謝 輝，鄭立群，劉福林，梁夢佳，劉 璇，蔡記華，楊現(xiàn)禹,*，侯繼武,*

(1.武漢譽(yù)城千里建工有限公司，湖北 武漢 430051；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

鉆井液技術(shù)是處理和預(yù)防各類井下復(fù)雜情況最為有效的方法之一，而鉆井液漏斗黏度和密度參數(shù)可以最為直觀地反映鉆井液攜帶鉆屑、平衡地層壓力和預(yù)防孔壁坍塌的性能。實(shí)時(shí)掌握鉆進(jìn)過程中的鉆井液性能參數(shù)，對(duì)于保障鉆井工程的安全高效快速進(jìn)行具有重要意義。因此，自動(dòng)化檢測技術(shù)在鉆井過程中將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]?，F(xiàn)有的鉆井液檢測大多為人工操作，存在繁瑣、誤差大、檢測不及時(shí)等問題，這往往是造成孔內(nèi)事故的重要原因之一[2]。

針對(duì)目前鉆探工程中鉆井液自動(dòng)化檢測程度低的問題，學(xué)者們做了大量的研究工作。在鉆井液黏度和密度自動(dòng)檢測方面，陳明[3]基于旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)原理和超聲波原理設(shè)計(jì)了鉆井液密度和黏度自動(dòng)連續(xù)測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆井液的自動(dòng)采樣，對(duì)密度和黏度等檢測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)傳輸，提升了檢測作業(yè)效率。張峰等[4]設(shè)計(jì)了一種利用微扭矩傳感器配合旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以快速檢測泥漿流變性和潤滑性。張志財(cái)?shù)萚5]采用變徑管式測量方法和振動(dòng)管密度測量法研發(fā)出一套鉆井液性能在線測量儀器，測試性能穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確[6]。盡管上述研究成果在特定的領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用，但是，由于施工現(xiàn)場條件和成本限制，上述的鉆井液密度和黏度檢測儀器均很難應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場[7]。

目前，現(xiàn)場施工一般根據(jù)API 標(biāo)準(zhǔn)，采用馬氏漏斗黏度計(jì)檢測鉆井液黏度，采用比重計(jì)檢測鉆井液密度[8-10]。所有測試流程均需人工參與，由于操作人員水平不一，會(huì)造成較為明顯的人工測量誤差，且測試結(jié)果不能及時(shí)上報(bào)，現(xiàn)有鉆井液性能檢測技術(shù)普遍沒有提出通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在移動(dòng)端進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新[11-12]。此外，由于鉆井液一般屬于非牛頓流體，具有一定的黏附性，如果在測試過程中缺少清洗環(huán)節(jié)，鉆井液會(huì)附著在電極等接觸式傳感器及漏斗內(nèi)壁，測試結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定誤差，并且在多次測試中會(huì)不斷放大這種誤差[13-15]。

針對(duì)上述問題，以馬氏漏斗黏度計(jì)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，使用可編程邏輯控制器、物聯(lián)網(wǎng)模組、壓力、超聲、蠕動(dòng)泥漿泵、電動(dòng)球閥和隔膜泵配套的管線等元器件，組成取漿模塊、檢測模塊、清洗模塊和控制模塊，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)取漿、自動(dòng)測試、自動(dòng)清洗、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、遠(yuǎn)程控制和定時(shí)檢測等功能，避免了人工檢測存在的測量誤差較大、檢測不及時(shí)等問題，有利于鉆井液工程師及時(shí)地了解鉆井液性能參數(shù)，并根據(jù)檢測結(jié)果優(yōu)化鉆井液性能，從而提高鉆進(jìn)效率，避免由于鉆井液和地層配伍性差導(dǎo)致的孔內(nèi)事故。

1 設(shè)計(jì)思路

考慮誤差(文中涉及的測量誤差均為絕對(duì)誤差)、量程、體積與成本等因素，綜合鉆井液黏度和密度自動(dòng)檢測中的難點(diǎn)問題，構(gòu)建鉆井液黏度和密度自動(dòng)檢測儀設(shè)計(jì)方案。

(1)采用抽汲能力強(qiáng)的蠕動(dòng)泵，滿足抽汲高固相含量鉆井液的要求。鉆井施工現(xiàn)場使用鉆井液中含有一定的固相顆粒和鉆渣鉆屑。檢測儀器的取漿模塊應(yīng)該具備抽取含有固相顆粒的鉆井液的能力。同時(shí)，對(duì)過大的鉆渣鉆屑具備過濾功能，避免因鉆渣鉆屑過大引起的測試管道堵塞等一系列問題[16]。

