高精度電磁流量計(jì)用于井礦泄露監(jiān)測(cè)
摘 要 井涌井漏是鉆井中嚴(yán)重而又普遍的井下復(fù)雜情況，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)井控措施，將會(huì)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失甚至威脅井場(chǎng)人員的生命安全，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期微量溢流和井漏對(duì)井控意義重大。據(jù)常規(guī)監(jiān)測(cè)方式對(duì)溢流井漏的敏感度分析可知，僅靠常規(guī)的鉆井液池液面監(jiān)測(cè)不能滿足早期微量溢流和井漏監(jiān)測(cè)的要求。早期井涌井漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)高精度電磁流量計(jì)地檢測(cè)鉆井液出入口流量值來(lái)確定流量變化量，通過(guò)集成快速監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件進(jìn)行超門限值報(bào)警；為滿足電磁流量計(jì)滿管測(cè)量要求，研發(fā)了鉆井液體出口流量測(cè)量裝置。早期井涌井漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)溢流和井漏較常規(guī)監(jiān)測(cè)方式要提前７ｍｉｎ左右；與常規(guī)監(jiān)測(cè)方式中的液位傳感器相比，電磁流量計(jì)具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，可在出入口流量差值為２Ｌ／ｓ的情況下判斷井漏和溢流。測(cè)試結(jié)果表明，早期井涌井漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為溢流和井漏的控制贏得了更多的時(shí)間，有效降低了鉆井風(fēng)險(xiǎn)。
引 言
井涌井漏是鉆井中嚴(yán)重而又普遍的井下復(fù)雜情況，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能會(huì)造成井噴甚至更嚴(yán)重的事故，因而及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期井涌井漏尤為重要。目前國(guó)內(nèi)鉆井現(xiàn)場(chǎng)是通過(guò)監(jiān)測(cè)鉆井液池液面的變化來(lái)判斷井涌井漏，常規(guī)鉆井液罐的內(nèi)空截面積約為２０ｍ２，當(dāng)溢流或井漏量小于1ｍ３時(shí)，４個(gè)鉆井液罐的液面高度變化不到１ｃｍ，而鉆井液池液位監(jiān)測(cè)裝置誤差在１ｃｍ左右，故對(duì)小于１ｍ３的溢流和井漏不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。針對(duì)鉆井液池液位監(jiān)測(cè)精度的不足，設(shè)計(jì)了基于電磁流量計(jì)的早期井涌井漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證實(shí)了此項(xiàng)設(shè)計(jì)是成功的。
１ 早期井涌井漏監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)與安裝
１．１ 設(shè)計(jì)思路
傳統(tǒng)應(yīng)用鉆井液池液位監(jiān)測(cè)井涌井漏除了存在監(jiān)測(cè)精度的問(wèn)題，還存在下列問(wèn)題：
①測(cè)量位置位于出口導(dǎo)管后端，當(dāng)井筒流量發(fā)生變化時(shí)，由于鉆井液經(jīng)出口導(dǎo)管流入鉆井液池需要一定時(shí)間，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)鉆井液變化相對(duì)滯后。
②控壓鉆井時(shí)，鉆井液先流經(jīng)節(jié)流管匯再經(jīng)過(guò)液氣分離器才進(jìn)入鉆井液池，鉆井液是經(jīng)過(guò)氣液分離處理的，不能反映井筒實(shí)際流量變化。
③地面人為處理鉆井液等操作，會(huì)造成鉆井液池液位在非井筒異常情況下發(fā)生變化，影響對(duì)溢流、井漏的判斷。
④泵排量（即入口流量）通過(guò)理論計(jì)算確定，其結(jié)果受機(jī)械效率、上水效率影響存在一定誤差。
