鉆井液流量檢測技術(shù)現(xiàn)狀及精確計(jì)量方法探討

張杰 楊智麟 闞孝玲

（東營市工業(yè)產(chǎn)品檢驗(yàn)與計(jì)量檢定中心 山東東營 257091）

勝利油田是我國重要的石油工業(yè)基地，截至2021年底，累計(jì)生產(chǎn)原油12.7 億t，在長期勘探開發(fā)過程中積累了較為成熟的技術(shù)。但隨著油氣勘探領(lǐng)域不斷拓展，鉆井施工的難度越來越大，遇到地層復(fù)雜、高壓、硫化氫等問題，甚至可能出現(xiàn)影響生命財(cái)產(chǎn)安全的事故。因此，在鉆井施工過程中，井控工作的重要性越來越高，而鉆井液流量的檢測是其中的關(guān)鍵。鉆井液流量精確計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用能夠準(zhǔn)確地識別異常工況，避免出現(xiàn)安全事故。根據(jù)東營市政府印發(fā)的《東營市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，要加快計(jì)量體系建設(shè)，推進(jìn)石油裝備產(chǎn)業(yè)計(jì)量中心建設(shè)。研究鉆井液流量精確計(jì)量技術(shù)，不僅是油田生產(chǎn)的需要，更符合地方政府規(guī)劃要求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鉆井液流量檢測技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 鉆井液簡介

鉆井液是鉆井的“血液”，主要作用是把巖屑從井底攜帶至地面。鉆井液主要由液相、固相和化學(xué)處理劑組成：液相可以是水（淡水、鹽水）、油（原油、柴油）或乳狀液（混油乳化液和反相乳化液）；固相包括有用固相（膨潤土、加重材料）和無用固相（巖石）；化學(xué)處理劑包括無機(jī)、有機(jī)及高分子化合物。

1.2 鉆井液的循環(huán)過程

鉆井液俗稱泥漿。在鉆井施工過程中，鉆井液從地面泥漿罐通過泥漿泵進(jìn)入鉆桿內(nèi)部，壓入井底，再由井底的鉆頭水口處返出，攜帶著地層破碎的巖屑，經(jīng)由鉆桿與井壁的環(huán)狀空間回到地面，經(jīng)過地面設(shè)備處理，回到泥漿罐。在泥漿泵的動(dòng)力下，不斷循環(huán)，鉆井液與地層壓力產(chǎn)生了一種動(dòng)態(tài)的平衡，維持著鉆井施工過程中的安全，可以簡化為：地面泥漿罐→泥漿泵→鉆桿內(nèi)部→鉆頭水口→鉆桿外部與井壁的環(huán)狀空間→出口管線→凈化設(shè)備→地面泥漿罐。

1.3 鉆井液流量檢測與預(yù)測鉆井風(fēng)險(xiǎn)的聯(lián)系

在鉆井循環(huán)過程中，泵入井底的鉆井液與返回地面的鉆井液應(yīng)該基本保持一致。如果泵入速度（簡稱入口流量）明顯大于返回地面速度（簡稱出口流量），說明鉆井液消耗過快，過多地進(jìn)入了地層中的孔隙、裂縫當(dāng)中；如果入口流量小于出口流量，說明地層壓力過高。這兩種情況如果不及時(shí)處理，都有可能出現(xiàn)井涌井噴等事故。2003年，重慶發(fā)生特大井噴事故，共造成243人死亡、4000余人受傷，給人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了無法挽回的損失。如果能夠通過精確測量入口流量、出口流量計(jì)算兩者的偏差，從而及時(shí)判斷出存在的鉆井風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)采取措施，就能夠最大限度地避免事故的發(fā)生。

1.4 當(dāng)前鉆井現(xiàn)場采用的鉆井液流量檢測技術(shù)