(2)采用多傳感器和數(shù)據(jù)融合技術(shù)來提高儀器檢測精度和穩(wěn)定性。由于現(xiàn)有超聲波測距傳感器的檢測精度和穩(wěn)定性不能完全滿足檢測要求[17]?？紤]到成本因素，檢測儀器應(yīng)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低對(duì)傳感器檢測精度要求，并采用多種傳感器和相應(yīng)的濾波算法來提高儀器檢測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[18]。

(3)設(shè)置清洗模塊，減少系統(tǒng)誤差。在測試過程中鉆井液會(huì)附著在電極等接觸式傳感器及漏斗內(nèi)壁，會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)一定誤差，并且在多次測試中會(huì)不斷放大這種誤差[19]，因此，清洗模塊需要具備可以對(duì)專用馬氏漏斗黏度計(jì)實(shí)現(xiàn)全面清洗的能力，在實(shí)現(xiàn)鉆井液黏度和密度連續(xù)檢測的同時(shí)保障儀器測試精度和穩(wěn)定性[20-21]。

(4)使用電動(dòng)球閥作為控制開關(guān)，減少系統(tǒng)誤差。在檢測過程中，需要使用閥門控制漏斗黏度檢測開始和結(jié)束，傳統(tǒng)的電磁閥通道狹窄，會(huì)導(dǎo)致測量得到的漏斗黏度存在很大誤差，而電動(dòng)球閥可以全通道打開，但需要解決開閉時(shí)間過長等問題。

(5)使用鋰電池供電和無線通信技術(shù)，增強(qiáng)儀器使用的便捷性?？紤]到工程現(xiàn)場可能存在的問題，在檢測儀器供電模塊和通信模塊采用鋰電池供電和無線通信，方便儀器的推廣應(yīng)用[22]。

2 結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

鉆井液漏斗黏度和密度自動(dòng)檢測儀結(jié)合馬氏漏斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在馬氏漏斗黏度計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)增加溢漿管、清洗噴頭、壓力傳感器接口和超聲波傳感器支架的專用馬氏漏斗黏度計(jì)。同時(shí)，配合可編程邏輯控制器、物聯(lián)網(wǎng)模組、壓力傳感器、超聲測距傳感器、溫度傳感器蠕動(dòng)泥漿泵、電動(dòng)球閥、隔膜泵以及配套的管線，形成了取漿模塊、檢測模塊、清洗模塊和控制模塊4 個(gè)功能單元，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)取漿、自動(dòng)檢測、自動(dòng)清洗和檢測數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳等功能，使儀器具備自動(dòng)檢測、連續(xù)檢測的能力。儀器設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，設(shè)計(jì)如圖1 所示，實(shí)物如圖2 所示。

圖2 檢測儀器實(shí)物Fig.2 Physical picture of the testing instrument

表1 儀器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of the testing instrument

2.1 取漿模塊

取漿模塊以蠕動(dòng)泵作為主體，可以將含有固相顆粒的鉆井液泵入專用馬氏漏斗黏度計(jì)中，黏度計(jì)上方設(shè)有超聲波測距傳感器，在泵入泥漿達(dá)到設(shè)定高度時(shí)控制模塊通過繼電器關(guān)閉蠕動(dòng)泥漿泵，多余鉆井液通過溢漿管流出至廢液桶，保證馬氏漏斗內(nèi)的鉆井液為1.5 L[23]。

專用馬氏漏斗黏度計(jì)如圖3 所示，作為檢測儀器的主體部分，取漿、檢測、清洗3 個(gè)重要環(huán)節(jié)都圍繞其展開。為了實(shí)現(xiàn)3 個(gè)環(huán)節(jié)，在原有馬氏漏斗黏度計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下幾個(gè)部分的設(shè)計(jì)。

圖3 專用馬氏漏斗黏度計(jì)Fig.3 Specialized Marsh funnel viscometer

(1)在位于馬氏漏斗1.5 L 液面處設(shè)計(jì)了溢漿管。溢漿管內(nèi)壁和1.5 L 液面平齊，通過溢漿管來保障在進(jìn)行測試時(shí)，馬氏漏斗內(nèi)漿液體積為1.5 L。

