鉆井液出口流量是判斷鉆井現(xiàn)場井涌溢流的關(guān)鍵參數(shù)，為了實現(xiàn)安全、快速、經(jīng)濟(jì)的鉆井，對鉆井液定量、實時、準(zhǔn)確監(jiān)測顯得尤其重要。目前國內(nèi)一般是由綜合錄井儀池體積參數(shù)監(jiān)測與人工定時觀測、記錄、并加以對比，以判斷是否出現(xiàn)溢流或者井漏等事故。這種判斷方法自動化程度和精度較低，不能實現(xiàn)定量檢測，而且溢流發(fā)現(xiàn)時間晚。近些年在鉆井液定量監(jiān)測技術(shù)上有了新的突破，引進(jìn)質(zhì)量流量計和電磁流量計兩種設(shè)備用于石油鉆探過程中的鉆井液的定量監(jiān)測。質(zhì)量流量計雖然具有測量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是存在價格昂貴，現(xiàn)場安裝復(fù)雜等缺點(diǎn)，因此目前多采用電磁流量計定量監(jiān)測鉆井現(xiàn)場鉆井液流量。電磁流量計受測量原理限制，為保證測量精度，流體流經(jīng)流量計的前后管道內(nèi)均需要滿足滿管狀態(tài)，對電磁流量計的安裝使用產(chǎn)生了限制；另外當(dāng)鉆井液流量較大時，固定管徑下的電磁流量計會對流體通過產(chǎn)生抑制作用，從而造成鉆井液的回流，對鉆井的安全作業(yè)產(chǎn)生影響。
該文通過對鉆井液返出管線流速場進(jìn)行水力學(xué)模擬，分析返出管線的流體流動規(guī)律，優(yōu)化了出口流量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計；同時設(shè)計了鉆井液定量監(jiān)測過流分流裝置，克服了大流量狀態(tài)下的鉆井液回流問題；從而滿足電磁流量計的滿管測量條件，提高了流量計適用性和測量準(zhǔn)確性，實現(xiàn)了鉆井液出口流量的實時準(zhǔn)確監(jiān)測，為溢流的準(zhǔn)確預(yù)警和鉆井的安全施工提供了支持，減輕了井噴和壓井作業(yè)對地下油氣層的傷害，從而提高經(jīng)濟(jì)和社會效益，降低對環(huán)境的影響。
1 國內(nèi)外溢流監(jiān)測現(xiàn)狀
國內(nèi)外監(jiān)測溢流的方法很多，主要方向集中于微流量監(jiān)測和壓力監(jiān)測方面。微流量監(jiān)測方面陸續(xù)開發(fā)出包括井口導(dǎo)管液面監(jiān)測技術(shù)、鉆井液流量計監(jiān)測技術(shù)、改進(jìn)流量監(jiān)測技術(shù)、壓力監(jiān)測方面則有隨鉆環(huán)空壓力測量監(jiān)測技術(shù)、立壓套壓監(jiān)測技術(shù)以及聲波監(jiān)測技術(shù)。郭元恒等人從改進(jìn)設(shè)備和分析類型方面綜合給出了不同的溢流監(jiān)測方法的對比分析[1]。目前國內(nèi)對于溢流、井涌等復(fù)雜情況的監(jiān)測，一般是由鉆井參數(shù)儀、綜合錄井儀池體積參數(shù)監(jiān)測與人工定時觀測、記錄、并加以對比，判斷是否出現(xiàn)溢流或者井漏等事故。這種判斷方法自動化程度和精度較低，溢流發(fā)現(xiàn)時間晚；另外對于早期溢流監(jiān)測領(lǐng)域研究工作還集中于對鉆井液存儲區(qū)域的體積變化進(jìn)行精確測量，從而根據(jù)進(jìn)出鉆井液的差值判斷溢流狀態(tài)。由于存儲區(qū)域的基礎(chǔ)體積較大，微小流量的變化范圍不容易測得，另外改造添加輔助設(shè)施，增加了施工復(fù)雜程度，而且液面波動范圍受環(huán)境影響因素較大，從而從根本上決定了測量精度較低和發(fā)現(xiàn)預(yù)警時間的延遲。通常在鉆井過程中，出現(xiàn)液面變化到發(fā)生井噴的時間較短，大多數(shù)井從發(fā)現(xiàn)溢流到井噴時間只有5～10min，有的時間更短，甚至溢流和井噴同時發(fā)生，幾乎沒有應(yīng)急處理的時間。溢流監(jiān)測的原理并不復(fù)雜，但是由于溢流現(xiàn)象的模糊性和不確定性，測量條件和設(shè)備的限制以及監(jiān)測方案的缺陷，使得溢流監(jiān)測達(dá)不到預(yù)期的效果。
