钻井液性能在线监测系统的研制与现场应用

张志财，刘保双，王忠杰，罗云凤，刘振东，涂德洪，徐运波

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017）

自动化智能化是世界油气工业发展的大趋势，是石油工程推进技术革命的主要手段，近10 多年来，国内外各大油服公司投入巨资和人力，在自动化智能化方面取得了长足进展，研发应用了一系列钻井地面自动化装备、钻井自动化智能仪器工具和钻井远程作业控制系统等具里程碑意义的重大技术装备，钻井自动化、信息化水平大幅度提升，有效提升钻井效率，保障井下安全，从而达到降本增效提速效果。自动化钻井、智能化钻井是未来石油行业的必然趋势，已成为当今钻井的核心技术和核心竞争力，当前随着油田服务市场需求持续回暖，国内三大油公司在国家能源战略安全的驱动下有望继续加大上游勘探开发投资力度，加速钻井自动化进程是石油装备自动化、信息化、智能化升级改造的有效促进，是国家油气安全战略的需要，对本行业技术的发展有着十分重要的意义。

1 钻井液性能自动化测量技术的国内外现状

钻井液经常被比喻为钻井工业的血液，为了保证钻井施工的安全顺利进行，预防井下复杂情况的发生，控制维护钻井液的性能显得尤为关键，然而钻井液性能的测量还处于人工测量阶段，程序比较复杂且费时，难以对钻井液的性能进行实时监测并及时发现井下复杂情况，所以如何实现钻井液性能参数的自动化测量，一直是石油行业研究的课题。

国外在20 世纪80 年代就对钻井液的流变性、密度等单项钻井液性能的自动化测量技术就有过一些零星报道，但直到2008 年，才见到MI-SWACO关于全套钻井液性能和钻屑性能的自动化测量样机文献。哈里伯顿也于2016 年研发了一套自动测量钻井液密度流变性的BaraLogix TM 装置，但该技术不能实现密度流变性的连续测量，目前这套装置尚未得到现场推广。

国内钻井液性能现场测量技术起步比较早，但均局限于单一参数的测量上，没有在测量方法上实现突破，不能满足现场在线连续测量的要求[1-2]，所用方法仅仅是在现场把室内测量方法与计算机进行简单的连接，无法在现场展开应用。

2 钻井液性能在线监测仪器的研制

中石化胜利工程公司钻井工艺研究院研发了一套钻井液性能在线测量仪器，可测量密度、pH 值、流变参数（漏斗黏度、表观黏度、塑性黏度、动切力、流型指数、稠度系数）、氯离子和硫离子10 项钻井液性能参数，技术成熟，与国外现有技术相比，具有实时测量、连续记录、自动测量、数据远传等特点，远高于国外同类产品10～15 min 的监测频率，能更好预判井下状况，应对突发问题。

2.1 钻井液性能在线测量仪器的组成

钻井液性能在线测量仪器共由5 个系统组成，分别是取样系统、测量系统、采集系统、控制系统和保护系统。取样系统的功能主要是抽取现场钻井液，为钻井液性能在线测量提供流体来源；测量系统是整套仪器的核心，主要功能是测量钻井液各项性能参数；采集系统的功能主要是将测量系统测出的数据进行采集并传递到计算机；控制系统的功能主要是提供动力，即为整套仪器供电；保护系统的功能主要是过压保护，防止仪器由于压力过高导致损坏。

2.1.1 钻井液性能在线测量仪器的测量系统组成

钻井液性能在线测量系统可采用图1 所示的上中下3 层结构，上层平台为电子仪表、数据采集平台，中层平台为毛细管平台，下层平台分为2 部分，左边为流量计和密度传感器室；右边为防爆控制箱。1 层和2 层平台除传感器外，无其他显示仪表，所有显示仪表、变送器和数据采集箱均安装于上层平台的仪表室。钻井液取样泵和清洗水用软管分别接至钻井液入口和清洗水入口。

