钻井液出口流量是判断钻井现场井涌溢流的关键参数,为了实现安全、快速、经济的钻井,对钻井液定量、实时、准确监测显得尤其重要。目前国内一般是由综合录井仪池体积参数监测与人工定时观测、记录、并加以对比,以判断是否出现溢流或者井漏等事故。这种判断方法自动化程度和精度较低,不能实现定量检测,而且溢流发现时间晚。近些年在钻井液定量监测技术上有了新的突破,引进质量流量计和电磁流量计两种设备用于石油钻探过程中的钻井液的定量监测。质量流量计虽然具有测量精度高、稳定性好等优点,但是存在价格昂贵,现场安装复杂等缺点,因此目前多采用电磁流量计定量监测钻井现场钻井液流量。电磁流量计受测量原理限制,为保证测量精度,流体流经流量计的前后管道内均需要满足满管状态,对电磁流量计的安装使用产生了限制;另外当钻井液流量较大时,固定管径下的电磁流量计会对流体通过产生抑制作用,从而造成钻井液的回流,对钻井的安全作业产生影响。
该文通过对钻井液返出管线流速场进行水力学模拟,分析返出管线的流体流动规律,优化了出口流量监测系统结构设计;同时设计了钻井液定量监测过流分流装置,克服了大流量状态下的钻井液回流问题;从而满足电磁流量计的满管测量条件,提高了流量计适用性和测量准确性,实现了钻井液出口流量的实时准确监测,为溢流的准确预警和钻井的安全施工提供了支持,减轻了井喷和压井作业对地下油气层的伤害,从而提高经济和社会效益,降低对环境的影响。
国内外监测溢流的方法很多,主要研究方向集中于微流量监测和压力监测方面。微流量监测方面陆续开发出包括井口导管液面监测技术、钻井液流量计监测技术、改进流量监测技术、压力监测方面则有随钻环空压力测量监测技术、立压套压监测技术以及声波监测技术。郭元恒等人从改进设备和分析类型方面综合给出了不同的溢流监测方法的对比分析[1]。目前国内对于溢流、井涌等复杂情况的监测,一般是由钻井参数仪、综合录井仪池体积参数监测与人工定时观测、记录、并加以对比,判断是否出现溢流或者井漏等事故。这种判断方法自动化程度和精度较低,溢流发现时间晚;另外对于早期溢流监测领域研究工作还集中于对钻井液存储区域的体积变化进行化测量,从而根据进出钻井液的差值判断溢流状态。由于存储区域的基础体积较大,微小流量的变化范围不容易测得,另外改造添加辅助设施,增加了施工复杂程度,而且液面波动范围受环境影响因素较大,从而从根本上决定了测量精度较低和发现预警时间的延迟。通常在钻井过程中,出现液面变化到发生井喷的时间较短,大多数井从发现溢流到井喷时间只有5～10 min,有的时间更短,甚至溢流和井喷同时发生,几乎没有应急处理的时间。溢流监测的原理并不复杂,但是由于溢流现象的模糊性和不确定性,测量条件和设备的限制以及监测方案的缺陷,使得溢流监测达不到预期的效果。
通过对国内外的溢流监测现状分析,可以看出井下压力和地层因素是流量变化的诱因,其它工程参数的变化则是流体状态发生变化的间接影响结果,而流体流量的变化则是反映溢流状态的非常直接表现,选择出口流量监测技术为突破口即能够判断早期溢流状态,又是立足于我国录井技术现状的合理选择。
电磁流量计在石油钻井现场应用广泛,其测量过程中对满管性的要求影响了现场数据的准确性。该文通过过流分流装置的设计及流体动力学理论的模拟计算,优化了设计角度,在提高钻井液通过性的同时又满足了电磁流量计的测量条件,获取了真实有效的流量数据,从而为准确判断溢流状态打下了坚实基础。
