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精確發現溢流研究及電磁流量計在西北工區現場應用

作者:發表時間:2017-10-27 09:27:16

        摘 要 石油鉆探過程中,井控工作關乎人員、設備、生產安全,及時、精確發現溢流是井控安全預防的關鍵。中國石化西北油田結合目前常規的監測方式,研發出高架槽上能夠減緩鉆井液波動、提升溢流監測靈敏性的“雙擋板”裝置和鉆井液罐上的減緩液面波動裝置并進行試驗,同時探索電磁流量計在鉆井現場監測出口流量的應用;在大量數據統計分析的基礎上,建立了溢流預警模型,開發出智能監測溢流預警系統并在現場應用。結果表明,上述方法與綜合錄井目前溢流監測方法相比,有效提高了溢流預報的及時性和準確性,應用效果良好。

 
0 引 言
        井控安全是石油鉆井施工安全的重要保證,因為大多數井從發現溢流到井噴持續時間只有5~10min,有的時間更短,甚至溢流和井噴同時發生,所以溢流越早發現越容易處理,并可避免引發井噴事故[1-2]。西北油田主力區塊油藏以縫洞型碳酸鹽巖為主,具有“超深、高溫、高壓、高礦化度”等特點,特別是順北、順南、順托區塊油氣“三高”特征更加明顯,鉆進過程中井控風險增大。在西北油田現場,主要是利用安裝在鉆井液出口處高架槽上和鉆井液循環罐上的超聲波液位傳感器錄取到的液面高度變化數據來計算溢流量,通過綜合錄井儀實時監測并設置報警門限實現自動報警,同時配套鉆機監視系統實行專人輪值坐崗。
 
        高架槽處鉆井液流動產生的沖擊力和鉆井液循環罐攪拌機攪拌產生的液面波動會導致超聲波傳感器獲取的數據存在誤差。綜合錄井儀軟件系統的異常預報,往往限于單參數的超限提醒,一般采用的是閾值法,即高低門限設定報警[3]。由于報警邏輯簡單,在井場施工的復雜環境下,可能發生誤報,造成操作人員“報警麻木”。對此,中國石化西北油田從減緩、消除高架槽和鉆井液罐液面波動及利用綜合錄井儀智能監測溢流等方面入手,進行研究和現場試驗并取得了良好效果。
 
1 鉆井液循環系統減緩液面波動裝置
出口流量和池體積是目前地面監測溢流最重要的兩個參數,保證這兩項參數源頭數據的準確性對發現溢流至關重要。
 
1.1 參數錄取準確性影響因素
        高架槽處(出口流量):西北油田鉆井作業工區高架槽的安裝坡度為1°~3°,氣測錄井需安裝電動脫氣器,在距離緩沖罐0.5~1m處安裝擋板,已達到能滿足電動脫氣器正常工作的狀態。鉆井液遇到擋板后液面升高,當液面高度與擋板相同時,一部分鉆井液越過擋板流向緩沖罐,一部分鉆井液則反向流動,導致擋板前的鉆井液液面產生波動,且出口流量監測波動非常明顯。
 
        鉆井液罐處(池體積):鉆井液罐上攪拌機攪拌過程中會導致鉆井液液面明顯波動,從而使超聲波
傳感器采集到的鉆井液池體積數據誤差及波動較大,影響池體積增量監測的準確性。
 
1.2 減緩液面波動裝置研發
        將高架槽處(出口流量)的擋板移至導管出口后方0.5m處,為“擋板1”(圖1、圖2a),同時加裝“擋板2”于脫氣器之后靠近緩沖罐處。
“擋板1”對從導管中流出的鉆井液起到緩沖的作用,當鉆井液流向“擋板2”時流速顯著減緩,以達到減緩液面波動的目的。調節擋板的高度,使鉆井液和巖屑可以從“擋板1”底部的弧狀通道流出,降低巖屑沉積的程度。
 高架槽“雙擋板”示意圖圖2 “擋板”示意圖
        “擋板2”由圖2b中展示的擋板形態改進為擋板中間切割出一矩形通道,同時加裝兩塊掛板(圖2c)。可以根據泵排量有效調節鉆井液通過擋板的寬度,以實現鉆井液流量變化時液面高度有顯著變化,提升溢流監測的靈敏性。鉆井液排量大時,鉆井液和巖屑可以從矩形通道流過,排量小時,鉆井液和巖屑從擋板2底部的弧形通道通過。
 
