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电磁流量计在发现早期微量溢流和井漏中的设计与安装应用

来源:作者:发表时间:2017-09-09 10:40:49

  摘 要 井涌井漏是钻井中严重而又普遍的井下复杂情况,如不及时发现并采取相应井控措施,将会带来巨大经济损失甚至威胁井场人员的生命安全,因此及时发现早期微量溢流和井漏对井控意义重大。据常规监测方式对溢流井漏的敏感度分析可知,仅靠常规的钻井液池液面监测不能满足早期微量溢流和井漏监测的要求。早期井涌井漏监测系统通过高精度电磁流量计精确地检测钻井液出入口流量值来确定流量变化量,通过集成快速监测预警软件进行超门限值报警;为满足电磁流量计满管测量要求,研发了钻井液体出口流量测量装置。早期井涌井漏监测系统在现场测试应用过程中,发现溢流和井漏较常规监测方式要提前7min左右;与常规监测方式中的液位传感器相比,电磁流量计具有精度高的优点,可在出入口流量差值为2L/s的情况下精确判断井漏和溢流。测试结果表明,早期井涌井漏监测系统为溢流和井漏的控制赢得了更多的时间,有效降低了钻井风险。

 
引 言
        井涌井漏是钻井中严重而又普遍的井下复杂情况,如不及时发现可能会造成井喷甚至更严重的事故,因而及时发现早期井涌井漏尤为重要。目前国内钻井现场是通过监测钻井液池液面的变化来判断井涌井漏,常规钻井液罐的内空截面积约为20m2,当溢流或井漏量小于1m3时,4个钻井液罐的液面高度变化不到1cm,而钻井液池液位监测装置误差在1cm左右,故对小于1m3的溢流和井漏不能准确监测。针对钻井液池液位监测精度的不足,设计了基于电磁流量计的早期井涌井漏监测系统,并经现场测试证实了此项设计是成功的。
 
1 早期井涌井漏监测传感器设计与安装
1.1 设计思路
        传统应用钻井液池液位监测井涌井漏除了存在监测精度的问题,还存在下列问题:
 
        ①测量位置位于出口导管后端,当井筒流量发生变化时,由于钻井液经出口导管流入钻井液池需要一定时间,导致发现钻井液变化相对滞后。
        ②控压钻井时,钻井液先流经节流管汇再经过液气分离器才进入钻井液池,钻井液是经过气液分离处理的,不能精确反映井筒实际流量变化。
        ③地面人为处理钻井液等操作,会造成钻井液池液位在非井筒异常情况下发生变化,影响对溢流、井漏的判断。
        ④泵排量(即入口流量)通过理论计算确定,其结果受机械效率、上水效率影响存在一定误差。
 
        解决上述问题的设计思路为:在进出井筒两端非高压管汇处安装合适的高精度流量传感器,准确反映一进一出(即泵入和井筒返出)两端流量变化,排除地面其他因素引起的非井筒流体变化的异常情况,克服入口流量通过理论计算存在误差的影响。这样既可以确保入出口流量计算准确,同时又确保早期反映流量变化。
 
        在优先考虑安全的前提下,结合现场实际工况与测量环境,该系统选用的是一种耐高温、耐压、耐腐蚀的流量计———SCLDE型电磁流量计(表1)。其精度高,寿命长,测量精度不受被测介质种类及其温度、粘度、密度、压力等物理量参数的影响,测量误差小于3‰,适用环境温度范围-40~60℃,介质测量最高温度180℃,最高承压40MPa,流量测量范围0~1000m3/h。
电磁流量计出厂校验
 
1.2 传感器安装
        针对电磁流量计满管测量要求的原理,设计了钻井液出口流量测量装置,由导管组、流量计、截流箱、可调试斜挡板组成,如图1所示。装置安装在井口钻井液出口与振动筛缓冲槽之间,导管组替代常规钻井液出口导管,前端与井口钻井液出口连接,流量计串联在导管组中,导管组末端连接截流箱,截流箱体坐落在振动筛缓冲槽上。
电磁流量传感器装置安装示意
 
