高精度電磁流量計用于井礦泄露監(jiān)測
摘 要 井涌井漏是鉆井中嚴重而又普遍的井下復(fù)雜情況，如不及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)井控措施，將會帶來巨大經(jīng)濟損失甚至威脅井場人員的生命安全，因此及時發(fā)現(xiàn)早期微量溢流和井漏對井控意義重大。據(jù)常規(guī)監(jiān)測方式對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)測不能滿足早期微量溢流和井漏監(jiān)測的要求。早期井涌井漏監(jiān)測系統(tǒng)通過高精度電磁流量計地檢測鉆井液出入口流量值來確定流量變化量，通過集成快速監(jiān)測預(yù)警軟件進行超門限值報警；為滿足電磁流量計滿管測量要求，研發(fā)了鉆井液體出口流量測量裝置。早期井涌井漏監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)場測試應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)溢流和井漏較常規(guī)監(jiān)測方式要提前７ｍｉｎ左右；與常規(guī)監(jiān)測方式中的液位傳感器相比，電磁流量計具有精度高的優(yōu)點，可在出入口流量差值為２Ｌ／ｓ的情況下判斷井漏和溢流。測試結(jié)果表明，早期井涌井漏監(jiān)測系統(tǒng)為溢流和井漏的控制贏得了更多的時間，有效降低了鉆井風(fēng)險。
引 言
井涌井漏是鉆井中嚴重而又普遍的井下復(fù)雜情況，如不及時發(fā)現(xiàn)可能會造成井噴甚至更嚴重的事故，因而及時發(fā)現(xiàn)早期井涌井漏尤為重要。目前國內(nèi)鉆井現(xiàn)場是通過監(jiān)測鉆井液池液面的變化來判斷井涌井漏，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，４個鉆井液罐的液面高度變化不到１ｃｍ，而鉆井液池液位監(jiān)測裝置誤差在１ｃｍ左右，故對小于１ｍ３的溢流和井漏不能準確監(jiān)測。針對鉆井液池液位監(jiān)測精度的不足，設(shè)計了基于電磁流量計的早期井涌井漏監(jiān)測系統(tǒng)，并經(jīng)現(xiàn)場測試證實了此項設(shè)計是成功的。
１ 早期井涌井漏監(jiān)測傳感器設(shè)計與安裝
１．１ 設(shè)計思路
傳統(tǒng)應(yīng)用鉆井液池液位監(jiān)測井涌井漏除了存在監(jiān)測精度的問題，還存在下列問題：
①測量位置位于出口導(dǎo)管后端，當(dāng)井筒流量發(fā)生變化時，由于鉆井液經(jīng)出口導(dǎo)管流入鉆井液池需要一定時間，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)鉆井液變化相對滯后。
②控壓鉆井時，鉆井液先流經(jīng)節(jié)流管匯再經(jīng)過液氣分離器才進入鉆井液池，鉆井液是經(jīng)過氣液分離處理的，不能反映井筒實際流量變化。
③地面人為處理鉆井液等操作，會造成鉆井液池液位在非井筒異常情況下發(fā)生變化，影響對溢流、井漏的判斷。
④泵排量（即入口流量）通過理論計算確定，其結(jié)果受機械效率、上水效率影響存在一定誤差。
解決上述問題的設(shè)計思路為：在進出井筒兩端非高壓管匯處安裝合適的高精度流量傳感器，準確反映一進一出（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，克服入口流量通過理論計算存在誤差的影響。這樣既可以確保入出口流量計算準確，同時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)場實際工況與測量環(huán)境，該系統(tǒng)選用的是一種耐高溫、耐壓、耐腐蝕的流量計———SCLDE型電磁流量計（表１）。其精度高，壽命長，測量精度不受被測介質(zhì)種類及其溫度、粘度、密度、壓力等物理量參數(shù)的影響，測量誤差小于３‰，適用環(huán)境溫度范圍－４０～６０℃，介質(zhì)測量***高溫度１８０℃，***高承壓４０ＭＰａ，流量測量范圍０～１０００ｍ３／ｈ。
１．２ 傳感器安裝
針對電磁流量計滿管測量要求的原理，設(shè)計了鉆井液出口流量測量裝置，由導(dǎo)管組、流量計、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篩緩沖槽上。