仪器装置整体采用模块式结构，仪器整体可拆分成3 大部分，所有仪器部件均可快速拆装，以方便于仪器的搬运。

图1 集成装置钻井液性能在线检测模块的整体结构

2.1.2 钻井液性能在线测量仪器的工艺流程

工艺上采用一管式结构工艺流程图如图2 所示。①用螺杆取样泵把从井口流出的经振动筛过滤的钻井液，部分注入仪器内，经过脉动阻尼器稳定钻井液的流量。②钻井液以恒定的流量进入科里奥利质量流量计，科里奥利质量流量计将密度、流量和温度信号传给科里奥利质量流量计变送器，经奥利质量流量计变送器处理送入微型计算机。③钻井液以恒定的速度进入矩形断面管Ⅰ，高低位两处的压力传感器可测定该管程的压力损耗，从而把压力信号传输至计算机。④钻井液以恒定的流量进入矩形断面管Ⅱ，高低位两处的压力传感器可测定该管程的压力损耗，从而把压力信号传输至计算机。再通过相应的软件程序将数据处理分析转换成曲线图形模式呈现出来。

图2 钻井液性能在线检测模块工艺流程图

2.2 工作原理

2.2.1 变径管式钻井液流变性测量方法

流变性的测量方法有很多种，最常用的有旋转法、管流法、漏斗法、振动法等[3]。旋转法是测量液体黏度应用最广泛的一种方法，也是目前现场钻井液流变性测量最常用的方法，该方法适用范围较宽，测量方便，易得到大量数据，但测量精度较低。单筒旋转黏度计只能测定低剪切速率下的黏度，而在实际钻井中，钻井液流体的速度梯度往往很高，因此所需的直流力矩电机调幅范围很宽，增加了选用合适电机的难度，所以设计的黏度计多为双筒式旋转黏度计。而双筒式旋转黏度计则存在内、外桶之间钻井液的顶替问题，因此要使用旋转法来在线测量钻井液流变性，还存在很多问题需要解决。管流法操作方便，毛细管黏度计制造简单，能够进行黏度的绝对测量，自动化测量钻井液流变性最好采用管流法。但是传统的管流法不能实现钻井液流变性的实时测量，也易引起管道堵塞问题，因此经过研究改进，提出了变径管式流变性测量原理。

毛细管壁处的剪切应力为：

毛细管壁处的速度梯度：

计算得出2 个速度梯度下的切应力值，采用平面膜压力传感器测量压差，根据平板层流压差法的流变性测量研究及流场模拟分析进行计算，最终可通过宾汉模式计算出塑性黏度、动切力和表观黏度，根据幂律模型计算出流性指数和稠度系数。

2.2.2 密度测量方法[4-5]

密度的测量方法可分为压差式密度测量法、振动管密度测量法、伽马测量法、称重测量法等，应用较广泛的是压差式密度测量法，优点是简单易行，适用范围广。但是也有一些明显的不足，比如测量误差大、测量位置影响测量数据等。而振动管密度测量法具有较高的可靠性、高精度以及较长使用寿命，比较适合用于钻井现场测量钻井液密度，但其成本均比差压式密度传感器高。

根据实时在线测量钻井液密度的需求，选用振动管密度测量法，并对其进行改进，采用减震底座减少外界振动的影响，同时也减少振动管的振动对其他仪表的影响；采用双压力振动管消除气体（气泡）对密度测量的影响。

振动管密度计的工作原理都是基于振动体（元件）的振动频率与其密度间的关系。但是，振动管在井场使用的时候，往往因为钻井液混入气体的干扰而产生误差。针对气体侵入影响测量精度问题，提出了双压力振动管技术，可有效地根据2 个压力下的密度计算出气体含量和钻井液真实密度，保证气侵下测量精度，提高了密度测量的准确度。

式中，f为振动管内有、无流体流过时的振动频率，s-1；E为振动体弹性模量；k 为由振动模式决定的常数；m为振动系统（包括振动体与流体介质）的质量，g；I为振动体倔强系数；ρm为流体真实密度，g/cm3；A为振动管横截面积，mm2；L为振动管长度，mm；ρ1为压力P1下的流体密度，g/cm3；为压力P2下的流体密度，g/cm3；P1、P2为2 个不同压力传感器的压力值，kPa。