(2)根據(jù)API 標(biāo)準(zhǔn)，確定了壓力傳感器的接口位置。馬氏漏斗黏度計(jì)錐度為27°，錐面高度305 mm，上錐面直徑156 mm，下錐面和導(dǎo)管直徑為4.76 mm。計(jì)算得到鉆井液流出946 mL 時(shí)液面和上錐面垂直距離，設(shè)計(jì)壓力傳感器接口位置在與下錐面垂直距離55 mm 處，來確保壓力傳感器檢測流出液體體積的量程范圍大于946 mL，提高測試精度。

(3)增加了原有馬氏漏斗上部的環(huán)形空間，避免由于傳感器精度、閥體損壞等問題引起的漿液外溢問題。在位于馬氏漏斗正上方設(shè)計(jì)了超聲波傳感器支架和清洗噴頭，超聲波傳感器支架位于距馬氏漏斗上錐面60 mm 處，避免傳感器測試盲區(qū)和漿液濺射在傳感器后造成儀器故障。清洗噴頭安裝在馬氏漏斗1.5 L 液面和超聲波傳感器安裝面之間。

2.2 檢測模塊

檢測模塊由可編程邏輯控制器、快速電動(dòng)球閥和壓力傳感器作為主體，完成取漿后，待多余鉆井液排出，可編程邏輯控制器根據(jù)壓力傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算得到鉆井液密度，并控制繼電器打開電動(dòng)球閥和開始計(jì)時(shí)，超聲波測距模塊直接檢測馬氏漏斗內(nèi)液面高度，壓力傳感器數(shù)據(jù)通過壓力變化可以計(jì)算出液面高度，可編程邏輯控制器依據(jù)該數(shù)據(jù)可以計(jì)算出流出鉆井液體積，對(duì)2 種數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波函數(shù)得到流出鉆井液體體積，當(dāng)流出鉆井液體積為946 mL 時(shí)停止計(jì)時(shí)，得到鉆井液漏斗黏度。傳感器等元器件參數(shù)見表2。

表2 元器件參數(shù)Table 2 Component parameters

2.3 清洗模塊

清洗模塊由隔膜泵和清洗噴頭(噴射角度160°)作為主體，在測試結(jié)束后，可編程邏輯控制器控制隔膜泵打開，清洗液進(jìn)入清洗噴頭對(duì)馬氏漏斗進(jìn)行全面清洗，等待液體全部流出后，可編程邏輯控制器通過繼電器控制電動(dòng)球閥關(guān)閉，同時(shí)通過物聯(lián)網(wǎng)模塊上傳檢測數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，云平臺(tái)同步數(shù)據(jù)至移動(dòng)端設(shè)備。

2.4 控制模塊

控制模塊由可編程邏輯控制器和繼電器作為主體，在測試的各個(gè)階段，控制蠕動(dòng)泥漿泵和電動(dòng)球閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)測試過程中的自動(dòng)控制，同時(shí)可編程邏輯控制器會(huì)將計(jì)算得到的鉆井液黏度和密度數(shù)據(jù)，配合通信模塊上傳至云平臺(tái)，通信模塊使用Esp8266 芯片，搭配無線WiFi，使用Blinker 軟件進(jìn)行開發(fā)，該軟件配置有對(duì)應(yīng)的云平臺(tái)。計(jì)算方法如圖4 所示。

圖4 密度和黏度測試流程Fig.4 Flow chart of the density and viscosity testing

2.4.1 密度計(jì)算

鉆井液密度由壓力傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算得到，由于壓力傳感器安裝位置和馬氏漏斗1.5 L 液面之間高差為固定值H1，在取漿結(jié)束后，馬氏漏斗內(nèi)多余鉆井液沿溢漿管流出，確保馬氏漏斗內(nèi)鉆井液為1.5 L，此時(shí)壓力傳感器數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，將此時(shí)的壓力傳感器數(shù)據(jù)定義為P1，根據(jù)液體壓強(qiáng)公式可以計(jì)算得到鉆井液密度，具體計(jì)算方式如下：

2.4.2 漏斗黏度計(jì)算

鉆井液黏度數(shù)據(jù)可由測試過程中可編程邏輯控制器時(shí)鐘記錄的電動(dòng)球閥打開時(shí)間t1和由超聲波和壓力傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算得到的流出液體為946 mL 的時(shí)間t2之差計(jì)算得到，為了提高檢測精度，對(duì)壓力傳感器數(shù)據(jù)使用卡爾曼濾波得到馬氏漏斗內(nèi)實(shí)際液面高度，具體計(jì)算方式如下：

