利用電磁流量計監(jiān)測井下溢流技術

徐飛 劉艷陽 譚森

摘要：利用電磁流量計監(jiān)控井下溢流是近期科研人員研制出的一種新型自動監(jiān)測報警系統(tǒng)，能夠消減造成溢流遲報、誤報的不利因素。該系統(tǒng)是通過流量計和電腦系統(tǒng)將鉆井循環(huán)系統(tǒng)進出口的流量差作比較和判斷，以實現(xiàn)在線實時、快速發(fā)現(xiàn)井漏、溢流。此系統(tǒng)在西北工區(qū)TH10388X井和TH10441H井成功進行現(xiàn)場應用試驗，溢流或漏失量在0.5m3內(nèi)能及時報警。相比傳統(tǒng)人工監(jiān)控，該系統(tǒng)克服了人員失誤、設備缺陷等因素，能更準確、更及時發(fā)現(xiàn)溢流，為鉆井關井、壓井贏得處理時間，最大限度地避免井控事故。

關鍵詞：電磁流量計;溢流;自動監(jiān)測;報警系統(tǒng)

井漏和溢流經(jīng)常發(fā)生在西北工區(qū)鉆井過程中，及時發(fā)現(xiàn)并控制溢流，是預防井噴事故的關鍵。常規(guī)的溢流發(fā)現(xiàn)是通過泥漿工、鉆工和錄井工的計量數(shù)值對比來實現(xiàn)，人為存在的測量不準時和讀取誤差常常會導致溢流發(fā)現(xiàn)滯后，對井控安全極為不利。對此，科研人員研究出利用電磁流量計監(jiān)測井下溢流系統(tǒng)，以更準確、更及時發(fā)現(xiàn)油田鉆井、修井作業(yè)、起下鉆作業(yè)、完井測試時突發(fā)漏失、溢流的情況，是一套自動監(jiān)測報警系統(tǒng)。該技術在西北工區(qū)TH10388X井和TH10441H井開展現(xiàn)場應用試驗， 2口井現(xiàn)場試驗均已順利完成并達到預期效果。

1電磁流量計監(jiān)測系統(tǒng)原理

電磁流量計監(jiān)測系統(tǒng)以泥漿循環(huán)方向為流向方向，在泥漿進口端和出口端端分別安裝磁流量計，如圖1所示。

1.1電磁流量計原理

電磁流量計監(jiān)控系統(tǒng)核心配件為進口流量計、出口流量計等計量元件。電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律制定，用于測量導電流體的體積流量。流量計的測量管是一內(nèi)襯絕緣材料的非導磁合金短管。兩只電極沿管徑方向穿通管壁，固定在測量管上。其電極頭與襯里內(nèi)表面齊平。勵磁線圈脈沖勵磁時，產(chǎn)生磁通密度為B的工作磁場，方向與測量管軸線垂直。此時，具有一定電導率的流體流經(jīng)測量管，將切割磁力線感應出電動勢E。電動勢E正比于磁通密度B、測量管內(nèi)徑D和平均流速V的乘積。電動勢E（流量信號）由電極檢出，并通過電纜送至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將流量信號放大處理后， 可顯示流體流量，并能輸出脈沖，模擬電流等信號。

數(shù)學模型為：

式中：E為電極間的信號電壓（單位：V）;B為磁通密度（單位：T）;D為測量管內(nèi)徑（單位：m）;V為平均流速（單位 m/s）。

K，D均為常數(shù)，由于勵磁電流是恒流的，故B也是常數(shù)。則E與V正相關，折算成流量，即流速感應的信號電壓E與流量Q成線性關系，只要測量出E就可確定流量Q。

1.2報警原理

正常井下鉆進、循環(huán)時泥漿進、出口流量相等。電磁流量計監(jiān)測系統(tǒng)將進、出口流量計和壓力傳感器作數(shù)字對比，進口流量大于出口流量判斷為漏失，進口流量小于出口流量判斷為溢流，最終采集數(shù)據(jù)在電腦主機監(jiān)控界面上實時顯示，并實時快速發(fā)出報警。

