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摘要：石油鉆探過程中，井控工作關(guān)乎人員、設(shè)備、生產(chǎn)安全。及時、正確發(fā)現(xiàn)溢流是井控安全預(yù)防的關(guān)鍵。石化油田結(jié)合目前常規(guī)的監(jiān)測方式．高架槽上能夠減緩鉆井液波動、提升溢流監(jiān)測靈敏性的“雙擋板”裝置和鉆井液罐上的減緩液面波動裝置并進行試驗，同時探索電磁流量計在鉆井現(xiàn)場監(jiān)測出口流量的應(yīng)用；在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上。建立了溢流預(yù)警模型．智能監(jiān)測溢流預(yù)警系統(tǒng)并在現(xiàn)場應(yīng)用。結(jié)果表明，綜合錄井目前溢流監(jiān)測方法相比，有效提高了溢流預(yù)報的及時性和準確性，應(yīng)用效果良好。
0引言
　　井控安全是石油鉆井施工安全的重要保證，因為大多數(shù)井從發(fā)現(xiàn)溢流到井噴持續(xù)時間只有5～10min，有的時間更短，甚至溢流和井噴同時發(fā)生，所以溢流越早發(fā)現(xiàn)越容易處理，并可避免引發(fā)井噴事故[1。2]。西北油田主力區(qū)塊油藏以縫洞型碳酸鹽巖為主，具有“超深、高溫、高壓、高礦化度”等特點，特別是順北、順南、順托區(qū)塊油氣“三高”特征更加明顯，鉆進過程中井控風險增大。在西北油田現(xiàn)場，主要是利用安裝在鉆井液出口處高架槽上和鉆井液循環(huán)罐上的超聲波液位傳感器錄取到的液面高度變化數(shù)據(jù)來計算溢流量，通過綜合錄井儀實時監(jiān)測并設(shè)置報警門限實現(xiàn)自動報警，同時配套鉆機監(jiān)視系統(tǒng)實行專人輪值坐崗。
　　高架槽處鉆井液流動產(chǎn)生的沖擊力和鉆井液循環(huán)罐攪拌機攪拌產(chǎn)生的液面波動會導致超聲波傳感器獲取的數(shù)據(jù)存在誤差。綜合錄井儀軟件系統(tǒng)的異常預(yù)報，往往限于單參數(shù)的超限提醒，一般采用的是閾值法，即高低門限設(shè)定報警[3]。由于報警邏輯簡單，在井場施工的復(fù)雜環(huán)境下，可能發(fā)生誤批造成操作人員“報警麻木”。對此，中國石化西北油田從減緩、消除高架槽和鉆井液罐液面波動及利用綜合錄井儀智能監(jiān)測溢流等方面人手。
l鉆井液循環(huán)系統(tǒng)減緩液面波動裝置
　　出口流量和池體積是目前地面監(jiān)測溢流最重妻的兩個參數(shù)，保證這兩項參數(shù)源頭數(shù)據(jù)的準確性對發(fā)現(xiàn)溢流至關(guān)重要。
1．1參數(shù)錄取準確性影響因素
　　高架槽處(出口流量)：西北油田鉆井作業(yè)工區(qū)高架槽的安裝坡度為1。～3。，氣測錄井需安裝電動脫氣器，在距離緩沖罐0．5～1m處安裝擋板，已達到能滿足電動脫氣器正常工作的狀態(tài)。鉆井液遇到擋板后液面升高，當液面高度與擋板相同時，一部分鉆井液越過擋板流向緩沖罐，一部分鉆井液則反向流動，導致?lián)醢迩暗你@井液液面產(chǎn)生波動，且出口流量監(jiān)測波動非常明顯。
　　鉆井液罐處(池體積)：鉆井液罐上攪拌機攪拌過程中會導致鉆井液液面明顯波動，從而使超聲波傳感器采集到的鉆井液池體積數(shù)據(jù)誤差及波動較大，影響池體積增量監(jiān)測的準確性。
1．2減緩液面波動裝置研發(fā)
　　將高架槽處(出口流量)的擋板移至導管出口后方0．5m處，為“擋板1”(圖1、圖2a)，同時加裝“擋板2”于脫氣器之后靠近緩沖罐處。
　　“擋板1”對從導管中流出的鉆井液起到緩沖的作用，當鉆井液流向“擋板2”時流速顯著減緩，以達到減緩液面波動的目的。調(diào)節(jié)擋板的高度，使鉆井液和巖屑可以從“擋板1”底部的弧狀通道流出，降低巖屑沉積的程度。

