體積監(jiān)測的常用設(shè)備，但在其使用過程中，還是存在各種各樣的問題。根據(jù)多年的錄井工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了超聲波液位傳感器的安裝、校驗(yàn)與標(biāo)定及其注意事項(xiàng)，建議在罐內(nèi)部安裝泥漿隔離桶來緩解液面的波動，在緩沖罐上安裝液位傳感器監(jiān)測出口流量，同時(shí)加強(qiáng)對沉砂罐、儲備罐、加料罐等的液面監(jiān)控，快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)井漏、溢流，及時(shí)采取有效措施，保障井控安全。