2電磁流量計監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場應用

電磁流量計系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。軟件部分為LLT-3井下漏失與溢流監(jiān)控系統(tǒng)，硬件部分包括壓力變送器、電磁流量計、進、出口“U”型管、除砂攪拌器、脫氣器、LLT-3井下漏失溢流采集機柜和電腦工控主機等。

2.1 現(xiàn)場安裝

在泥漿泵進口處挖3.0m×1.8m×3.3m的深坑，安裝進口端設備。U型管裝置入口與出口保持800-1100mm的落差，充分利用虹吸原理。傳感器方向必須與實際流量方向一致。必須保證滿管測量狀態(tài)。流量計前后直管段要求L1≥5D，L2≥2D。干擾安裝單獨良好接地，避免強磁場干擾。正確接地和鋪設電纜、信號傳輸電纜。流量計前后端接地環(huán)有可靠的接地。

出口U型管進液口安裝在高架槽處，出口和振動篩相連接，依靠高架槽上的擋板控制進入出口U型管。頂部安裝脫氣器把鉆井液中的氣泡進行脫離，提高電磁流量計測量的精度。底部安裝攪拌器作用防止巖屑沉淀堵塞U型管。在防溢管出口管位置下端安裝一個壓力變送器，根據(jù)壓力與液面的對應關系，監(jiān)測防溢管的液位高度變化。

最后將各數(shù)據(jù)采集設備用信號傳輸電纜連接，正確接地，最終采集數(shù)據(jù)在電腦主機監(jiān)控界面上實時顯示。

2.2 現(xiàn)場試驗結(jié)果

TH10388X井：該井于2017年2月25日三開鉆進時開始運行電磁流量計監(jiān)控系統(tǒng)， 3月12日結(jié)束，歷時16天。試驗通過改變泥漿泵排量3檔次，開關U型管脫氣器等模擬地層發(fā)生溢流，試驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)能快速、提前發(fā)現(xiàn)溢流和漏失，并同步報警，能滿足現(xiàn)場各作業(yè)工況的要求;驗證了實時在線監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性;驗證了該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)坐崗的優(yōu)勢，能為井控安全提供強有力保障;驗證了在鉆井液進出口分別安裝高精準度電磁流量計，實現(xiàn)滿管測量，檢驗了系統(tǒng)中電磁流量計的適用性、準確性，以及鉆井液中存在氣泡時的適用性和準確性。

TH10441H井：該井于2017年5月18日開始運行電磁流量計監(jiān)控系統(tǒng)，共運行33天。試驗驗證了電磁流量計系統(tǒng)的穩(wěn)定性、監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實行、監(jiān)測溢流的效果、沉砂助推器的防沉砂效果和使用電測流量計對巖屑錄井的影響。

電磁流量計監(jiān)測系統(tǒng)在TH10441H井兩次井漏狀態(tài)下都及時報警，第一次漏失0.2m3報警，第二次井漏為井口失返性漏失，在井口失返前11.7m提前報送了出口流量降低，第一時間進行了報警。根據(jù)要求，總漏失量在0.5m3內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)能啟動報警。電磁流量計監(jiān)測系統(tǒng)能在更小漏失量范圍內(nèi)報警，比預期更加靈敏，給井控處理爭取了時間。

通過試驗將人工坐崗和計算機響應時間進行了比對，流量監(jiān)測響應時間遠遠提前于人工。

3 結(jié)論

對電磁流量計的現(xiàn)場應用了兩井次，檢驗了電磁流量計及其配套系統(tǒng)的可靠性，形成了以下結(jié)論。

（1）電磁流量計調(diào)試好后，錄取數(shù)據(jù)與實際數(shù)值誤差較小，錄取數(shù)據(jù)準確;

（2）正常情況下，低固相聚璜鉆井液體系中的氣體對監(jiān)測數(shù)據(jù)無較大影響;地層氣體逸出造成的排量變化在數(shù)據(jù)終端響應靈敏，3S發(fā)生變化，可清晰分辨;

（3）隨鉆啟動電磁流量計監(jiān)控系統(tǒng)，共平穩(wěn)運行2井次，49天，其中2次漏失報警與實際情況一致，報警可信度高。