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電磁流量計在發現早期微量溢流和井漏中的設計與安裝應用

來源:作者:發表時間:2017-09-09 10:40:49

  摘 要 井涌井漏是鉆井中嚴重而又普遍的井下復雜情況,如不及時發現并采取相應井控措施,將會帶來巨大經濟損失甚至威脅井場人員的生命安全,因此及時發現早期微量溢流和井漏對井控意義重大。據常規監測方式對溢流井漏的敏感度分析可知,僅靠常規的鉆井液池液面監測不能滿足早期微量溢流和井漏監測的要求。早期井涌井漏監測系統通過高精度電磁流量計精確地檢測鉆井液出入口流量值來確定流量變化量,通過集成快速監測預警軟件進行超門限值報警;為滿足電磁流量計滿管測量要求,研發了鉆井液體出口流量測量裝置。早期井涌井漏監測系統在現場測試應用過程中,發現溢流和井漏較常規監測方式要提前7min左右;與常規監測方式中的液位傳感器相比,電磁流量計具有精度高的優點,可在出入口流量差值為2L/s的情況下精確判斷井漏和溢流。測試結果表明,早期井涌井漏監測系統為溢流和井漏的控制贏得了更多的時間,有效降低了鉆井風險。

 
引 言
        井涌井漏是鉆井中嚴重而又普遍的井下復雜情況,如不及時發現可能會造成井噴甚至更嚴重的事故,因而及時發現早期井涌井漏尤為重要。目前國內鉆井現場是通過監測鉆井液池液面的變化來判斷井涌井漏,常規鉆井液罐的內空截面積約為20m2,當溢流或井漏量小于1m3時,4個鉆井液罐的液面高度變化不到1cm,而鉆井液池液位監測裝置誤差在1cm左右,故對小于1m3的溢流和井漏不能準確監測。針對鉆井液池液位監測精度的不足,設計了基于電磁流量計的早期井涌井漏監測系統,并經現場測試證實了此項設計是成功的。
 
1 早期井涌井漏監測傳感器設計與安裝
1.1 設計思路
        傳統應用鉆井液池液位監測井涌井漏除了存在監測精度的問題,還存在下列問題:
 
        ①測量位置位于出口導管后端,當井筒流量發生變化時,由于鉆井液經出口導管流入鉆井液池需要一定時間,導致發現鉆井液變化相對滯后。
        ②控壓鉆井時,鉆井液先流經節流管匯再經過液氣分離器才進入鉆井液池,鉆井液是經過氣液分離處理的,不能精確反映井筒實際流量變化。
        ③地面人為處理鉆井液等操作,會造成鉆井液池液位在非井筒異常情況下發生變化,影響對溢流、井漏的判斷。
        ④泵排量(即入口流量)通過理論計算確定,其結果受機械效率、上水效率影響存在一定誤差。
 
        解決上述問題的設計思路為:在進出井筒兩端非高壓管匯處安裝合適的高精度流量傳感器,準確反映一進一出(即泵入和井筒返出)兩端流量變化,排除地面其他因素引起的非井筒流體變化的異常情況,克服入口流量通過理論計算存在誤差的影響。這樣既可以確保入出口流量計算準確,同時又確保早期反映流量變化。
 
        在優先考慮安全的前提下,結合現場實際工況與測量環境,該系統選用的是一種耐高溫、耐壓、耐腐蝕的流量計———SCLDE型電磁流量計(表1)。其精度高,壽命長,測量精度不受被測介質種類及其溫度、粘度、密度、壓力等物理量參數的影響,測量誤差小于3‰,適用環境溫度范圍-40~60℃,介質測量最高溫度180℃,最高承壓40MPa,流量測量范圍0~1000m3/h。
電磁流量計出廠校驗
 
1.2 傳感器安裝
        針對電磁流量計滿管測量要求的原理,設計了鉆井液出口流量測量裝置,由導管組、流量計、截流箱、可調試斜擋板組成,如圖1所示。裝置安裝在井口鉆井液出口與振動篩緩沖槽之間,導管組替代常規鉆井液出口導管,前端與井口鉆井液出口連接,流量計串聯在導管組中,導管組末端連接截流箱,截流箱體坐落在振動篩緩沖槽上。
電磁流量傳感器裝置安裝示意
 