        根據U型管原理,在鉆井液循環罐安裝池體積傳感器的位置懸掛一根直徑約為30cm,長度小于鉆井液罐高度且底部能浸入鉆井液的鋼管,鋼管一側開一條寬約6cm的縱向縫,鋼管內鉆井液液面與鉆井液罐中的液面高度一致;加工一個空心浮球,在該球上方焊一塊直徑略小于圓管內徑的圓形鐵板,放置在鋼管內(圖3),使池體積傳感器檢測平板位置的高度,以消除鉆井液波動、消除氣泡對池體積傳感器監測數據的影響。
鉆井液罐減緩液面波動示意圖
1.3 減緩液面波動裝置現場應用效果
1.3.1 高架槽處雙擋板裝置試驗
        將“雙擋板”裝置在高架槽上安裝后,超聲波液位傳感器檢測到高架槽液面波動明顯減緩,出口流量監測數據趨于平穩(圖4)。通過反復試驗,證實“雙擋板”能減緩高架槽因鉆井液流動造成的液面波動影響,與安裝原有擋板的情況相比,高架槽內沉砂差別不大,均可通過起下鉆期間清理沉砂的方式消除其影響。
 安裝“雙擋板”裝置前后相對出口流量曲線對比
        兩口井分別在不同鉆井液排量下測試了原擋板和改進后“雙擋板”裝置的出口流量變化值。通過測試數據發現當增加泵沖排量模擬溢流時,“雙擋板”裝置的靈敏性液面高差比原擋板有顯著增高(表1)。
 相同排量變化下不同裝置的液面高度變化
        1.3.2 鉆井液罐處浮球式裝置試驗TP 1井3號泥漿罐和4號泥漿罐安裝該裝置前,監測數據曲線呈毛刺狀,波動起伏明顯;安裝該裝置后有明顯的改善,曲線平穩(圖5)。
TP 1井安裝“浮球式”裝置前后池體積曲線對比
2 電磁流量計系統現場試驗
        電磁流量計已經成熟應用于地面管線測流量,原理為法拉第電磁感應定律。由于測量方式不受流體溫度、壓力、密度和電導率變化的影響,其在復雜的鉆井液環境中,具有較強適應性。
 
2.1 系統組成及特點
        電磁流量計系統硬件部分主要包括:電磁流量計2個,脫氣器、沉砂助推器各1臺,防爆控制柜、采集機柜各1個,工控機1套(圖6)。電磁流量計系統監測必要條件:電磁流量計需滿管測量,且前后要保持5D、3D(D為電磁流量計直徑)的直管段。自動監測報警:選取入口流量和出口流量的差值設置報警門限,出口大于入口為溢流,出口小于入口為漏失,當二者差值超過報警門限時,系統顯示報警。
電磁流量計系統硬件示意圖
2.2 現場試驗
2.2.1 現場安裝
        鉆井液出、入口處均安裝三通,一旦系統出現異常,可以迅速恢復正常生產。入口流量計安裝在鉆井液上水罐和鉆井液泵之間管線上,為了滿足電磁
流量計滿管測量要求,流量計外觀設計為U型管,需在入口處挖出長、寬、高分別為3m、1.8m、3.3m的深槽(圖7)。出口流量計安裝在防溢管和緩沖槽之間,為了滿足電磁流量計滿管測量要求,也設計為U型管(圖8)。
入口處電磁流量計安裝示意圖及實物圖 出口處電磁流量計安裝示意圖及實物圖
        為減少氣體對電磁流量計監測可能產生的影響,在U型管頂端安裝脫氣器;為防止U型管底部出現沉砂,在U型管底部安裝防沉砂助推器。
 
