早期溢流及漏失的新型及时高精度监测计量系统
朱焕刚, 王树江, 李宗清, 燕修良, 宋中文, 公培斌
中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院

作者简介:朱焕刚,1978年生,高级工程师,硕士;主要从事欠平衡钻井、气体钻井和控制压力钻井等方面的研究工作。地址:(257017)山东省东营市北一路827号。电话:(0546)6383217,15066007566。ORCID: 0000-0002-1775-8243。E-mail: zhuhuangang@126.com

摘要

溢流和漏失是影响油气钻井施工安全的最为严重的两种复杂情况,常用的溢流和漏失监测方法存在着监测不及时、溢流漏失总量计量精度低的缺陷,有可能因为发现不及时或者处理不当而造成井塌、卡钻、井喷等复杂事故。为此,在对比分析钻井现场常用的几种溢流和漏失监测方法的基础上,设计出了一种具备早期监测报警、溢流漏失速度和漏失总量计量以及自动灌浆功能的新型溢流漏失监测计量系统,并通过室内实验验证了该系统的可靠性。研究结果表明:①该系统的监测罐被分割为主、副两个腔室,井筒返出钻井液一部分通过主腔室返回振动筛,另一部分溢流进入副腔室;②副腔室内部横截面积小,大大提高了液位变化反应的灵敏度,能够更加及时地发现溢流和漏失;③主腔室出口管线水头保持不变,出口流量稳定,通过副腔室内液位的变化可以定量地计算溢流漏失速度和溢流漏失总量,溢流漏失速度监测误差小于8%;④起钻过程中,监测罐内钻井液在自重作用下进入井筒,可以始终保持井筒满液位,消除了灌浆不及时和灌浆不满的不良现象。结论认为,新型溢流漏失监测系统可以有效地发挥地面测量优势,报警及时准确且经济实用。

关键词: 早期溢流; 早期漏失; 监测计量系统; 监测罐主、副腔室; 漏失速度; 漏失总量; 自动灌浆
A new high-precision timely monitoring and metering system for early kick and loss
Zhu Huangang, Wang Shujiang, Li Zongqing, Yan Xiuliang, Song Zhongwen, Gong Peibin
Drilling Technology Research Institute, Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation, Dongying, Shandong 257017, China
Abstract

Kick and loss are two complicated incidents that affect the construction safety in oil and gas well drilling. The commonly-used kick/loss monitoring methods are disadvantageous with monitoring lag and low metering precision, which may cause well collapse, pipe sticking and well blowouts due to untimely detection and improper treatment. In this paper, a new type of kick/loss monitoring and metering system was designed based upon a comparative analysis of several kick/loss monitoring methods commonly used on rig sites. This new system has the functions of early monitoring and alarm, kick/loss velocity metering, total loss metering and automatic filling, and its feasibility was verified through laboratory experiments. And the following research results were obtained. First, the monitoring tank of this new system is divided into two chambers, i.e., a main chamber and a secondary chamber. The return of drilling fluid partially flows back to the shale shaker through the main chamber, and the rest overflows into the secondary chamber. Second, the internal cross section area of the secondary chamber is small, which increases the response sensitivity to liquid level change, so kick/loss can be detected in time. Third, the water head of the outlet pipeline of the main chamber remains constant and the outlet flow is stable, so kick/loss velocity and total kick/loss can be calculated quantitatively based on the change of liquid level in the secondary chamber. And the monitoring error of kick/loss velocity is less than 8%. Fourth, in the process of tripping out, the drilling fluid in the monitoring tank flows into the wellbore under the action of self weight to keep the full liquid level of the wellbore all the time. As a result, lagged filling and partial filling are eliminated. In conclusion, this new kick/loss monitoring system is economical and practical, and giving a full play to the advantages of ground survey and alarm timely and accurately.

