數(shù)顯浮球液位儀研制與鉆井溢漏預(yù)警試驗(yàn)

何弦桀，晏 琰，楊曉明

1 中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2 中國石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部 3 中國石油川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司

0 引言

隨著勘探開發(fā)逐漸走向深層復(fù)雜地層，鉆遇窄安全密度窗口的情況越來越多，極易誘發(fā)溢流、井漏，鉆井施工安全環(huán)保壓力不斷增大[1- 5]。對(duì)于鉆井液循環(huán)罐液位的準(zhǔn)確監(jiān)測是判斷井下溢流、漏失的主要地面技術(shù)手段之一。為了避免漏報(bào)，目前鉆井現(xiàn)場一般配用兩種循環(huán)罐液位監(jiān)測裝置——超聲波液位計(jì)和浮球式液位儀[6- 8]。超聲波液位計(jì)能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)監(jiān)測循環(huán)罐液位，但當(dāng)罐內(nèi)出現(xiàn)較大的液面波動(dòng)時(shí)(如攪拌器工作、液面有氣泡等)會(huì)在一定程度上影響超聲波液位計(jì)的測量，容易產(chǎn)生誤報(bào)。而浮球式液位儀的監(jiān)測比較穩(wěn)定，因而準(zhǔn)確度更高、是鉆井隊(duì)確認(rèn)循環(huán)罐鉆井液液位的主要依據(jù)[9- 10]。但現(xiàn)有浮球式液位儀無法實(shí)時(shí)輸出液位監(jiān)測值，需要坐崗人員定時(shí)(約15 min一次)近距離觀察標(biāo)尺、手工記錄液位值，容易產(chǎn)生漏報(bào)和誤報(bào)，且對(duì)于溢流、漏失的識(shí)別時(shí)間較為滯后，不利于應(yīng)急措施的及時(shí)實(shí)施，存在一定安全隱患。此外，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于泥漿工加料、啟停泵操作等環(huán)節(jié)無法自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別，導(dǎo)致使用過程中誤報(bào)率較高。

由于近年來信息技術(shù)的不斷突破，自動(dòng)化鉆機(jī)、數(shù)字化井場是目前的研究熱點(diǎn)，也是鉆井未來的主要發(fā)展方向[11- 15]。因此，為了實(shí)現(xiàn)鉆井循環(huán)罐液位監(jiān)測的數(shù)字顯示、減少溢漏的誤報(bào)和漏報(bào)，基于浮球液位儀自主設(shè)計(jì)了一種具備實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測及數(shù)顯功能的溢漏預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下溢流、漏失，提高溢漏預(yù)警準(zhǔn)確率，保證鉆井井控安全具有重要意義。

1 數(shù)顯浮球液位儀原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 浮球液位儀數(shù)字顯示原理

循環(huán)罐浮球液位儀的測量原理是當(dāng)浮球隨著循環(huán)罐內(nèi)鉆井液液位的升降而上下浮動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)上端的標(biāo)尺指示桿上下移動(dòng)，坐崗人員定時(shí)查看標(biāo)尺指示桿讀數(shù)確定循環(huán)罐鉆井液體積，再手動(dòng)計(jì)算所有罐的體積得到總池體積并進(jìn)行溢流、漏失判斷。

浮球液位儀的數(shù)字顯示就是通過信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述過程的自動(dòng)測量、記錄與報(bào)警，其核心原理是在現(xiàn)有浮球式液位儀上加裝1個(gè)拉繩位移傳感器(其主要技術(shù)參數(shù)見表1)，傳感器上部拉繩端連接在標(biāo)尺指示桿上，當(dāng)循環(huán)罐內(nèi)鉆井液液位變化時(shí)，標(biāo)尺指示桿上下移動(dòng)帶動(dòng)拉繩伸展和收縮，拉繩帶動(dòng)下端位移感應(yīng)器內(nèi)部的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并輸出一個(gè)與拉繩移動(dòng)距離成比例的電信號(hào)，軟件系統(tǒng)將每一個(gè)罐的鉆井液液位電信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成鉆井液體積數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算參與循環(huán)的所有罐的鉆井液體積，最終以曲線形式顯示出來。

表1 拉繩位移傳感器主要技術(shù)參數(shù)

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)顯浮球液位儀主要由浮球式液位儀、拉繩位移傳感器、防爆監(jiān)測顯示屏和軟件系統(tǒng)等部分組成，其系統(tǒng)示意圖和整體結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。

