钻井液循环系统减缓液面波动装置研发与应用

王 健， 陈 颖， 张军阳， 韩军伟

(中国石化西北油田分公司石油工程监督中心,新疆轮台 841600)

钻井液循环系统减缓液面波动装置研发与应用

王 健， 陈 颖， 张军阳， 韩军伟

(中国石化西北油田分公司石油工程监督中心,新疆轮台 841600)

钻井施工过程中需要对溢流、井漏进行及时监控，发现问题后要立即采取相应井控措施。为实现“1 m3发现，2 m3关井”的目标，对现有溢流监测装置进行了改进。将钻井液高架槽的单挡板改为双挡板结构，利用挡板1降低钻井液流动速度，减缓钻井液液面波动；利用挡板2调节液面高度，实现液面高度差变化的精确计量。根据U形管原理设计了钻井液罐浮球式装置，不仅消除了滤圆筒外液面的波动，同时解决了气泡聚集的问题，能够精确计量发生井漏或溢流后钻井液罐中钻井液的体积变化量。改进后的溢流监测装置在塔河油田60余口井进行了推广使用，其中6口井发生溢流时，该装置均能准确地发现溢流，关井后溢流量均在2 m3以内，较传统的人工方法能够更加及时准确地发现溢流。现场应用表明，该装置能有效提高发现溢流、井漏的灵敏性，解决现场发现溢流滞后的问题，可为精确发现溢流提供技术支撑。

液面波动；浮球式装置；双挡板装置；溢流；监测

井控是钻井作业中的重要环节，部分井从发现溢流到井喷只有5～10 min，有的时间更短，因此精确发现溢流是井控工作的关键[1-10]。塔河油田常规溢流监测方式是在高架槽和钻井液罐安装超声波传感器，通过监测高架槽和钻井液罐中钻井液液面高度的变化来发现溢流，但该方式受液面波动的影响较大，导致采集的数据不稳定，难以精确发现溢流。钻井过程中需要对溢流、井漏进行及时监控，发现问题后要立即采取相应井控措施。为实现“1 m3发现，2 m3关井”，需要对现有溢流监测装置进行改进。国内外各大石油公司针对随钻溢流监测进行了系统研究，Schlumberger公司和BP公司分别研发了NDS和THEMATM系统；中国海油研制了早期井涌井漏监测系统(EKD)，中石化西南石油工程有限公司地质录井分公司研发了异常智能预警技术中的溢流监测部分[11-13]。笔者在前人研究成果的基础上，对钻井液循环系统进行改进创新，研发了高架槽双挡板和钻井液罐浮球式装置，并在几十口井进行了现场应用，溢流发现的准确率达到100%,为精确发现溢流并及时采取技术措施提供了技术支撑。

1 溢流监测影响因素

1.1高架槽液面波动

塔河油田在钻井液出口处应用高架槽，并在高架槽上安装超声波液位传感器来监测出口流量[14-18]。高架槽的安装坡度为1°～3°，确保钻井液能够通过高架槽流入缓冲罐，此时液面高度一般小于2cm，传感器无法准确判断其变化量，难以精确发现溢流，因此在距离缓冲罐0.50～1.00m处安装挡板，以提高液面高度和液面监测精度(见图1)。

图1 出口流量监测示意Fig.1 Outlet flow rate monitoring diagram

钻井液经高架槽流至挡板处时液面升高，当液面高于挡板后，一部分钻井液流向缓冲罐，一部分钻井液则反向流动，导致挡板前钻井液流态紊乱，出口流量波动非常明显(见表1)，影响了溢流的精确发现。

1.2钻井液罐液面波动

传统的测量钻井液罐中钻井液体积的方法是在钻井液罐上方安装超声波液位传感器[18-20](见图2)，钻井液罐底面积和高度已知，传感器测量出探头到液面的距离后，则可计算出钻井液罐中的钻井液体积。

表1 TP190H井出口流量波动情况Table 1 Outlet flow rate fluctuations of Well TP190H

注：①的流量为高架槽中的液面高度占高架槽高度的百分比。

图2 钻井液液面高度监测示意Fig.2 Drilling fluid level height monitoring diagram

人们在钻井液罐中安装搅拌机以防止钻井液沉降，搅拌机工作时钻井液罐中液面波动明显，并产生大量气泡，导致超声波液位传感器采集到的数据误差较大，影响了监测钻井液罐中钻井液体积增量的准确性，溢流监测结果存在一定误差(见表2)。

表2 TK895X井钻井液罐中钻井液体积波动情况Table 2 Drilling fluid volume fluctuation of the Well TK895X

2 减缓液面波动装置研发

出口流量增加和钻井液罐中钻井液的体积增量是精确发现溢流的关键，减缓液面波动装置的工作原理是利用机械装置将液面不规则波动转变为易监测的上下平稳浮动。基本技术思路为：利用双挡板减缓钻井液冲击力，从而改变液面的不规则波动；采用浮球式装置圈闭钻井液罐监测区域，以减缓搅拌机产生的液面波动，实现液面的上下平稳波动。

2.1高架槽双挡板装置

钻井液从导液管中流入高架槽时冲击力大，到达挡板处时产生一定回流，导致超声波液位传感器探头处的液面波动明显。为解决高架槽液面的波动问题，在导液管出口后方0.50m处加装一块挡板，称为挡板1，缓冲罐前挡板称为挡板2(见图3)。挡板1对导液管中流出的钻井液起到缓冲作用，钻井液流向挡板2时流速显著减缓，能够有效减弱回流现象，减缓液面波动。

