电子液面坐岗仪研发及应用

钱浩东 张治发 刘伟

摘要：液面坐岗作为钻井作业施工中重要组成部分，是预防井喷的第一道防线。目前液面坐岗一般使用浮球液面监测仪，依靠坐岗工实时观察浮球液位标尺变化，手动计算池体积，但存在读数差异大，影响计量；劳动强度大，尤其是在处理复杂、紧急阶段；液面波动大、多个罐的标尺累计计量，严重影响压井、排后效等复杂的处置。针对上述问题，研发了电子液面坐岗仪，能实时动态监测泥浆罐液面波动及预警，实现液面坐岗由“肉眼观察、人工记录”向“自动监测预警+人工确认”的无纸化智能坐岗模式转变，目前已推广应用98口井，井漏、溢流的误报率降低90%以上。

关键词：溢流；井漏；电子液面坐岗仪；报警

一、前言

液面坐岗作为钻井作业施工中的重要组成部分，是井控工作中不可或缺的关键环节，是预防井喷的第一道防线。井控工作成功的关键在于及时发现溢流、迅速正确关井，一旦发生溢流不可控，将会对公司、社会造成难以挽回的局面。因此，需要液面坐岗人员认真观察、连续坐岗，及时发现在不同工况下的溢流显示，并及时校核钻井液量的变化，及时提醒灌浆、报告险情，迅速控制井口[1]。

目前，液面坐岗通常使用浮球液面监测仪，依靠坐岗工实时观察浮球液位标尺变化，手动计算池体积，但存在以下两个问题：一是坐岗工的肉眼观察会导致读数存在差异，影响计量；二是劳动强度大，尤其是在处理复杂、紧急阶段，液面波动大、多个罐的标尺累计计量、坐岗工来回观察计算，严重影响压井、排后效等复杂的处置。另外，综合录井虽然使用超声波液位监测仪实现液位监测的数字化，但测量精度受到以下两方面的制约：一是钻井液搅拌时，若钻井液中含有杂质或烃类（普遍未开真空除气器），会产生泡沫，严重影响超声波测量；二是超声波测量会受到电流、振动等环境因素的影响，数值波动较大，难以滤波清除，导致预警过于频繁。在井控风险方面，以实时数据为基础的井控预警误报率居高不下：一是池体积变化原因复杂多变，以纯数据为依据的预警模型缺乏人工干预，无法对变化原因做出准确分析，造成误报较多；二是现场循环罐为不规则的立方体，并且内置管道、搅拌机等物体，有线超声波传感器采集存在很大的偏差。因此，为确保井控安全，研制出了能实时动态连续监测泥浆罐液面波动及实时智能预警的电子液面坐岗仪系统，实现了“自动监测预警+人工确认”的无纸化智能双保险坐岗模式，大幅降低预警误报率[2]。

二、电子液面坐岗仪研发

（一）电子液面坐岗仪组成及特点

电子液面坐岗仪由浮球液面仪、标尺位移传感器、防爆触摸屏和预警软件构成，如图1所示。通过在循环罐处增加一台防爆显示器，实现了液面坐岗记录的电子化，并集成了液面实时数据跟踪、起下钻井液修正表、回流量记录表、井控预警和历史数据查询等功能，实现了坐岗工的无纸化与智能化办公。

标尺传感器是依据循环罐上方液面标尺上下浮动，通过细钢丝和位移传感器将液面标尺上下移动的信号进行收集并传递给液面坐岗系统。防爆触摸屏主要是作为电子液面坐岗系统的载体，让坐岗工可以在上面应用液面坐岗系统进行数据填写处理等工作，同时也作为预警软件的安装载体与展示载体。预警软件是依据电子液面坐岗系统中液面传感器传输的液面高度实时数据，并且依据预设的规则进行分析，同时将预警结果在防爆触摸屏进行展示[3]。

电子液面坐岗仪具有以下特点：

1.结构可靠

批量化后，产品主要结构部件采用不锈钢材料、铝合金部件，表面氧化处理耐潮湿环境、酸碱腐蚀。拉绳采用具有防腐、耐磨、柔性好的0.8mm/0.6mm的7×7包塑不锈钢钢绳，其有效承重＞16kg，一端固定在泥浆罐上的浮球标尺上，另一端接入传感器内，传感器内有钢绳回收装置，钢绳回收力＜450g，确保不会影响浮球标尺的测量准确性。自上而下的布置方式可以有效减少钢绳的污染，钢绳自动导向伸缩装置确保钢绳不会重叠、缠绕，影响测量的准确性。不锈钢PVC包塑钢丝绳具有耐酸碱、耐腐蚀、耐磨损、耐低温、强度高，具有阻燃、防潮、寿命长等优质特性[4]。