        當鉆井液循環出口返鉆井液時,鉆井液通過電磁流量計后,由鉆井液引流管流入截流箱體(圖2),操作人員通過手動轉動調節桿控制擋板開度大小來控制截箱體內擋板前端鉆井液液位高度,使其與電磁流量計形成高度差,從而實現鉆井液在導管組滿管流動,滿足電磁流量計滿管工作原理。井筒返出的大部分巖屑可通過鉆井液流動的慣性沖力和可調式斜擋板的傾斜度配合經鉆井液出口引流管流入振動篩緩沖槽,少量沉積在截流箱體前部的巖屑,經較長時間聚集到一定量時,通過調大擋板開度來實現截流箱內沉沙的清除。入口流量傳感器串聯安裝在鉆井液泵上水管線上。節流管匯流量計串聯安裝在節流管匯后端與液氣分離器相連管上。
 截流箱內部示意
 
2 系統硬件、軟件配置及功能
2.1 硬件配置
        如圖3所示,一臺PC機分別與HART調試器、與網線連接的綜合錄井服務器、打印機和計算機工作站相連接。
硬件配置示意圖
2.2 軟件配置
        早期井涌井漏監測軟件是在VC++下開發的,操作方便,監測界面可重復使用,可配備終端界面機供現場鉆井方、監督方使用。
 
2.3 系統功能
        數據采集與存儲:如圖4所示,系統通過HART協議和串口協議實時讀取并輸出瞬時體積流量、累計體積流量顯示到軟件界面上;實時采集通過WITS發送的綜合錄井工程參數、鉆井液參數、氣體參數;基于WITS標準數據庫,匯集流量參數、綜合錄井參數,按時間和井深實時存儲流量數據和綜合錄井數據。
數據庫存儲流程
 
        實時監測:對錄井相關參數和流量參數的變化,通過數字及繪制曲線圖的方式,實時顯示在監測界面中。
        實時預警:實時分析流量參數、自定義預警門限和報警門限;預警包括一級預警和二級預警,當流量差超過一級預警門限時參數欄呈黃色,超過二級預警門限時參數欄呈紅色;二級預警時報警門限觸發,預警模塊發出聲音報警提醒。
 
3 應用效果分析
3.1 井漏實例
        如圖5所示,在XX 301H井現場應用測試過程中,11月8日16:22:05鉆進至井深7 368.70m時,出口流量由13.20L/s開始下降,預警欄由綠色變為黃色,16:24:21預警欄由黃色變為紅色,計算機發出預警鈴聲,出口流量下降至11.20L/s,表現為井漏特征,而常規出口相對流量上升,實際池體積無明顯下降趨勢。
XX301H 井監測
        由圖5可以看出,當發生早期井漏時,出口流量下降的開始時間為16:22:05,而實際池體積下降的開始時間為16:29:20;較常規監測方式,早期井涌井漏監測系統發現井漏要提前7min左右。
 
3.2 井涌實例
        如圖6所示,XX 29-1井3月31日02:23:11工程循環,井深6041.15m,出口流量由14.45L/s開
始上升,預警欄由綠色變成黃色,隨后變成紅色,出口流量上升至17.00L/s,實際池體積與常規出口相對流量無變化,至02:30:18停泵,02:30:30井隊關井。
XX 29 - 1 井井深 6041. 1m 監測
        由圖6可以看出,當發生早期微量溢流時,出口流量上升的開始時間為02:23:11,在02:30:18停泵后實際池體積有上升趨勢,考慮停泵受循環管線中的鉆井液存量影響,池體積有個增加的過程,可以判斷溢流造成池體積變化應在該時間點或該時間點之后。因此與常規監測方式相比,早期井涌井漏監測系統發現溢流并預警至少提前約 7min 。
 
3. 3  假異常實例
        如圖 7 所示, XX 29 - 1井3月28日17 : 35 : 07工程鉆進至井深 5903. 1m 時,實際池體積和傳統出口相對流量有上升趨勢,而預警欄呈現安全綠色。根據出、入口流量相對穩定的狀況,現場判斷無井涌井漏發生。最終核實,池體積的增加系因鉆井液中含氣泡較多造成的假異常。
XX29-1井井深5902.4m 監測
4  結論與認識
        通過現場測試應用對比,該早期井涌井漏監測系統發現溢流與井漏要比傳統監測方式提前7min左右,對于井控安全意義重大,實踐證明,該早期井涌井漏監測系統可以及時準確地預報溢流和井漏,為溢流和井漏的控制贏取更多的時間,有助于確保井控安全。電磁流量計的高精度測量,彌補了液位傳感器測量精度和入口排量受泵上水效率、機械效率計算誤差影響帶來的不足。該井涌井漏監測系統能夠排除非因井筒內鉆井液變化而造成的假異常,從而減少不必要的非鉆進時間,提高了鉆井時效。
 
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