徐飛 劉艷陽 譚森

摘要：利用電磁流量計(jì)監(jiān)控井下溢流是近期科研人員研制出的一種新型自動監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，能夠消減造成溢流遲報(bào)、誤報(bào)的不利因素。該系統(tǒng)是通過流量計(jì)和電腦系統(tǒng)將鉆井循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)出口的流量差作比較和判斷，以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)、快速發(fā)現(xiàn)井漏、溢流。此系統(tǒng)在西北工區(qū)TH10388X井和TH10441H井成功進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，溢流或漏失量在0.5m3內(nèi)能及時(shí)報(bào)警。相比傳統(tǒng)人工監(jiān)控，該系統(tǒng)克服了人員失誤、設(shè)備缺陷等因素，能更準(zhǔn)確、更及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流，為鉆井關(guān)井、壓井贏得處理時(shí)間，最大限度地避免井控事故。

關(guān)鍵詞：電磁流量計(jì);溢流;自動監(jiān)測;報(bào)警系統(tǒng)

井漏和溢流經(jīng)常發(fā)生在西北工區(qū)鉆井過程中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并控制溢流，是預(yù)防井噴事故的關(guān)鍵。常規(guī)的溢流發(fā)現(xiàn)是通過泥漿工、鉆工和錄井工的計(jì)量數(shù)值對比來實(shí)現(xiàn)，人為存在的測量不準(zhǔn)時(shí)和讀取誤差常常會導(dǎo)致溢流發(fā)現(xiàn)滯后，對井控安全極為不利。對此，科研人員研究出利用電磁流量計(jì)監(jiān)測井下溢流系統(tǒng)，以更準(zhǔn)確、更及時(shí)發(fā)現(xiàn)油田鉆井、修井作業(yè)、起下鉆作業(yè)、完井測試時(shí)突發(fā)漏失、溢流的情況，是一套自動監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。該技術(shù)在西北工區(qū)TH10388X井和TH10441H井開展現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)， 2口井現(xiàn)場試驗(yàn)均已順利完成并達(dá)到預(yù)期效果。

1電磁流量計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)原理

電磁流量計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)以泥漿循環(huán)方向?yàn)榱飨蚍较?，在泥漿進(jìn)口端和出口端端分別安裝磁流量計(jì)，如圖1所示。

1.1電磁流量計(jì)原理

電磁流量計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)核心配件為進(jìn)口流量計(jì)、出口流量計(jì)等計(jì)量元件。電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制定，用于測量導(dǎo)電流體的體積流量。流量計(jì)的測量管是一內(nèi)襯絕緣材料的非導(dǎo)磁合金短管。兩只電極沿管徑方向穿通管壁，固定在測量管上。其電極頭與襯里內(nèi)表面齊平。勵磁線圈脈沖勵磁時(shí)，產(chǎn)生磁通密度為B的工作磁場，方向與測量管軸線垂直。此時(shí)，具有一定電導(dǎo)率的流體流經(jīng)測量管，將切割磁力線感應(yīng)出電動勢E。電動勢E正比于磁通密度B、測量管內(nèi)徑D和平均流速V的乘積。電動勢E（流量信號）由電極檢出，并通過電纜送至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將流量信號放大處理后， 可顯示流體流量，并能輸出脈沖，模擬電流等信號。

數(shù)學(xué)模型為：

式中：E為電極間的信號電壓（單位：V）;B為磁通密度（單位：T）;D為測量管內(nèi)徑（單位：m）;V為平均流速（單位 m/s）。

K，D均為常數(shù)，由于勵磁電流是恒流的，故B也是常數(shù)。則E與V正相關(guān)，折算成流量，即流速感應(yīng)的信號電壓E與流量Q成線性關(guān)系，只要測量出E就可確定流量Q。

1.2報(bào)警原理

正常井下鉆進(jìn)、循環(huán)時(shí)泥漿進(jìn)、出口流量相等。電磁流量計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)將進(jìn)、出口流量計(jì)和壓力傳感器作數(shù)字對比，進(jìn)口流量大于出口流量判斷為漏失，進(jìn)口流量小于出口流量判斷為溢流，最終采集數(shù)據(jù)在電腦主機(jī)監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示，并實(shí)時(shí)快速發(fā)出報(bào)警。

