鉆井液性能自動(dòng)化在線測(cè)量研究

許利輝 陳仙江

(中國石化集團(tuán)國際石油工程有限公司，北京 100020) (中石油新疆油田分公司開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000)

鉆井液性能自動(dòng)化在線測(cè)量研究

許利輝 陳仙江

(中國石化集團(tuán)國際石油工程有限公司，北京 100020) (中石油新疆油田分公司開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000)

鉆井液在鉆井過程中的作用極為關(guān)鍵，具有攜帶鉆屑、穩(wěn)定井壁和傳輸信號(hào)等功能。鉆井液在線測(cè)量鉆井參數(shù)并由此預(yù)測(cè)診斷井下復(fù)雜問題已成為現(xiàn)實(shí)。介紹了在大型鉆井液流動(dòng)回路系統(tǒng)中所進(jìn)行的試驗(yàn)過程和結(jié)果，測(cè)量參數(shù)包括：流變性、密度、油水比、電穩(wěn)定性(油基鉆井液)、電導(dǎo)率(水基鉆井液)和粒度分布，在線測(cè)量結(jié)果與常規(guī)離線測(cè)量結(jié)果基本相符。在線傳感器可用于油田現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行鉆井復(fù)雜問題的自動(dòng)化診斷，為油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了大量寶貴的數(shù)據(jù)。

鉆井液性能; 自動(dòng)化鉆井液; 流動(dòng)回路; 在線測(cè)量; 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

鉆井作業(yè)尤其是海洋鉆井成本很高，有必要對(duì)施工細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。鉆井液在鉆井中的作用極為關(guān)鍵，具有攜帶巖屑、穩(wěn)定井壁和傳輸信號(hào)等諸多功能。近50年來，鉆井液性能控制一直受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，在井下和地面對(duì)幾個(gè)鉆井參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量能夠預(yù)測(cè)并診斷施工中出現(xiàn)的問題。鉆井自動(dòng)化已成為現(xiàn)實(shí)，如自動(dòng)化裝卸鉆桿、控制起下鉆操作等，但鉆井液性能數(shù)據(jù)主要來自于人工測(cè)量，鉆井液樣品要經(jīng)過收集、運(yùn)輸、處理及分析，然后才得到性能報(bào)告。人工測(cè)量不利于分析流體特性中預(yù)期問題的影響，而且還不能正確表征溫度和壓力對(duì)鉆井液性能的影響[1]。

隨著鉆井自動(dòng)化的不斷發(fā)展，在大多數(shù)的海洋鉆井中都配備有實(shí)時(shí)井下傳感器，從而可使用實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)預(yù)測(cè)井下復(fù)雜情況。2008年，Saasen等[2]用自動(dòng)化鉆井流動(dòng)回路進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn)，所用傳感器為自行研發(fā)或由供應(yīng)商處購入。試驗(yàn)過程中采集到了一些在線數(shù)據(jù)，包括鉆井液流變性、電穩(wěn)定性、濾失量、密度、硫化氫濃度、pH值、固相含量和粒徑分布。研究發(fā)現(xiàn)，基于振動(dòng)銷或超聲衰減的簡(jiǎn)單黏度計(jì)不能在預(yù)期的剪切速率下準(zhǔn)確地測(cè)量流體的黏度，建議采用Brookfield公司生產(chǎn)的可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制的庫艾特黏度計(jì)。電穩(wěn)定性測(cè)量需要專門研發(fā)的設(shè)備。用科里奧利裝置測(cè)量了密度，而懸浮固體顆粒濃度是通過離線裝置采用x射線技術(shù)確定的，并與使用固相蒸餾儀的API方法獲得的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。2010年，Broussard等[3]進(jìn)行了鉆井液性能自動(dòng)化測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)研究，利用振動(dòng)U型技術(shù)和庫艾特黏度計(jì)分別測(cè)量了密度和黏度，并與標(biāo)準(zhǔn)儀器離線狀態(tài)下測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，兩種測(cè)量值在一定的誤差范圍內(nèi)是一致的。2011年，Miller等[4]提供了一口井鉆井過程中獲得的鉆井液密度和黏度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為，鉆井監(jiān)測(cè)過程中，實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提高。為了真正實(shí)現(xiàn)鉆井液性能現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化在線測(cè)量，里約聯(lián)邦農(nóng)業(yè)大學(xué)與巴西國家石油公司的研究人員利用專門開發(fā)的大型自動(dòng)化鉆井液流動(dòng)回路系統(tǒng)進(jìn)行了大量試驗(yàn)，在線測(cè)量了流變性、密度、油水比、電穩(wěn)定性(油基鉆井液)、電導(dǎo)率(水基鉆井液)和粒度分布等性能，并通過與離線測(cè)量值對(duì)比評(píng)價(jià)了在線傳感器。結(jié)果表明，在線測(cè)量值與離線測(cè)量值基本相符，為油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了大量寶貴的數(shù)據(jù)。為推動(dòng)我國鉆井液在線測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，筆者對(duì)試驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行了介紹。

