數顯浮球液位儀研制與鉆井溢漏預警試驗

何弦桀，晏 琰，楊曉明

1 中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2 中國石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發項目經理部 3 中國石油川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司

0 引言

隨著勘探開發逐漸走向深層復雜地層，鉆遇窄安全密度窗口的情況越來越多，極易誘發溢流、井漏，鉆井施工安全環保壓力不斷增大[1- 5]。對于鉆井液循環罐液位的準確監測是判斷井下溢流、漏失的主要地面技術手段之一。為了避免漏報，目前鉆井現場一般配用兩種循環罐液位監測裝置——超聲波液位計和浮球式液位儀[6- 8]。超聲波液位計能夠實時、連續監測循環罐液位，但當罐內出現較大的液面波動時(如攪拌器工作、液面有氣泡等)會在一定程度上影響超聲波液位計的測量，容易產生誤報。而浮球式液位儀的監測比較穩定，因而準確度更高、是鉆井隊確認循環罐鉆井液液位的主要依據[9- 10]。但現有浮球式液位儀無法實時輸出液位監測值，需要坐崗人員定時(約15 min一次)近距離觀察標尺、手工記錄液位值，容易產生漏報和誤報，且對于溢流、漏失的識別時間較為滯后，不利于應急措施的及時實施，存在一定安全隱患。此外，現有技術對于泥漿工加料、啟停泵操作等環節無法自動準確識別，導致使用過程中誤報率較高。

由于近年來信息技術的不斷突破，自動化鉆機、數字化井場是目前的研究熱點，也是鉆井未來的主要發展方向[11- 15]。因此，為了實現鉆井循環罐液位監測的數字顯示、減少溢漏的誤報和漏報，基于浮球液位儀自主設計了一種具備實時、連續監測及數顯功能的溢漏預警系統，對于及時發現井下溢流、漏失，提高溢漏預警準確率，保證鉆井井控安全具有重要意義。

1 數顯浮球液位儀原理與結構設計

1.1 浮球液位儀數字顯示原理

循環罐浮球液位儀的測量原理是當浮球隨著循環罐內鉆井液液位的升降而上下浮動的同時，帶動上端的標尺指示桿上下移動，坐崗人員定時查看標尺指示桿讀數確定循環罐鉆井液體積，再手動計算所有罐的體積得到總池體積并進行溢流、漏失判斷。

浮球液位儀的數字顯示就是通過信息技術實現上述過程的自動測量、記錄與報警，其核心原理是在現有浮球式液位儀上加裝1個拉繩位移傳感器(其主要技術參數見表1)，傳感器上部拉繩端連接在標尺指示桿上，當循環罐內鉆井液液位變化時，標尺指示桿上下移動帶動拉繩伸展和收縮，拉繩帶動下端位移感應器內部的轉子旋轉，并輸出一個與拉繩移動距離成比例的電信號，軟件系統將每一個罐的鉆井液液位電信號數據轉換成鉆井液體積數據，同時計算參與循環的所有罐的鉆井液體積，最終以曲線形式顯示出來。

表1 拉繩位移傳感器主要技術參數

1.2 系統結構設計

數顯浮球液位儀主要由浮球式液位儀、拉繩位移傳感器、防爆監測顯示屏和軟件系統等部分組成，其系統示意圖和整體結構圖如圖1和圖2所示。

圖1 數顯浮球液位儀示意圖

拉繩位移傳感器和鉆井液液位(體積)防爆監測顯示屏安裝在現有鉆井隊的每一個循環罐處，主監測顯示屏和數據采集箱安裝在人員坐崗處。每一個拉繩位移傳感器通過采集箱將鉆井液液位數據傳輸至監測房內的軟件系統，軟件系統將每一個罐的鉆井液液位數據轉換成體積數據，同時計算參與循環的所有罐的鉆井液總體積，并實時進行溢漏識別，同步將監測結果發回至所有顯示屏和司鉆臺。此外，軟件系統還接入了錄井系統的鉆井液出入口密度、出入口流量數據，用以輔助溢漏的判斷。

圖2 系統整體結構圖

2 基于實測數據的溢漏報警算法研究

2.1 數據濾波方法

在開泵循環時，循環罐內的鉆井液液位持續處于波動狀態，特別是在大排量鉆進中或打開鉆井液攪拌器時，液位波動極大，因此需要對采集到的液位數據進行濾波處理。

數據濾波處理的原則是在保持數據原有變化趨勢的同時剔除錯誤值。對目前常用的中值濾波算法、指數平滑濾波算法、非線性時間序列濾波算法、小波濾波算法等方法分析，決定采用中值濾波算法對液位數據進行處理。中值濾波算法是基于排序統計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術，其基本原理是把數字圖像或數字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的像素值接近真實值，從而消除噪點。因此中值濾波算法能滿足循環罐鉆井液液位的連續、穩定監測。

中值濾波算法處理液位數據的過程主要分為以下兩步：

(1)從原始采集數據中的某個采樣段取出奇數個液位數據進行排序，假設采樣段中有N個液位數據點，濾波窗口的長度為W(一般為奇數)。

圖3 總池體積數據中值濾波前后數據對比圖

2.2 溢漏報警算法

考慮到循環罐液位監測數據量極大且一分鐘之內的數據往往差異性較小，相似數據對提升預警模型的準確性并沒有太大幫助，因此軟件在數據中值濾波后，對余下數據進行重采樣，采樣間隔設定為15 s，即每15 s取一個數據點。