2電磁流量計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

電磁流量計(jì)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。軟件部分為LLT-3井下漏失與溢流監(jiān)控系統(tǒng)，硬件部分包括壓力變送器、電磁流量計(jì)、進(jìn)、出口“U”型管、除砂攪拌器、脫氣器、LLT-3井下漏失溢流采集機(jī)柜和電腦工控主機(jī)等。

2.1 現(xiàn)場安裝

在泥漿泵進(jìn)口處挖3.0m×1.8m×3.3m的深坑，安裝進(jìn)口端設(shè)備。U型管裝置入口與出口保持800-1100mm的落差，充分利用虹吸原理。傳感器方向必須與實(shí)際流量方向一致。必須保證滿管測量狀態(tài)。流量計(jì)前后直管段要求L1≥5D，L2≥2D。干擾安裝單獨(dú)良好接地，避免強(qiáng)磁場干擾。正確接地和鋪設(shè)電纜、信號傳輸電纜。流量計(jì)前后端接地環(huán)有可靠的接地。

出口U型管進(jìn)液口安裝在高架槽處，出口和振動篩相連接，依靠高架槽上的擋板控制進(jìn)入出口U型管。頂部安裝脫氣器把鉆井液中的氣泡進(jìn)行脫離，提高電磁流量計(jì)測量的精度。底部安裝攪拌器作用防止巖屑沉淀堵塞U型管。在防溢管出口管位置下端安裝一個壓力變送器，根據(jù)壓力與液面的對應(yīng)關(guān)系，監(jiān)測防溢管的液位高度變化。

最后將各數(shù)據(jù)采集設(shè)備用信號傳輸電纜連接，正確接地，最終采集數(shù)據(jù)在電腦主機(jī)監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示。

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

TH10388X井：該井于2017年2月25日三開鉆進(jìn)時(shí)開始運(yùn)行電磁流量計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)， 3月12日結(jié)束，歷時(shí)16天。試驗(yàn)通過改變泥漿泵排量3檔次，開關(guān)U型管脫氣器等模擬地層發(fā)生溢流，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)能快速、提前發(fā)現(xiàn)溢流和漏失，并同步報(bào)警，能滿足現(xiàn)場各作業(yè)工況的要求;驗(yàn)證了實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性;驗(yàn)證了該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)坐崗的優(yōu)勢，能為井控安全提供強(qiáng)有力保障;驗(yàn)證了在鉆井液進(jìn)出口分別安裝高精準(zhǔn)度電磁流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)滿管測量，檢驗(yàn)了系統(tǒng)中電磁流量計(jì)的適用性、準(zhǔn)確性，以及鉆井液中存在氣泡時(shí)的適用性和準(zhǔn)確性。

TH10441H井：該井于2017年5月18日開始運(yùn)行電磁流量計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，共運(yùn)行33天。試驗(yàn)驗(yàn)證了電磁流量計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)行、監(jiān)測溢流的效果、沉砂助推器的防沉砂效果和使用電測流量計(jì)對巖屑錄井的影響。

電磁流量計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)在TH10441H井兩次井漏狀態(tài)下都及時(shí)報(bào)警，第一次漏失0.2m3報(bào)警，第二次井漏為井口失返性漏失，在井口失返前11.7m提前報(bào)送了出口流量降低，第一時(shí)間進(jìn)行了報(bào)警。根據(jù)要求，總漏失量在0.5m3內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)能啟動報(bào)警。電磁流量計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)能在更小漏失量范圍內(nèi)報(bào)警，比預(yù)期更加靈敏，給井控處理爭取了時(shí)間。

通過試驗(yàn)將人工坐崗和計(jì)算機(jī)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了比對，流量監(jiān)測響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)提前于人工。

3 結(jié)論

對電磁流量計(jì)的現(xiàn)場應(yīng)用了兩井次，檢驗(yàn)了電磁流量計(jì)及其配套系統(tǒng)的可靠性，形成了以下結(jié)論。

（1）電磁流量計(jì)調(diào)試好后，錄取數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)值誤差較小，錄取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確;

（2）正常情況下，低固相聚璜鉆井液體系中的氣體對監(jiān)測數(shù)據(jù)無較大影響;地層氣體逸出造成的排量變化在數(shù)據(jù)終端響應(yīng)靈敏，3S發(fā)生變化，可清晰分辨;

（3）隨鉆啟動電磁流量計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，共平穩(wěn)運(yùn)行2井次，49天，其中2次漏失報(bào)警與實(shí)際情況一致，報(bào)警可信度高。