鉆井液出口流量是判斷鉆井現場井涌溢流的關鍵參數,為了實現安全、快速、經濟的鉆井,對鉆井液定量、實時、準確監測顯得尤其重要。目前國內一般是由綜合錄井儀池體積參數監測與人工定時觀測、記錄、并加以對比,以判斷是否出現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,不能實現定量檢測,而且溢流發現時間晚。近些年在鉆井液定量監測技術上有了新的突破,引進質量流量計和電磁流量計兩種設備用于石油鉆探過程中的鉆井液的定量監測。質量流量計雖然具有測量精度高、穩定性好等優點,但是存在價格昂貴,現場安裝復雜等缺點,因此目前多采用電磁流量計定量監測鉆井現場鉆井液流量。電磁流量計受測量原理限制,為保證測量精度,流體流經流量計的前后管道內均需要滿足滿管狀態,對電磁流量計的安裝使用產生了限制;另外當鉆井液流量較大時,固定管徑下的電磁流量計會對流體通過產生抑制作用,從而造成鉆井液的回流,對鉆井的安全作業產生影響。

 
         該文通過對鉆井液返出管線流速場進行水力學模擬,分析返出管線的流體流動規律,優化了出口流量監測系統結構設計;同時設計了鉆井液定量監測過流分流裝置,克服了大流量狀態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確性,實現了鉆井液出口流量的實時準確監測,為溢流的準確預警和鉆井的安全施工提供了支持,減輕了井噴和壓井作業對地下油氣層的傷害,從而提高經濟和社會效益,降低對環境的影響。
 
1 國內外溢流監測現狀
         國內外監測溢流的方法很多,主要研究方向集中于微流量監測和壓力監測方面。微流量監測方面陸續開發出包括井口導管液面監測技術、鉆井液流量計監測技術、改進流量監測技術、壓力監測方面則有隨鉆環空壓力測量監測技術、立壓套壓監測技術以及聲波監測技術。郭元恒等人從改進設備和分析類型方面綜合給出了不同的溢流監測方法的對比分析[1]。目前國內對于溢流、井涌等復雜情況的監測,一般是由鉆井參數儀、綜合錄井儀池體積參數監測與人工定時觀測、記錄、并加以對比,判斷是否出現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,溢流發現時間晚;另外對于早期溢流監測領域研究工作還集中于對鉆井液存儲區域的體積變化進行精確化測量,從而根據進出鉆井液的差值判斷溢流狀態。由于存儲區域的基礎體積較大,微小流量的變化范圍不容易測得,另外改造添加輔助設施,增加了施工復雜程度,而且液面波動范圍受環境影響因素較大,從而從根本上決定了測量精度較低和發現預警時間的延遲。通常在鉆井過程中,出現液面變化到發生井噴的時間較短,大多數井從發現溢流到井噴時間只有5～10 min,有的時間更短,甚至溢流和井噴同時發生,幾乎沒有應急處理的時間。溢流監測的原理并不復雜,但是由于溢流現象的模糊性和不確定性,測量條件和設備的限制以及監測方案的缺陷,使得溢流監測達不到預期的效果。
 
     通過對國內外的溢流監測現狀分析,可以看出井下壓力和地層因素是流量變化的誘因,其它工程參數的變化則是流體狀態發生變化的間接影響結果,而流體流量的變化則是反映溢流狀態的最直接表現,選擇出口流量監測技術為突破口即能夠判斷早期溢流狀態,又是立足于我國錄井技術現狀的合理選擇。
 
2 出口流量監測系統
2.1 出口流量定量監測方法
         該方法基于流體動力學計算,分析出口管線的流體流動規律,考慮流體自然流速和出口壓力狀態,采用V型出口管線方案,流量計測試系統滿足滿管狀態,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,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點還在于保持了鉆井液的巖屑攜帶能力,這一點也在其它的研究工作中得到證實。
 
2.2 定量監測過流分流裝置
         裝置采用多管測量技術,在原有測量系統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下的鉆井液回流問題,通過優化分管安裝角度,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確性,實現了鉆井液出口流量的實時準確監測。
 
3 應用實例
         利用出口流量監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南港工業規劃區,構造位置為濱海斷鼻南翼BS16X1井區巖性圈閉。井別為開發井,井型為定向井。該井于2014年3月7日開鉆,2014年4月1日鉆進至3 673.88 m。地層: 沙一上,03:26分出口流量由27.99 L/s上升至36.69 L/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℃,電導率由0.915 s/m下降至0.832 s/m,鉆井液密度由1.40 g/cm3降至1.35～1.38 g/cm3,粘度由55 s上升至80 s,池體積由120.38 m3上升至125.17 m3。現場觀察發現返出管線鉆井液含氣泡明顯,當班人員在全烴放空管線處用球膽取樣,點火試驗火焰呈淡藍色。將相關參數整理后代入預警模型,發現經過720 s的時間預警概率由0上升至99%,與實際溢流發生時間相吻合,驗證了流量數據的可用性。
 
4 結語和展望
         電磁流量計在石油鉆井現場應用廣泛,其測量過程中對滿管性的要求影響了現場數據的準確性。該文通過過流分流裝置的設計及流體動力學理論的模擬計算,優化了設計角度,在提高鉆井液通過性的同時又滿足了電磁流量計的精確測量條件,獲取了真實有效的流量數據,從而為準確判斷溢流狀態打下了堅實基礎。