液位数据模块内部具有缓冲结构。内部采用＜450g拉力的弹簧缓冲张力自动收缩，且预留三分之一液位标尺高度的绳长，实现液位浮球上下波动时冲击拉伸的缓冲。类似结构在工控自动化控制系统中，普遍应用于复杂、恶劣环境的工业设备的位移测量模组。

2.液位数据准确可靠

机械浮球标尺刻度数据是每个循环罐出厂时标定罐体液量数据的标准化产品。防爆无线液位数据模块采用与浮球标尺同步变化的计量检测方式，采集到的数据与标尺数据同步一致，是机械标尺刻度数字化最直接的一种信息化设备[5]。

核心部件采用4096分辨率的位移检测芯片，测量精度＞0.1mm，保障测量准确性。机械弹簧滤波功能，有效滤除液面快速流动、搅拌波动造成的浮球标尺上下波动与振动，减少原始干扰数据。确保数据采集的稳定性能，降低统计数据的误差变化值。

（二）电子液面坐岗仪工作原理

现有的循环罐钻井液量化数据采集的标准方式为人工读取每个罐体配套的机械浮球装置标尺刻度值，录井专业的远程液位数据采集均采用有线超声波传感器、超声波雷达等非接触式高度数据测量模块，易受使用环境条件干扰。由于钻井液池内含有管道，搅拌机等，且为不规则的立方体，使用超声波雷达等直接测量液位高度来计算池体积的方法会有很大的偏差，且计算准确难度大，易受干扰。机械浮球标尺刻度数据是每个循环罐液量数据的标准化产品。

针对现场环境条件，设计一种利用液位标尺的上下移动带动钢绳长度自动同步伸缩变化的外挂机械装置，通过内置低功耗位移检测芯片测量钢绳移动距离，计算出当前液位标尺的位置，从而得到泥浆池泥浆体积，通过测量钢绳与浮球标尺刻度指示器同步变化量来测量池体积的方法，不受其他环境因素干扰，准确性高。

电子液面坐岗仪是坐岗工面对的一个电脑操作屏，一切坐岗数据都在操作屏上完成。坐岗工采用手持机对每个循环罐的标尺进行扫描确认，确认后的罐体积数据自动传送到电脑操作屏上，然后坐岗工在操作屏上对页面进行数据校核、差值原因分析等操作。坐岗工还可以根据回流量记录表、起下钻钻井液修正表来校核起下钻时灌浆是否正常，填写液面变化原因。若校核发现，理论和实际的体积变化不一致或者相差较大，开始进行预警，提醒司钻，工作原理如图2所示。

电子液面坐岗仪的浮球拉绳位移传感器实现由人工读取标尺数据转变为数字化自动测量，解决了目前液面监测仪依靠人工坐岗单点测量、容易产生误报和漏报的问题。具有三个方便的功能特点：1.液位高度测量精度：±1mm、体积监测精度：±0.01m3。2.自动测量循环罐内钻井液动态体。3.与一体化平台对接，远程监测预警。

（三）电子液面坐岗仪功能

电子液面坐岗仪能自动生成电子坐岗记录，查询使用方便快捷，有效提高工作效率。甲乙方、前后方数据实现共享，协助事前分析、事中处理和事后调查。液面变化实时分析，智能预警提示，采用“实时数据+人工参与”大幅降低预警误报率。电子液面坐岗仪包括钻进阶段液面坐岗、起下钻阶段液面坐岗、传感器故障情况下的液面坐岗、异常情况下的智能预警四块内容。

1.钻进阶段液面坐岗

液面记录逻辑和流程和原有模式一样，只是将坐岗人员原来的纸质填写坐岗记录变为了利用手持机打卡核实电子读数与标尺读数是否一致。若总池体积有变化，则在系统标注差值原因。

