王 鵬, 劉 偉, 張 果
1中國石油油田技術(shù)服務(wù)有限公司 2中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院
鉆井液是鉆井工程的“血液”,其性能與攜巖能力、井眼清潔、井壁穩(wěn)定等息息相關(guān),及時(shí)、準(zhǔn)確的獲取鉆井液綜合性能參數(shù)是井筒水力學(xué)、鉆柱動(dòng)力學(xué)分析的前提和基礎(chǔ),對(duì)于預(yù)測鉆頭托壓、卡鉆等井下復(fù)雜,降低鉆井NPT,縮短完鉆周期,保障鉆井安全起著重要作用。近年來,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)鉆井參數(shù)進(jìn)行在線測量能夠預(yù)測并診斷施工中出現(xiàn)的問題[1]。
鉆井自動(dòng)化已成為了現(xiàn)實(shí),如自動(dòng)化裝卸鉆桿、自動(dòng)化起下鉆等操作,而鉆井液性能監(jiān)測基本依賴人工,但人工手動(dòng)取樣存在安全風(fēng)險(xiǎn)和手動(dòng)監(jiān)測的誤差以及現(xiàn)場針對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備穩(wěn)定可靠性維護(hù)的管理問題;同時(shí)人工測試出來的鉆井液性能,需要人工手動(dòng)計(jì)算或者手動(dòng)輸入軟件進(jìn)行分析計(jì)算,導(dǎo)致鉆井液性能數(shù)據(jù)對(duì)于現(xiàn)場決策在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上存在嚴(yán)重滯后[2- 3],因此亟需推動(dòng)鉆井液實(shí)時(shí)在線監(jiān)測設(shè)備的研制和發(fā)展。為了進(jìn)一步提高鉆井質(zhì)量,使現(xiàn)場鉆井液技術(shù)人員能快速、準(zhǔn)確地完成鉆井液各參數(shù)的測量,很有必要研制一種便攜式、集成化的鉆井液性能參數(shù)自動(dòng)測試系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速測量鉆井液性能,為維護(hù)處理鉆井液提供依據(jù),為提升鉆井液效率提供必要保障,有效提升鉆井效率,保障井下安全,是國家油氣安全戰(zhàn)略的需要,對(duì)加速鉆井自動(dòng)化、信息化、智能化升級(jí)改造有著非常重要的意義[5- 6]。
鉆井液在線全自動(dòng)監(jiān)測由于其技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大,就鉆井液流變性能參數(shù)中的六速參數(shù)監(jiān)測,從上世紀(jì)90年代至2016年,一直沒有一種真正意義上的鉆井液在線設(shè)備面市[7- 9],期間有過大量的研發(fā)嘗試,主要有:旋轉(zhuǎn)扭矩法的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、落球法的粘度計(jì)、轉(zhuǎn)矩法的自動(dòng)粘度計(jì)[8- 10],但是除了能夠滿足油漆、果醬等單一塑性流體流變性的監(jiān)測,無一能夠勝任體系多變的鉆井液[11- 12]監(jiān)測。
1.1.1 哈里伯頓的DRU
2016年在美國OTC展會(huì)上,哈里伯頓推出了一款在線鉆井液性能監(jiān)測設(shè)備DRU,其主要功能是提供涉及鉆井液流變特性的六速、溫度、鉆井液密度,據(jù)報(bào)道該設(shè)備已經(jīng)能夠商業(yè)化應(yīng)用。該設(shè)備主要監(jiān)測鉆井液六速粘度和密度,六速粘度監(jiān)測周期大致為10~20 min,密度監(jiān)測周期為1~2 min,結(jié)合哈里伯頓公司自身相關(guān)軟件,提供現(xiàn)場決策支撐的數(shù)字化判斷/模擬/分析,優(yōu)化推薦相關(guān)鉆井工程參數(shù),有效地降低30%的非生產(chǎn)時(shí)間和縮短了建井周期。但該設(shè)備只適用于水基鉆井液測試,不能實(shí)現(xiàn)油基鉆井液的實(shí)時(shí)監(jiān)測;無法監(jiān)測鉆井液固相含量、API濾失、鈣離子、氯離子濃度等性能參數(shù);不能全天候無人值守,需要配套服務(wù)工程師進(jìn)行后續(xù)水力學(xué)計(jì)算和定期的設(shè)備維護(hù);不能輸出漏斗黏度、10 s、10 min、30 min靜切力數(shù)據(jù);不能測試濾失量、離子含量、pH值和一些涉及油基鉆井液的重要參數(shù),如破乳電壓、油水比等;僅限于直井的水基鉆井液應(yīng)用。
該設(shè)備幾何尺寸為0.36 m×0.24 m×0.39 m,如圖1所示,體積較小,集成于一體。在價(jià)格方面,采用租借方式服務(wù),日費(fèi)3 000~4 000美金/d(一臺(tái)設(shè)備+1名工程師),需要專職的人員進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和操作。該設(shè)備主要在北美和墨西哥灣由哈里伯頓負(fù)責(zé)的多個(gè)油田項(xiàng)目中有應(yīng)用。