2.4.3 傳感器濾波算法

為了提高測試精度，對(duì)超聲波測距傳感器測試數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差數(shù)據(jù)排除處理[24-25]，將濾波后得到的高程數(shù)據(jù)和壓力傳感器測得的高程數(shù)據(jù)使用卡爾曼濾波，得到實(shí)際高程[26]。

由于超聲波傳感器直接測量不平整的液面，會(huì)導(dǎo)致測量存在異常值，在對(duì)濾波算法對(duì)比后采用萊特、格拉布準(zhǔn)則來剔除異常數(shù)據(jù)，計(jì)算方法為：

式(4)用于計(jì)算均值，式(5)用于計(jì)算殘差，式(6)為貝塞爾公式，式(7)為粗大數(shù)據(jù)剔除準(zhǔn)則。其中|Ei|＞f(n,a)σ(x)時(shí)就作為粗差數(shù)據(jù)，格拉布斯準(zhǔn)則中的f(n,a)取決于測量次數(shù)n和置信概率a。

在測量過程中，溫度的變化會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，因此，在超聲波傳感器包含有測溫模塊，通過聲速和溫度的線性關(guān)系降低溫度變化引起的測量誤差。

對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)和壓力傳感器數(shù)據(jù)依次間隔排列后采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行濾波得到最終測量的實(shí)時(shí)高程：

式(8)-式(9)為預(yù)測方程。

B是當(dāng)前輸入增益矩陣。整個(gè)系統(tǒng)是不存在輸入的，則B=0。

式(13)由協(xié)方差矩陣的公式推導(dǎo)。

式(14)-式(16)為更新方程。

3 儀器工作界面

鉆井液漏斗黏度和密度自動(dòng)檢測儀的工作界面包括儀器顯示界面以及移動(dòng)端軟件界面。儀器顯示界面可實(shí)時(shí)顯示儀器狀態(tài)包括檢測頻率、檢測次數(shù)、密度和漏斗黏度測量值，通過操作面板可以對(duì)檢測頻率、檢測次數(shù)和通信進(jìn)行設(shè)置，部分界面如圖5 所示。移動(dòng)端軟件界面分為數(shù)據(jù)顯示頁面以及參數(shù)設(shè)置頁面，用戶通過數(shù)據(jù)顯示頁面可以實(shí)時(shí)查看顯示儀器狀態(tài)參數(shù)，以及檢測儀器實(shí)時(shí)上傳檢測得到的漏斗黏度和密度，用戶通過參數(shù)設(shè)置頁面可以遠(yuǎn)程對(duì)儀器的檢測頻率和檢測次數(shù)進(jìn)行設(shè)置。移動(dòng)端軟件部分界面如圖6 所示。

圖5 儀器顯示界面Fig.5 Display interfaces of the testing instrument

圖6 移動(dòng)端軟件界面Fig.6 Software interface of the testing instrument at the mobile terminal

通過以上界面可知，鉆井液漏斗黏度和密度自動(dòng)檢測儀可視化界面清晰、操作便捷、數(shù)據(jù)信息化程度高，及時(shí)為鉆井液工程師提供準(zhǔn)確的鉆井液性能參數(shù)，保障鉆井施工的安全性和高效性。

4 應(yīng)用情況

4.1 室內(nèi)測試

在室內(nèi)開展了鉆井液漏斗黏度和密度自動(dòng)檢測儀穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性測試，對(duì)人工測量馬氏漏斗黏度為36 s和密度1.12 g/cm3進(jìn)行連續(xù)測試，測試得到的馬氏漏斗黏度曲線和密度曲線如圖7 所示。對(duì)不同配方鉆井液的密度和漏斗黏度分別進(jìn)行儀器測量和人工測量，測量數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

圖7 穩(wěn)定性測試曲線Fig.7 Stability testing curves

表3 儀器測量和人工測量數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison of instrument and manual measurement data

