摘要：石油鑽探(tàn)過程中，井控工(gōng)作關乎人員、設(shè)備、生産安全😄。及(ji)時、正确發現溢(yi)流是井控安全(quan)預防的關🏃♂️鍵。石(shi)化油🐕田結合目(mu)🌏前常🔴規的監測(cè)方式．高架槽上(shàng)🌈能夠減緩鑽井(jǐng)液波動、提升溢(yì)流監測靈敏性(xìng)的“雙擋闆”裝置(zhì)和鑽井液🔅罐上(shang)的減緩液面波(bō)動裝置并進行(hang)試驗，同時探索(suo)電磁流量計
在(zai)鑽井現場監測(ce)出口流量的應(yīng)用；在大量數據(ju)統計🙇🏻分析的基(ji)礎上。建立了溢(yi)流預警模型．智(zhi)能監測溢流預(yù)警系統并在🤞現(xiàn)場🤞應用。結果表(biǎo)明，綜合錄井💃目(mu)前溢流監測方(fāng)法相比，有效提(ti)高了溢流預報(bao)的及時性和準(zhǔn)确性，應用效果(guo)良好。
0引言
井控(kòng)安全是石油鑽(zuan)井施工安全的(de)重要保證，因爲(wèi)🏃🏻♂️大🌂多✌️數井從🤞發(fa)現溢流到井噴(pen)持續時間隻有(you)5～10min，有的時間更短(duan)🏃♂️，甚至溢流和井(jing)噴同時發生，所(suo)以溢流越早發(fā)現越容易處理(lǐ)，并可避免引發(fā)井噴事故[1。2]。西北(běi)油田主力區塊(kuai)油藏以縫洞型(xing)碳酸鹽岩爲主(zhǔ)，具有🏃♂️“超深、高溫(wen)、高壓、高礦化度(dù)”等特點，特别是(shi)順北、順南、順托(tuo)區塊油氣“三高(gao)”特征更加明顯(xiǎn)，鑽進過程中井(jǐng)控風險增大。在(zai)西♻️北油田現場(chǎng)，主要是利用安(an)裝在鑽井液出(chu)口處高架👨❤️👨槽上(shang)和鑽井液循環(huán)罐上的超聲波(bō)液位傳感器錄(lù)取📧到的液面高(gao)度變化數據來(lai)🆚計算溢流量，通(tōng)過綜合錄井儀(yí)實時監測并設(shè)置報🆚警門限實(shi)現✏️自動報警，同(tóng)⚽時配套鑽機監(jian)視系統實行專(zhuan)人輪值坐崗。
高(gāo)架槽處鑽井液(yè)流動産生的沖(chong)擊力和鑽井液(yè)循環👅罐攪拌機(jī)攪拌産生的液(ye)面波動會導緻(zhì)超聲波🚶傳感器(qi)獲取的數據存(cun)在誤差。綜合錄(lù)井儀軟件系統(tǒng)的異常預報，往(wǎng)往限于單參數(shù)的超✌️限提醒，一(yi)般👉采用的是阈(yù)值法，即高低門(men)限設定報警🛀[3]。由(yóu)于報警邏輯簡(jian)單，在井場施工(gong)的複雜環境下(xia)，可能發生誤批(pi)造成操作人♊員(yuán)“報警麻木”。對此(ci)，中國石化西⚽北(běi)油田從減緩、消(xiāo)除高架槽和鑽(zuan)井液罐液面波(bō)動及利用🐅綜合(hé)錄井儀智能💃🏻監(jian)測溢流等方面(miàn)人手。
l鑽井液循(xun)環系統減緩液(ye)面波動裝置
出(chū)口流量和池體(ti)積是目前地面(miàn)監測溢流最重(zhong)妻的兩🈲個參數(shu)，保證這兩項參(cān)數源頭數據的(de)準确性對發現(xiàn)溢流至關重要(yao)。
1．1參數錄取準确(què)性影響因素