图3 高架槽双挡板结构示意Fig.3 Double-baffle structural diagram of the elevated slot

同时，不同泵排量下高架槽中钻井液液面的高度不同，出口流量基值不稳定，溢流判断条件复杂。为解决此问题，确定合理的溢流判断条件，对挡板2进行了技术改进：在挡板中间切割一矩形通道，同时加装2块可以调节矩形通道宽度的挂板(如图4所示)，利用挡板2调整高架槽中钻井液的液面高度，确保在不同泵排量下高架槽中钻井液的液面高度基本一致，即出口流量基值稳定，从而可以确定合理的溢流判断门限值，能更加精确地发现井漏、溢流等异常情况。

2.2钻井液罐浮球式装置

为减缓钻井液罐中搅拌机工作导致的液面波动，在钻井液循环罐安装超声波液位传感器的位置安装一根直径为30.0cm、长度为170.0cm的钢管，根据U形管原理可知，钢管内钻井液液面与钻井液罐中的液面高度相同，且管内钻井液基本保持平稳。由于管内钻井液不流动，容易产生气泡，气泡聚集导致测量的液面高度比实际液面高2.0～3.0cm。

为解决气泡聚集问题，在圆管侧面割一条缝，使圆管内钻井液和外面的钻井液流通，减少气泡产生；同时采用浮球式装置，将监测钻井液液面转换为监测浮球平板表面，彻底解决了气泡对测量精度的影响(见图5)。

图5 钻井液罐浮球式装置Fig.5 Schematic diagram of the floating ball device

3 现场应用

减缓液面波动装置在塔河油田60余口井进行了现场应用，其中6口井发生了溢流，均及时准确地发现溢流，关井成功后溢流量均在2m3以内(见表3)，实现了“1m3发现，2m3关井”的目标。

表3减缓液面波动装置的应用效果

Table3Theeffectofapplyingthedevicetoattenuatefluctuations

井号溢流井深/m溢流层位关井后溢流量/m3TP133XCH6545.30O1-2y0.9TH10241CH25817.00O2yj0.7HY1-5X5370.64C1kl1.7TH10271CH25518.00O2yj0.5TP1937118.00O1-2y0.8TP255CH6994.39O2yj0.2

将改进后的双挡板装置安装在高架槽上，采用超声波液位传感器监测高架槽液面，可以看出液面波动明显减缓，出口流量监测数据趋于平稳，监测曲线不再出现锯齿状(见图6)。多口井的现场试验结果表明， 双挡板能有效减缓钻井液流动对高架槽液面波动的影响。

在TP1井的钻井液罐3和钻井液罐4进行了浮球式装置现场应用试验。未安装浮球式装置前，钻井液罐3与钻井液罐4的监测数据曲线呈锯齿状，上下波动起伏明显；安装浮球式装置后，钻井液体积波动有明显改善，钻井液罐3与钻井液罐4的监测曲线平稳(见图7)。

图6 双挡板装置安装前后出口流量变化对比Fig.6 Comparison of outlet flow rate before and after the installation of double baffle devices

图7 浮球式装置安装前后钻井液罐体积变化对比Fig.7 Comparison of mud pit volume before and after the installation of floating ball style devices

4 结论与建议

1) 双挡板和浮球式装置能够减缓钻井液循环系统内的液面波动，可以及时精准地发现溢流。

2) 与国外的NDS、THEMATM等系统的监测方式相比，地面监测方式仍具有一定的滞后性，但与传统的人工监测方式相比具有连续性和及时性的优点，且该装置的制造成本低、简单可靠、可推广应用性强。

3) 采集的数据仍需要录井技术人员进行实时监测分析，下一步将研发溢流监测预警软件，以实现监测的智能化。

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[编辑 滕春鸣]

DevelopmentandApplicationofaDeviceforAlleviatingLiquidLevelFluctuationtobeUsedinDrillingFluidCirculationSystem

WANGJian,CHENYing,ZHANGJunyang,HANJunwei

(PetroleumEngineeringSupervisionCenter,SinopecNorthwestOilfieldCompany,Luntai,Xinjiang,841600,China)

In drilling operation process,overflow and well leakages need to be monitored in a timely manner and established so that the appropriate well control measures can be taken.In order to achieve the target of“1 m3discovery and 2 m3shutdown”,the innovative development of an existing overflow monitoring system was carried out.The elevated slot of drilling fluid was changed to double baffle structure.The first baffle plate was used to alleviate the fluctuation of the liquid level by reducing the flow velocity of drilling fluid and the second baffle plate was used for the accurate measurement of liquid height deviation by adjusting liquid level height.The design of floating ball device of the drilling fluid tank by using the principle of U tube had effectively eliminated the fluctuation of the liquid level outside the filter cylinder.Meanwhile,the floating ball solved the problem of bubble accumulation and could accurately measure the volume change in of the mud pit after the occurrence of well leakage or overflow.This device was widely used in more than 60 wells and the overflow only occurred in 6 wells in total.Overflow detection accuracy was 100%.After the well was shut in,the overflow amount was less than 2 m3.The device could detect the overflow more promptly and accurately than the traditional methods of using human beings to record the data.The field application showed that this device could effectively enhance the ability to attain sensitive measurements of overflow and well leakage,solve the problem of overflow detection delay in the field and provide technical support for the accurate detection of overflow.

alleviate liquid level fluctuation;floating ball device;double baffle devices;overflow;monitoring

TE921+.5

A

1001-0890(2017)05-0048-05

10.11911/syztjs.201705009

2017-04-25；改回日期2017-09-12。

王健(1987—)，男，新疆奇台人，2009年毕业于中国地质大学(武汉)石油工程专业，助理工程师，主要从事石油地质方面的研究工作。E-mail：wangjian7432@126.com。

中国石化西北油田分公司科技攻关项目“精确发现溢流综合技术研究”(编号：XOKYXX160029)部分研究内容。