        当钻井液循环出口返钻井液时,钻井液通过电磁流量计后,由钻井液引流管流入截流箱体(图2),操作人员通过手动转动调节杆控制挡板开度大小来控制截箱体内挡板前端钻井液液位高度,使其与电磁流量计形成高度差,从而实现钻井液在导管组满管流动,满足电磁流量计满管工作原理。井筒返出的大部分岩屑可通过钻井液流动的惯性冲力和可调式斜挡板的倾斜度配合经钻井液出口引流管流入振动筛缓冲槽,少量沉积在截流箱体前部的岩屑,经较长时间聚集到一定量时,通过调大挡板开度来实现截流箱内沉沙的清除。入口流量传感器串联安装在钻井液泵上水管线上。节流管汇流量计串联安装在节流管汇后端与液气分离器相连管上。
 截流箱内部示意
 
2 系统硬件、软件配置及功能
2.1 硬件配置
        如图3所示,一台PC机分别与HART调试器、与网线连接的综合录井服务器、打印机和计算机工作站相连接。
硬件配置示意图
2.2 软件配置
        早期井涌井漏监测软件是在VC++下开发的,操作方便,监测界面可重复使用,可配备终端界面机供现场钻井方、监督方使用。
 
2.3 系统功能
        数据采集与存储:如图4所示,系统通过HART协议和串口协议实时读取并输出瞬时体积流量、累计体积流量显示到软件界面上;实时采集通过WITS发送的综合录井工程参数、钻井液参数、气体参数;基于WITS标准数据库,汇集流量参数、综合录井参数,按时间和井深实时存储流量数据和综合录井数据。
数据库存储流程
 
        实时监测:对录井相关参数和流量参数的变化,通过数字及绘制曲线图的方式,实时显示在监测界面中。
        实时预警:实时分析流量参数、自定义预警门限和报警门限;预警包括一级预警和二级预警,当流量差超过一级预警门限时参数栏呈黄色,超过二级预警门限时参数栏呈红色;二级预警时报警门限触发,预警模块发出声音报警提醒。
 
3 应用效果分析
3.1 井漏实例
        如图5所示,在XX 301H井现场应用测试过程中,11月8日16:22:05钻进至井深7 368.70m时,出口流量由13.20L/s开始下降,预警栏由绿色变为黄色,16:24:21预警栏由黄色变为红色,计算机发出预警铃声,出口流量下降至11.20L/s,表现为井漏特征,而常规出口相对流量上升,实际池体积无明显下降趋势。
XX301H 井监测
        由图5可以看出,当发生早期井漏时,出口流量下降的开始时间为16:22:05,而实际池体积下降的开始时间为16:29:20;较常规监测方式,早期井涌井漏监测系统发现井漏要提前7min左右。
 
3.2 井涌实例
        如图6所示,XX 29-1井3月31日02:23:11工程循环,井深6041.15m,出口流量由14.45L/s开
始上升,预警栏由绿色变成黄色,随后变成红色,出口流量上升至17.00L/s,实际池体积与常规出口相对流量无变化,至02:30:18停泵,02:30:30井队关井。
XX 29 - 1 井井深 6041. 1m 监测
        由图6可以看出,当发生早期微量溢流时,出口流量上升的开始时间为02:23:11,在02:30:18停泵后实际池体积有上升趋势,考虑停泵受循环管线中的钻井液存量影响,池体积有个增加的过程,可以判断溢流造成池体积变化应在该时间点或该时间点之后。因此与常规监测方式相比,早期井涌井漏监测系统发现溢流并预警至少提前约 7min 。
 
3. 3  假异常实例
        如图 7 所示, XX 29 - 1井3月28日17 : 35 : 07工程钻进至井深 5903. 1m 时,实际池体积和传统出口相对流量有上升趋势,而预警栏呈现安全绿色。根据出、入口流量相对稳定的状况,现场判断无井涌井漏发生。最终核实,池体积的增加系因钻井液中含气泡较多造成的假异常。
XX29-1井井深5902.4m 监测
4  结论与认识
        通过现场测试应用对比,该早期井涌井漏监测系统发现溢流与井漏要比传统监测方式提前7min左右,对于井控安全意义重大,实践证明,该早期井涌井漏监测系统可以及时准确地预报溢流和井漏,为溢流和井漏的控制赢取更多的时间,有助于确保井控安全。电磁流量计的高精度测量,弥补了液位传感器测量精度和入口排量受泵上水效率、机械效率计算误差影响带来的不足。该井涌井漏监测系统能够排除非因井筒内钻井液变化而造成的假异常,从而减少不必要的非钻进时间,提高了钻井时效。
 
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