圖1 哈里伯頓DRU
1.1.2 以色列Aspect AI公司的FLOWSCAN
2016年6月以色列Aspect AI公司推出采用核磁共振技術(shù)原理的FLOWSCAN,技術(shù)尚不成熟,通過圖像測剪切應(yīng)力,根據(jù)流量、溫度、壓力的監(jiān)測結(jié)果做后續(xù)的邊緣計(jì)算,得出與六速相關(guān)的轉(zhuǎn)速讀數(shù)。流變曲線是近似測量,無法在大量含水的環(huán)境下使用,核磁共振無法正常成像,不能完成監(jiān)測,所以主要用于在線監(jiān)測油基鉆井液的性能,且油基鉆井液含水量高的情況下,其精度也會(huì)下降。且該設(shè)備監(jiān)測鉆井液性能參數(shù)較少,提供的參數(shù)涉及油基鉆井液流變特性的六速、溫度和鉆井液密度,測試周期為每20 min自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測一次上述參數(shù)。
設(shè)備幾何尺寸為0.6 m×0.5 m×0.4 m,如圖2所示,目前還沒有看到商業(yè)化應(yīng)用的信息,單臺(tái)核磁共振探頭的售價(jià)約為40萬美金。美國哈里伯頓公司從2018年開始與以色列AspectAI公司接觸,嘗試將DRU與FLOWSCAN結(jié)合。
圖2 以色列的FLOWSCAN
1.1.3 挪威IMS公司的Rheo Sense系統(tǒng)
RheoSense基于落球和管流原理,主要基于Hertz沖擊理論,把球從一定高度自由落下,通過測試球體與測試對(duì)象的接觸時(shí)間,來推斷鉆井液的初、終切力的測試。管流原理是根據(jù)鉆井液在管道中流動(dòng)時(shí),計(jì)算判斷層流或者紊流,依據(jù)賓漢模型τ=YP+PV×γ和冪律模型τ=K×γn進(jìn)行計(jì)算得出PV、YP、n、K,相比較中國石化勝利鉆井研究院的Dream-DF,RheoSense向前走了一步,可以同時(shí)得到PV、YP、n、K,但也不能夠提供六速數(shù)值,但使用落球法實(shí)現(xiàn)了10 s初切、10 min終切、30 min終切的最終監(jiān)測。
設(shè)備測試周期為每25 min自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井液密度、溫度、流變(AV、FV、PV、YP、G10s、G10min、n、K)。不足的是不能實(shí)現(xiàn)油基鉆井液的實(shí)時(shí)監(jiān)測,不能夠提供六速數(shù)值。該設(shè)備幾何尺寸為6.1 m×2.4 m×2.3 m,類似于一個(gè)集裝箱,如圖3所示;目前還沒有看到商業(yè)化應(yīng)用的信息,其主要投資方近10年來一直持續(xù)這一項(xiàng)目的研發(fā)投入。
圖3 挪威IMS公司的Rheo Sense系統(tǒng)
國內(nèi)已有多家單位著手研制鉆井液在線監(jiān)測系統(tǒng),包括川慶鉆井液公司、長慶鉆井總公司、勝利石油工程鉆井院、創(chuàng)升益世等公司[13- 15]。
1.2.1 中石化勝利鉆井研究院的Dream-DF系統(tǒng)
Dream-DF基于異型管流道原理,其理論依據(jù):如果流過的鉆井液滿足賓漢特性,就采用賓漢模型τ=YP+PV×γ進(jìn)行計(jì)算,得出PV和YP;如果流過的鉆井液滿足冪律特性,采用冪律模型τ=K×γn進(jìn)行計(jì)算,得出n和K。由其原理決定Dream-DF就鉆井液流變性數(shù)據(jù)只能得出PV、YP或n、K,缺少實(shí)際監(jiān)測到的六速讀數(shù)的數(shù)據(jù)[16- 17]。剪切力的測定采用恒定流量,改變管徑,用質(zhì)量流量計(jì)記錄變徑端兩側(cè)的速度梯度,用壓力傳感器記錄變徑端兩側(cè)的壓力,計(jì)算速度梯度及剪切力(管流法),可1 s測一個(gè)點(diǎn)。密度的測定用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)和壓力傳感器測量不同壓力下的流量、壓力的瞬時(shí)值,計(jì)算密度。
該系統(tǒng)能每秒鐘自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井液密度、溫度、流變(AV、FV、PV、YP或n、K)、pH、S2-、Cl-;但由于自動(dòng)化管控水平較低,設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)油基鉆井液的實(shí)時(shí)監(jiān)測;初始/在線運(yùn)行需人工干預(yù)實(shí)現(xiàn)誤差調(diào)校來保障后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢合理;不能24 h全天候無人值守,需要定期的設(shè)備維護(hù);無六速讀數(shù)數(shù)據(jù);不能輸出10 s、10 min、30 min靜切力數(shù)據(jù);濾失系統(tǒng)不能自動(dòng)換裝濾紙;不能測固含、離子濃度,尚未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)。設(shè)備室內(nèi)模塊式的幾何尺寸為0.6 m×1.2 m×1.7 m,如圖4所示,單臺(tái)售價(jià)在170萬人民幣左右。
