鉆井液入口流量與出口流量詳解

李小溪

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井二公司，吉林松原138000）

在實(shí)際工作中，有些錄井參數(shù)的字面意思相近，易被誤解，導(dǎo)致應(yīng)用上的錯(cuò)誤，尤其是室內(nèi)研究人員更易對(duì)這些參數(shù)產(chǎn)生錯(cuò)誤的理解和應(yīng)用。其中鉆井液入口流量與鉆井液出口流量是鉆井現(xiàn)場最重要、最常用的鉆井液參數(shù)，也是最易被誤解和用錯(cuò)的參數(shù)。鉆井液入口流量與鉆井液出口流量的單位不同，實(shí)際意義也不一樣。在實(shí)際工作中鉆井液入口流量的單位是m3/min或者L/s。而鉆井液出口流量的單位是%。前者是指由鉆井液泵在單位時(shí)間內(nèi)泵入井口的鉆井液量，即鉆井液泵的排量，而后者是指鉆井液返出井口時(shí)在架空槽或緩沖罐內(nèi)的鉆井液液面的變化值，是個(gè)相對(duì)變化量。具體說明如下所述。

1 鉆井液入口流量

1.1 實(shí)際意義

鉆井液入口流量是絕對(duì)流量，指在單位時(shí)間內(nèi)流入井口的鉆井液的體積，常用單位是m3/min或者L/s。實(shí)際工作中鉆井液入口流量就是指由鉆井液泵在單位時(shí)間內(nèi)泵入井口的鉆井液量，即鉆井液泵的流量。此參數(shù)是通過監(jiān)測鉆井液泵的泵沖數(shù)，而得出的計(jì)算參數(shù)。

鉆井液泵的流量和排量實(shí)際上是兩個(gè)不同的概念。泵的流量是指單位時(shí)間內(nèi)泵通過排出或吸入管道所輸送的液體量。流量通常以單位時(shí)間內(nèi)的體積表示，稱體積流量，用Q表示，單位為m3/min 或者L/s。而泵的排量是指往復(fù)泵的曲軸旋轉(zhuǎn)一周（360°）、活塞或柱塞往復(fù)運(yùn)行一次（一個(gè)沖次），泵所排出或吸入的液體體積，常用單位為L/沖或m3/沖。它只與泵的液缸數(shù)目及幾何尺寸（液缸內(nèi)徑、活塞或柱塞的沖程長度）有關(guān)，而于時(shí)間無關(guān)。

泵沖數(shù)n：是指單位時(shí)間內(nèi)活塞或柱塞的往復(fù)次數(shù)，簡稱沖次，用n表示，單位為min-1。

1.2 數(shù)據(jù)來源及采集方法

現(xiàn)場測量鉆井液入口流量一般是通過使用泵沖傳感器監(jiān)測鉆井液泵的活塞（或柱塞）的沖數(shù)（也就是我們所說的泵沖數(shù)），來監(jiān)測和計(jì)算實(shí)時(shí)流量和累計(jì)流量。

泵沖數(shù)的測量原理：泵沖的測量采用電感接近式開關(guān)傳感器，當(dāng)泵的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)上金屬物體在接近開關(guān)傳感器的感應(yīng)面附近劃過時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理得出單位時(shí)間內(nèi)泵的單個(gè)活塞的運(yùn)動(dòng)頻率從而獲得脈沖數(shù)（單位：沖/min），以及一定時(shí)間內(nèi)的累計(jì)泵沖數(shù)（單位：沖）。泵沖數(shù)乘以缸的個(gè)數(shù)，即可得出整臺(tái)鉆井液泵的泵沖數(shù)，但實(shí)際工作中所說的泵沖數(shù)是指把泵的三個(gè)缸的活塞同時(shí)運(yùn)行一個(gè)沖次看作一沖而取得的數(shù)值。