Keyword: Early kick; Early loss; Monitoring and metering system; Main and secondary chambers; Monitoring tank; Leakage velocity; Total loss; Automatic filling

随着油气勘探开发领域的不断延伸, 钻井的复杂性和难度越来越大, 溢流和漏失成为石油钻井过程中常见现象, 若发现不及时或者处理不当, 则很可能造成井塌、卡钻、井喷等复杂情况。因此, 钻井早期溢流和漏失监测方法就显得尤为重要[1, 2, 3, 4]。笔者对钻井现场常用的几种溢流和漏失监测方法进行了对比分析, 指出了其存在的问题, 提出了一种经济实用、监测精度较高的监测计量系统, 并通过室内实验验证了该系统的可行性。

1 常用溢流和漏失监测方法对比分析
1.1 钻井液池液面监测方法

钻井液池液面监测法是钻井现场溢流漏失早期监测的一种常用方法。正常钻进时, 钻井液池是一个封闭的体积固定系统, 该方法对循环池内的钻井液液位进行监测, 液面升高超过一定值代表井涌, 液面降低超过一定值代表漏失。其液面检测形式主要有标尺式、超声波式、光纤式、差压式、磁致伸缩式等多种形式。钻井液池液面监测方法存在以下问题, 首先钻井液必须从井口通过防溢管流过振动筛、再经过钻井液槽回到钻井液池, 使得监测溢流和漏失需要的反应时间长; 其次, 由于钻井液池体积大, 4个循环罐内部横截面积达到80 m2, 液位变化值小, 监测误差大, 不能灵敏地检测溢流和漏失的发生, 溢流漏失发现较晚容易错失关井最佳时机[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]

根据钻井液池液面监测方法改型的导流管和分离器液面监测方法, 减小了液量横截面积, 提高了液位变化的敏感性, 但是液位与下游出口流量难于找到确切的定量关系, 溢流漏失速度和总量无法计量, 溢流漏失总量的缺失就无法准确指导下一步压井施工; 其次液位传感器安装困难, 而且检测精度受现场振动等条件的干扰, 容易误报[14, 15, 16]

1.2 井筒出入口流量监测方法

井筒出入口流量监测方法利用井筒进出口流量计测量进出口流量, 通过流量的变化判断井筒漏失及溢流。其入口流量检测主要利用电磁流量计、超声波多普勒流量计或者泵冲换算; 出口流量检测主要依靠电磁流量计、超声波多普勒流量计和质量流量计。其中电磁流量计以及超声波多普勒流量计受测量原理限制, 为保证测量精度, 流量计的前后管道均需要满足满管状态, 而且由于弯头、阀门或者管线变径等现场布置问题对电磁流量计和超声波多普勒流量计的安装使用产生了限制; 另外电磁流量计内衬陶瓷、橡胶等材料, 使用一段时间后, 由于钻井液冲刷导致衬里及电极磨损, 精度明显下降; 质量流量计具有测量精度高、稳定性好等优点, 在控制压力钻井技术的流量监测中得到了广泛应用, 但是存在价格昂贵、现场安装复杂等问题[17, 18, 19, 20]

2 新型溢流及漏失监测系统设计

为了解决常用溢流及漏失监测方法存在的不足, 寻求一种有效发挥地面测量优势, 既经济实用又及时准确, 适合于现场大规模推广应用的新型早期溢流漏失监测系统具有重要现实意义。新型溢流漏失监测系统要求具备早期监测报警、溢流漏失速度和总量计量以及自动灌浆功能[21], 实现钻井全过程中溢流漏失快速准确监测、计量和报警。

2.1 监测系统设计

新型溢流和漏失监测系统现场安装如图1所示。

图1 新型溢流漏失监测系统现场安装示意图

监测罐通过隔板分割为两个腔室(图2), 分别为主腔室和副腔室, 其上端分别安装主腔室液位计和副腔室液位计; 主腔室有主腔室入口管、主腔室出口管和灌浆管; 主腔室入口管与井口防溢管出浆口(或者旋转防喷器排浆口)连接, 主腔室出口管与调节阀连接, 灌浆管与灌浆泵的排出口连接, 灌浆泵的吸入口与钻井液池连接; 副腔室加工有副腔室出口管, 副腔室出口管与截止阀A连接; 主腔室和副腔室之间安装有连通管线, 连通管线上安装有截止阀B; 可选的泵冲传感器安装在钻井泵上, 钻井泵出口连接可选的钻井泵出口流量计。

图2 监测罐及其阀门连接示意图

主腔室液位计、副腔室液位计、泵冲传感器(可选)、钻井泵出口流量计(可选)、截止阀A、截止阀B和调节阀的测量信号通过信号电缆传输到监测控制报警装置; 监测控制报警装置控制截止阀A、截止阀B和调节阀的开关、灌浆泵的启停并对溢流漏失进行计算、分析和预警。

2.2 监测方法分析

2.2.1 钻井液循环

钻井液循环过程中, 截止阀A与截止阀B处于关闭状态; 钻井泵从钻井液池吸入钻井液, 排出的钻井液依次经过钻井泵、钻井泵出口流量计、泥浆阀、立管、井筒、防喷器组、防溢管、防溢管出浆口、主腔室入口管、主腔室、主腔室出口管和调节阀、振动筛, 最后返回钻井液池。

