早期溢流及漏失的新型及時高精度監測計量系統

朱煥剛 王樹江 李宗清 燕修良 宋中文 公培斌

中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

隨著油氣勘探開發領域的不斷延伸，鉆井的復雜性和難度越來越大，溢流和漏失成為石油鉆井過程中常見現象，若發現不及時或者處理不當，則很可能造成井塌、卡鉆、井噴等復雜情況。因此，鉆井早期溢流和漏失監測方法就顯得尤為重要[1-4]。筆者對鉆井現場常用的幾種溢流和漏失監測方法進行了對比分析，指出了其存在的問題，提出了一種經濟實用、監測精度較高的監測計量系統，并通過室內實驗驗證了該系統的可行性。

1 常用溢流和漏失監測方法對比分析

1.1 鉆井液池液面監測方法

鉆井液池液面監測法是鉆井現場溢流漏失早期監測的一種常用方法。正常鉆進時，鉆井液池是一個封閉的體積固定系統，該方法對循環池內的鉆井液液位進行監測，液面升高超過一定值代表井涌，液面降低超過一定值代表漏失。其液面檢測形式主要有標尺式、超聲波式、光纖式、差壓式、磁致伸縮式等多種形式。鉆井液池液面監測方法存在以下問題，首先鉆井液必須從井口通過防溢管流過振動篩、再經過鉆井液槽回到鉆井液池，使得監測溢流和漏失需要的反應時間長；其次，由于鉆井液池體積大，4個循環罐內部橫截面積達到80 m2，液位變化值小，監測誤差大，不能靈敏地檢測溢流和漏失的發生，溢流漏失發現較晚容易錯失關井最佳時機[5-13]。

根據鉆井液池液面監測方法改型的導流管和分離器液面監測方法，減小了液量橫截面積，提高了液位變化的敏感性，但是液位與下游出口流量難于找到確切的定量關系，溢流漏失速度和總量無法計量，溢流漏失總量的缺失就無法準確指導下一步壓井施工；其次液位傳感器安裝困難，而且檢測精度受現場振動等條件的干擾，容易誤報[14-16]。

1.2 井筒出入口流量監測方法

井筒出入口流量監測方法利用井筒進出口流量計測量進出口流量，通過流量的變化判斷井筒漏失及溢流。其入口流量檢測主要利用電磁流量計、超聲波多普勒流量計或者泵沖換算；出口流量檢測主要依靠電磁流量計、超聲波多普勒流量計和質量流量計。其中電磁流量計以及超聲波多普勒流量計受測量原理限制，為保證測量精度，流量計的前后管道均需要滿足滿管狀態，而且由于彎頭、閥門或者管線變徑等現場布置問題對電磁流量計和超聲波多普勒流量計的安裝使用產生了限制；另外電磁流量計內襯陶瓷、橡膠等材料，使用一段時間后，由于鉆井液沖刷導致襯里及電極磨損，精度明顯下降；質量流量計具有測量精度高、穩定性好等優點，在控制壓力鉆井技術的流量監測中得到了廣泛應用，但是存在價格昂貴、現場安裝復雜等問題[17-20]。

2 新型溢流及漏失監測系統設計

為了解決常用溢流及漏失監測方法存在的不足，尋求一種有效發揮地面測量優勢，既經濟實用又及時準確，適合于現場大規模推廣應用的新型早期溢流漏失監測系統具有重要現實意義。新型溢流漏失監測系統要求具備早期監測報警、溢流漏失速度和總量計量以及自動灌漿功能[21]，實現鉆井全過程中溢流漏失快速準確監測、計量和報警。

2.1 監測系統設計

新型溢流和漏失監測系統現場安裝如圖1所示。

圖1 新型溢流漏失監測系統現場安裝示意圖

監測罐通過隔板分割為兩個腔室（圖2），分別為主腔室和副腔室，其上端分別安裝主腔室液位計和副腔室液位計；主腔室有主腔室入口管、主腔室出口管和灌漿管；主腔室入口管與井口防溢管出漿口（或者旋轉防噴器排漿口）連接，主腔室出口管與調節閥連接，灌漿管與灌漿泵的排出口連接，灌漿泵的吸入口與鉆井液池連接；副腔室加工有副腔室出口管，副腔室出口管與截止閥A連接；主腔室和副腔室之間安裝有連通管線，連通管線上安裝有截止閥B；可選的泵沖傳感器安裝在鉆井泵上，鉆井泵出口連接可選的鉆井泵出口流量計。

圖2 監測罐及其閥門連接示意圖

主腔室液位計、副腔室液位計、泵沖傳感器（可選）、鉆井泵出口流量計（可選）、截止閥A、截止閥B和調節閥的測量信號通過信號電纜傳輸到監測控制報警裝置；監測控制報警裝置控制截止閥A、截止閥B和調節閥的開關、灌漿泵的啟停并對溢流漏失進行計算、分析和預警。

2.2 監測方法分析

2.2.1 鉆井液循環

鉆井液循環過程中，截止閥A與截止閥B處于關閉狀態；鉆井泵從鉆井液池吸入鉆井液，排出的鉆井液依次經過鉆井泵、鉆井泵出口流量計、泥漿閥、立管、井筒、防噴器組、防溢管、防溢管出漿口、主腔室入口管、主腔室、主腔室出口管和調節閥、振動篩，最后返回鉆井液池。