　　“擋板2”由圖2b中展示的擋板形態(tài)改進為擋板中間切割出一矩形通道，同時加裝兩塊掛板(圖2c)。可以根據(jù)泵排量有效調(diào)節(jié)鉆井液通過擋板的寬度，以實現(xiàn)鉆井液流量變化時液面高度有顯著變化，提升溢流監(jiān)測的靈敏性。鉆井液排量大時，鉆井液和巖屑可以從矩形通道流過，排量小時，鉆井液和巖屑從擋板2底部的弧形通道通過。
　　根據(jù)U型管原理，在鉆井液循環(huán)罐安裝池體積傳感器的位置懸掛一根直徑約為30cm，長度小于鉆井液罐高度且底部能浸人鉆井液的鋼管，鋼管一側(cè)開一條寬約6cm的縱向縫，鋼管內(nèi)鉆井液液面與鉆井液罐中的液面高度一致；加工一個空心浮球，在該球上方焊一塊直徑略小于圓管內(nèi)徑的圓形鐵板，放置在鋼管內(nèi)(圖3)，使池體積傳感器檢測平板位置的高度，以消除鉆井液波動、消除氣泡對池體積傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。

1．3減緩液面波動裝置現(xiàn)場應(yīng)用效果
1．3．1高架槽處雙擋板裝胃試驗
　　將“雙擋板”裝置在高架槽上安裝后，超聲波液位傳感器檢測到高架槽液面波動明顯減緩，出口流量監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)(圖4)。通過反復(fù)試驗，證實“雙擋板”能減緩高架槽因鉆井液流動造成的液面波動影響，與安裝原有擋板的情況相比，高架槽內(nèi)沉砂差別不大，均可通過起下鉆期間清理沉砂的方式消除其影響。

　　兩口井分別在不同鉆井液排量下測試了原擋板和改進后“雙擋板”裝置的出口流量變化值。通過測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當增加泵沖排量模擬溢流時，“雙擋板”裝置的靈敏性液面高差比原擋板有顯著增高(表1)。
1．3．2鉆井液罐處浮球式裝置試驗
　　TP1井3號泥漿罐和4號泥漿罐安裝該裝置前，監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線呈毛刺狀，波動起伏明顯；安裝該裝置后有明顯的改善，曲線平穩(wěn)(圖5)。


2電磁流量計系統(tǒng)現(xiàn)場試驗
　　電磁流量計已經(jīng)成熟應(yīng)用于地面管線測流量，原理為法拉第電磁感應(yīng)定律。由于測量方式不受流體溫度、壓力、密度和電導率變化的影響，其在復(fù)雜的鉆井液環(huán)境中，具有較強適應(yīng)性。
2．1系統(tǒng)組成及特點
　　電磁流量計系統(tǒng)硬件部分主要包括：電磁流量計2個，脫氣器、沉砂助推器各1臺，防爆控制柜、采集機柜各1個，工控機1套(圖6)。電磁流量計系統(tǒng)監(jiān)測必要條件：電磁流量計需滿管測量，且前后要保持5D、3D(D為電磁流量計直徑)的直管段。自動監(jiān)測報警：選取人口流量和出口流量的差值設(shè)置報警門限，出口大于人口為溢流，出口小于人口為漏失，當二者差值超過報警門限時，系統(tǒng)顯示報警。

2．2現(xiàn)場試驗
2．2．1現(xiàn)場安裝
　　鉆井液出、人口處均安裝三通，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常，可以迅速恢復(fù)正常生產(chǎn)。入口流量計安裝在鉆井液上水罐和鉆井液泵之間管線上，為了滿足電磁流量計滿管測量要求，流量計外觀設(shè)計為U型管，需在入口處挖出長、寬、高分別為3m、1．8m、3．3m的深槽(圖7)。出1：3流量計安裝在防溢管和緩沖槽之間，為了滿足電磁流量計滿管測量要求，也設(shè)計為U型管(圖8)。
　　為減少氣體對電磁流量計監(jiān)測可能產(chǎn)生的影響，在U型管頂端安裝脫氣器；為防止U型管底部出現(xiàn)沉砂，在U型管底部安裝防沉砂助推器。