圖1 數(shù)顯浮球液位儀示意圖

拉繩位移傳感器和鉆井液液位(體積)防爆監(jiān)測顯示屏安裝在現(xiàn)有鉆井隊(duì)的每一個(gè)循環(huán)罐處，主監(jiān)測顯示屏和數(shù)據(jù)采集箱安裝在人員坐崗處。每一個(gè)拉繩位移傳感器通過采集箱將鉆井液液位數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測房內(nèi)的軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)將每一個(gè)罐的鉆井液液位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成體積數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算參與循環(huán)的所有罐的鉆井液總體積，并實(shí)時(shí)進(jìn)行溢漏識(shí)別，同步將監(jiān)測結(jié)果發(fā)回至所有顯示屏和司鉆臺(tái)。此外，軟件系統(tǒng)還接入了錄井系統(tǒng)的鉆井液出入口密度、出入口流量數(shù)據(jù)，用以輔助溢漏的判斷。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的溢漏報(bào)警算法研究

2.1 數(shù)據(jù)濾波方法

在開泵循環(huán)時(shí)，循環(huán)罐內(nèi)的鉆井液液位持續(xù)處于波動(dòng)狀態(tài)，特別是在大排量鉆進(jìn)中或打開鉆井液攪拌器時(shí)，液位波動(dòng)極大，因此需要對(duì)采集到的液位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。

數(shù)據(jù)濾波處理的原則是在保持?jǐn)?shù)據(jù)原有變化趨勢的同時(shí)剔除錯(cuò)誤值。對(duì)目前常用的中值濾波算法、指數(shù)平滑濾波算法、非線性時(shí)間序列濾波算法、小波濾波算法等方法分析，決定采用中值濾波算法對(duì)液位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。中值濾波算法是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù)，其基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周圍的像素值接近真實(shí)值，從而消除噪點(diǎn)。因此中值濾波算法能滿足循環(huán)罐鉆井液液位的連續(xù)、穩(wěn)定監(jiān)測。

中值濾波算法處理液位數(shù)據(jù)的過程主要分為以下兩步：

(1)從原始采集數(shù)據(jù)中的某個(gè)采樣段取出奇數(shù)個(gè)液位數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，假設(shè)采樣段中有N個(gè)液位數(shù)據(jù)點(diǎn)，濾波窗口的長度為W(一般為奇數(shù))。

圖3 總池體積數(shù)據(jù)中值濾波前后數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2.2 溢漏報(bào)警算法

考慮到循環(huán)罐液位監(jiān)測數(shù)據(jù)量極大且一分鐘之內(nèi)的數(shù)據(jù)往往差異性較小，相似數(shù)據(jù)對(duì)提升預(yù)警模型的準(zhǔn)確性并沒有太大幫助，因此軟件在數(shù)據(jù)中值濾波后，對(duì)余下數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，采樣間隔設(shè)定為15 s，即每15 s取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

向軟件輸入?yún)⑴c循環(huán)的罐號(hào)及每個(gè)罐的長、寬、高數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算每一個(gè)罐每增加1 cm液位對(duì)應(yīng)的鉆井液體積增量，當(dāng)監(jiān)測到連續(xù)4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(60 s數(shù)據(jù))出現(xiàn)持續(xù)上漲或持續(xù)下降趨勢時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出溢流或漏失預(yù)警，坐崗處顯示屏和司鉆臺(tái)顯示屏?xí)桨l(fā)出語音預(yù)警信息；當(dāng)連續(xù)8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(120 s數(shù)據(jù))出現(xiàn)持續(xù)上漲或持續(xù)下降趨勢時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出溢流或漏失報(bào)警，坐崗處顯示屏和司鉆臺(tái)顯示屏在同步發(fā)出語音報(bào)警信息(溢流X m3或漏失Y m3)的同時(shí)，還會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警提示。該溢漏報(bào)警算法基于循環(huán)罐液位的連續(xù)變化趨勢，能夠根據(jù)不同井眼鉆井自適應(yīng)報(bào)警閾值、具有較好的普適性，確保了坐崗人員和司鉆能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)井下異常，及時(shí)采取應(yīng)急措施，有效防止事件的擴(kuò)大。

2.3 溢漏誤報(bào)校正方法

2.3.1 加料過程誤報(bào)控制

在鉆井過程中由于工況變化，需要在不停泵狀態(tài)下向循環(huán)罐內(nèi)鉆井液中加料，加料過程鉆井液體積會(huì)不斷增加，若不在報(bào)警算法中加以校正，則會(huì)出現(xiàn)溢流誤報(bào)。針對(duì)此情況，軟件系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)維護(hù)模式，當(dāng)泥漿工加料時(shí)，在坐崗處的主監(jiān)測顯示屏上點(diǎn)擊、切換至維護(hù)模式，在此模式下，軟件系統(tǒng)結(jié)合接入的錄井系統(tǒng)中的出入口流量數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助判斷：若系統(tǒng)識(shí)別到入口流量和出口流量在正常范圍內(nèi)波動(dòng)、均沒有明顯增加，而某一個(gè)罐的體積卻在持續(xù)異常增大，則不會(huì)發(fā)出溢流報(bào)警；當(dāng)加料結(jié)束后，泥漿工在主監(jiān)測顯示屏處點(diǎn)擊、切換至循環(huán)模式，軟件系統(tǒng)更新加料之后的總池體積數(shù)據(jù)作為后續(xù)溢漏判別的基準(zhǔn)值。