1.3 鉆井液入口流量的應(yīng)用

鉆井液入口流量是鉆井現(xiàn)場所需要錄取的必不可少的鉆井液參數(shù)之一，它對(duì)鉆井和錄井施工都起著至關(guān)重要的作用。實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井液入口流量（泵沖數(shù)）可以幫助司鉆了解鉆井液泵的工作情況和現(xiàn)在鉆井液注入量和累計(jì)注入量，并間接地掌握井內(nèi)的壓力和流量情況，杜絕安全事故的發(fā)生。只有通過監(jiān)控鉆井液入口流量，才能夠計(jì)算遲到時(shí)間及其他派生參數(shù)，工程人員才能記錄和監(jiān)控鉆井液泵的運(yùn)行狀態(tài)，錄井人員才能準(zhǔn)確錄取巖屑、氣測等資料，建立精確的地層剖面。鉆井液入口流量主要用來計(jì)算遲到時(shí)間、油氣上竄速度、精確計(jì)量和定位特殊處理劑、計(jì)算平均井徑等，同時(shí)它還反映了泵的工作狀態(tài)，結(jié)合其他參數(shù)可以判別異常工況。

2 鉆井液出口流量

2.1 實(shí)際意義

實(shí)際上我們一直以來所說鉆井液的出口流量是相對(duì)流量，指鉆井液出口流量的相對(duì)變化量，即與鉆井液泵正常工作時(shí)的出口流量相比，實(shí)時(shí)流量的變化趨勢，是增多、相近還是減少，也可以說是指鉆井液返出井口時(shí)在架空槽或緩沖罐內(nèi)的鉆井液面的相對(duì)變化量，實(shí)際工作中是以%為單位。

2.2 數(shù)據(jù)來源及采集方法

出口流量是出口流量傳感器采集的實(shí)時(shí)參數(shù)值。具體說明如下：

在鉆井過程中，為了對(duì)鉆井液出口流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，綜合錄井通常使用靶式流量計(jì)或者超聲波液位傳感器來測量鉆井液出口流量的變化。二者測量原理和方法不同，精度也不同。

2.2.1 靶式流量計(jì)

（1）常見的靶式流量計(jì)。常見的靶式流量計(jì)主要用于高粘度、低雷諾數(shù)流體的流量測量，也可用于測量一般氣體、液體和蒸汽等流體介質(zhì)的流量。靶式流量計(jì)是安裝在管道中的，是一種節(jié)流變壓降式流量計(jì)，靶式流量計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是力的轉(zhuǎn)換方式，即力傳感器的結(jié)構(gòu)形式。雖然按靶式流量計(jì)使用的力轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)或信號(hào)形式可分為將其不同類型，但其基本結(jié)構(gòu)均是由測量裝置（包括靶板和測量管）、力轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理單元（包括顯示部分）組成。其基本工作原理如下：在恒定截面的圓筒形測量管(儀表體)直管段的截面中心同軸放置一個(gè)與流束垂直的圓形靶板（或圓鋼球），當(dāng)流體沖擊靶板、并沿靶板周圍流過時(shí)，靶板上受到一個(gè)推力F，它與流速V（或流體的動(dòng)能）、流體密度ρ和靶板受力面積A之間的成正比，具體關(guān)系如式（1）所示：

式中：F——靶板上受的力，N；

CD——阻力系數(shù)；

ρ——流體密度，kg/m3；

V——流體流速，m/s；

A——靶板受力面積，mm2。

靶式流量計(jì)適用場所有如下要求：①所測流體必須是牛頓流體；②流體必須充滿流量計(jì)的測量管；③流體在物理學(xué)和熱力學(xué)上是均勻的，并可知道測量條件下的密度和粘度；④流體流經(jīng)流量計(jì)時(shí)不發(fā)生相變；⑤管道雷諾數(shù)應(yīng)大于2000（不同的制造商可能有不同的要求）。

目前施工現(xiàn)場所使用的鉆井液絕大多數(shù)均是非牛頓流體，而且鉆井液從井底返出時(shí)還要攜帶大量的巖屑，有時(shí)其中還要溶解地層中的流體（包括油、氣、水等）。同時(shí)鉆井現(xiàn)場一般是在鉆井液出口處安裝方形敞口高架槽來連接緩沖罐及振動(dòng)篩，即使是使用圓形導(dǎo)管連接，當(dāng)正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液也并不能充滿架空槽（導(dǎo)管），只是在其中形成一定高度的液面。所以常見的靶式流量計(jì)不適用于鉆井現(xiàn)場，即使勉強(qiáng)使用，也無法測出鉆井液的流量大小。