2．2．2試驗條件
　　奧陶系灰?guī)r地層鉆進施工，井深為6193．00m，鉆井液低固相聚磺鉆井液體系，密度為1．17g／cm3。標定進、出口流量計及采集機使其與實際泵排量一致，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。
2．2．3試驗步驟
①溢流模擬：調(diào)節(jié)入口管線三通處閥門，使經(jīng)過入口處電磁流量計的流量從大變小，出口流量保持不變，模擬溢流，觀察系統(tǒng)報警情況。
②脫氣器試驗：打開和關(guān)閉脫氣器，對比出口處電磁流量計監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，分析氣體對電磁流量計的影響。
③氣侵模擬：從鉆井井口四通閥門間歇性注氣(8MPa氮氣)，模擬地層氣體逸出井121，觀察電磁流量計能否有效識別。
2．2．4試驗效果
　　經(jīng)現(xiàn)場試驗，電磁流量計監(jiān)測出口流量時，鉆井液內(nèi)氣體對監(jiān)測數(shù)據(jù)無影響，流量變化時自動彈出報警界面，數(shù)據(jù)監(jiān)測靈敏(耗時<3S)，能夠敏銳地發(fā)現(xiàn)氣侵，實現(xiàn)在鉆井過程中發(fā)現(xiàn)溢流的目的。
3智能監(jiān)測溢流預(yù)警系統(tǒng)
　　整理分析西北油田近5年64口井87次溢流資料可知，溢流主要發(fā)生在鉆進工況下，提離井底、起鉆、劃眼溢流發(fā)生概率相近，下鉆工況相對安全。從參數(shù)變化情況看，在發(fā)生的溢流事件中出口流量、池體積、氣測值都發(fā)生了異常變化，而立壓異常概率接近50％，鉆時、出15密度、出口電導率異常概率約為30％，其他參數(shù)變化概率較低[4]。
3．1基礎(chǔ)判斷規(guī)則
　　依據(jù)溢流的成因及誘發(fā)因素，對溢流事件進行早期預(yù)警和核實報警。早期預(yù)警指通過參數(shù)基值運算和參數(shù)異常時間判斷功能剔除單參數(shù)假異常，做到單參數(shù)預(yù)警提醒的及時性和準確性，針對鉆時模塊、氣測值模塊、立壓模塊、高壓模塊(立壓上升同時懸重下降)、出口流量模塊、池體積模塊進行早期預(yù)警提醒。核實報警是在出口流量、池體積參數(shù)同時增加時判斷為溢流，溢流模塊報警。一旦出現(xiàn)能夠誘發(fā)溢流或是溢流前兆的異常即進行早期預(yù)警，在與溢流直接相關(guān)的多參數(shù)發(fā)生異常后則進行核實報警，基礎(chǔ)判斷規(guī)則如表2所示[4]。
3．2數(shù)據(jù)處理分析方法
　　對各類原始的工程參數(shù)進行二次處理(如平均值、變化率、振幅計算)與分析，比原始值能更直接地反映鉆井異常的變化狀態(tài)，也能有效發(fā)現(xiàn)濾除噪聲等非事故因素引起的參數(shù)異常變化，提高預(yù)警的有效性和準確性；在數(shù)據(jù)處理后建立參數(shù)的實時背景基線，以此為基準實現(xiàn)對參數(shù)的動態(tài)連續(xù)監(jiān)測與分析，進而根據(jù)人工設(shè)定的正常變化閾值判斷參數(shù)是否發(fā)生異常，如圖9所示[43。


3．3特殊變量引入
　　引入時間窗：界定參數(shù)超限時長的異常判斷標準，排除參數(shù)正常波動變化，假定參數(shù)超限時長標準為t。，如圖10所示，如果參數(shù)超過異常閾值上限的時間(￡)小于定義的超限標準時間參數(shù)t。，則視為未發(fā)生異常。
　　引入權(quán)重系數(shù)：在多參數(shù)的綜合判斷中，根據(jù)現(xiàn)場情況定義各參數(shù)的權(quán)重系數(shù)，其中持續(xù)、關(guān)鍵的參數(shù)作為必要參數(shù)，在多參數(shù)判斷中占主導地位，提高相應(yīng)參數(shù)在判斷中的比重設(shè)置(如高壓油氣井適當增加立壓和懸重的權(quán)重)。西北工區(qū)根據(jù)油氣層類型設(shè)置了5種參數(shù)權(quán)重配置(表3)。