首先通过监测控制报警装置自动控制调节阀的开关, 使得主腔室的液位升高, 当主腔室的液位超过隔板的高度后, 钻井液从主腔室溢流到副腔室, 停止调节阀的开关; 调节阀停止开关后, 副腔室内的液位(如图1中的液位H)升高速度将稳定在速度v

当速度v增大且增大值大于设定的速度增大值时, 监测控制报警装置发出溢流报警。

当速度v减小且减小值大于设定的速度减小值时, 监测控制报警装置发出漏失报警。

通过副腔室内液位变化速度差值判断溢流井漏情况的发生, 并通过速度差值与副腔室的横截面积计算溢流漏失速度和溢流漏失总量; 当副腔室液位到达隔板高度时, 监测控制报警装置停止溢流漏失监测, 并打开截止阀A, 将副腔室内的钻井液泄放到振动筛, 然后关闭截止阀A并继续进行溢流漏失监测。

2.2.2 起钻

起钻过程中, 首先通过监测控制报警装置关闭截止阀A和调节阀, 并打开截止阀B使主腔室与副腔室连通; 监测控制报警装置通过监测主腔室以及副腔室的液位变化计算出监测罐的液量变化值, 从而与需灌浆量进行比较判断溢流漏失情况; 当主腔室的液位降低至灌浆设定下限值时, 监测控制报警装置停止溢流漏失监测, 启动灌浆泵进行灌浆, 钻井液通过灌浆管进入主腔室, 主腔室的液位达到灌浆设定上限值时停止灌浆并继续进行溢流漏失监测。

2.2.3 下钻

下钻过程中, 首先通过监测控制报警装置关闭截止阀A和调节阀, 并打开截止阀B使主腔室与副腔室连通; 监测控制报警装置通过监测主腔室以及副腔室的液位变化计算出监测罐的液量变化值, 从而与理论排量进行比较判断溢流漏失情况; 当主腔室的液位增加至放浆设定上限值时, 监测控制报警装置停止溢流漏失监测, 打开调节阀, 钻井液通过调节阀泄放至振动筛, 主腔室的液位达到放浆设定下限值时关闭调节阀停止放浆并继续进行溢流漏失监测。

井筒内钻井液停止循环, 且井筒内无钻具上下运动时, 首先通过监测控制报警装置关闭截止阀A、调节阀和截止阀B; 当主腔室的液位持续升高且升高值大于设定的升高值则发出溢流报警, 当主腔室的液位持续降低, 且降低值大于设定的降低值则发出漏失报警。

3 新型溢流及漏失监测系统室内实验
3.1 实验流程及设备

实验流程及设备如图3所示。

图3 室内实验流程图

1)钻井泵:用于模拟钻井泵流体注入, 型号3HB100, 最大工作压力32 MPa, 最大排量415 L/min。

2)高压清洗机:用于模拟地层流体, 型号LT8.7/19M-2, 最大压力13 MPa, 最大流量15 L/min。

3)质量流量计:用于系统流量计量, 型号CMF300, 最大测量流量4 533 L/min, 测量精度± 0.5‰ 。

4)超声波液位计:用于主腔室和副腔室液位测量, 型号LU20, 量程0.15~5.48 m, 分辨率3 mm。

5)调节阀:用于监测罐初始液位调节, QT型电动球阀通径200 mm, 压力1.6 MPa。

3.2 实验过程及结果

溢流实验过程:启动钻井泵记录循环排量, 调节球阀使主腔室流体与隔板平行或溢出到副腔室, 记录副腔室液位并换算液量增加速度, 开清洗机模拟地层溢流, 记录流体溢流时副腔室液位并换算溢流速度。

漏失实验过程:启动钻井泵及清洗机记录循环排量, 调节球阀使的主腔室流体溢出到副腔室, 记录副腔室液位并换算液量增加速度, 关清洗机模拟地层漏失, 记录地层流体漏失后副腔室液位换算漏失速度。

1)副腔室内部横截面积设计为2 m2, 远小于钻井液池内部横截面积80 m2, 1 m3溢流量在副腔室和钻井液池内液面升高高度分别为0.5 m和0.012 5 m, 大大提高了液位变化的灵敏度。