首先通過監測控制報警裝置自動控制調節閥的開關，使得主腔室的液位升高，當主腔室的液位超過隔板的高度后，鉆井液從主腔室溢流到副腔室，停止調節閥的開關；調節閥停止開關后，副腔室內的液位（如圖1中的液位H）升高速度將穩定在速度v。

當速度v增大且增大值大于設定的速度增大值時，監測控制報警裝置發出溢流報警。

當速度v減小且減小值大于設定的速度減小值時，監測控制報警裝置發出漏失報警。

通過副腔室內液位變化速度差值判斷溢流井漏情況的發生，并通過速度差值與副腔室的橫截面積計算溢流漏失速度和溢流漏失總量；當副腔室液位到達隔板高度時，監測控制報警裝置停止溢流漏失監測，并打開截止閥A，將副腔室內的鉆井液泄放到振動篩，然后關閉截止閥A并繼續進行溢流漏失監測。

2.2.2 起鉆

起鉆過程中，首先通過監測控制報警裝置關閉截止閥A和調節閥，并打開截止閥B使主腔室與副腔室連通；監測控制報警裝置通過監測主腔室以及副腔室的液位變化計算出監測罐的液量變化值，從而與需灌漿量進行比較判斷溢流漏失情況；當主腔室的液位降低至灌漿設定下限值時，監測控制報警裝置停止溢流漏失監測，啟動灌漿泵進行灌漿，鉆井液通過灌漿管進入主腔室，主腔室的液位達到灌漿設定上限值時停止灌漿并繼續進行溢流漏失監測。

2.2.3 下鉆

下鉆過程中，首先通過監測控制報警裝置關閉截止閥A和調節閥，并打開截止閥B使主腔室與副腔室連通；監測控制報警裝置通過監測主腔室以及副腔室的液位變化計算出監測罐的液量變化值，從而與理論排量進行比較判斷溢流漏失情況；當主腔室的液位增加至放漿設定上限值時，監測控制報警裝置停止溢流漏失監測，打開調節閥，鉆井液通過調節閥泄放至振動篩，主腔室的液位達到放漿設定下限值時關閉調節閥停止放漿并繼續進行溢流漏失監測。

井筒內鉆井液停止循環，且井筒內無鉆具上下運動時，首先通過監測控制報警裝置關閉截止閥A、調節閥和截止閥B；當主腔室的液位持續升高且升高值大于設定的升高值則發出溢流報警，當主腔室的液位持續降低，且降低值大于設定的降低值則發出漏失報警。

3 新型溢流及漏失監測系統室內實驗

3.1 實驗流程及設備

實驗流程及設備如圖3所示。

圖3 室內實驗流程圖

1）鉆井泵：用于模擬鉆井泵流體注入，型號3HB100，最大工作壓力32 MPa，最大排量415 L/min。

2）高壓清洗機：用于模擬地層流體，型號LT8.7/19M-2，最大壓力13 MPa，最大流量15 L/min。

3）質量流量計：用于系統流量計量，型號CMF300，最大測量流量4 533 L/min，測量精度±0.5‰。

4）超聲波液位計：用于主腔室和副腔室液位測量，型號LU20，量程0.15～5.48 m，分辨率3 mm。

5）調節閥：用于監測罐初始液位調節，QT型電動球閥通徑200 mm，壓力1.6 MPa。

3.2 實驗過程及結果

溢流實驗過程：啟動鉆井泵記錄循環排量，調節球閥使主腔室流體與隔板平行或溢出到副腔室，記錄副腔室液位并換算液量增加速度，開清洗機模擬地層溢流，記錄流體溢流時副腔室液位并換算溢流速度。

漏失實驗過程：啟動鉆井泵及清洗機記錄循環排量，調節球閥使的主腔室流體溢出到副腔室，記錄副腔室液位并換算液量增加速度，關清洗機模擬地層漏失，記錄地層流體漏失后副腔室液位換算漏失速度。

1）副腔室內部橫截面積設計為2 m2，遠小于鉆井液池內部橫截面積80 m2，1 m3溢流量在副腔室和鉆井液池內液面升高高度分別為0.5 m和0.012 5 m，大大提高了液位變化的靈敏度。

2）超聲波液位計分辨率為3 mm，監測系統溢流漏失總量檢測精度為6 L，可以準確計量微小的溢流漏失量。

3）從表1可以看出，新型溢流及漏失監測系統可以及時發現溢流和漏失，溢流和漏失速度的監測誤差小于8%。

表1 室內實驗結果表

4 結論

1）新型溢流及漏失監測系統中監測罐的內部橫截面積小，液面檢測更加靈敏，能夠更加及時地發現溢流和漏失。

2）監測罐主腔室出口管線水頭保持不變，出口流量穩定，通過副腔室內液位的變化可以定量地計算溢流漏失速度和溢流漏失總量，溢流和漏失總量的監測誤差小于8%。

3）起鉆過程中，監測罐內鉆井液在自重作用下進入井筒，可以始終保持井筒滿液位，消除了灌漿不及時和灌漿不滿的情況。

4）新型溢流漏失監測系統具備早期監測報警、溢流漏失速度和總量計量以及自動灌漿功能，不僅可以有效發揮地面測量優勢，而且經濟實用、及時準確，通過室內實驗證明了該系統的可行性，為下一步現場實驗打下了技術基礎。