3．4起下鉆灌漿返漿情況監(jiān)測
　　起、下鉆工況下，針對灌漿、返漿情況建立監(jiān)測機制，獲取灌漿罐與鉆具體積參數(shù)，對比灌漿、返漿量與鉆具排替理論量，判斷起、下鉆過程中是否發(fā)生溢流。其計算公式如下：
Vg—V2一V1；V。一Vd；V。一Vg—V。+n
即：V。一V2一Vl—Vd+，2
　　式中：V。為實際灌漿、返漿量，m3；V。為灌漿罐靜止體積，m3；V。為灌漿罐變化至再次靜止的體積，m3；V。為鉆具排替體積，m3；V。為鉆具體積(根據(jù)情況可能為壁厚體積或外徑體積)，m3；V。為實際與理論差值，m3；卵為系統(tǒng)誤差常量值，m3。
3．5溢流預(yù)警系統(tǒng)框架設(shè)計
　　軟件系統(tǒng)模塊化、組件化、開放式設(shè)計，具有良好的可維護和可擴展能力。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集接口插件、數(shù)據(jù)處理模塊、預(yù)警模型框架、主程序框架及數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，如圖11所示‘4I。

　　現(xiàn)場應(yīng)用中，通過綜合錄井儀數(shù)據(jù)接口插件獲取實時數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)進行同步處理分析，根據(jù)當前工況將處理后的數(shù)據(jù)自動輸入預(yù)警模型進行綜合判斷，隨后輸出系統(tǒng)判斷結(jié)果進行人機交互，在交互的過程中，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)與預(yù)警模型的進一步修正完善[4’6]。
4現(xiàn)場應(yīng)用
　　該系統(tǒng)在西北油田16口井進行了現(xiàn)場部署應(yīng)用，累計運行562d，能夠較準確地識別真、假溢流。通過合理的參數(shù)配置，能夠有效排除易引起誤報的異常，如鉆井參數(shù)的變化、傳感器電磁干擾等因素造成的參數(shù)變化。
4．1應(yīng)用情況1
　　TK915—12H井在2017年03月23日22：24鉆進至井深6078．15m，出口流量從19．03％上升至50．42％，總池體積從116．34m3上升至116．62m3。值班人及時通知司鉆和鉆井隊工程師，鉆井隊于22：26成功關(guān)井，關(guān)井套壓為1．0MPa，溢流量0．28m3。智能預(yù)警系統(tǒng)及時監(jiān)測到出口流量異常，并實時跟蹤發(fā)展態(tài)勢，較綜合錄井儀提前49S報警，為鉆井隊及時處理井內(nèi)工程復(fù)雜贏得寶貴時間。
4．2應(yīng)用情況2
　　TK915—12H井正常鉆進過程中，接單根時綜合錄井儀由于停開泵各相關(guān)參數(shù)會頻繁報警，尤其停泵后總池體積由于管線回流會明顯增加，開泵后鉆井液泵入井筒過程中總池體積會明顯減少。由于該系統(tǒng)能智能識別停開泵時各相關(guān)參數(shù)的變化，未發(fā)生頻繁報警。
5結(jié)論
①高架槽“雙擋板”裝置不僅對高架槽液面波動能夠起到很好的減緩作用，還可以更加靈敏地反映高架槽出口流量變化，第一時間發(fā)現(xiàn)井漏或溢流。
②鉆井液罐減緩液面波動裝置的試驗表明，利用U型管原理能夠有效減緩使用鉆井液攪拌機引起的液面波動，浮球式的裝置改進進一步有效解決了管內(nèi)氣泡積聚的問題，實現(xiàn)了井漏或溢流發(fā)生時鉆井液體積變化量數(shù)據(jù)的正確測量。
③上述兩種裝置保證了源頭數(shù)據(jù)的準確錄取，能夠更加有效監(jiān)測溢流。
④電磁流量計監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，比目前監(jiān)測溢流的方式更加靈敏，但其安裝受場地條件限制，且起、下鉆情況下溢流的監(jiān)測有待進一步研究。
⑤智能監(jiān)測溢流預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)︿浫��?shù)據(jù)進行二次分析，實時調(diào)整參數(shù)基值，且引入時間窗和參數(shù)權(quán)重等變量，能夠更加及時、準確地判斷是否發(fā)生溢流，能夠有效減少“誤報”的次數(shù)，具有一定的推廣意義。

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