2.起下钻阶段液面坐岗

除了使用该系统，现场还保留了手工记录进行监测核实，“双轨”并行以确保起下钻液面数据的准确性。

3.传感器故障情况下的液面坐岗

若传感器故障，可通过手持机或平板显示器人工输入标尺读数，以保障坐岗记录的连续性。

4.异常情况下的液面坐岗。

当发生溢流、井漏等异常情况时，电子坐岗仪发出警告，告知液面坐岗人员，液面坐岗人员进行判断、处理，若为误报，点击结束预警；若为异常，进行记录。若坐岗人员3分钟未做处理，则自动推送到值班干部/司钻进行处理。

电子液面坐岗仪在异常情况下的智能预警如图3所示，电子液面坐岗仪发出预警，告知坐岗工。坐岗工及时对液面进行校核，判断是否为异常或者误报，若为误报，坐岗工点击结束预警；若判断为异常，坐岗工在3分钟内告知值班干部或者司钻，值班干部或者司钻在5分钟之内进行处理。若为溢流或者井漏，根据相应的处理措施进行处理。若值班干部或者司钻，超过5分钟还未对预警进行处理，该预警就自动推送到EISC工程领导，同时会告知安全监督和甲方监督，有EISC工程领导根据现场情况预判，下达指令，要求现场进行处理。

（四）技术成果

1.研发了标尺电子液面监测仪，提升液面监测精准度

经试验，研发的拉绳传感器具有结构可靠、液位数据准确、安装简单便捷等优点，满足作业现场的使用需求。电子液面监测仪的测量精度达到±0.01m?，保障了测量准确性。传感器将距离转化为电信号，实现浮球的标尺数字化，能够在开泵、停泵、变排量等环节均实时、连续、稳定监测循环罐液面波动，相较于传统超声波传感器切实提高了液位监测精度。

2.开发了液面实时跟踪分析软件，降低溢漏报警误报率

由于现场施工情况复杂多变，导致以实时数据为依据的溢流、井漏预警的误报率居高不下。电子液面坐岗系统提供了一种新的解决方案，集成“电子坐岗+人工校验”模式，大幅减少了误报情况。同时全面考虑非溢漏情况的液面变化影响因素，包括开停泵、胶液补充、倒罐转浆、浮标波动等，不断修改预警模型，优化算法，显著提高了井控预警准确率。使用效果较好的队伍整体误报率下降90%以上。

3.实现坐岗无纸化，提升工作效率

电子坐岗系统可自动生成工况、池体积、起下钻灌返量等39项坐岗记录，实现了坐岗记录无纸化。经测试，传统人工记录一条数据需用时1分钟以上，而电子坐岗系统仅需10秒即可完成一条记录，与原来手工填写相比可大幅提升工作效率，减少人工记录错误。

4.集成EISS，实现坐岗记录实时共享

电子坐岗系统可通过一体化平台实现数据共享，液面数据实时共享至钻井工程师平台和EISC工作平台，现场技术干部和后方EISC专家可快速查询循环罐情况，协助事前分析和事后调查。

三、结语

电子液面坐岗仪与司钻领航仪、工程师平台共同协作，组成了“三维一体”的井筒保障，极大降低了预警的误报率。已在PS8井、PS12井、MX019-H2井等98口井现场试验，整体误报率下降90%以上，系统成功对30井次溢流事件中的26井次进行了准确预警，预警成功率86.6%，表1为井漏、溢流预警统计结果。该系统上线以来，精准记录液面，及时报警溢流和井漏信息，大幅降低井控预警误报情况，提高了预警的准确性，有效降低了起下钻溢流风险，保障了钻井队井控安全，具有全面推广的应用价值。

参考文献

[1]焦文夫，张一佳，由志军，等.油田井控安全风险控制技术刍议[J].化工设计通讯，2024，50（02）：32-33+37.

[2]郭杰，麻荣超，郭浩.井控安全技术在钻井过程中的应用研究[J].中国石油和化工标准与质量，2023，43（23）：160-162+165.

[3]阳祖河，丁孟虹，黄琴，等.基于VBA的井控参数监测工具开发[J].中外能源，2021，26（S1）：96-99.

[4]刘伟，吴超，唐梦.数字化井场标准模板研究与应用[J].信息系统工程，2024（01）：31-33.

[5]朱士伟.论钻修井施工中如何正确的坐岗观察[J].化工管理，2018（34）：224.

作者单位：中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程研究院

■ 责任编辑：张津平、尚丹