1 試驗(yàn)裝備

為了對(duì)現(xiàn)有的或新設(shè)計(jì)的鉆井液性能在線測(cè)量傳感器進(jìn)行測(cè)試，里約聯(lián)邦農(nóng)業(yè)大學(xué)與巴西國家石油公司合作，專門設(shè)計(jì)開發(fā)了大型自動(dòng)化鉆井液流動(dòng)回路系統(tǒng)(圖1)。該系統(tǒng)由管線、2臺(tái)泵、3個(gè)罐、測(cè)試儀器和監(jiān)控系統(tǒng)組成，罐體積為500L，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)返出鉆井液的溫度、壓力和體積流量，測(cè)量鉆井液的流變性、密度、電穩(wěn)定性、電導(dǎo)率和固相含量，并可在較大范圍內(nèi)對(duì)不同作業(yè)條件下的傳感器進(jìn)行評(píng)估[5]。

圖1 自動(dòng)化鉆井液流動(dòng)回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1流變性測(cè)量儀

原始的流程黏度計(jì)是Brookfield公司生產(chǎn)的庫艾特黏度計(jì)TT-100，該黏度計(jì)與FANN35A黏度計(jì)一樣，能在6種不同的剪切速率下工作。該黏度計(jì)工作壓力為0.1014～1.5207MPa，最高工作溫度160°C，體積流量1～3m3/h，主要局限性是固體懸浮物的尺寸，允許固體顆粒的最大直徑是1mm。

1.2密度測(cè)量儀

Metroval公司生產(chǎn)的科里奧利密度計(jì)以科里奧利力為基礎(chǔ)，不僅能測(cè)量密度，還能測(cè)量質(zhì)量流量。該密度計(jì)局限性也是固體顆粒的尺寸，允許固體顆粒的最大直徑是1mm，并且流體中必須不含氣體或氣泡。

1.3電導(dǎo)率和乳液穩(wěn)定性測(cè)量儀

按照離線標(biāo)準(zhǔn)儀器(FANN 25D)的技術(shù)設(shè)計(jì)，制作了一個(gè)專門的傳感器樣機(jī)(EEON)。該樣機(jī)原理：監(jiān)視器產(chǎn)生特定的信號(hào)并發(fā)送到信號(hào)放大器，放大的信號(hào)被發(fā)送到浸入在管路中的探針，由于電壓產(chǎn)生電流，樣機(jī)信息通過模擬信號(hào)返回到監(jiān)視器。樣機(jī)的結(jié)構(gòu)可以被靈活地調(diào)整并改變信號(hào)的各個(gè)方面，如形式、頻率、幅度、電壓升高速率等，從而使用戶能夠探索不同類型電信號(hào)對(duì)最終電壓值的影響。

2 結(jié)果分析

2.1流變性

為了驗(yàn)證改進(jìn)的庫艾特黏度計(jì)TT-100的標(biāo)定，選擇牛頓流體甘油和非牛頓流體CMC溶液分別在32℃和33℃時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)，并與Fann 35A黏度計(jì)測(cè)量值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見圖2。

從圖2(a)中看出，對(duì)于2種儀器來說，剪切速率和剪切應(yīng)力之間都呈線性關(guān)系，證實(shí)甘油為牛頓流體。豎線表示以每個(gè)傳感器精確度為基礎(chǔ)的試驗(yàn)不確定性。圖2(b)中，可以看到剪切速率和剪切應(yīng)力之間是非線性關(guān)系，證實(shí)CMC溶液為典型的假塑性流體。在線數(shù)據(jù)偏離離線數(shù)據(jù)的主要原因可能是每個(gè)儀器的間隙尺寸。對(duì)于非牛頓流體來說，由于剪切速率微積分過程中的數(shù)值擬合，間隙越大，產(chǎn)生的誤差也就越大。