由于鉆井現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，存在大量的機(jī)械振動(dòng)源、電磁干擾源，而鉆井液又是一種高溫、高壓、多相流體，常規(guī)的流量傳感器根本無法使用，因此，常規(guī)鉆井現(xiàn)場根本無法做到精確測量鉆井液流量。對于鉆井風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測，國內(nèi)外公司大部分采用超聲波液位傳感器監(jiān)測地面鉆井液罐液位的變化。在鉆井液循環(huán)過程中，如果返出的鉆井液增多，出口流量增大，那么地面鉆井液罐中的泥漿增多，液位就隨之升高；如果返出的鉆井液減少，液位就隨之下降。表面上看，采用這種方法判別井涌、井漏等異常事故的發(fā)生是合理的，但是，在循環(huán)過程中，由于鉆井液在泥漿罐間的流動(dòng)頻繁，液面不穩(wěn)定，少量的溢流或井漏在液位上反應(yīng)不明顯，不能在短時(shí)間內(nèi)做出準(zhǔn)確的判斷，等到液位發(fā)生了明顯變化時(shí)，可能就錯(cuò)過了處理險(xiǎn)情的最佳時(shí)機(jī)。

為進(jìn)一步完善鉆井液流量檢測方法，鉆井現(xiàn)場通常還配備靶式流量計(jì)。鉆井現(xiàn)場使用的靶式流量計(jì)不同于通常意義上的靶式流量計(jì)，日常使用的靶式流量計(jì)需要安裝在滿管環(huán)境中，單一介質(zhì)在管道中流動(dòng)時(shí)推動(dòng)靶片，將作用力傳導(dǎo)至傳感器中，經(jīng)數(shù)字處理后，得出精確的流量。但是，鉆井現(xiàn)場的靶式流量計(jì)安裝在出口管道中（非滿管），雖然原理仍然是依靠鉆井液的沖擊力推動(dòng)靶片產(chǎn)生信號，但由于管道是不滿管的，而且粘稠的鉆井液容易在靶片上固結(jié)泥塊，嚴(yán)重影響了測量的精度。隨著鉆井越來越深，鉆井液的性能也會(huì)隨之變化，介質(zhì)變了，傳感器更無法進(jìn)行有效標(biāo)定。因此，通常，鉆井現(xiàn)場使用靶式流量計(jì)僅是得到一個(gè)相對測量結(jié)果，無法定量檢測管道中流體的流量。

通常情況下，泥漿罐上的超聲波液位計(jì)、出口管道上的靶式流量計(jì)必須配合使用，有經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場工程師能夠通過這兩種傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線分析出鉆井異常工況的可能性，部分公司將其擴(kuò)展成一項(xiàng)獨(dú)立的服務(wù)——井涌井漏早期預(yù)報(bào)服務(wù)。但是，針對這一方法，一是需要足夠的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)支撐，對于人才培養(yǎng)來說成本過高；二是因?yàn)槎ㄐ苑治龃嬖谥饔^想法干擾，有時(shí)可能出現(xiàn)誤判；三是對于一些非常規(guī)的工況，經(jīng)驗(yàn)主義可能產(chǎn)生更加危險(xiǎn)的后果。因此，研發(fā)一套能夠精確測量鉆井液實(shí)時(shí)流量的設(shè)備，是鉆井工程的迫切要求。

2 國內(nèi)外鉆井液流量檢測技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

（1）使用超聲波液位傳感器測量出口流量，一般將傳感器安裝在鉆井液出口緩沖罐處，根據(jù)緩沖罐處液位變化，判斷井漏或井涌情況。該方法與泥漿液位動(dòng)態(tài)監(jiān)測原理相同，反應(yīng)更為靈敏，但會(huì)受到振動(dòng)篩閥門大小影響，且不能定量測量。國內(nèi)部分研究人員如楊明清、王會(huì)永等利用伯努利方程、謝才公式等對該方法進(jìn)一步推導(dǎo)，得出流量定量計(jì)算公式，但影響其精度的因素較多，未見相應(yīng)的產(chǎn)品出現(xiàn)。

（2）對鉆井液出口管線等設(shè)施進(jìn)行改造，針對原先不滿管的測量環(huán)境，通過將出口管線改裝為矩形槽、V形槽、雙弧曲線、喇叭形緩沖等，改變鉆井液的流動(dòng)方式，造成滿管或非勻速等現(xiàn)象，使得出口鉆井液能夠滿足電磁流量計(jì)、科里奧利計(jì)、文丘里流量計(jì)等使用要求，從而做到定量測量鉆井液出口流量。但該方法必須改造現(xiàn)有的鉆井設(shè)備，而且是每打一口井就要改造一次，不但影響鉆井施工工期，單井施工成本大幅增加，而且安全性、精度也還需驗(yàn)證。