2)超声波液位计分辨率为3 mm, 监测系统溢流漏失总量检测精度为6 L, 可以准确计量微小的溢流漏失量。

3)从表1可以看出, 新型溢流及漏失监测系统可以及时发现溢流和漏失, 溢流和漏失速度的监测误差小于8%。

表1 室内实验结果表
4 结论

1)新型溢流及漏失监测系统中监测罐的内部横截面积小, 液面检测更加灵敏, 能够更加及时地发现溢流和漏失。

2)监测罐主腔室出口管线水头保持不变, 出口流量稳定, 通过副腔室内液位的变化可以定量地计算溢流漏失速度和溢流漏失总量, 溢流和漏失总量的监测误差小于8%。

3)起钻过程中, 监测罐内钻井液在自重作用下进入井筒, 可以始终保持井筒满液位, 消除了灌浆不及时和灌浆不满的情况。

4)新型溢流漏失监测系统具备早期监测报警、溢流漏失速度和总量计量以及自动灌浆功能, 不仅可以有效发挥地面测量优势, 而且经济实用、及时准确, 通过室内实验证明了该系统的可行性, 为下一步现场实验打下了技术基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 王伟斌, 唐家琼, 庞江平, 罗拥军, 周洪恩. 川东地区井喷显示特征及地质因素分析[J]. 天然气工业, 2007, 27(11): 19-23.
Wang Weibin, Tang Jiaqiong, Pang Jiangping, Luo Yongjun & Zhou Hong'en. Signs and geologic factors of blowout in gas wells in East Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2007, 27(11): 19-23. [本文引用:1]
[2] 杨天方, 何正楷, 魏振林, 宋学华. 综合录井井控监测技术应用现状及发展思考[J]. 录井工程, 2014, 25(2): 7-11.
Yang Tianfang, He Zhengkai, Wei Zhenlin & Song Xuehua. Application and development for well control monitoring technique of comprehensive mud logging technology[J]. Mud Logging Engineering, 2014, 25(2): 7-11. [本文引用:1]
[3] 吴志均, 陈刚, 郎淑敏, 龙滨, 王勇, 李伟. 天然气钻井井控技术的发展[J]. 石油钻采工艺, 2010, 32(5): 56-60.
Wu Zhijun, Chen Gang, Lang Shumin, Long Bin, Wang Yong & Li Wei. The development of the well control technique in natural gas drilling[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2010, 32(5): 56-60. [本文引用:1]
[4] 曾凌翔, 李黔, 梁海波, 孙凯, 代峰. 控制压力钻井技术与微流量控制钻井技术的对比[J]. 天然气工业, 2011, 31(2): 82-84.
Zeng Lingxiang, Li Qian, Liang Haibo, Sun Kai & Dai Feng. Comparison between managed pressure drilling (MPD) and micro-flux control (MFC) drilling[J]. Natural Gas Industry, 2011, 31(2): 82-84. [本文引用:1]
[5] 雒洋洋. 早期溢流漏失地面监测诊断系统研究与设计[D]. 成都: 西南石油大学, 2014.
Luo Yangyang. Research and design for early kick lost monitoring and diagnosis system[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2014. [本文引用:1]
[6] 陈平, 马天寿. 深水钻井溢流早期监测技术研究现状[J]. 石油学报, 2014, 35(3): 602-612.
Chen Ping & Ma Tianshou. Research status of early monitoring technology for deepwater drilling overflow[J]. Acta Petrolei Sinica, 2014, 35(3): 602-612. [本文引用:1]
[7] 许玉强, 管志川, 庞华, 刘书杰, 许传斌, 张洪宁, . 深水钻井最大允许气侵溢流量的计算方法[J]. 天然气工业, 2016, 36(7): 74-80.
Xu Yuqiang, Guan Zhichuan, Pang Hua, Liu Shujie, Xu Chuanbin, Zhang Hongning, et al. A calculation method of the maximum allowable gas invasion overflow in deepwater drilling[J]. Natural Gas Industry, 2016, 36(7): 74-80. [本文引用:1]
[8] 金业权, 李成, 吴谦. 深水钻井井涌余量计算方法及压井方法选择[J]. 天然气工业, 2016, 36(7): 68-73.
Jin Yequan, Li Cheng & Wu Qian. Methodology for kick tolerance calculation and well killing in deepwater drilling[J]. Natural Gas Industry, 2016, 36(7): 68-73. [本文引用:1]
[9] 栾石柱. 基于巴歇尔槽的早期溢流检测系统的研究[D]. 大庆: 东北石油大学, 2014.
Luan Shizhu. Research on early kick detection system based on parshall flume[D]. Daqing: Northeast Petroleum University, 2014. [本文引用:1]
[10] 任美鹏, 李相方, 徐大融, 张兴全. 一种提高钻井液返出流量测量灵敏度的方法[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2013, 35(1): 160-167.