圖4 勝利鉆井研究院的Dream-DF系統(tǒng)
1.2.2 川慶鉆探公司CQ-MUDI系統(tǒng)
川慶鉆井液技術(shù)服務(wù)公司研制的鉆井液智能監(jiān)測系統(tǒng)由10個(gè)模塊組成,其中主要測試功能模塊為黏度監(jiān)測系統(tǒng)模塊、API濾失量系統(tǒng)模塊、離子定量分析模塊。該測試系統(tǒng)適用范圍廣泛,既可直接與鉆井液循環(huán)系統(tǒng)連接使用,也可以集成于移動(dòng)式集裝箱房內(nèi)使用??蓱?yīng)用于現(xiàn)場鉆井液實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)驗(yàn)室及科研院所的實(shí)驗(yàn)和研究。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)測、自動(dòng)滴定等動(dòng)作,對(duì)鉆井液的溫度、密度、離子濃度等近20種參數(shù)的測定,相關(guān)參數(shù)的測試全部由不同的工作模塊控制,可不間斷監(jiān)測,也可實(shí)時(shí)啟動(dòng)智能化測試。設(shè)備幾何尺寸為1.6 m×0.8 m×1.8 m,單臺(tái)價(jià)格為200萬元左右。該系統(tǒng)第一代機(jī)經(jīng)遂寧轉(zhuǎn)運(yùn)站對(duì)13口井進(jìn)行了試用測試,都取得了理想的效果。
由于系統(tǒng)采用離子選擇電極法,受監(jiān)測方法及待測樣本量限制,監(jiān)測精度不佳;采用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)電子移液管系統(tǒng),要求嚴(yán)格無塵,系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜,工作環(huán)境受限;采用營房式結(jié)構(gòu),設(shè)備占用空間較大,如圖5所示。
圖5 川慶鉆探公司CQ-MUD1系統(tǒng)
1.2.3 川慶鉆探公司CQ-MUD2系統(tǒng)
川慶鉆探公司長慶鉆井總公司研究出具備六速黏度計(jì)和失水儀的測試功能的全自動(dòng)鉆井液測試設(shè)備,如圖6所示,實(shí)現(xiàn)無人值守的全自動(dòng)鉆井液參數(shù)在線測試,并將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳回?cái)?shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行顯示或者操作的設(shè)備。主要包括密度、低溫低壓濾失量、六速旋轉(zhuǎn)黏度三個(gè)模塊單元。六速黏度10 min/次、低溫低壓濾失量35 min/次、密度1 min/次。設(shè)備幾何尺寸約為1.2 m×0.8 m×1.0 m,集成于一體,單臺(tái)價(jià)格為35萬元左右。
圖6 川慶鉆探公司CQ-MUD2系統(tǒng)
該設(shè)備缺少固相含量測試、離子分析測試模塊及HTHP測試模塊;六速旋轉(zhuǎn)黏度測試仍采用扭力彈簧,數(shù)據(jù)傳遞可能造成誤差;未適配油基鉆井液的實(shí)時(shí)監(jiān)測(長慶地區(qū)主要為水基鉆井液);數(shù)據(jù)防篡改、防丟失等方面還需改進(jìn),目前已在長慶油區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。
1.2.4 東莞創(chuàng)升益世公司的DFS系統(tǒng)
創(chuàng)升益世公司歷經(jīng)數(shù)年時(shí)間,于2018年推出了DFS系統(tǒng): 鉆井液/鉆井工程現(xiàn)場數(shù)字化智能服務(wù)系統(tǒng)的第一代機(jī),DFS采用非介入式專利流道法,其原理是通過對(duì)鉆井液在線監(jiān)測溫度、壓力、流量、密度、阻力等的變化數(shù)據(jù),后期同步經(jīng)綜合的邊緣水力學(xué)計(jì)算分析,得出了相關(guān)于六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀數(shù)、10 s、10 min、30 min的切力和漏斗黏度等的全套鉆井液流變數(shù)據(jù),每25~35 min自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井液的密度、溫度、流變、漏斗黏度、初切力、終切力。2019年在威遠(yuǎn)頁巖氣鉆井現(xiàn)場進(jìn)行了首次測試,并參加了在美國休斯敦的OTC展會(huì),設(shè)備幾何尺寸為2.4 m×1.5 m×1.9 m,集成于一體,如圖7所示,單臺(tái)陸地標(biāo)配功能單價(jià)為200萬人名幣。但鉆井液加熱功能不完善,不具備保溫、降溫功能;不能實(shí)現(xiàn)同步的水力學(xué)計(jì)算輸出[18- 20]。