（2）鉆井現(xiàn)場使用的靶式流量計(jì)。

①工作原理：長期以來鉆井施工現(xiàn)場是使用靶式流量計(jì)來測量鉆井液出口流量的，此流量計(jì)與安裝在管道中的靶式流量計(jì)不同，此傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，其核心部件是傳感器的靶板和與其相連的可變電阻，靶板位置變化會(huì)導(dǎo)致相連的可變電阻的阻值變化。其測量原理是依靠出口鉆井液的沖擊力使靶板位置發(fā)生變化，進(jìn)而根據(jù)鉆井液流體連續(xù)性原理和伯努利方程以及靶體受力的分析，可得出流量與傳感器靶板之間的函數(shù)關(guān)系，并以電阻值線性變化反映靶板的角位移（即轉(zhuǎn)動(dòng)的角度），從而表示出口液面的高度，即可測得鉆井液流量的相對(duì)變化。其輸出信號(hào)為4～20mA。經(jīng)實(shí)地觀察實(shí)際流量的大小與靶板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度呈正相關(guān)性，即流量大，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也大，槽內(nèi)的液面高度也就高，反之，則轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也小，槽內(nèi)的液面高度也就低。也就是通過靶板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度及槽內(nèi)液面的高度變化來代表實(shí)際的流量變化。此傳感器靶板的張開角度為0°～50°，其變化反應(yīng)比較靈敏，測量結(jié)果基本上能反映出口鉆井液流量的異常變化，其測得的是出口鉆井液流量相對(duì)變化，無絕對(duì)量程。

②現(xiàn)場安裝步驟：a必須安裝在鉆井液出口導(dǎo)管或高架槽上，距井口3～4m 處，且要求高架槽的寬度（或?qū)Ч艿闹睆剑┖推露纫獫M足靶板在靜止時(shí)（即沒有鉆井液返出時(shí)）能夠保持垂直或接近垂直狀態(tài)；b 靶板活動(dòng)方向與鉆井液流向一致；c靶板浸入鉆井液的深度以不被沉砂擱置為宜。注意：在安裝后，應(yīng)檢查靶板可在管內(nèi)空間自由擺動(dòng)，不與管線內(nèi)壁相碰。否則影響傳感器輸出信號(hào)正確性。此傳感器一般備有兩種加重塊，可由用戶在現(xiàn)場根據(jù)不同的情況自由選用，可單獨(dú)用一塊，也可兩塊疊用。如鉆井液流速很大，傳感器擺臂沖到極限位置時(shí)，可以適當(dāng)增加配重，若鉆井液流速較小，傳感器擺臂擺幅太小，可以適當(dāng)減小配重。

③傳感器標(biāo)定方法：實(shí)際工作中常用的標(biāo)定方法有幾種：

方法一：a 在鉆井液泵處于停止?fàn)顟B(tài)，井口沒有鉆井液返出，靶板此時(shí)處于最低位，呈垂直或接近垂直狀態(tài)，把此時(shí)傳感器所測得的信號(hào)值標(biāo)定成0%，b把靶板抬到最高位，大約與垂直方向呈50°時(shí)，把此時(shí)傳感器所測得的信號(hào)值標(biāo)定成100%。

方法二：a 在井口沒有鉆井液返出時(shí)，靶板此時(shí)處于最低位，把此時(shí)傳感器所測得的信號(hào)值標(biāo)定成0%；b在鉆井液泵處于正常工作狀態(tài)、鉆井液從井口正常返出時(shí)，靶板偏轉(zhuǎn)到一定的位置，把此時(shí)傳感器所采集到的信號(hào)值標(biāo)定成80%（之所以不標(biāo)成100%，是因?yàn)橐坏┿@井液排量再加大或有溢流產(chǎn)生，參數(shù)值可能會(huì)超過100%。）。