（3）使用超聲波多普勒流量計(jì)進(jìn)行測量，該方法在原理上比較適用于鉆井液等雜質(zhì)含量較多的流體，對鉆井液流量的理論測量精度較高，一些研究團(tuán)隊(duì)在鉆井液入口、海洋鉆井隔水管外壁等位置均取得了一定的進(jìn)展。但對于鉆井液出口部位的流量測量，還需要克服管道不滿管、固液氣三相混合流體等的難題，該方法在鉆井行業(yè)還沒有具體的應(yīng)用。

目前，國外如斯倫貝謝、GEOLOG等公司有了一定的突破，利用科里奧利效應(yīng)開發(fā)了相應(yīng)的傳感器，并利用檢測的鉆井液出入口流量的變化擴(kuò)展為井涌井漏早期預(yù)報(bào)服務(wù)項(xiàng)目——FLAG。該裝置需要加裝一套流量彎管，通過彎管振動(dòng)頻率的變化，計(jì)算通過彎管液體的流量和密度。這種傳感器測量準(zhǔn)確、精度高，但安裝和操作繁瑣，需要對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，且造價(jià)高達(dá)百萬級，一般更適用于海洋鉆井。

在新的油氣勘探形勢下，鉆井液流量監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面：（1）鉆井液流量監(jiān)測準(zhǔn)確性和及時(shí)性要求越來越高；（2）由單一的流量監(jiān)測向智能化井涌井漏快速預(yù)報(bào)方向發(fā)展。

3 幾種當(dāng)前主要攻關(guān)的計(jì)量檢測手段適用性分析

3.1 超聲波多普勒檢測方法

超聲波多普勒檢測方法是以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，根據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率，這個(gè)因相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。超聲波多普勒流量測量的一個(gè)必要的條件是：被測流體介質(zhì)應(yīng)是含有一定數(shù)量、能反射聲波的固體粒子或氣泡等的多相介質(zhì)。該工作條件適用于鉆井液環(huán)境，這也是其他流量計(jì)所不具備的。在超聲波多普勒測量過程中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運(yùn)動(dòng)的巖屑、藥品顆粒、氣泡等雜質(zhì)起了與聲源有相對運(yùn)動(dòng)的“觀察者”的作用，發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移，由于這個(gè)頻率差正比于流體流速，所以，測量頻差可以求得流速，進(jìn)而可以得到流體的流量。

鉆井液中的黏土顆粒、巖屑、藥品、氣泡等各種粒子具有不同的聲學(xué)特性，對其發(fā)射不同頻率的超聲波，接收到的多普勒信號強(qiáng)度也各不相同。對于同一種粒子，尺寸和濃度的大小會(huì)影響到多普勒聲學(xué)特性，一般情況下，尺寸越小的粒子在管道中分布越均勻，尺寸越大的分布越紊亂，而粒子的濃度會(huì)影響到超聲波的穿透深度，從而測量到管道中不同位置的流速，影響測量的精度。

目前，中石化經(jīng)緯公司、電子科技大學(xué)等單位對多普勒測量鉆井液流量方法進(jìn)行了深入研究。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，該方法容易受鉆井現(xiàn)場電磁干擾、鉆井液成分變化、泥漿擾動(dòng)影響。電子科技大學(xué)對電磁干擾進(jìn)行了研究處理，中石化經(jīng)緯公司研究了多種位置安裝傳感器，減少擾動(dòng)、干擾等影響，均取得了一定的效果。但如果采用該方法精確測量鉆井液流量，仍有很長的道路要走。

3.2 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行流量測量的流量計(jì)。在與測量管軸線和磁力線相垂直的管壁上安裝一對檢測電極，當(dāng)導(dǎo)電液體沿測量管軸線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢，此感應(yīng)電勢由兩個(gè)檢測電極檢出，數(shù)值大小與流速成正比。

該方法必須滿管測量，且不能測量有較多氣泡的液體。如果采用該方法測量鉆井液，一方面，必須將出口管線進(jìn)行改造，使其變成滿管狀態(tài)；另一方面，在遇到某些含氣量較高的地層、使用產(chǎn)生泡沫較多的鉆井液配方時(shí)，必須進(jìn)行除氣操作，否則將影響測量精度，甚至測不出數(shù)據(jù)。部分鉆井公司針對這一方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用油基泥漿時(shí)，因泥漿特性，電磁流量計(jì)普遍工作不正常。

3.3 科里奧利流量計(jì)