2.2.3 离子测量方法

钻井液中离子含量是影响钻井液性能的一项重要指标，通常流体离子含量的检测方法主要有：离子选择电极法、离子色谱法、荧光标记技术和ISFE（离子敏场效应晶体管）法。离子选择电极法是一种对溶液中离子活度有电位响应的电化学传感器，利用电极电位和离子浓度之间的关系来确定离子含量；ISFET 是一种微电子离子选择性敏感元件，对溶液中离子活度的响应可由电化学势对阈电压的影响来表征，因此可通过阈值电压的变化来确定离子含量；离子色谱法是利用阴阳离子与有机阴离子的分离检测痕量阴阳离子的一种方法；荧光标记技术是通过荧光染料来标记所测离子，成本很高，应用在钻井液上不可行。总而言之，通过对比，选择离子选择电极法进行离子测量。

1）离子选择电极法的基本原理。离子选择电极法已广泛应用于实验室痕量分析、常规离子分析、地下水分析以及环境监测等领域。离子选择电极是利用电极电位和离子浓度之间的关系来确定物质含量。其电位与被测离子浓度的关系式为：

式中，E为离子选择性电极与参比电极之间的电位差，mV；E0为标准电极电位，mV；R 为气体常数；T为溶液的绝对温度，K；A为离子浓度，mol/L，2.303×RT/nF 为能斯特因子，该因子随温度变化；F为法拉第常数；n为离子电荷，包括正负号；当温度一定时，电位E只与离子浓度有关，即E与lgA呈线性关系，电位E就反映出了离子的浓度。

2）离子选择电极法的可检测离子类型。可检测出的离子类型见表1 和表2。

表1 离子选择电极法可检测离子类型

表2 可检测阴离子类型及测量范围

2.3 仪器测量指标

2.3.1 测量参数

研制的钻井液性能在线监测仪器可测量密度、pH 值、流变参数（漏斗黏度、表观黏度、塑性黏度、动切力、流性指数、稠度系数）、氯离子和硫离子10 项钻井液性能参数。

2.3.2 测量参数技术指标

测量参数技术指标见表3。

表3 测量参数技术指标

2.3.3 测量要求

环境温度：–35 ℃～50 ℃；测试钻井液温度：4 ℃～80 ℃。

3 钻井液性能在线测量仪器现场应用

3.1 工作界面

钻井液性能在线测量仪器软件的工作界面分为主界面、密度和温度、pH 值和离子浓度、黏度切力参数、n和K值、参数设置、远传设置、远传列表、通信设置9 个界面。部分界面见图3。可知钻井液性能在线监测仪器测出的数据稳定性强、可视界面清晰、分类明确，能直观的监测钻井液性能参数。

图3 钻井液性能在线测量仪器软件的工作界面

3.2 应用情况分析

钻井液性能在线测量仪器在胜利区块坨90-斜13 井、桩12 区块等10 余口井和中海油南海某海域4 口高温高压深井（密度最高2.30 g/cm3、井底温度203 ℃）进行了现场应用。中海油某4 井、某5 井工作12 h 的流变性曲线图分别见图4、图5，测得氯离子含量曲线图见图6。仪器测量和人工测量数据对比见表4。

图4 中海油某4 井工作12 h 的流变性曲线图

图5 中海油某5 井工作12 h 的流变性曲线图

图6 中海油某5 井监测的氯离子含量曲线图

表4 仪器测量和人工测量数据对比

仪器可以实时监测钻井液流变性能和密度，并连续记录钻井液的流变性能的变化过程，通过现场仪器测量结果与API 人工测量结果相比可以看出，仪器测量数据非常准确，误差很小，完全可以满足现场使用要求。

4 结论

1.研发出具有自主知识产权的钻井液性能在线测量仪器，该仪器可同时测量密度、流变性、pH值和离子含量等10 项钻井液性能参数。

2.该仪器具有实时测量、连续记录、自动测量、数据远传四大优点，测量频率、采集频率和发送频率均达到1 s/次，实现了钻井液性能的自动化测量和实时监测。

3.该仪器软件分为九大界面，可视界面清晰、分类明确，能直观地监测钻井液性能参数。

4.现场应用证明，该仪器性能可靠稳定、准确度高，与API 人工手动测量结果相比基本一致，误差较小，完全满足现场钻井液性能自动化测量的需要。

5.该技术的研发填补了国内在该领域的空白，形成了自主知识的钻井液性能在线监测仪器的设计、制造技术，提高了我国钻井工程自动化水平，现场应用发展前景较好，可加速钻井自动化的进程。