2.2.2 試驗條件
        奧陶系灰巖地層鉆進施工,井深為6193.00m,鉆井液低固相聚磺鉆井液體系,密度為1.17g/cm³。標定進、出口流量計及采集機使其與實際泵排量一致,保證監測數據的準確性。
 
2.2.3 試驗步驟
        ①溢流模擬:調節入口管線三通處閥門,使經過入口處電磁流量計的流量從大變小,出口流量保持不變,模擬溢流,觀察系統報警情況。
        ②脫氣器試驗:打開和關閉脫氣器,對比出口處電磁流量計監測數據的變化,分析氣體對電磁流量計的影響。
        ③氣侵模擬:從鉆井井口四通閥門間歇性注氣(8MPa氮氣),模擬地層氣體逸出井口,觀察電磁流量計能否有效識別。
 
2.2.4 試驗效果
        經現場試驗,電磁流量計監測出口流量時,鉆井液內氣體對監測數據無影響,流量變化時自動彈出報警界面,數據監測靈敏(耗時<3s),能夠敏銳地發現氣侵,實現在鉆井過程中發現溢流的目的。
 
3 智能監測溢流預警系統
        整理分析西北油田近5年64口井87次溢流資料可知,溢流主要發生在鉆進工況下,提離井底、起鉆、劃眼溢流發生概率相近,下鉆工況相對安全。從參數變化情況看,在發生的溢流事件中出口流量、池體積、氣測值都發生了異常變化,而立壓異常概率接近50%,鉆時、出口密度、出口電導率異常概率約為30%,其他參數變化概率較低[4]。
 
3.1 基礎判斷規則
        依據溢流的成因及誘發因素,對溢流事件進行早期預警和核實報警。早期預警指通過參數基值運算和參數異常時間判斷功能剔除單參數假異常,做到單參數預警提醒的及時性和準確性,針對鉆時模塊、氣測值模塊、立壓模塊、高壓模塊(立壓上升同時懸重下降)、出口流量模塊、池體積模塊進行早期預警提醒。核實報警是在出口流量、池體積參數同時增加時判斷為溢流,溢流模塊報警。一旦出現能夠誘發溢流或是溢流前兆的異常即進行早期預警,在與溢流直接相關的多參數發生異常后則進行核實報警,基礎判斷規則如表2所示[4]。
 溢流判斷基礎規則表
3.2 數據處理分析方法
        對各類原始的工程參數進行二次處理(如平均值、變化率、振幅計算)與分析,比原始值能更直接地反映鉆井異常的變化狀態,也能有效發現濾除噪聲等非事故因素引起的參數異常變化,提高預警的有效性和準確性;在數據處理后建立參數的實時背景基線,以此為基準實現對參數的動態連續監測與分析,進而根據人工設定的正常變化閾值判斷參數是否發生異常,如圖9所示[4]
 參數監測工作曲線
3.3 特殊變量引入
        引入時間窗:界定參數超限時長的異常判斷標準,排除參數正常波動變化,假定參數超限時長標準為t0,如圖10所示,如果參數超過異常閾值上限的時間(t)小于定義的超限標準時間參數t0,則視為未發生異常。
 參數異常時間監測
         引入權重系數:在多參數的綜合判斷中,根據現場情況定義各參數的權重系數,其中持續、關鍵的參數作為必要參數,在多參數判斷中占主導地位,提高相應參數在判斷中的比重設置(如高壓油氣井適當增加立壓和懸重的權重)。西北工區根據油氣層類型設置了5種參數權重配置(表3 )。
西北工區溢流參數權重設置
3.4 起下鉆灌漿返漿情況監測
        起、下鉆工況下,針對灌漿、返漿情況建立監測機制,獲取灌漿罐與鉆具體積參數,對比灌漿、返漿量與鉆具排替理論量,判斷起、下鉆過程中是否發生溢流。其計算公式如下:
        Vg=V2-V1;Vt=Vd;Ve=Vg-Vt+n
        即:Ve=V2-V1-Vd+n
式中:
        Vg為實際灌漿、返漿量,m³;
        V1為灌漿罐靜止體積,m³;
        V2為灌漿罐變化至再次靜止的體積,m³;
        Vt為鉆具排替體積,m³;
        Vd為鉆具體積(根據情況可能為壁厚體積或外徑體積),m³;
        Ve為實際與理論差值,m³;n為系統誤差常量值,m³。
 