當(dāng)鉆井液循環(huán)出口返鉆井液時，鉆井液通過電磁流量計后，由鉆井液引流管流入截流箱體（圖２），操作人員通過手動轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)桿控制擋板開度大小來控制截箱體內(nèi)擋板前端鉆井液液位高度，使其與電磁流量計形成高度差，從而實現(xiàn)鉆井液在導(dǎo)管組滿管流動，滿足電磁流量計滿管工作原理。井筒返出的大部分巖屑可通過鉆井液流動的慣性沖力和可調(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篩緩沖槽，少量沉積在截流箱體前部的巖屑，經(jīng)較長時間聚集到一定量時，通過調(diào)大擋板開度來實現(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ＰＣ機分別與ＨＡＲＴ調(diào)試器、與網(wǎng)線連接的綜合錄井服務(wù)器、打印機和計算機工作站相連接。
２．２ 軟件配置
早期井涌井漏監(jiān)測軟件是在ＶＣ＋＋下開發(fā)的，操作方便，監(jiān)測界面可重復(fù)使用，可配備終端界面機供現(xiàn)場鉆井方、監(jiān)督方使用。
２．３ 系統(tǒng)功能
數(shù)據(jù)采集與存儲：如圖４所示，系統(tǒng)通過ＨＡＲＴ協(xié)議和串口協(xié)議實時讀取并輸出瞬時體積流量、累計體積流量顯示到軟件界面上；實時采集通過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標準數(shù)據(jù)庫，匯集流量參數(shù)、綜合錄井參數(shù)，按時間和井深實時存儲流量數(shù)據(jù)和綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)。
實時監(jiān)測：對錄井相關(guān)參數(shù)和流量參數(shù)的變化，通過數(shù)字及繪制曲線圖的方式，實時顯示在監(jiān)測界面中。
實時預(yù)警：實時分析流量參數(shù)、自定義預(yù)警門限和報警門限；預(yù)警包括一級預(yù)警和二級預(yù)警，當(dāng)流量差超過一級預(yù)警門限時參數(shù)欄呈黃色，超過二級預(yù)警門限時參數(shù)欄呈紅色；二級預(yù)警時報警門限觸發(fā)，預(yù)警模塊發(fā)出聲音報警提醒。
３ 應(yīng)用效果分析
３．１ 井漏實例
如圖５所示，在ＸＸ?。常埃保染F(xiàn)場應(yīng)用測試過程中，１１月８日１６：２２：０５鉆進至井深７?。常叮福罚埃頃r，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，計算機發(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)出口相對流量上升，實際池體積無明顯下降趨勢。
由圖５可以看出，當(dāng)發(fā)生早期井漏時，出口流量下降的開始時間為１６：２２：０５，而實際池體積下降的開始時間為１６：２９：２０；較常規(guī)監(jiān)測方式，早期井涌井漏監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)井漏要提前７ｍｉｎ左右。
３．２ 井涌實例
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，實際池體積與常規(guī)出口相對流量無變化，至０２：３０：１８停泵，０２：３０：３０井隊關(guān)井。
由圖６可以看出，當(dāng)發(fā)生早期微量溢流時，出口流量上升的開始時間為０２：２３：１１，在０２：３０：１８停泵后實際池體積有上升趨勢，考慮停泵受循環(huán)管線中的鉆井液存量影響，池體積有個增加的過程，可以判斷溢流造成池體積變化應(yīng)在該時間點或該時間點之后。因此與常規(guī)監(jiān)測方式相比，早期井涌井漏監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)溢流并預(yù)警至少提前約 ７ｍｉｎ 。
３． ３ 假異常實例
如圖 ７ 所示， ＸＸ ２９ － １井３月２８日１７ ： ３５ ： ０７工程鉆進至井深 ５９０３． １ｍ 時，實際池體積和傳統(tǒng)出口相對流量有上升趨勢，而預(yù)警欄呈現(xiàn)安全綠色。根據(jù)出、入口流量相對穩(wěn)定的狀況，現(xiàn)場判斷無井涌井漏發(fā)生。***終核實，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)論與認識
通過現(xiàn)場測試應(yīng)用對比，該早期井涌井漏監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)溢流與井漏要比傳統(tǒng)監(jiān)測方式提前７ｍｉｎ左右，對于井控安全意義重大，實踐證明，該早期井涌井漏監(jiān)測系統(tǒng)可以及時準確地預(yù)報溢流和井漏，為溢流和井漏的控制贏取更多的時間，有助于確保井控安全。電磁流量計的高精度測量，彌補了液位傳感器測量精度和入口排量受泵上水效率、機械效率計算誤差影響帶來的不足。該井涌井漏監(jiān)測系統(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時間，提高了鉆井時效。