通過對國內(nèi)外的溢流監(jiān)測現(xiàn)狀分析，可以看出井下壓力和地層因素是流量變化的誘因，其它工程參數(shù)的變化則是流體狀態(tài)發(fā)生變化的間接影響結(jié)果，而流體流量的變化則是反映溢流狀態(tài)的最直接表現(xiàn)，選擇出口流量監(jiān)測技術(shù)為突破口即能夠判斷早期溢流狀態(tài)，又是立足于我國錄井技術(shù)現(xiàn)狀的合理選擇。
2 出口流量監(jiān)測系統(tǒng)
2.1 出口流量定量監(jiān)測方法
該方法基于流體動力學(xué)計算，分析出口管線的流體流動規(guī)律，考慮流體自然流速和出口壓力狀態(tài)，采用V型出口管線方案，流量計測試系統(tǒng)滿足滿管狀態(tài)，返出管線的入口端傾角范圍為30°～45°。Ansys流體計算后可知，在30°至45°的角度范圍內(nèi)，隨著返出管線的入口端傾角的增大，支線管道彎管造成的能量損失增大，則后端測試位置處的伯努利方程C常量值逐漸減小，從而表現(xiàn)為測試位置流速值逐漸減小，所以在保證鉆井液的通過率前提下，應(yīng)盡量減小入口端傾角；減小入口端傾角保證一定流速的另一個優(yōu)點(diǎn)還在于保持了鉆井液的巖屑攜帶能力，這一點(diǎn)也在其它的研究工作中得到證實。
2.2 定量監(jiān)測過流分流裝置裝置
采用多管測量技術(shù)，在原有測量系統(tǒng)上加裝兩個或多個分管，使得分管流通量之和大于或等于主通管，從而有效的解決了大流量狀態(tài)下的鉆井液回流問題，通過優(yōu)化分管安裝角度，在主管和分管交接口處安裝限流裝置和防回流閥，滿足電磁流量計的滿管測量條件，提高了流量計適用性和測量準(zhǔn)確性，實現(xiàn)了鉆井液出口流量的實時準(zhǔn)確監(jiān)測。
3 應(yīng)用實例
利用出口流量監(jiān)測裝置獲取的高可靠性瞬時流量值，利用軟件WinBUGS對溢流事件進(jìn)行了溢流概率計算和驗證。具體事例為：BS24-5-27井位于天津市濱海新區(qū)南港工業(yè)規(guī)劃區(qū)，構(gòu)造位置為濱海斷鼻南翼BS16X1井區(qū)巖性圈閉。井別為開發(fā)井，井型為定向井。該井于2014年3月7日開鉆，2014年4月1日鉆進(jìn)至3673.88m。地層：沙一上，03：26分出口流量由27.99L/s上升至36.69L/s，氣測全烴值由0.601%上升至88.034%，甲烷由0.508%上升至73.1327%，出口溫度由61℃上升至80℃，電導(dǎo)率由0.915s/m下降至0.832s/m，鉆井液密度由1.40g/cm3降至1.35～1.38g/cm3，粘度由55s上升至80s，池體積由120.38m3上升至125.17m3。現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)返出管線鉆井液含氣泡明顯，當(dāng)班人員在全烴放空管線處用球膽取樣，點(diǎn)火試驗火焰呈淡藍(lán)色。將相關(guān)參數(shù)整理后代入預(yù)警模型，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過720s的時間預(yù)警概率由0上升至99%，與實際溢流發(fā)生時間相吻合，驗證了流量數(shù)據(jù)的可用性。
4 結(jié)語和展望
電磁流量計在石油鉆井現(xiàn)場應(yīng)用廣泛，其測量過程中對滿管性的要求影響了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該文通過過流分流裝置的設(shè)計及流體動力學(xué)理論的模擬計算，優(yōu)化了設(shè)計角度，在提高鉆井液通過性的同時又滿足了電磁流量計的準(zhǔn)確測量條件，獲取了真實有效的流量數(shù)據(jù)，從而為準(zhǔn)確判斷溢流狀態(tài)打下了堅實基礎(chǔ)。
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