高(gao)架槽處(出口流(liu)量)：西北油田鑽(zuàn)井作業工區高(gāo)架槽的安裝坡(pō)度爲1。～3。，氣測錄井(jing)需安裝電動脫(tuō)氣器，在距離緩(huǎn)沖罐0．5～1m處☎️安裝擋(dang)闆，已達到能滿(mǎn)足電動脫氣器(qi)正常工作的狀(zhuàng)态。鑽井液遇到(dao)擋闆🔴後液面升(shēng)高，當液面高度(dù)與擋闆相同時(shi)，一部分鑽井液(yè)越過擋闆流向(xiang)緩沖罐，一部分(fen)鑽井液則反向(xiang)流動，導緻擋闆(pan)前的鑽井液液(ye)面産生波動，且(qiě)出口流量監測(ce)波⛹🏻♀️動非常明顯(xiǎn)。
鑽井液罐處(池(chi)體積)：鑽井液罐(guan)上攪拌機攪拌(bàn)過程中會💚導緻(zhi)鑽井液液面明(ming)顯波動，從而使(shi)超聲波傳感器(qi)采集到的👨❤️👨鑽井(jing)液池體積數據(ju)誤差及波動較(jiao)💚大，影響池體積(jī)增量監測的準(zhun)🔆确性。
1．2減緩液面(mian)波動裝置研發(fā)
将高架槽處(出(chū)口流量)的擋闆(pǎn)移至導管出口(kǒu)後方0．5m處，爲♋“擋🌐闆(pǎn)😄1”(圖1、圖2a)，同時加裝(zhuang)“擋闆2”于脫氣器(qì)之後靠近🚩緩沖(chong)罐處。
“擋闆1”對從(cóng)導管中流出的(de)鑽井液起到緩(huǎn)沖的作用，當鑽(zuan)井液流向“擋闆(pan)2”時流速顯著減(jian)緩，以達到減緩(huǎn)液面波動的目(mù)的。調節擋闆的(de)高度，使鑽井液(yè)和岩屑可以從(cóng)“擋闆🌈1”底部的弧(hu)狀通🏃♂️道流出，降(jiang)低岩屑沉積的(de)程度。
“擋闆2”由圖(tu)2b中展示的擋闆(pǎn)形态改進爲擋(dǎng)闆中間切💋割🐪出(chu)一矩形通道，同(tong)時加裝兩塊挂(guà)闆(圖2c)。可以根據(ju)🌏泵排量有效調(diao)節鑽井液通過(guò)擋闆的寬度，以(yi)實現鑽井液流(liu)量變化時液🐉面(mian)高度有顯著變(bian)化，提升溢🏃🏻流監(jiān)測的靈敏性。鑽(zuan)井液排量大時(shí)，鑽井液和岩屑(xie)可以從矩形⛱️通(tong)道流過，排量小(xiao)時，鑽井🔆液和岩(yan)屑從🐆擋闆2底部(bù)的弧形通道通(tong)過。
根據U型管原(yuán)理，在鑽井液循(xun)環罐安裝池體(ti)積傳感器的位(wei)置懸挂一根直(zhi)徑約爲30cm，長度小(xiǎo)于鑽井液罐高(gao)度且底部能㊙️浸(jin)人鑽井液的鋼(gang)管，鋼管一側開(kai)一♌條寬約6cm的縱(zòng)向縫，鋼管🔞内鑽(zuan)井🌏液液面與鑽(zuan)井液罐中的液(ye)面高度一緻；加(jiā)工一個空心浮(fú)球，在該球上方(fang)焊一塊直🔴徑略(lue)小于圓管内徑(jing)的圓形鐵闆，放(fang)置在鋼管内(圖(tú)3)，使💯池體積傳感(gan)器檢測平闆位(wei)置的高🧑🏾🤝🧑🏼度，以消(xiāo)除鑽井液波動(dòng)、消除氣泡對池(chi)體積傳感器監(jiān)測數據的影響(xiang)。
1．3減緩液面波動(dong)裝置現場應用(yong)效果
1．3．1高架槽處(chu)雙擋闆裝胃試(shì)驗