解決上述問(wèn)題的設(shè)計(jì)思路為：在進(jìn)出井筒兩端非高壓管匯處安裝合適的高精度流量傳感器，準(zhǔn)確反映一進(jìn)一出（即泵入和井筒返出）兩端流量變化，排除地面其他因素引起的非井筒流體變化的異常情況，克服入口流量通過(guò)理論計(jì)算存在誤差的影響。這樣既可以確保入出口流量計(jì)算準(zhǔn)確，同時(shí)又確保早期反映流量變化。
在優(yōu)先考慮安全的前提下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況與測(cè)量環(huán)境，該系統(tǒng)選用的是一種耐高溫、耐壓、耐腐蝕的流量計(jì)———SCLDE型電磁流量計(jì)（表１）。其精度高，壽命長(zhǎng)，測(cè)量精度不受被測(cè)介質(zhì)種類及其溫度、粘度、密度、壓力等物理量參數(shù)的影響，測(cè)量誤差小于３‰，適用環(huán)境溫度范圍－４０～６０℃，介質(zhì)測(cè)量***高溫度１８０℃，***高承壓４０ＭＰａ，流量測(cè)量范圍０～１０００ｍ３／ｈ。
１．２ 傳感器安裝
針對(duì)電磁流量計(jì)滿管測(cè)量要求的原理，設(shè)計(jì)了鉆井液出口流量測(cè)量裝置，由導(dǎo)管組、流量計(jì)、截流箱、可調(diào)試斜擋板組成，如圖１所示。裝置安裝在井口鉆井液出口與振動(dòng)篩緩沖槽之間，導(dǎo)管組替代常規(guī)鉆井液出口導(dǎo)管，前端與井口鉆井液出口連接，流量計(jì)串聯(lián)在導(dǎo)管組中，導(dǎo)管組末端連接截流箱，截流箱體坐落在振動(dòng)篩緩沖槽上。
當(dāng)鉆井液循環(huán)出口返鉆井液時(shí)，鉆井液通過(guò)電磁流量計(jì)后，由鉆井液引流管流入截流箱體（圖２），操作人員通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿控制擋板開度大小來(lái)控制截箱體內(nèi)擋板前端鉆井液液位高度，使其與電磁流量計(jì)形成高度差，從而實(shí)現(xiàn)鉆井液在導(dǎo)管組滿管流動(dòng)，滿足電磁流量計(jì)滿管工作原理。井筒返出的大部分巖屑可通過(guò)鉆井液流動(dòng)的慣性沖力和可調(diào)式斜擋板的傾斜度配合經(jīng)鉆井液出口引流管流入振動(dòng)篩緩沖槽，少量沉積在截流箱體前部的巖屑，經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間聚集到一定量時(shí)，通過(guò)調(diào)大擋板開度來(lái)實(shí)現(xiàn)截流箱內(nèi)沉沙的清除。入口流量傳感器串聯(lián)安裝在鉆井液泵上水管線上。節(jié)流管匯流量計(jì)串聯(lián)安裝在節(jié)流管匯后端與液氣分離器相連管上。
２ 系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能
２．１ 硬件配置
如圖３所示，一臺(tái)ＰＣ機(jī)分別與ＨＡＲＴ調(diào)試器、與網(wǎng)線連接的綜合錄井服務(wù)器、打印機(jī)和計(jì)算機(jī)工作站相連接。
２．２ 軟件配置
早期井涌井漏監(jiān)測(cè)軟件是在ＶＣ＋＋下開發(fā)的，操作方便，監(jiān)測(cè)界面可重復(fù)使用，可配備終端界面機(jī)供現(xiàn)場(chǎng)鉆井方、監(jiān)督方使用。
２．３ 系統(tǒng)功能
數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)：如圖４所示，系統(tǒng)通過(guò)ＨＡＲＴ協(xié)議和串口協(xié)議實(shí)時(shí)讀取并輸出瞬時(shí)體積流量、累計(jì)體積流量顯示到軟件界面上；實(shí)時(shí)采集通過(guò)ＷＩＴＳ發(fā)送的綜合錄井工程參數(shù)、鉆井液參數(shù)、氣體參數(shù)；基于ＷＩＴＳ標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，匯集流量參數(shù)、綜合錄井參數(shù)，按時(shí)間和井深實(shí)時(shí)存儲(chǔ)流量數(shù)據(jù)和綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)。
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：對(duì)錄井相關(guān)參數(shù)和流量參數(shù)的變化，通過(guò)數(shù)字及繪制曲線圖的方式，實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)測(cè)界面中。