2.3.2 開泵/停泵過程誤報(bào)控制

在接立柱等工況中的停泵、開泵操作中，總池體積會(huì)因?yàn)橥１煤蟮幕亓鞫龃蠡蛞驗(yàn)殚_泵時(shí)向井內(nèi)泵入鉆井液而減小，需要在報(bào)警算法中進(jìn)行校正，避免出現(xiàn)溢流、井漏的誤報(bào)。為此，軟件系統(tǒng)設(shè)置有泵狀態(tài)識(shí)別程序和開泵/停泵過程溢漏預(yù)警程序，當(dāng)識(shí)別到停泵時(shí)，軟件系統(tǒng)執(zhí)行停泵過程溢漏預(yù)警程序，該程序在同一排量下(±2 L/s內(nèi))記錄前4次正常停泵過程的總池體積增加曲線，并生成一個(gè)正常回流狀態(tài)下的總池體積數(shù)據(jù)變化區(qū)間，當(dāng)在同一排量下第5次停泵時(shí)，實(shí)時(shí)采集的總池體積數(shù)據(jù)曲線與正常回流狀態(tài)下的變化區(qū)間進(jìn)行比較，若本次總池體積曲線低于或高于該區(qū)間則發(fā)出井漏或溢流預(yù)警，若本次總池體積曲線的增加在該區(qū)間內(nèi)，軟件系統(tǒng)判斷為正常停泵回流、不會(huì)發(fā)出溢流報(bào)警(停泵實(shí)測曲線見圖4)；當(dāng)識(shí)別到開泵時(shí)，軟件系統(tǒng)執(zhí)行開泵過程溢漏預(yù)警程序，若該程序識(shí)別到正常開泵過程時(shí)，總池體積曲線雖然降低是但不會(huì)發(fā)出井漏報(bào)警。

圖4 停泵過程軟件監(jiān)測曲線

2.3.3 鉆臺(tái)散落鉆井液誤報(bào)控制

在接立柱、起鉆過程中，時(shí)常出現(xiàn)卸扣時(shí)鉆井液散落鉆臺(tái)面的情況，為了避免鉆井液損失過多導(dǎo)致循環(huán)罐液面下降、出現(xiàn)井漏誤報(bào)，在防溢管處安裝了鉆井液回收裝置(即泥漿傘)，并在泥漿傘處加裝了專用管線至循環(huán)罐，及時(shí)回收鉆臺(tái)散落的鉆井液，確保總池體積的動(dòng)態(tài)平衡，有效防止了誤報(bào)的發(fā)生。

3 數(shù)顯浮球液位儀現(xiàn)場試驗(yàn)

數(shù)顯浮球液位儀在MX023- H1井開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)井段4 913～5 815 m，截止完鉆，系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過450 h，能夠在開泵、停泵、變排量過程中均實(shí)時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地輸出循環(huán)罐鉆井液的液位值和體積值，在啟停泵、泥漿工加料等環(huán)節(jié)未出現(xiàn)誤報(bào)，液位監(jiān)測精度±1 mm、體積監(jiān)測精度±0.01 m3，期間較現(xiàn)有技術(shù)提前2 min成功預(yù)警1次井漏事件(監(jiān)測曲線見圖5)，應(yīng)用效果顯著。

2021年8月28日16:10鉆進(jìn)至5 252.15 m時(shí)，系統(tǒng)識(shí)別到5號(hào)罐(上水罐)體積不斷減少、總池體積不斷下降，判斷發(fā)生井漏、向井隊(duì)發(fā)出井漏預(yù)警，16:12坐崗人員查看浮球標(biāo)尺、計(jì)算總池體積，與前期記錄對(duì)比后確認(rèn)發(fā)生井漏。

圖5 井漏事件軟件監(jiān)測曲線

4 結(jié)論

(1)數(shù)顯浮球液位儀結(jié)構(gòu)簡單對(duì)現(xiàn)有設(shè)備改動(dòng)小，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)循環(huán)罐液面波動(dòng)的實(shí)時(shí)、連續(xù)、穩(wěn)定監(jiān)測，精度達(dá)到±1 mm，解決了現(xiàn)有浮球式液位儀僅能人工單點(diǎn)監(jiān)測的問題。

(2)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了浮球液位儀監(jiān)測的數(shù)字顯示，大大降低了坐崗人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效避免了視覺誤差和人工計(jì)量帶來的不利影響，對(duì)于減少溢漏的誤報(bào)和漏報(bào)，進(jìn)一步提升鉆井作業(yè)的安全性具有重要意義。

(3)系統(tǒng)能夠自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別工況的變化，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)在泥漿工加料、啟停泵操作等環(huán)節(jié)誤報(bào)率較高的問題，實(shí)用性和可靠性得到較大提升。