将“雙擋闆”裝(zhuang)置在高架槽上(shàng)安裝後，超聲波(bo)液位傳感器檢(jiǎn)🌂測到高架槽液(yè)面波動明顯減(jiǎn)緩，出口流量監(jiān)測數據趨于平(ping)穩♍(圖4)。通⛷️過反複(fú)試驗，證實“雙擋(dang)闆”能減緩❗高架(jià)槽因鑽井液流(liu)動造成的液面(mian)波動影響，與安(an)裝原有擋闆的(de)情況相比，高架(jià)槽内沉砂差♌别(bie)不大，均可通過(guò)起下鑽期間清(qing)理沉砂的方式(shì)消除其影響。
兩(liang)口井分别在不(bú)同鑽井液排量(liang)下測試了原擋(dǎng)闆♌和改進後✏️“雙(shuang)⛱️擋闆”裝置的出(chu)口流量變化值(zhí)。通過測試數據(jù)發現當增加泵(bèng)沖排量模拟溢(yi)流時，“雙擋闆”裝(zhuang)置的靈敏性液(yè)面高差比原擋(dang)闆有顯著增高(gāo)(表1)。
1．3．2鑽井液罐處(chù)浮球式裝置試(shì)驗
TP1井3号泥漿罐(guan)和4号泥漿罐安(an)裝該裝置前，監(jiān)測數據曲線呈(cheng)🤩毛刺狀，波動起(qǐ)伏明顯；安裝該(gāi)裝置後有明顯(xiǎn)的改善，曲線平(píng)穩(圖5)。
2電磁流量(liang)計系統現場試(shi)驗
電磁流量計(ji)已經成熟應用(yong)于地面管線測(cè)流量，原理爲法(fǎ)⚽拉第電磁感應(ying)定律。由于測量(liàng)方式不受流體(ti)溫度、壓力、密🤩度(dù)和電導率變化(hua)的影響，其在複(fu)雜的鑽井液環(huan)境中，具有較強(qiang)适☂️應性。
2．1系統組(zǔ)成及特點
電磁(cí)流量計系統硬(ying)件部分主要包(bao)括：電磁流量計(ji)2個，脫氣📱器☀️、沉砂(shā)助推器各1台，防(fáng)爆控制櫃、采集(jí)機櫃各1個，工控(kong)機1套(圖6)。電磁流(liú)量計系統監測(cè)必要條件：電磁(ci)流量計需滿管(guǎn)測量，且前後要(yào)保🧡持5D、3D(D爲電磁流(liu)♋量計直徑👨❤️👨)的直(zhí)管段📧。自動監測(cè)報警：選取人口(kǒu)流量😄和出口流(liú)量的差值設置(zhi)報警門限，出口(kǒu)大于人口🏒爲溢(yi)流，出口小于人(rén)口爲漏失🔆，當二(er)者差值超💜過報(bào)警門限時，系統(tong)顯示報警。
2．2現場(chǎng)試驗
2．2．1現場安裝(zhuāng)
鑽井液出、人口(kou)處均安裝三通(tōng)，一旦系統出現(xian)異常，可以迅速(su)恢複正常生産(chǎn)。入口流量計安(an)裝在鑽井液上(shang)水罐和鑽井液(ye)泵之💃間管線上(shàng)，爲了滿足電磁(ci)流量計滿管測(ce)量要求，流量計(jì)外觀設計爲U型(xíng)管，需在入口處(chu)挖出長、寬、高分(fèn)别爲3m、1．8m、3．3m的深槽(圖(tú)7)。出1：3流量計安裝(zhuang)在防溢管和緩(huǎn)沖槽之間，爲了(le)滿💰足電磁流量(liang)計滿管測量要(yào)求，也設計爲U型(xing)管(圖8)。
爲減少氣(qì)體對電磁流量(liang)計監測可能産(chan)生的影響，在💁U型(xing)管頂㊙️端安裝脫(tuō)氣器；爲防止U型(xing)管底部出現沉(chen)砂，在U型管🈲底部(bu)安裝防沉砂助(zhù)推器。
