加強池體積監測 保障井控安全

唐 田 李建明，2

（1、長江大學地球科學學院，湖北 武漢430100 2、非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 武漢430100）

安全鉆井是優質高效鉆井的前提，池體積的監測作為確保施工安全的一道屏障，在現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設備來準確測定鉆井液池體積的液面絕對深度，計算出池體積的大小與變化，從而達到監測井漏、溢流等井控險情的目的[1]。

1 超聲波液位傳感器等設備的安裝

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，應注意以下幾點：

1.1.1 傳感器感應面平行于泥漿罐罐面。

1.1.2 傳感器探頭所對應的罐面周圍需割一個開口，開口尺寸半徑應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離攪拌機、泥漿進出口，遠離高壓電源線、接觸器及可控硅整流控制電路等。同時，傳感器應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，以達到傳感器的感應面能直射到真實的泥漿表面。

1.1.5 安裝在指定溫度范圍區域。常規的超聲波液位傳感器在其連續工作中，工作溫度為-40～60℃(-40～140°F)。注意要在內部和外殼的允許溫度范圍內進行接線、校驗等工作。

1.2 泥漿隔離桶安裝

鉆井現場中，由于離心機、攪拌機等設備的運轉，造成鉆井液液面的波動大，從而影響池體積的正常監測。目前，在對外服務的鉆井現場，普遍安裝泥漿隔離桶以實現緩解液面的波動（圖1）。

根據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，從而達到達到超聲波液位傳感器監測的數據盡可能真實有效[2]。在其安裝過程中，應注意以下幾點：

1.2.1 一般使用鋼制或鐵質材料制成中空圓柱狀置于泥漿罐中，且頂底不封。

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散的超聲波信號探測到隔離桶內部的液面，而避免隔離桶內壁影響。

1.3 增加超聲波液位傳感器安裝數量

國內大部分錄井隊僅在循環罐、灌漿罐上安裝了液位傳感器監測液面變化，部分錄井隊在緩沖罐上安裝了液位傳感器監測出口流量。而忽視了對沉砂罐、儲備罐、加料罐等的液面監控。實際上，增加液位傳感器的安裝數量與安裝位置，不僅能準確判斷鉆井液在各個罐之間的流動變化，還能擴展其應用。

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定、測量距離準確、抗干擾能力強、誤差范圍小、易于安裝維護等優點，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、調節脫氣器的吃水深度，以達到脫氣器到最佳工作狀態[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，監測現場每一個泥漿罐體積，準確判斷鉆井液在各個罐之間的流動變化，防止對井漏、溢流等井控險情的誤判、漏判。

2 超聲波液位傳感器的校驗與標定

2.1 校驗

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

2.2 制定池體積便查表

測量泥漿罐罐內的長寬高數據，得出液面到罐頂面高度與液體體積的關系式，從而制定池體積便查表，以便于后期標定，準確快速驗證錄井池體積參數正確與否，及時校正。

2.3 標定

根據緩沖罐、高架槽、儲備罐、循環罐等罐的實際深度，以及實際工作環境中傳感器的盲區值，進行超聲波液位傳感器的初始化設定。盲區從傳感面向外開始計算的，最小盲區值（建議值）是0.25m，但由于盲區的擴大該值可能會增大。故其最小檢測距離一般設置為0.25m，對應輸出信號20mA。最大檢測距離設置為最小檢測距離設置值加上罐深度，對應輸出信號4mA（圖1）。

根據池體積便查表，利用兩點法標定傳感器，完成各罐體積的工作曲線標定。

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，鉆井液從井筒漏入地層中[4]。在錄井儀器上最明顯的表現為在進口流量不變的情況下，出口流量變小，總池體積明顯減少，嚴重情況時立壓降低。井漏產生的原因復雜多樣，主要是由于地質因素和人為因素造成。

3.1.1 地質因素：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、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：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。

根據地層特點，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、白油基鉆井液鉆進至井深5134.01m，層位：龍馬溪組，發現井漏，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班司鉆，司鉆提鉆循環觀察，出口流量、總池體積、溢漏值（總池體積差）持續下降，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，準備開始進行堵漏(圖2)。

4 溢流

4.1 溢流的原因與分類

與井漏相反，當井筒鉆井液柱壓力低于地層壓力時，地層孔隙中的流體(油、氣、水)將進入井內，就會產生井浸、溢流、井涌等現象。一般來說，在鉆井現場，井浸、溢流、井涌是一個漸進的過程。井浸后可能產生溢流，溢流未得到有效抑制，進一步發展則極有可能發生井涌，甚至井噴。溢流產生的原因也是復雜多樣，主要有以下幾種：

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

4.1.2 起鉆過程中，井內未灌滿泥漿而導致溢流，或起鉆產生的抽吸壓力也有可能會誘發溢流。

4.1.3 當發生嚴重井漏后，井筒未及時補充鉆井液，井內的液柱壓力減小，當液柱壓力小于地層壓力時，會發生溢流。

根據溢流流體的種類，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算溢流流體的密度來確定；還可以根據溢流速度的大小對其分級。

4.2 溢流的實例分析

圖2 SN202 井井漏預報圖

圖3 SN213 井溢流預報圖

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 鉆進至井深2974.01m，氣測值持續上漲，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，發生溢流，錄井操作工立即報告當班司鉆，司鉆立即關井；關井套壓4.0MPa，立壓2.1MPa(圖3)。

5 結論

池體積的監測關乎現場安全、優質、高效實施鉆探作業。超聲波液位傳感器作為鉆井液池體積監測的常用設備，但在其使用過程中，還是存在各種各樣的問題。根據多年的錄井工作經驗，總結了超聲波液位傳感器的安裝、校驗與標定及其注意事項，建議在罐內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測出口流量，同時加強對沉砂罐、儲備罐、加料罐等的液面監控，快速準確發現井漏、溢流，及時采取有效措施，保障井控安全。