向軟件輸入參與循環的罐號及每個罐的長、寬、高數據后，系統會自動計算每一個罐每增加1 cm液位對應的鉆井液體積增量，當監測到連續4個數據點(60 s數據)出現持續上漲或持續下降趨勢時，系統發出溢流或漏失預警，坐崗處顯示屏和司鉆臺顯示屏會同步發出語音預警信息；當連續8個數據點(120 s數據)出現持續上漲或持續下降趨勢時，系統發出溢流或漏失報警，坐崗處顯示屏和司鉆臺顯示屏在同步發出語音報警信息(溢流X m3或漏失Y m3)的同時，還會發出聲光報警提示。該溢漏報警算法基于循環罐液位的連續變化趨勢，能夠根據不同井眼鉆井自適應報警閾值、具有較好的普適性，確保了坐崗人員和司鉆能夠第一時間發現井下異常，及時采取應急措施，有效防止事件的擴大。

2.3 溢漏誤報校正方法

2.3.1 加料過程誤報控制

在鉆井過程中由于工況變化，需要在不停泵狀態下向循環罐內鉆井液中加料，加料過程鉆井液體積會不斷增加，若不在報警算法中加以校正，則會出現溢流誤報。針對此情況，軟件系統設置了一個維護模式，當泥漿工加料時，在坐崗處的主監測顯示屏上點擊、切換至維護模式，在此模式下，軟件系統結合接入的錄井系統中的出入口流量數據進行輔助判斷：若系統識別到入口流量和出口流量在正常范圍內波動、均沒有明顯增加，而某一個罐的體積卻在持續異常增大，則不會發出溢流報警；當加料結束后，泥漿工在主監測顯示屏處點擊、切換至循環模式，軟件系統更新加料之后的總池體積數據作為后續溢漏判別的基準值。

2.3.2 開泵/停泵過程誤報控制

在接立柱等工況中的停泵、開泵操作中，總池體積會因為停泵后的回流而增大或因為開泵時向井內泵入鉆井液而減小，需要在報警算法中進行校正，避免出現溢流、井漏的誤報。為此，軟件系統設置有泵狀態識別程序和開泵/停泵過程溢漏預警程序，當識別到停泵時，軟件系統執行停泵過程溢漏預警程序，該程序在同一排量下(±2 L/s內)記錄前4次正常停泵過程的總池體積增加曲線，并生成一個正常回流狀態下的總池體積數據變化區間，當在同一排量下第5次停泵時，實時采集的總池體積數據曲線與正常回流狀態下的變化區間進行比較，若本次總池體積曲線低于或高于該區間則發出井漏或溢流預警，若本次總池體積曲線的增加在該區間內，軟件系統判斷為正常停泵回流、不會發出溢流報警(停泵實測曲線見圖4)；當識別到開泵時，軟件系統執行開泵過程溢漏預警程序，若該程序識別到正常開泵過程時，總池體積曲線雖然降低是但不會發出井漏報警。

圖4 停泵過程軟件監測曲線

2.3.3 鉆臺散落鉆井液誤報控制

在接立柱、起鉆過程中，時常出現卸扣時鉆井液散落鉆臺面的情況，為了避免鉆井液損失過多導致循環罐液面下降、出現井漏誤報，在防溢管處安裝了鉆井液回收裝置(即泥漿傘)，并在泥漿傘處加裝了專用管線至循環罐，及時回收鉆臺散落的鉆井液，確保總池體積的動態平衡，有效防止了誤報的發生。

3 數顯浮球液位儀現場試驗

數顯浮球液位儀在MX023- H1井開展了現場試驗，試驗井段4 913～5 815 m，截止完鉆，系統連續穩定運行超過450 h，能夠在開泵、停泵、變排量過程中均實時、連續、準確、穩定地輸出循環罐鉆井液的液位值和體積值，在啟停泵、泥漿工加料等環節未出現誤報，液位監測精度±1 mm、體積監測精度±0.01 m3，期間較現有技術提前2 min成功預警1次井漏事件(監測曲線見圖5)，應用效果顯著。

2021年8月28日16:10鉆進至5 252.15 m時，系統識別到5號罐(上水罐)體積不斷減少、總池體積不斷下降，判斷發生井漏、向井隊發出井漏預警，16:12坐崗人員查看浮球標尺、計算總池體積，與前期記錄對比后確認發生井漏。

圖5 井漏事件軟件監測曲線

4 結論

(1)數顯浮球液位儀結構簡單對現有設備改動小，能夠實現對循環罐液面波動的實時、連續、穩定監測，精度達到±1 mm，解決了現有浮球式液位儀僅能人工單點監測的問題。

(2)系統實現了浮球液位儀監測的數字顯示，大大降低了坐崗人員的勞動強度，有效避免了視覺誤差和人工計量帶來的不利影響，對于減少溢漏的誤報和漏報，進一步提升鉆井作業的安全性具有重要意義。

(3)系統能夠自動準確識別工況的變化，有效解決了現有技術在泥漿工加料、啟停泵操作等環節誤報率較高的問題，實用性和可靠性得到較大提升。