④靶式流量計(jì)的優(yōu)、缺點(diǎn)：靶式流量計(jì)是鉆井現(xiàn)場應(yīng)用最多流量傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格最低廉、能夠長期使用的優(yōu)點(diǎn)，主要測量鉆井液的相對(duì)變化量，只能定性地從井底返出的鉆井液的變化情況，不能定量測量。在使用中，靶式流量計(jì)具有很多缺點(diǎn)：安裝條件嚴(yán)格且過程繁瑣；靶板長期使用后會(huì)因掛上泥餅而活動(dòng)范圍縮小、靈敏度變差，需要定期對(duì)擋板進(jìn)行清洗；配種塊如果選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致測量誤差加大；潮濕的環(huán)境導(dǎo)致傳感器的可變電阻易損且電阻值產(chǎn)生誤差等。經(jīng)過計(jì)算，鉆井液返出流量從24L/s 增加到25L/s 時(shí)，由于泥漿的粘滯作用，其升高只有2%左右，這導(dǎo)致靶式流量計(jì)在實(shí)際測量返出鉆井液流量時(shí)精度不夠，不能準(zhǔn)確預(yù)測溢流。

2.2.2 超聲波液位傳感器

（1）替代原理：鑒于靶式流量計(jì)在現(xiàn)場應(yīng)用中顯現(xiàn)出來的諸多缺點(diǎn)，人們開始研究如何用其他方式來測量鉆井液出口流量。通過分析不難看出：靶式流量計(jì)只能測量鉆井液出口流量的相對(duì)變化，鉆井液出口流量變化導(dǎo)致高架槽（出口導(dǎo)管）內(nèi)的鉆井液液面的高低發(fā)生相應(yīng)的變化，不同的出口流量會(huì)形成不同高度的液面，即流量與液面高度具正相關(guān)性，現(xiàn)場只要能準(zhǔn)確測量這一高度，便可達(dá)到準(zhǔn)確反映出口鉆井液流量變化的目的。綜上所述，完全可以用出口鉆井液面的高低變化來替代出口流量變化。

（2）工作原理：超聲波液位傳感器，用來測量敞開或密封容器中的液體液位。此傳感器裝有超聲波探頭及溫度感應(yīng)元件。傳感器由探頭發(fā)射一系列超聲波脈沖，而超聲波脈沖遇到液面后返回，被傳感器接收。傳感器中的濾波裝置可從來自聲波、電波噪聲等各種假回波中分辨出從液面上返回的真回波，脈沖波從發(fā)射到液面、再返回到傳感器所用的時(shí)間經(jīng)溫度補(bǔ)償后，轉(zhuǎn)換成可顯示的距離，并轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA 電流信號(hào)輸出。超聲波傳感器具有輸出信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、測量距離準(zhǔn)確、誤差范圍小等優(yōu)點(diǎn)。

安裝要求：超聲波液位傳感器最佳的安裝位置是在出口導(dǎo)管（或高架槽）上，距離井口3～4m、液面穩(wěn)定處。為了提高測量精度，盡量避免裝在緩沖罐上面。因?yàn)樽⑷肓髁恳欢ǖ那闆r下，容器的底面積越小，液面高度的變化越明顯。一般要求傳感器探頭距離出口導(dǎo)管（高架槽）頂面25cm（超聲波液位傳感器的盲區(qū)為25cm）。

傳感器標(biāo)定方法：①初始化傳感器：設(shè)定傳感器的最小監(jiān)測距離為25cm（即導(dǎo)管或高架槽頂面位置）；設(shè)定最大監(jiān)測距離為25cm+導(dǎo)管內(nèi)徑或高架槽內(nèi)部高度。②標(biāo)定：于錄井軟件標(biāo)定界面中，把最大距離所對(duì)應(yīng)的信號(hào)標(biāo)定為0%；把最小距離所對(duì)應(yīng)的信號(hào)標(biāo)定為100%。

