海洋平臺井筒工作液性能實時測量裝置研制及應用

楊天駿 韓延峰 馬良輝 于建立 吳曉冬 楊金龍

1. 中國石油集團公司 北京 100007 2. 中國石油集團海洋工程有限公司 北京 100028

當前，鉆井作業現場井筒工作液性能監測維護基本是依賴人工手動操作的各種實驗室用檢測儀器及設備來完成，測量儀器多，不便攜帶；測試時間長，不能及時從鉆井液性能變化來判斷井下復雜情況；測量精度易受測量儀器、測量人員熟練程度等因素影響。

目前國內外正在開展自動化鉆井技術與裝備研究，井筒工作液領域的自動化研究是自動化鉆井的重要組成部分，實現井筒工作液參數的實時監測以便迅速反映井下狀態，及時發現并處理井下異常情況，可有效減少鉆井事故發生，保障井控安全，降低鉆井工程的成本；同時海洋鉆井作業平臺空間受限，工作環境差，實現井筒工作液自動測量還能有效改善現場人員的工作環境，保障鉆井作業現場安全以及海洋平臺安全，提高現場人員的HSE水平；實現鉆井液參數的數據遠傳，及時為專家決策提供依據，對井筒工作液測量技術的發展具有十分重要的意義。

1 海洋平臺井筒工作液性能實時測量裝置組成

海洋平臺井筒工作液性能監測系統采用室內小模塊式集成設計方案（如圖1），將該系統所有取樣設備、測量設備、采集設備、控制設備、供電設備和保護設備全部集成在一個可移動式防爆箱體內，初步設計方案箱體尺寸為1.2m×0.8mx1.1m，具有集成化、自動化、小型化、可移動等特點，設備運行過程中的所有操作和顯示均可在觸摸面板上完成。取樣泵和清洗水用軟管接至泥漿清潔罐入口和清潔水入口。

圖1 海洋平臺井筒工作液實時測量裝置總體布置

圖2 海洋平臺井筒工作液性能實時監測工藝流程圖

測量裝置正面儀控區域又分為4個區，右上角布置上位機，也是用戶操作和參數顯示區域，觸摸面板的功能包括系統啟停、閥門開關、計量泵啟停和調速、參數設置、遠傳設置、遠傳列表和串口設置，以及密度和溫度、離子濃度、黏切參數、n和K值、濾矢量等性能參數顯示，可視界面清晰、分類明確，能直觀監測鉆井液性能參數。右下角布置接線箱，打開側門可用于接線和維修。左側布置控制系統設備，包括電源模塊、變頻器、轉換模塊、數據采集器、端子排等控制元件，打開側門可用于接線和維修。

測量裝置背面設置為一個大區，主要布置設備包括計量泵、閥門、管線、流量計、溫度計、壓力表、離子電極、濾矢量測量儀、變徑管、壓差管，設置雙開門，便于安裝操作和維修。

使用時根據平臺位置接好鉆井液管、洗滌水管、泥漿回流管和空氣管線，關閉電磁閥，接通電源。井筒液和洗滌水入口壓力均不大于泵額定工作壓力，以防止壓力變送器過載損壞。整個裝置使用220VAC，50Hz電源，正常耗電約為50W。

2 海洋平臺井筒工作液性能實時測量工藝流程

測量工藝如2所示，井筒工作液由計量泵以恒定的流量送入測量裝置內，由流量計實現流量、密度等參數的連續測量，毛細變徑管實現鉆井液流變參數的連續測量，PH電極和離子電極分別安裝在離子測量槽內完成離子和PH值的測量，環境溫度傳感器完成環境溫度的測量，PH值、離子測量槽采用密封結構。井筒工作液流量、密度、溫度、壓差等信號通過信號接口電路送數據處理和采集單元，4路流體流變性信號通過信號電路送數據處理和采集單元，PH值、離子信號通過信號接口電路送數據處理和采集單元；管路的沖洗由驅動電路和電磁閥完成。

3 海洋平臺井筒工作液性能實時測量裝置數據采集系統控制框架

海洋平臺井筒工作液性能實時測量系統控制框圖如圖3所示，自動控制系統設置手動和自動兩種模式。在自動模式下，井筒工作液實時監測取樣系統將井筒工作液輸送至測量系統進行檢測，得出的數據經采集系統分析處理后在上位機界面上顯示出來，并最終存儲至專屬文件，同時也傳輸至數據庫系統。供電系統主要功能是提供動力，即為整套儀器供電。保護系統的主要功能是過壓保護，防止儀器由于壓力過高導致損壞。

圖3 井筒工作液性能實時監測系統控制框圖

采集系統將測量的各類參數集成輸入控制系統，控制系統在功能模塊上分為：數據采集模塊、數據轉換模塊、變頻模塊、數據處理模塊、上位機顯示模塊，最終將測量的數據通過軟件系統呈現。同時可將10余項鉆井液性能參數實時傳輸至現場鉆井系統，并通過鉆井系統端口將鉆井液性能參數上傳至隨鉆監測系統，以實時曲線的方式將鉆井液性能參數展示出來，方便作業人員對鉆井液性能的監測與分析。

4 海洋平臺井筒工作液實時測量裝置現場應用

海洋平臺井筒工作液性能實時測量裝置在渤海灣中石油某導管架平臺3口開發井進行了現場測試，中石油某井井筒液流變性曲線圖分別見圖4、5、6。裝置測量與人工測量數據對比見表1。

表1 儀器測量與人工測量數據對比

圖4 中石油某井流變性曲線圖

圖5 中石油某井流變性曲線圖

圖6 中石油某井流變性曲線圖

海洋平臺井筒液性能實時測試裝置能夠實現高效、實時連續、自動化測量鉆井液各參數；鉆井液性能在線檢測儀與傳統鉆井液測量方式的測量結果基本一致，裝置測量測量數據準確，誤差小，完全可以滿足鉆井作業現場使用要求。

5 結論

1）通過現場應用表明，海洋平臺井筒工作液性能實時測量裝置性能穩定、測量準確度高，完全能應用于海洋鉆井液性能實時測量。

2）該裝置可同時測量密度、流變性參數、pH值、離子含量等十余項井筒液性能參數，具有實時測量、數據遠程傳輸等優點；相對于井筒液性能傳統測量方式，更具有尺寸小、測量周期短、測量準確性高、節省人力及鉆井成本。

3）該裝置實現裝備自動化，有利于及時發現井下復雜，為井控安全提供強有力的保障。同時測量數據遠程傳輸功能，為鉆井工程遠程決策提供全面、科學和具備時效性的數據支撐。