圖7 創(chuàng)升益世DFS系統(tǒng)
同年推出第二代DFS系統(tǒng):在第一代的基礎(chǔ)上增加了鉆井液閉環(huán)加熱控制功能以及后序的水力學(xué)計(jì)算輸出;實(shí)現(xiàn)了DFS系統(tǒng)與錄井、定向井采集設(shè)備的無縫數(shù)據(jù)對(duì)接,可同步輸出水力學(xué)計(jì)算結(jié)果,包括井下ECD、抽汲、激動(dòng)、井眼清潔 (巖屑)、巖屑床高度、鉆頭水力學(xué)、井筒數(shù)據(jù)、地面數(shù)據(jù)、配漿/調(diào)漿常規(guī)計(jì)算等。
2020年推出了第三代DFS系統(tǒng):在第二代的基礎(chǔ)上增加了電穩(wěn)定性、油水比、API濾失、高溫高壓濾失等功能,具體有每5 min自動(dòng)/實(shí)時(shí)/監(jiān)測/輸出鉆井液密度、pH值在線監(jiān)測、API濾失/HTHP濾失監(jiān)測、鈣離子/氯離子在線監(jiān)測、鉆井液懸浮固相粒徑及固相含量在線監(jiān)測、油基鉆井液電穩(wěn)定性及油水比在線監(jiān)測。
該設(shè)備2020年6月在中海油服天津產(chǎn)業(yè)園完成地面水基鉆井液測試驗(yàn)收,2020年12月在中海油服937海洋平臺(tái)完成水基鉆井液測試驗(yàn)收,2020年在中石油長寧頁巖氣寧209HXX平臺(tái)2口井完成油基鉆井液測試試驗(yàn),主要鉆井液性能參數(shù)測試數(shù)據(jù)吻合度達(dá)95%以上。2021年7月參與中石化總部及石化油服總部組織的石化油服鉆井工程自動(dòng)化/數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)現(xiàn)場展示,并在中石化JYX井完成油基鉆井液現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn),獲得中石化的高度認(rèn)可。
通過對(duì)上述國內(nèi)外已試驗(yàn)或者商業(yè)化的鉆井液自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)及鉆井液監(jiān)測設(shè)備的調(diào)研分析,上述監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)取得一定的進(jìn)步,具有以下優(yōu)勢:以哈里伯頓的DRU系統(tǒng)及東莞創(chuàng)升益世DFS系統(tǒng)為代表的商業(yè)化的產(chǎn)品,基本可以代替人工進(jìn)行現(xiàn)場鉆井液性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測,是鉆井液監(jiān)測技術(shù)的一大突破。目前可以進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用的產(chǎn)品,都可以代替人工,部分產(chǎn)品還實(shí)現(xiàn)了同時(shí)進(jìn)行水力學(xué)軟件計(jì)算分析功能。國內(nèi)外各個(gè)廠家鉆井液監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)及監(jiān)測原理多樣化,包括核磁共振技術(shù)原理、落球和管流原理、異型管流道原理、專利流道原理等,這也是該技術(shù)的一個(gè)創(chuàng)新和突破。
但是,目前國內(nèi)外鉆井液監(jiān)測技術(shù),也存在以下局限性:
(1)監(jiān)測功能不齊全。上述調(diào)研的國內(nèi)外設(shè)備,基本上都能實(shí)現(xiàn)鉆井液六速黏度的測試,但是對(duì)于高溫高壓失水及離子分析以及固相含量測試,還不完善;監(jiān)測設(shè)備的適應(yīng)性不強(qiáng)。部分只適應(yīng)水基鉆井液的監(jiān)測,如哈里伯頓DRU、挪威IMS公司的Rheo Sense系統(tǒng)、勝利鉆井研究院的Dream-DF系統(tǒng)以及長慶鉆井總公司設(shè)備;有些只適應(yīng)油基鉆井液的監(jiān)測,如以色列Aspect AI公司的FLOWSCAN。同時(shí)適應(yīng)水基、油基及合成基實(shí)時(shí)在線監(jiān)測技術(shù),目前只有東莞創(chuàng)升益世DFS系統(tǒng)。