2.3 鉆井液出口流量的應(yīng)用

鉆井過程中，如果對(duì)井漏、井涌等復(fù)雜情況的發(fā)生處理不及時(shí)，則會(huì)釀成嚴(yán)重的事故。尤其是在天然氣井中，如果處理的方法和措施不當(dāng)，極易引起井噴失控著火、井場爆炸及井場下陷等災(zāi)難性事故。為了預(yù)防井噴，鉆井過程中的井控工作中，應(yīng)該及早發(fā)現(xiàn)溢流、井漏等征兆并及時(shí)處理，這也是井控技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鉆井液出口流量是判斷鉆井現(xiàn)場井涌溢流及井漏的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)鉆井液流量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，便能及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、井漏等異常現(xiàn)象，及時(shí)預(yù)警，以便安全、高效地完成鉆井工作。

鉆井液出口流量主要應(yīng)用是結(jié)合其他參數(shù)來判斷和預(yù)警以下井下復(fù)雜情況和工程事故。

井漏：井漏發(fā)生時(shí)的特征是在入口流量恒定的情況下，出口流量減小，同時(shí)鉆井液池體積下降，立管壓力下降。

溢流及井涌：此類異常情況的特征是在入口流量恒定的情況下，出口流量增大，同時(shí)鉆井液池體積增大，立管壓力上升。

堵水眼：一旦鉆頭水眼被堵，會(huì)出現(xiàn)泵壓急劇上升，泵速下降，出口流量減小的現(xiàn)象。

斷鉆具：斷鉆具的事故發(fā)生，會(huì)導(dǎo)致泵壓急劇下降、泵速上升、懸重突然下降、扭矩下降、出口流量上升等情況。

3 問題探討

由于條件限制，目前陸地鉆井現(xiàn)場絕大多數(shù)是使用靶式流量計(jì)或超聲波液位傳感器來測量鉆井液出口流量，用泵沖數(shù)來計(jì)算鉆井液入口流量。在實(shí)際工作中鉆井液泵的排量要受泵的機(jī)械效率和上水效率的影響，而且靶式流量計(jì)和超聲波液位傳感器所測得的鉆井液出口流量只是相對(duì)流量，無法進(jìn)行入口、出口流量的對(duì)比。隨著井控技術(shù)的發(fā)展，越來越要求現(xiàn)場能精確測量出鉆井液的入口、出口流量，以便及時(shí)對(duì)比，及早預(yù)報(bào)井漏、井涌和井噴等事故的發(fā)生。所以近些年在鉆井液定量監(jiān)測技術(shù)上有了新的突破，有些油氣田引進(jìn)質(zhì)量流量計(jì)和電磁流量計(jì)兩種設(shè)備用于石油鉆探過程中的鉆井液的定量監(jiān)測。質(zhì)量流量計(jì)雖然具有測量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是存在價(jià)格昂貴、現(xiàn)場安裝復(fù)雜等缺點(diǎn)，因此目前多采用電磁流量計(jì)定量監(jiān)測鉆井現(xiàn)場鉆井液流量。電磁流量計(jì)受測量原理限制，為保證測量精度，流量計(jì)前后的管道必須有一定長度的直管段，流體流經(jīng)流量計(jì)的前后管道內(nèi)均需要是滿管狀態(tài)，這就對(duì)電磁流量計(jì)的安裝使用產(chǎn)生了限制；另外當(dāng)鉆井液流量較大時(shí)，固定管徑下的電磁流量計(jì)會(huì)對(duì)流體通過產(chǎn)生抑制作用，從而造成鉆井液的回流，對(duì)鉆井的安全作業(yè)產(chǎn)生影響。也有些油氣田引進(jìn)多普勒流量計(jì)來進(jìn)行鉆井液流量監(jiān)測，但是由于各種原因，均沒有得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)束語

截止目前鉆井液入口與出口流量的實(shí)際意義不同是由于現(xiàn)場監(jiān)測方法及條件限制所導(dǎo)致的，而為了實(shí)現(xiàn)安全、快速、經(jīng)濟(jì)的鉆井，對(duì)鉆井液定量、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測顯得尤其重要。這就要求必須有新的、更科學(xué)的測量方法應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場，如何高精度、真實(shí)、準(zhǔn)確測量返出鉆井液成為石油工業(yè)界需要探索的課題之一。