利用電磁流量計監測井下溢流技術

徐飛 劉艷陽 譚森

摘要：利用電磁流量計監控井下溢流是近期科研人員研制出的一種新型自動監測報警系統，能夠消減造成溢流遲報、誤報的不利因素。該系統是通過流量計和電腦系統將鉆井循環系統進出口的流量差作比較和判斷，以實現在線實時、快速發現井漏、溢流。此系統在西北工區TH10388X井和TH10441H井成功進行現場應用試驗，溢流或漏失量在0.5m3內能及時報警。相比傳統人工監控，該系統克服了人員失誤、設備缺陷等因素，能更準確、更及時發現溢流，為鉆井關井、壓井贏得處理時間，最大限度地避免井控事故。

關鍵詞：電磁流量計;溢流;自動監測;報警系統

井漏和溢流經常發生在西北工區鉆井過程中，及時發現并控制溢流，是預防井噴事故的關鍵。常規的溢流發現是通過泥漿工、鉆工和錄井工的計量數值對比來實現，人為存在的測量不準時和讀取誤差常常會導致溢流發現滯后，對井控安全極為不利。對此，科研人員研究出利用電磁流量計監測井下溢流系統，以更準確、更及時發現油田鉆井、修井作業、起下鉆作業、完井測試時突發漏失、溢流的情況，是一套自動監測報警系統。該技術在西北工區TH10388X井和TH10441H井開展現場應用試驗， 2口井現場試驗均已順利完成并達到預期效果。

1電磁流量計監測系統原理

電磁流量計監測系統以泥漿循環方向為流向方向，在泥漿進口端和出口端端分別安裝磁流量計，如圖1所示。

1.1電磁流量計原理

電磁流量計監控系統核心配件為進口流量計、出口流量計等計量元件。電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律制定，用于測量導電流體的體積流量。流量計的測量管是一內襯絕緣材料的非導磁合金短管。兩只電極沿管徑方向穿通管壁，固定在測量管上。其電極頭與襯里內表面齊平。勵磁線圈脈沖勵磁時，產生磁通密度為B的工作磁場，方向與測量管軸線垂直。此時，具有一定電導率的流體流經測量管，將切割磁力線感應出電動勢E。電動勢E正比于磁通密度B、測量管內徑D和平均流速V的乘積。電動勢E（流量信號）由電極檢出，并通過電纜送至轉換器。轉換器將流量信號放大處理后， 可顯示流體流量，并能輸出脈沖，模擬電流等信號。

數學模型為：

式中：E為電極間的信號電壓（單位：V）;B為磁通密度（單位：T）;D為測量管內徑（單位：m）;V為平均流速（單位 m/s）。

K，D均為常數，由于勵磁電流是恒流的，故B也是常數。則E與V正相關，折算成流量，即流速感應的信號電壓E與流量Q成線性關系，只要測量出E就可確定流量Q。

1.2報警原理

正常井下鉆進、循環時泥漿進、出口流量相等。電磁流量計監測系統將進、出口流量計和壓力傳感器作數字對比，進口流量大于出口流量判斷為漏失，進口流量小于出口流量判斷為溢流，最終采集數據在電腦主機監控界面上實時顯示，并實時快速發出報警。

2電磁流量計監控系統現場應用

電磁流量計系統由硬件和軟件兩部分組成。軟件部分為LLT-3井下漏失與溢流監控系統，硬件部分包括壓力變送器、電磁流量計、進、出口“U”型管、除砂攪拌器、脫氣器、LLT-3井下漏失溢流采集機柜和電腦工控主機等。

2.1 現場安裝

在泥漿泵進口處挖3.0m×1.8m×3.3m的深坑，安裝進口端設備。U型管裝置入口與出口保持800-1100mm的落差，充分利用虹吸原理。傳感器方向必須與實際流量方向一致。必須保證滿管測量狀態。流量計前后直管段要求L1≥5D，L2≥2D。干擾安裝單獨良好接地，避免強磁場干擾。正確接地和鋪設電纜、信號傳輸電纜。流量計前后端接地環有可靠的接地。

出口U型管進液口安裝在高架槽處，出口和振動篩相連接，依靠高架槽上的擋板控制進入出口U型管。頂部安裝脫氣器把鉆井液中的氣泡進行脫離，提高電磁流量計測量的精度。底部安裝攪拌器作用防止巖屑沉淀堵塞U型管。在防溢管出口管位置下端安裝一個壓力變送器，根據壓力與液面的對應關系，監測防溢管的液位高度變化。

最后將各數據采集設備用信號傳輸電纜連接，正確接地，最終采集數據在電腦主機監控界面上實時顯示。

2.2 現場試驗結果

TH10388X井：該井于2017年2月25日三開鉆進時開始運行電磁流量計監控系統， 3月12日結束，歷時16天。試驗通過改變泥漿泵排量3檔次，開關U型管脫氣器等模擬地層發生溢流，試驗結果驗證了系統能快速、提前發現溢流和漏失，并同步報警，能滿足現場各作業工況的要求;驗證了實時在線監控系統的穩定性;驗證了該系統相比傳統坐崗的優勢，能為井控安全提供強有力保障;驗證了在鉆井液進出口分別安裝高精準度電磁流量計，實現滿管測量，檢驗了系統中電磁流量計的適用性、準確性，以及鉆井液中存在氣泡時的適用性和準確性。

TH10441H井：該井于2017年5月18日開始運行電磁流量計監控系統，共運行33天。試驗驗證了電磁流量計系統的穩定性、監測數據的真實行、監測溢流的效果、沉砂助推器的防沉砂效果和使用電測流量計對巖屑錄井的影響。

電磁流量計監測系統在TH10441H井兩次井漏狀態下都及時報警，第一次漏失0.2m3報警，第二次井漏為井口失返性漏失，在井口失返前11.7m提前報送了出口流量降低，第一時間進行了報警。根據要求，總漏失量在0.5m3內，監控系統能啟動報警。電磁流量計監測系統能在更小漏失量范圍內報警，比預期更加靈敏，給井控處理爭取了時間。

通過試驗將人工坐崗和計算機響應時間進行了比對，流量監測響應時間遠遠提前于人工。

3 結論

對電磁流量計的現場應用了兩井次，檢驗了電磁流量計及其配套系統的可靠性，形成了以下結論。

（1）電磁流量計調試好后，錄取數據與實際數值誤差較小，錄取數據準確;

（2）正常情況下，低固相聚璜鉆井液體系中的氣體對監測數據無較大影響;地層氣體逸出造成的排量變化在數據終端響應靈敏，3S發生變化，可清晰分辨;

（3）隨鉆啟動電磁流量計監控系統，共平穩運行2井次，49天，其中2次漏失報警與實際情況一致，報警可信度高。