利用电磁流量计监测井下溢流技术

徐飞 刘艳阳 谭森

摘要：利用电磁流量计监控井下溢流是近期科研人员研制出的一种新型自动监测报警系统，能够消减造成溢流迟报、误报的不利因素。该系统是通过流量计和电脑系统将钻井循环系统进出口的流量差作比较和判断，以实现在线实时、快速发现井漏、溢流。此系统在西北工区TH10388X井和TH10441H井成功进行现场应用试验，溢流或漏失量在0.5m3内能及时报警。相比传统人工监控，该系统克服了人员失误、设备缺陷等因素，能更准确、更及时发现溢流，为钻井关井、压井赢得处理时间，最大限度地避免井控事故。

关键词：电磁流量计;溢流;自动监测;报警系统

井漏和溢流经常发生在西北工区钻井过程中，及时发现并控制溢流，是预防井喷事故的关键。常规的溢流发现是通过泥浆工、钻工和录井工的计量数值对比来实现，人为存在的测量不准时和读取误差常常会导致溢流发现滞后，对井控安全极为不利。对此，科研人员研究出利用电磁流量计监测井下溢流系统，以更准确、更及时发现油田钻井、修井作业、起下钻作业、完井测试时突发漏失、溢流的情况，是一套自动监测报警系统。该技术在西北工区TH10388X井和TH10441H井开展现场应用试验， 2口井现场试验均已顺利完成并达到预期效果。

1电磁流量计监测系统原理

电磁流量计监测系统以泥浆循环方向为流向方向，在泥浆进口端和出口端端分别安装磁流量计，如图1所示。

1.1电磁流量计原理

电磁流量计监控系统核心配件为进口流量计、出口流量计等计量元件。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制定，用于测量导电流体的体积流量。流量计的测量管是一内衬绝缘材料的非导磁合金短管。两只电极沿管径方向穿通管壁，固定在测量管上。其电极头与衬里内表面齐平。励磁线圈脉冲励磁时，产生磁通密度为B的工作磁场，方向與测量管轴线垂直。此时，具有一定电导率的流体流经测量管，将切割磁力线感应出电动势E。电动势E正比于磁通密度B、测量管内径D和平均流速V的乘积。电动势E（流量信号）由电极检出，并通过电缆送至转换器。转换器将流量信号放大处理后， 可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电流等信号。

数学模型为：

式中：E为电极间的信号电压（单位：V）;B为磁通密度（单位：T）;D为测量管内径（单位：m）;V为平均流速（单位 m/s）。

K，D均为常数，由于励磁电流是恒流的，故B也是常数。则E与V正相关，折算成流量，即流速感应的信号电压E与流量Q成线性关系，只要测量出E就可确定流量Q。

1.2报警原理

正常井下钻进、循环时泥浆进、出口流量相等。电磁流量计监测系统将进、出口流量计和压力传感器作数字对比，进口流量大于出口流量判断为漏失，进口流量小于出口流量判断为溢流，最终采集数据在电脑主机监控界面上实时显示，并实时快速发出报警。

2电磁流量计监控系统现场应用

电磁流量计系统由硬件和软件两部分组成。软件部分为LLT-3井下漏失与溢流监控系统，硬件部分包括压力变送器、电磁流量计、进、出口“U”型管、除砂搅拌器、脱气器、LLT-3井下漏失溢流采集机柜和电脑工控主机等。

2.1 现场安装

在泥浆泵进口处挖3.0m×1.8m×3.3m的深坑，安装进口端设备。U型管装置入口与出口保持800-1100mm的落差，充分利用虹吸原理。传感器方向必须与实际流量方向一致。必须保证满管测量状态。流量计前后直管段要求L1≥5D，L2≥2D。干扰安装单独良好接地，避免强磁场干扰。正确接地和铺设电缆、信号传输电缆。流量计前后端接地环有可靠的接地。

出口U型管进液口安装在高架槽处，出口和振动筛相连接，依靠高架槽上的挡板控制进入出口U型管。顶部安装脱气器把钻井液中的气泡进行脱离，提高电磁流量计测量的精度。底部安装搅拌器作用防止岩屑沉淀堵塞U型管。在防溢管出口管位置下端安装一个压力变送器，根据压力与液面的对应关系，监测防溢管的液位高度变化。

最后将各数据采集设备用信号传输电缆连接，正确接地，最终采集数据在电脑主机监控界面上实时显示。

2.2 现场试验结果

TH10388X井：该井于2017年2月25日三开钻进时开始运行电磁流量计监控系统， 3月12日结束，历时16天。试验通过改变泥浆泵排量3档次，开关U型管脱气器等模拟地层发生溢流，试验结果验证了系统能快速、提前发现溢流和漏失，并同步报警，能满足现场各作业工况的要求;验证了实时在线监控系统的稳定性;验证了该系统相比传统坐岗的优势，能为井控安全提供强有力保障;验证了在钻井液进出口分别安装高精准度电磁流量计，实现满管测量，检验了系统中电磁流量计的适用性、准确性，以及钻井液中存在气泡时的适用性和准确性。

TH10441H井：该井于2017年5月18日开始运行电磁流量计监控系统，共运行33天。试验验证了电磁流量计系统的稳定性、监测数据的真实行、监测溢流的效果、沉砂助推器的防沉砂效果和使用电测流量计对岩屑录井的影响。

电磁流量计监测系统在TH10441H井两次井漏状态下都及时报警，第一次漏失0.2m3报警，第二次井漏为井口失返性漏失，在井口失返前11.7m提前报送了出口流量降低，第一时间进行了报警。根据要求，总漏失量在0.5m3内，监控系统能启动报警。电磁流量计监测系统能在更小漏失量范围内报警，比预期更加灵敏，给井控处理争取了时间。

通过试验将人工坐岗和计算机响应时间进行了比对，流量监测响应时间远远提前于人工。

3 结论

对电磁流量计的现场应用了两井次，检验了电磁流量计及其配套系统的可靠性，形成了以下结论。

（1）电磁流量计调试好后，录取数据与实际数值误差较小，录取数据准确;

（2）正常情况下，低固相聚璜钻井液体系中的气体对监测数据无较大影响;地层气体逸出造成的排量变化在数据终端响应灵敏，3S发生变化，可清晰分辨;

（3）随钻启动电磁流量计监控系统，共平稳运行2井次，49天，其中2次漏失报警与实际情况一致，报警可信度高。