Ren Meipeng, Li Xiangfang, Xu Darong & Zhang Xingquan. A method of improving measurement sensitivity of return drilling mud flow rate[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2013, 35(1): 160-167. [本文引用:1]
[11] 刘福, 刘江华, 纪洪波, 张继军, 张硕. 早期井涌井漏监测系统的设计与应用[J]. 录井工程, 2016, 27(4): 60-63.
Liu Fu, Liu Jianghua, Ji Hongbo, Zhang Jijun & Zhang Shuo. Design and application for early well kick and lost circulation monitoring system[J]. Mud Logging Engineering, 2016, 27(4): 60-63. [本文引用:1]
[12] 徐吉, 吴艳, 许婧, 吕健, 孙大勇, 凌冀. 微流量精细控压钻井技术在冀东油田的研究与应用[J]. 钻采工艺, 2016, 39(6): 21-25.
Xu Ji, Wu Yan, Xu Jing, Jian, Sun Dayong & Ling Ji. Research and application of micro-flux MPD technology used in Jidong oilfield[J]. Drilling & Production technology, 2016, 39(6): 21-25. [本文引用:1]
[13] 孙甫南. 用关基井随钻综合录井曲线判断溢流信息[J]. 天然气工业, 1986, 6(4): 50-54.
Sun Funan. Judging overflow information by composite log curves while drilling in Guan Key Well[J]. Natural Gas Industry, 1986, 6(4): 50-54. [本文引用:1]
[14] 李治伟. 塔里木井控装备配套技术研究[D]. 成都: 西南石油大学, 2011.
Li Zhiwei. Research on matching technology of well controlled equipment in Tarim[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2011. [本文引用:1]
[15] 孙合辉, 李邓玥, 黄汉军, 李艳, 陶青龙, 傅星. . 出口流量监测技术在溢流预警方面的应用研究[J]. 录井工程, 2014, 25(4): 59-62.
Sun Hehui, Li Dengyue, Huang Hanjun, Li Yan, Tao Qinglong, Fu Xing, et al. Applied research of outlet flow monitoring technique for warning overflow[J]. Mud Logging Engineering, 2014, 25(4): 59-62. [本文引用:1]
[16] 于华云, 余泽禹. 基于趋势线的钻井工程异常预警方法[J]. 长江大学学报(自然科学版), 2015, 12(31): 47-50.
Yu Huayun & Yu Zeyu. The abnormal prewarning method of drilling engineering based on the trend line[J]. Journal of Yangtze University (Natural Science Edition), 2015, 12(31): 47-50. [本文引用:1]
[17] 王志浩. 随钻钻井液流量定量检测系统[D]. 济南: 山东大学, 2016.
Wang Zhihao. Quantitative detection system of drilling fluid's flow[D]. Jinan: Shand ong University, 2016. [本文引用:1]
[18] Schubert JJ & Wright JC. Early kick detection through liquid level monitoring in the wellbore[C]//IADC/SPE Drilling Conference, 3-6 March 1998, Dallas, Texas, USA. DOI: https://doi.org/10.2118/39400-MS. [本文引用:1]
[19] 韩军伟, 杨红满, 张军阳. 精确发现溢流研究及在西北工区现场应用[J]. 录井工程, 2017, 28(3): 69-74.
Han Junwei, Yang Hongman & Zhang Junyang. Study of accurate discovery of overflow and field application in Northwest work area[J]. Mud Logging Engineering, 2017, 28(3): 69-74. [本文引用:1]
[20] Nas S. Kickdetection and well control in a closed wellbore[C]//IADC/SPE Managed Pressure Drilling and Underbalanced Operations Conference & Exhibition, 5-6 April 2011, Denver, Colorado, USA. DOI: https://doi.org/10.2118/143099-MS. [本文引用:1]
[21] 刘寿军. 钻井液液面监测与自动灌浆装置的研制[J]. 石油机械, 2006, 34(2): 29-30.
Liu Shoujun. Development of device for drilling fluid level detection and automatic grout system[J]. China Petroleum Machinery, 2006, 34(2): 29-30. [本文引用:1]