圖2 流體的流變性曲線

水基鉆井液(實(shí)驗(yàn)室配制)和非水基鉆井液(鉆井液公司)分別在34℃和51℃時(shí)用改進(jìn)的庫艾特黏度計(jì)TT-100進(jìn)行了試驗(yàn)，并與Fann 35A黏度計(jì)測(cè)量值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見圖3。在這2種情況下，都存在在線數(shù)據(jù)偏離離線數(shù)據(jù)的情形。對(duì)于水基鉆井液來說，在線數(shù)據(jù)偏離離線數(shù)據(jù)的原因可能是與滑動(dòng)效應(yīng)相關(guān)的間隙尺寸效應(yīng)。在油基鉆井液的測(cè)量過程中，可以看到500s-1后曲線開始偏離離線數(shù)據(jù)。油基鉆井液比水基鉆井液有更高的潤滑性，因此圖3(b)中測(cè)量結(jié)果與圖3(a)中的情況正好相反。圖3(a)中，TT-100剪切應(yīng)力測(cè)量值低于FANN35A剪切應(yīng)力測(cè)量值，而圖3(b)中，TT-100剪切應(yīng)力測(cè)量值高于FANN35A剪切應(yīng)力測(cè)量值[5]。

圖3 不同鉆井液的流變曲線

2.2密度

用科里奧利密度計(jì)和常規(guī)泥漿比重計(jì)測(cè)量了水基鉆井液和合成基鉆井液的密度，并將結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。水基鉆井液測(cè)試包括逐步加重(添加重晶石)和加熱，測(cè)量結(jié)果如圖4(a)所示；隨后逐步稀釋，測(cè)量結(jié)果如圖4(b)所示。

結(jié)果表明，在線測(cè)量數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)相符，證實(shí)在線設(shè)備能夠采集由于重晶石的添加引起的密度增大數(shù)據(jù)，以及由于溫度升高和鉆井液稀釋引起的密度下降數(shù)據(jù)。同樣，對(duì)合成基鉆井液也進(jìn)行了相似的對(duì)比，結(jié)果見圖5。由于安全問題(泵壓限制)，不可能在之前的試驗(yàn)范圍內(nèi)評(píng)估密度計(jì)。結(jié)果顯示，2種儀器的測(cè)量值基本相符[5]。

圖4 水基鉆井液密度測(cè)試

圖5 合成基鉆井液的密度及壓力變化

2.3乳液穩(wěn)定性

反相乳液在鉆井中極為常用，其穩(wěn)定性對(duì)于保持設(shè)計(jì)性能尤其是流變性能極為關(guān)鍵。使用FANN 23D和新研制的傳感器樣機(jī)EEON進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用了3種不同油水體積比的乳液，分別為50∶50、40∶60和30∶70，如圖6所示?？梢钥闯?，隨著電壓升高，電流保持在低值直到快速呈指數(shù)增長，此時(shí)油相提供的電氣屏障遭到破壞，水中的極性端暴露出來，產(chǎn)生的電流與施加的電壓成正比，與電阻成反比。圖6(a)中，電穩(wěn)定性離線測(cè)量值大約為800V，豎線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差?？梢钥闯?，在線測(cè)量值略低于常規(guī)測(cè)量值(775V)。隨著含水率的增大，電穩(wěn)定性降低，當(dāng)油水體積比為40∶60 和30∶70時(shí)，兩種儀器的電壓峰值相同。

在線監(jiān)測(cè)乳液狀態(tài)和流變性。測(cè)試時(shí)，首先在鉆井液中加入純油，立即導(dǎo)致罐中流體體積增加，流體密度減小(圖7)。每次罐體積達(dá)到325L時(shí)，都要進(jìn)行清理以保證試驗(yàn)?zāi)軌蚶^續(xù)進(jìn)行。在第一次清理之后，測(cè)試7500s，加入水直到滿罐，重復(fù)該步驟直到乳液被破壞。圖8顯示了整個(gè)鉆井液體系的壓力、流量和溫度變化。為了使電穩(wěn)定性和電導(dǎo)率室內(nèi)的流體得到及時(shí)更新，必須保持流量在最小值。溫度變化曲線表明，每當(dāng)遇到干擾時(shí)，體系溫度都會(huì)下降。溫度升高是由摩擦力引起的，而不是加熱設(shè)備。從圖9中可以看出，加入油后表觀黏度降低，加入水后表觀黏度明顯增大，引起壓力升高。在試驗(yàn)的最后階段，當(dāng)乳液被破壞時(shí)，表觀黏度突然減小，導(dǎo)致壓力降低，此時(shí)體系變?yōu)閮上?油和水)流體，黏度都低于之前狀態(tài)下的黏度。圖10為試驗(yàn)過程中乳液狀態(tài)的常規(guī)電氣監(jiān)測(cè)結(jié)果。僅僅加入油還不能明顯改變體系的電穩(wěn)定性，而加入水后電壓則迅速降低。從圖(7)～(10)中都可以看出，在約12000s時(shí)由于乳液被破壞，體系狀態(tài)明顯發(fā)生變化。圖10在12000s時(shí)，不僅電壓低于25V，電導(dǎo)率值也在0附近。因此，電穩(wěn)定性測(cè)定儀是一種可以反映單相條件下乳液穩(wěn)定性的工具，而電導(dǎo)率儀可作為判斷乳液是否破壞(相分離)的輔助工具[6]。