通過現(xiàn)場儀器的連續(xù)檢測數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，漏斗黏度自動(dòng)測試誤差為±1 s，密度自動(dòng)測試誤差為±0.01 g/cm3，均在設(shè)計(jì)允許范圍以內(nèi)。通過室內(nèi)穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)可以看出，儀器在連續(xù)測量過程中漏斗黏度波動(dòng)范圍在±1.2 s 以內(nèi)，密度波動(dòng)在±0.011 g/cm3以內(nèi)，體現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.2.1 基礎(chǔ)工程

2023 年5 月，在武漢市某地下連續(xù)墻項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，對(duì)施工井段鉆井液馬氏漏斗黏度和密度進(jìn)行了自動(dòng)測試?，F(xiàn)場測試的鉆井液漏斗黏度和密度結(jié)果如圖8 和圖9 所示，可見該儀器可以滿足對(duì)鉆井液漏斗黏度和密度的連續(xù)測試。同時(shí)，由于鉆井液不斷受到水泥污染，馬氏漏斗黏度逐漸降低，密度逐漸升高。

圖8 現(xiàn)場測試鉆井液漏斗黏度曲線Fig.8 Field testing-derived funnel viscosity curves of drilling fluids

圖9 現(xiàn)場測試鉆井液密度曲線Fig.9 Field testing-derived density curves of drilling fluids

4.2.2 石鹽礦勘探

2023 年9 月，在湖北省天門市小板鹽礦區(qū)便市礦段石鹽礦勘探項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。對(duì)鉆孔ZK201(取樣井深909 m，飽和鹽水鉆井液)、ZK301(取樣井深83 m，膨潤土鉆井液)現(xiàn)場鉆井液分別取漿3 次后，進(jìn)行了馬氏漏斗黏度自動(dòng)測試，同時(shí)以人工測試結(jié)果作為參照，結(jié)果見表4。由表4 可知，全部測試中，儀器測量和人工測量誤差小于±1 s，體現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

表4 石鹽礦勘探現(xiàn)場測試漏斗黏度數(shù)據(jù)對(duì)比Table 4 Comparison of funnel viscosity testing data from the halite ore exploration site

綜上可知，鉆井液漏斗黏度和密度自動(dòng)檢測儀具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可以滿足鉆井現(xiàn)場的測試需求。

5 結(jié)論

a.研制了鉆井液漏斗黏度和密度自動(dòng)檢測儀，可以檢測鉆井液和工程漿液的馬氏漏斗黏度和密度。

b.該儀器可以對(duì)鉆井液馬氏漏斗黏度和密度定時(shí)連續(xù)自動(dòng)檢測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至移動(dòng)端設(shè)備，鉆井液工程師可以遠(yuǎn)程查看鉆井液的馬氏漏斗黏度和密度的變化過程。

c.該儀器軟硬件經(jīng)過測試具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，漏斗黏度自動(dòng)測試誤差為±1 s，密度自動(dòng)測試誤差為±0.01 g/cm3，可以滿足工程現(xiàn)場的測試需求。

d.下一步將在優(yōu)化儀器內(nèi)外結(jié)構(gòu)、減少儀器的系統(tǒng)誤差，并在不同的鉆探領(lǐng)域開展現(xiàn)場試驗(yàn)。

符號(hào)注釋：

A為N×N的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；C為輸入關(guān)系矩陣；Ei為殘差；f(n,a)σ為準(zhǔn)則偏差值；g為重力加速度，N/m；h為壓力傳感器膜片安裝位置到馬氏漏斗內(nèi)液面的垂直距離，m；Kk為濾波增益；Li為當(dāng)前測距長度；Li-1為上一次測距長度；P為壓力傳感器上方鉆井液液柱壓強(qiáng)，Pa；R為測量噪聲向量的協(xié)方差矩陣；Sk為后驗(yàn)狀態(tài)均方差矩陣；Sk-1為更新后上一次的后驗(yàn)狀態(tài)均方差矩陣；Q為過程噪聲；t為測試時(shí)間，s；t1為電動(dòng)球閥打開時(shí)間，s；t2為流出液體為946 mL 的時(shí)間，s；va為平均速度，m/s；vi為瞬時(shí)速度，m/s；FV 為漏斗黏度測試結(jié)果，s；ρ為測得鉆井液密度，g/cm3；xi為輸入原始參數(shù)；為原始參數(shù)均值；為當(dāng)前最優(yōu)的先驗(yàn)預(yù)測值；為上一次的最優(yōu)后驗(yàn)值；σ為貝塞爾公式標(biāo)準(zhǔn)差；uk為當(dāng)前的輸入值。