3.5 溢流預警系統框架設計
        軟件系統模塊化、組件化、開放式設計,具有良好的可維護和可擴展能力。該系統主要由數據采集接口插件、數據處理模塊、預警模型框架、主程序框架及數據庫構成,如圖11所示[4]。
系統設計框架
        在現場應用中,通過綜合錄井儀數據接口插件獲取實時數據,軟件系統對實時數據進行同步處理分析,根據當前工況將處理后的數據自動輸入預警模型進行綜合判斷,隨后輸出系統判斷結果進行人機交互,在交互的過程中,實現系統參數與預警模型的進一步修正完善[4-6]。
 
4 現場應用
        該系統在西北油田16口井進行了現場部署應用,累計運行562d,能夠較準確地識別真、假溢流。通過合理的參數配置,能夠有效排除易引起誤報的異常,如鉆井參數的變化、傳感器電磁干擾等因素造成的參數變化。
 
4.1 應用情況1
        TK 915-12H井在2017年03月23日22:24鉆進至井深6078.15m,出口流量從19.03%上升至50.42%,總池體積從116.34m³上升至116.62m³。值班人及時通知司鉆和鉆井隊工程師,鉆井隊于22:26成功關井,關井套壓為1.0MPa,溢流量0.28m³。智能預警系統及時監測到出口流量異常,并實時跟蹤發展態勢,較綜合錄井儀提前49s報警,為鉆井隊及時處理井內工程復雜贏得寶貴時間。
 
4.2 應用情況2
        TK 915-12H井正常鉆進過程中,接單根時綜合錄井儀由于停開泵各相關參數會頻繁報警,尤其停泵后總池體積由于管線回流會明顯增加,開泵后鉆井液泵入井筒過程中總池體積會明顯減少。由于該系統能智能識別停開泵時各相關參數的變化,未發生頻繁報警。
 
5 結 論
        ①高架槽“雙擋板”裝置不僅對高架槽液面波動能夠起到很好的減緩作用,還可以更加靈敏地反映高架槽出口流量變化,第一時間發現井漏或溢流。
        ②鉆井液罐減緩液面波動裝置的試驗表明,利用U型管原理能夠有效減緩使用鉆井液攪拌機引起的液面波動,浮球式的裝置改進進一步有效解決了管內氣泡積聚的問題,實現了井漏或溢流發生時鉆井液體積變化量數據的精確測量。
        ③上述兩種裝置保證了源頭數據的準確錄取,能夠更加有效監測溢流。
        ④電磁流量計監測數據準確,比目前監測溢流的方式更加靈敏,但其安裝受場地條件限制,且起、下鉆情況下溢流的監測有待進一步研究。
        ⑤智能監測溢流預警系統能夠對錄取數據進行二次分析,實時調整參數基值,且引入時間窗和參數權重等變量,能夠更加及時、準確地判斷是否發生溢流,能夠有效減少“誤報”的次數,具有一定的推廣意義。
 
版權屬于:中國石化西北油田分公司石油工程監督中心,原文作者:韓軍偉、楊紅滿、張軍陽
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