2．2．2試驗條件
奧(ao)陶系灰岩地層(ceng)鑽進施工，井深(shēn)爲6193．00m，鑽井液低固(gù)相聚磺㊙️鑽♌井液(ye)體系，密度爲1．17g／cm3。标(biao)定進、出口流量(liàng)計及采集機🔴使(shǐ)其與實際泵排(pái)量💔一緻，保證監(jiān)測數據的準确(què)性。
2．2．3試驗步驟
①溢(yì)流模拟：調節入(ru)口管線三通處(chù)閥門，使經過入(rù)口處電磁流量(liàng)計的流量從大(dà)變小，出口流量(liàng)保持不💔變，模拟(ni)溢流，觀✊察系統(tong)報警情況。
②脫氣(qi)器試驗：打開和(hé)關閉脫氣器，對(dui)比出口處電磁(cí)流量計監🌍測⛹🏻♀️數(shù)據的變化，分析(xī)氣體對電磁流(liu)量計的影響。
③氣(qì)侵模拟：從鑽井(jǐng)井口四通閥門(men)間歇性注氣(8MPa氮(dan)氣)，模拟地層氣(qi)👨❤️👨體逸出井121，觀察(chá)電磁流量計能(néng)否有效識别。
2．2．4試(shì)驗效果
經現場(chǎng)試驗，電磁流量(liang)計監測出口流(liú)量時，鑽井液内(nei)氣體對監測數(shu)據無影響，流量(liang)變化時自動彈(dàn)出✨報警界面，數(shù)據監測靈敏(耗(hào)時<3S)，能夠敏銳地(dì)發現氣侵，實現(xian)在鑽井過程中(zhōng)發現溢流的目(mu)💋的。
3智能監測溢(yì)流預警系統
整(zhěng)理分析西北油(you)田近5年64口井87次(cì)溢流資料可知(zhī)，溢流主要發生(shēng)在鑽進工況下(xià)，提離井底、起鑽(zuàn)、劃眼溢流發生(shēng)概率相近，下鑽(zuan)工況相對安全(quán)。從參數變化♊情(qíng)況看，在發生的(de)溢流事件中出(chu)口流量、池體積(ji)、氣🙇🏻測值都發生(sheng)了異常變化，而(ér)立壓異常概率(lü)接近50％，鑽🙇♀️時、出15密(mi)度、出口電導率(lǜ)異常概率約爲(wei)30％，其他參數變化(huà)概率較低[4]。
3．1基礎(chǔ)判斷規則
依據(jù)溢流的成因及(jí)誘發因素，對溢(yi)流事件進行早(zao)♈期預警和🈲核實(shi)報警。早期預警(jing)指通過參數基(ji)值運算和💋參數(shù)異常時間判斷(duàn)功能剔除單參(cān)數假異常🈲，做到(dào)單參數預警提(tí)醒的及時性和(he)準💋确性，針對鑽(zuan)時模塊、氣測值(zhí)模塊、立壓模塊(kuai)、高壓模塊(立壓(yā)上升同時懸重(zhong)下降)、出口流量(liang)模塊、池體積模(mo)塊進行早期預(yù)警提醒🐉。核🔞實報(bao)警是在出口流(liú)量、池體積參數(shù)同時增加時判(pan)斷爲溢流，溢流(liu)模塊報警。一旦(dan)出現能夠誘發(fā)溢流或是溢流(liu)前兆的異常即(ji)進行早期預警(jǐng)，在與溢流直接(jie)相關的多參數(shù)發生異常後則(ze)👣進行核實報警(jing)，基礎判斷規則(ze)如表2所示[4]。
3．2數據(ju)處理分析方法(fa)