實(shí)時(shí)預(yù)警：實(shí)時(shí)分析流量參數(shù)、自定義預(yù)警門限和報(bào)警門限；預(yù)警包括一級(jí)預(yù)警和二級(jí)預(yù)警，當(dāng)流量差超過(guò)一級(jí)預(yù)警門限時(shí)參數(shù)欄呈黃色，超過(guò)二級(jí)預(yù)警門限時(shí)參數(shù)欄呈紅色；二級(jí)預(yù)警時(shí)報(bào)警門限觸發(fā)，預(yù)警模塊發(fā)出聲音報(bào)警提醒。
３ 應(yīng)用效果分析
３．１ 井漏實(shí)例
如圖５所示，在ＸＸ?。常埃保染F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試過(guò)程中，１１月８日１６：２２：０５鉆進(jìn)至井深７?。常叮福罚埃頃r(shí)，出口流量由１３．２０Ｌ／ｓ開始下降，預(yù)警欄由綠色變?yōu)辄S色，１６：２４：２１預(yù)警欄由黃色變?yōu)榧t色，計(jì)算機(jī)發(fā)出預(yù)警鈴聲，出口流量下降至１１．２０Ｌ／ｓ，表現(xiàn)為井漏特征，而常規(guī)出口相對(duì)流量上升，實(shí)際池體積無(wú)明顯下降趨勢(shì)。
由圖５可以看出，當(dāng)發(fā)生早期井漏時(shí)，出口流量下降的開始時(shí)間為１６：２２：０５，而實(shí)際池體積下降的開始時(shí)間為１６：２９：２０；較常規(guī)監(jiān)測(cè)方式，早期井涌井漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)井漏要提前７ｍｉｎ左右。
３．２ 井涌實(shí)例
如圖６所示，ＸＸ?。玻梗本吃拢常比眨埃玻海玻常海保惫こ萄h(huán)，井深６０４１．１５ｍ，出口流量由１４．４５Ｌ／ｓ開
始上升，預(yù)警欄由綠色變成黃色，隨后變成紅色，出口流量上升至１７．００Ｌ／ｓ，實(shí)際池體積與常規(guī)出口相對(duì)流量無(wú)變化，至０２：３０：１８停泵，０２：３０：３０井隊(duì)關(guān)井。
由圖６可以看出，當(dāng)發(fā)生早期微量溢流時(shí)，出口流量上升的開始時(shí)間為０２：２３：１１，在０２：３０：１８停泵后實(shí)際池體積有上升趨勢(shì)，考慮停泵受循環(huán)管線中的鉆井液存量影響，池體積有個(gè)增加的過(guò)程，可以判斷溢流造成池體積變化應(yīng)在該時(shí)間點(diǎn)或該時(shí)間點(diǎn)之后。因此與常規(guī)監(jiān)測(cè)方式相比，早期井涌井漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)溢流并預(yù)警至少提前約 ７ｍｉｎ 。
３． ３ 假異常實(shí)例
如圖 ７ 所示， ＸＸ?。玻?－ １井３月２８日１７ ： ３５ ： ０７工程鉆進(jìn)至井深 ５９０３． １ｍ 時(shí)，實(shí)際池體積和傳統(tǒng)出口相對(duì)流量有上升趨勢(shì)，而預(yù)警欄呈現(xiàn)安全綠色。根據(jù)出、入口流量相對(duì)穩(wěn)定的狀況，現(xiàn)場(chǎng)判斷無(wú)井涌井漏發(fā)生。***終核實(shí)，池體積的增加系因鉆井液中含氣泡較多造成的假異常。
４ 結(jié)論與認(rèn)識(shí)
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用對(duì)比，該早期井涌井漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)溢流與井漏要比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式提前７ｍｉｎ左右，對(duì)于井控安全意義重大，實(shí)踐證明，該早期井涌井漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)溢流和井漏，為溢流和井漏的控制贏取更多的時(shí)間，有助于確保井控安全。電磁流量計(jì)的高精度測(cè)量，彌補(bǔ)了液位傳感器測(cè)量精度和入口排量受泵上水效率、機(jī)械效率計(jì)算誤差影響帶來(lái)的不足。該井涌井漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠排除非因井筒內(nèi)鉆井液變化而造成的假異常，從而減少不必要的非鉆進(jìn)時(shí)間，提高了鉆井時(shí)效。