質(zhì)量流量計(jì)可直接測量流體的質(zhì)量流量，測量結(jié)果受介質(zhì)密度、溫度、壓力、流速分布等特性的影響較小，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測量等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制等領(lǐng)域中?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)質(zhì)量測量的原理是牛頓第二定律F=Ma。當(dāng)流體在振動(dòng)管中流動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力；當(dāng)沒有流體流過時(shí)，振動(dòng)管不產(chǎn)生扭曲，振動(dòng)管兩側(cè)電磁信號檢測器檢測到的信號是同相位的；當(dāng)有流體經(jīng)過時(shí)，振動(dòng)管在力矩作用下產(chǎn)生扭曲，兩檢測器間將存在相位差，變送器測量左右檢測信號之間的滯后時(shí)間，這個(gè)時(shí)間差乘上流量標(biāo)定系數(shù)就可確定質(zhì)量流量［1-2］。

科里奧利流量檢測方法要求必須滿管，要把管線改為彎管狀態(tài)。但鉆井液在出口已經(jīng)接近常壓，伴隨著大量的巖屑，容易造成管道堵塞。此外，根據(jù)科里奧利檢測原理，泥漿中的氣泡、安裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力、流體的密度和黏度都會(huì)影響檢測精度，必須根據(jù)不同的鉆井工況對科里奧利流量彎管的大小、材質(zhì)、形狀和安裝位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且針對氣泡、應(yīng)力和流體性質(zhì)的影響進(jìn)行校正研究。

國內(nèi)外目前都在探索使用該方法檢測鉆井液流量，部分公司已經(jīng)開始在鉆井過程中使用，并取得了良好的效果。但該方法每打一口井都要對管道進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，成本較高，并且如果遇到大量氣泡，也存在讀數(shù)不準(zhǔn)確、測不出等問題。部分企業(yè)思考采用消泡劑、消泡槽等方法減少氣泡，優(yōu)化測量環(huán)境，但還沒有足夠的現(xiàn)場實(shí)踐支撐［3-4］。

4 一種簡易鉆井液流量檢測方法探討

采用超聲波多普勒、電磁流量計(jì)、科里奧利流量計(jì)等先進(jìn)的測量手段，因其測量原理較為復(fù)雜、測量設(shè)備較為精密，容易受到鉆井現(xiàn)場的強(qiáng)震動(dòng)、電磁等環(huán)境干擾和復(fù)雜的鉆井液介質(zhì)干擾，因此，要想正常使用，必須解決諸多干擾難題?？梢該Q個(gè)角度，通過簡易的明渠流量計(jì)測量鉆井液流量。

明渠流量計(jì)是常見的一種液體流量測量儀器，被廣泛地應(yīng)用于城市污水處理、水利環(huán)保質(zhì)量檢測，以及石油、制藥、化工、農(nóng)業(yè)等各行各業(yè)。由于超聲波明渠流量計(jì)采用非接觸式測量方法，可適應(yīng)多種復(fù)雜的工況現(xiàn)場，最關(guān)鍵的是，明渠流量計(jì)受環(huán)境干擾較少，滿足非滿管測量條件。明渠流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單：一個(gè)超聲波多普勒傳感器測量液體表面流速，一個(gè)超聲波液位計(jì)測量液位，通過流速、液位兩個(gè)參數(shù)，計(jì)算出當(dāng)前渠道中的實(shí)時(shí)流量。較為先進(jìn)的明渠流量計(jì)引入邊坡系數(shù)、渠道精度、水力坡道、流速垂直平面修正系數(shù)，按照預(yù)定的數(shù)學(xué)模式，計(jì)算出渠道的流量。

可以將鉆井液出口管道改成明渠，安裝超聲波多普勒表面流速儀、超聲波液位計(jì)，通過大量的實(shí)驗(yàn)，推到不同鉆井液體系、不同坡度下的流量計(jì)算模型。在鉆井施工過程中，將鉆井液體系性能、坡度等參數(shù)輸入系統(tǒng)，就能較為精確地測量出鉆井液的實(shí)時(shí)流量［5-6］。

5 結(jié)語

鉆井液流量的定量檢測技術(shù)事關(guān)人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，但當(dāng)前仍未研究出一種成熟、簡單、精確的檢測手段，應(yīng)大力開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作，早日開發(fā)出成熟的系統(tǒng)，填補(bǔ)技術(shù)空白，減少鉆井事故的發(fā)生。