對各類原始的(de)工程參數進行(hang)二次處理(如平(píng)均值、變化率、振(zhèn)幅計算)與分析(xi)，比原始值能更(gèng)直接地反映鑽(zuàn)井異常的變化(hua)狀态，也能有效(xiào)發現濾除噪聲(shēng)💞等非事⭐故因素(sù)🍓引起的🔞參數異(yì)常變化，提高預(yu)警的有效性和(he)準确性；在數據(ju)處理後建立參(can)數的實時🔴背景(jing)基線，以此爲基(jī)準實現對參數(shù)的💔動态連續監(jiān)❤️測與分析，進㊙️而(ér)根據人工設定(dìng)的正常變化阈(yù)💋值判斷參數是(shi)否發生異常，如(rú)圖9所示[43。
3．3特殊變(biàn)量引入
引入時(shí)間窗：界定參數(shu)超限時長的異(yi)常判斷标準，排(pai)💞除參數🍓正常波(bo)動變化，假定參(cān)數超限時長标(biāo)準爲t。，如圖10所示(shì)，如果參數超過(guò)異常阈值上限(xian)的時間(￡)小于定(ding)義的超限标準(zhun)時間參數t。，則視(shi)爲未發生異常(chang)。
引入權重系數(shù)：在多參數的綜(zōng)合判斷中，根據(jù)現場情🏃♀️況定義(yi)各參數的權重(zhong)系數，其中持續(xù)、關鍵的參數作(zuò)爲必💃🏻要參數，在(zài)多參數判斷中(zhong)占主導地位，提(tí)高相應參數在(zai)判斷中的比重(zhòng)設置(如高壓油(you)氣井适當增加(jiā)‼️立壓和懸重的(de)權重)。西北工區(qū)根據油氣👉層類(lei)型設置了5種參(can)數權重配置(表(biao)3)。
3．4起下鑽灌漿返(fan)漿情況監測
起(qi)、下鑽工況下，針(zhēn)對灌漿、返漿情(qing)況建立監測機(jī)制🌈，獲取灌漿☔罐(guan)與鑽具體積參(can)數，對比灌漿、返(fǎn)漿量與鑽具☀️排(pái)替理論量，判斷(duàn)起、下鑽過程中(zhōng)是否發生溢🔅流(liu)。其計算公式✉️如(rú)下：
Vg—V2一V1；V。一Vd；V。一Vg—V。+n
即：V。一(yi)V2一Vl—Vd+，2
式中：V。爲實際(jì)灌漿、返漿量，m3；V。爲(wèi)灌漿罐靜止體(tǐ)積，m3；V。爲灌漿罐變(bian)化至再次靜止(zhi)的體積，m3；V。爲鑽具(jù)排替體積，m3；V。爲鑽(zuan)具體積(根據情(qing)況可能😄爲壁厚(hòu)體積或外徑體(ti)積🔞)，m3；V。爲實際與理(li)論差值，m3；卵爲系(xi)統誤差常量值(zhi)，m3。
3．5溢流預警系統(tong)框架設計
軟件(jiàn)系統模塊化、組(zu)件化、開放式設(shè)計，具有良好的(de)可維護和可擴(kuò)展能力。該系統(tǒng)主要由數據采(cǎi)集接口插件、數(shu)🙇♀️據處理模塊、預(yù)警模型框架、主(zhǔ)程序框架及數(shu)據庫構成，如圖(tu)11所示‘4I。
現場應用(yong)中，通過綜合錄(lu)井儀數據接口(kǒu)插件獲取🌂實✨時(shi)數㊙️據，軟件系統(tǒng)對實時數據進(jìn)行同步處理分(fèn)析，根據當前工(gong)況将處理後的(de)數據自動輸入(ru)預警模型進行(háng)綜合判斷，随後(hou)輸出系統判斷(duàn)結果進行人機(ji)交互㊙️，在交互的(de)過程中，實現系(xì)統參數與預警(jǐng)☂️模型的進一🈚步(bu)修正完善[4’6]。