(2)監(jiān)測精度不高。目前大多數(shù)產(chǎn)品只處于現(xiàn)場試驗(yàn)階段,還沒進(jìn)行推廣應(yīng)用,監(jiān)測的精度還不能達(dá)到100%;設(shè)備體積較大。以上調(diào)研的國內(nèi)外鉆井液實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備,都普遍存在著體積大情況,不方便進(jìn)行現(xiàn)場的監(jiān)測操作。
成本偏高,特別是國外設(shè)備,不利于進(jìn)行大力推廣應(yīng)用;設(shè)備集成化程度不高。
綜上所述,鉆井液實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)還需要繼續(xù)攻關(guān),還需研制出適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格便宜、功能齊全的監(jiān)測設(shè)備。
目前大多數(shù)已證明可以使用的監(jiān)測設(shè)備基本上能完成其流變性能的監(jiān)測,但是對(duì)于高溫高壓失水、離子分析等遇到了挑戰(zhàn),從體系上來講,大多數(shù)設(shè)備只適應(yīng)于水基鉆井液的監(jiān)測,對(duì)油基或者合成基鉆井液體系的監(jiān)測無能為力,部分參數(shù)還需要人工配合完成,這就導(dǎo)致了監(jiān)測功能不全,尚未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的問題。未來鉆井液監(jiān)測設(shè)備,必然要求實(shí)現(xiàn)能適應(yīng)各種鉆井液體系,且能徹底取代人工進(jìn)行全自動(dòng)的監(jiān)測,并且實(shí)現(xiàn)鉆井液的宏觀監(jiān)測到微觀監(jiān)測的突變,且數(shù)據(jù)能多終端實(shí)時(shí)傳輸,為鉆井液信息化的發(fā)展邁進(jìn)一步。
目前國內(nèi)外鉆井液監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測方法尚待商榷,部分監(jiān)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室方法不相符,即使鉆井液監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)在線監(jiān)測,降低了鉆井液工程師的勞動(dòng)強(qiáng)度,但若系統(tǒng)的原理或者方法不正確,導(dǎo)致監(jiān)測出的數(shù)據(jù)與實(shí)際人工測試的精度差異較大,就會(huì)失去自動(dòng)監(jiān)測的意義,因此監(jiān)測方法相當(dāng)重要,未來研制的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng),要與目前鉆井液室內(nèi)設(shè)備監(jiān)測的原理相吻合。
以上調(diào)研的監(jiān)測設(shè)備都普遍存在著體積大、價(jià)格偏高以及集成化不高的問題。鉆井場地受限,鉆井液實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的體積必須進(jìn)行限制,未來設(shè)想可以將鉆井液監(jiān)測設(shè)備直接安裝在井口或者集成在鉆井液循環(huán)罐中,鉆井液流經(jīng)該設(shè)備后能直接讀出相關(guān)數(shù)據(jù),并可以隨鉆機(jī)進(jìn)行搬家安裝是一種便攜式、集成化的鉆井液性能參數(shù)自動(dòng)測試設(shè)備。
(1)隨著鉆井自動(dòng)化、信息化的發(fā)展,鉆井液性能自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)必然會(huì)替代人工手動(dòng)測試性能,成為鉆井液自動(dòng)化、信息化發(fā)展的第一步。
(2)目前國內(nèi)外鉆井液實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備普遍存在監(jiān)測功能不齊全、體積較大以及價(jià)格昂貴的問題,提出未來鉆井液實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備應(yīng)小型化、經(jīng)濟(jì)化、集成化,向監(jiān)測功能更加齊全、監(jiān)測精度以及自動(dòng)化程度更高方向發(fā)展。
(3)未來的鉆井液自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備能夠準(zhǔn)確、快速測量鉆井液性能,并集成水力學(xué)模擬軟件實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算出井下相關(guān)參數(shù),為維護(hù)處理鉆井液提供依據(jù),為提升鉆井液效率提供必要保障,保障井下安全,對(duì)加速鉆井自動(dòng)化、信息化、智能化升級(jí)改造有著非常重要的意義。