2.4固相含量

處理懸浮固相顆粒濃度所用的數(shù)學(xué)方法是以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過程中，固體懸浮物的質(zhì)量濃度是目標(biāo)變量，密度、黏度、超聲衰減和聲速是自變量。圖11～14為用于一些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的典型測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖7 罐中流體體積和密度隨時(shí)間的變化 圖8 流體的流速、壓力、溫度隨時(shí)間的變化

圖9 表觀黏度隨時(shí)間的變化 圖10 常規(guī)電學(xué)特性

圖11 第一種水基鉆井液的性能

圖12 第二種水基鉆井液的性能

用工業(yè)水配制水基鉆井液,其變量初始值：在1021s-1時(shí)表觀黏度為2mPa·s，密度1.00g/cm3，聲速1495m/s，衰減5.5dB，固相顆粒質(zhì)量濃度0g/L。圖11為加入第1種固相顆粒后鉆井液性能，質(zhì)量濃度升高至60g/L (離線測(cè)量)，衰減升高至8dB，表觀黏度增大至5.5mPa·s，密度增大至1.02g/cm3，而聲速降至1490m/s。當(dāng)加入第2種固相顆粒時(shí)，體系再次發(fā)生變化。圖12為加入第2種固相顆粒時(shí)水基鉆井液的性能,由于量很少(低于1%)，實(shí)際上密度沒有變化，僅黏度發(fā)生了改變。因此，從開始一直到聚合物溶解后，固相顆粒的質(zhì)量濃度都為0，衰減則從5dB升高至10dB。由于聚合物變?yōu)槿芙庀啵曀僖裁黠@發(fā)生了變化。7000s后，加入加重材料，體系也相應(yīng)地發(fā)生了變化。

在第2種水基鉆井液中持續(xù)加入固相顆粒，模擬了地層固相顆粒的侵入，鉆井液性能如圖13所示。在加入第1種固相顆粒后，除聲速以外，其他所有的性能都迅速提高。再加入第2種重固相顆粒后，密度明顯增大，而黏度僅略有增大，此時(shí)聲速隨著衰減和固相顆粒質(zhì)量濃度的升高而減小。在多次加入第2種固相顆粒后，在3000s處開始加入碳酸鹽固相顆粒，該體系保持了相同的變化趨勢(shì)，而聲速卻開始增大而不是減小，說明碳酸鹽在流體中溶解了[5]。

圖13 第二種水基鉆井液中加入固相顆粒后性能

3 結(jié)論建議

1)鉆井液流變性、密度、電穩(wěn)定性和電導(dǎo)率以及固相顆粒質(zhì)量濃度在線評(píng)估表明，測(cè)量結(jié)果與常規(guī)離線測(cè)量結(jié)果基本相符。

2)根據(jù)在線評(píng)估結(jié)果，認(rèn)為在線傳感器可用于油田現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行鉆井復(fù)雜問題的自動(dòng)化診斷。

3)為了在將來實(shí)現(xiàn)鉆井自動(dòng)化，建議對(duì)更多的傳感器進(jìn)行在線評(píng)估并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要。

[1]Ghilardi, Pedro, de Mari.Real time drilling data diagnosis implemented in deepwater wells-a reality[J]. OTC 24275,2013.

[2]Saasen A, Omland T H, EkreneS.Automatic measurement of drilling fluid and drill-cuttings properties[J]. SPE 112687, 2009.

[3]Broussard S, Gonzalez P, Murphy R.Making real-time fluid decision with real-time fluid data at the Rig Site[J]. SPE137999, 2010.

[4]Miller A，Minton R C，Colquhoun R L.The continuous measurement and recording of drilling fluid density and viscosity[J].SPE140324, 2011.

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[6]Sergio M, Claudia M S, Luis A C.Development of on-line sensors for automated measurement of drilling fluid properties[J].SPE 167978, 2014.

[編輯] 帥群

TE254

A

1673-1409(2017)19-0068-07

2016-06-10

中國石油化工集團(tuán)公司前瞻性項(xiàng)目(JP14023)。

許利輝(1973-)，男，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事鉆井工程技術(shù)與海外鉆井項(xiàng)目管理工作,xulih.sips@sinopec.com。

[引著格式]許利輝，陳仙江.鉆井液性能自動(dòng)化在線測(cè)量研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(19):68～74.