4現場(chang)應用
該系統在(zài)西北油田16口井(jǐng)進行了現場部(bù)署應用，累計運(yun)行562d，能夠較準确(què)地識别真、假溢(yi)流。通過合理的(de)參數配置，能夠(gou)♍有效排除易引(yǐn)起誤報的異常(cháng)，如鑽井參數的(de)變化、傳感器💃🏻電(diàn)磁幹擾等因素(su)造成的參數變(biàn)化。
4．1應用情況1
TK915—12H井(jǐng)在2025年12月17日22：24鑽進(jìn)至井深6078．15m，出口流(liu)量從19．03％上升至50．42％，總(zong)池體積📱從💚116．34m3上升(sheng)至116．62m3。值班人及時(shi)通知司鑽和鑽(zuan)井隊工程師，鑽(zuan)井👨❤️👨隊于22：26成功關(guān)井，關井套壓爲(wei)1．0MPa，溢流量0．28m3。智能預(yu)警系👨❤️👨統及時✌️監(jiān)測到出口流量(liàng)異常✉️，并實時跟(gēn)蹤發展态勢，較(jiào)綜合錄井儀提(tí)前49S報警，爲鑽井(jing)隊及時處理井(jing)内工程複雜赢(ying)得寶貴時間。
4．2應(yīng)用情況2
TK915—12H井正常(chang)鑽進過程中，接(jie)單根時綜合錄(lù)井儀由于停開(kāi)泵♊各相關參數(shu)會頻繁報警，尤(you)其停泵後總池(chí)體積由于管線(xian)回流會明顯增(zeng)加，開泵後鑽井(jing)液泵入井筒過(guò)程中總池體積(jī)會明顯減少。由(you)于該系統能🔞智(zhi)能識别停開泵(bèng)時各相關參📱數(shu)的變化，未發生(sheng)頻📐繁報警。
5結論(lun)
①高架槽“雙擋闆(pǎn)”裝置不僅對高(gāo)架槽液面波動(dòng)能夠起到很好(hǎo)的🔴減緩作用，還(hái)可以更加靈敏(min)地反映高架槽(cao)出口流量變化(huà)⁉️，第一時間發現(xian)井漏或溢流。
②鑽(zuan)井液罐減緩液(ye)面波動裝置的(de)試驗表明，利用(yòng)U型🌐管原理🐅能🔞夠(gòu)有效減緩使用(yòng)鑽井液攪拌機(jī)引起的液面波(bo)動，浮球式的裝(zhuāng)置改進進一步(bu)有效解決了管(guan)内氣泡積聚的(de)問題，實現了井(jing)漏或溢流發生(shēng)時🔴鑽井液體⁉️積(ji)變化量數據的(de)正确測量。
③上述(shù)兩種裝置保證(zhèng)了源頭數據的(de)準确錄取，能夠(gòu)❗更加有🏃🏻♂️效㊙️監🌈測(ce)溢流。
④電磁流量(liang)計監測數據準(zhǔn)确，比目前監測(cè)溢流的方式更(gèng)🏃加🐆靈敏🐅，但其安(an)裝受場地條件(jian)限制，且起、下鑽(zuàn)情況下溢流的(de)監測🌈有待進一(yi)步研究。
⑤智能監(jiān)測溢流預警系(xi)統能夠對錄取(qu)數據進行二次(ci)分析，實時調整(zheng)參數基值，且引(yin)入時間窗和參(cān)數權重🏃🏻等變量(liàng)，能✂️夠更加及時(shi)、準确地判斷是(shì)否發生溢流，能(neng)夠有效🈲減少“誤(wù)報”的次數，具有(you)👨❤️👨一定的推廣意(yi)義。
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