鉆井液流量檢測技術現狀及精確計量方法探討

張杰 楊智麟 闞孝玲

（東營市工業產品檢驗與計量檢定中心 山東東營 257091）

勝利油田是我國重要的石油工業基地，截至2021年底，累計生產原油12.7 億t，在長期勘探開發過程中積累了較為成熟的技術。但隨著油氣勘探領域不斷拓展，鉆井施工的難度越來越大，遇到地層復雜、高壓、硫化氫等問題，甚至可能出現影響生命財產安全的事故。因此，在鉆井施工過程中，井控工作的重要性越來越高，而鉆井液流量的檢測是其中的關鍵。鉆井液流量精確計量技術的應用能夠準確地識別異常工況，避免出現安全事故。根據東營市政府印發的《東營市國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》，要加快計量體系建設，推進石油裝備產業計量中心建設。研究鉆井液流量精確計量技術，不僅是油田生產的需要，更符合地方政府規劃要求，具有重要的現實意義。

1 鉆井液流量檢測技術現狀

1.1 鉆井液簡介

鉆井液是鉆井的“血液”，主要作用是把巖屑從井底攜帶至地面。鉆井液主要由液相、固相和化學處理劑組成：液相可以是水（淡水、鹽水）、油（原油、柴油）或乳狀液（混油乳化液和反相乳化液）；固相包括有用固相（膨潤土、加重材料）和無用固相（巖石）；化學處理劑包括無機、有機及高分子化合物。

1.2 鉆井液的循環過程

鉆井液俗稱泥漿。在鉆井施工過程中，鉆井液從地面泥漿罐通過泥漿泵進入鉆桿內部，壓入井底，再由井底的鉆頭水口處返出，攜帶著地層破碎的巖屑，經由鉆桿與井壁的環狀空間回到地面，經過地面設備處理，回到泥漿罐。在泥漿泵的動力下，不斷循環，鉆井液與地層壓力產生了一種動態的平衡，維持著鉆井施工過程中的安全，可以簡化為：地面泥漿罐→泥漿泵→鉆桿內部→鉆頭水口→鉆桿外部與井壁的環狀空間→出口管線→凈化設備→地面泥漿罐。

1.3 鉆井液流量檢測與預測鉆井風險的聯系

在鉆井循環過程中，泵入井底的鉆井液與返回地面的鉆井液應該基本保持一致。如果泵入速度（簡稱入口流量）明顯大于返回地面速度（簡稱出口流量），說明鉆井液消耗過快，過多地進入了地層中的孔隙、裂縫當中；如果入口流量小于出口流量，說明地層壓力過高。這兩種情況如果不及時處理，都有可能出現井涌井噴等事故。2003年，重慶發生特大井噴事故，共造成243人死亡、4000余人受傷，給人民群眾的生命和財產安全造成了無法挽回的損失。如果能夠通過精確測量入口流量、出口流量計算兩者的偏差，從而及時判斷出存在的鉆井風險，及時采取措施，就能夠最大限度地避免事故的發生。

1.4 當前鉆井現場采用的鉆井液流量檢測技術

由于鉆井現場工作環境惡劣，存在大量的機械振動源、電磁干擾源，而鉆井液又是一種高溫、高壓、多相流體，常規的流量傳感器根本無法使用，因此，常規鉆井現場根本無法做到精確測量鉆井液流量。對于鉆井風險的預測，國內外公司大部分采用超聲波液位傳感器監測地面鉆井液罐液位的變化。在鉆井液循環過程中，如果返出的鉆井液增多，出口流量增大，那么地面鉆井液罐中的泥漿增多，液位就隨之升高；如果返出的鉆井液減少，液位就隨之下降。表面上看，采用這種方法判別井涌、井漏等異常事故的發生是合理的，但是，在循環過程中，由于鉆井液在泥漿罐間的流動頻繁，液面不穩定，少量的溢流或井漏在液位上反應不明顯，不能在短時間內做出準確的判斷，等到液位發生了明顯變化時，可能就錯過了處理險情的最佳時機。

為進一步完善鉆井液流量檢測方法，鉆井現場通常還配備靶式流量計。鉆井現場使用的靶式流量計不同于通常意義上的靶式流量計，日常使用的靶式流量計需要安裝在滿管環境中，單一介質在管道中流動時推動靶片，將作用力傳導至傳感器中，經數字處理后，得出精確的流量。但是，鉆井現場的靶式流量計安裝在出口管道中（非滿管），雖然原理仍然是依靠鉆井液的沖擊力推動靶片產生信號，但由于管道是不滿管的，而且粘稠的鉆井液容易在靶片上固結泥塊，嚴重影響了測量的精度。隨著鉆井越來越深，鉆井液的性能也會隨之變化，介質變了，傳感器更無法進行有效標定。因此，通常，鉆井現場使用靶式流量計僅是得到一個相對測量結果，無法定量檢測管道中流體的流量。

通常情況下，泥漿罐上的超聲波液位計、出口管道上的靶式流量計必須配合使用，有經驗的現場工程師能夠通過這兩種傳感器的實時數據曲線分析出鉆井異常工況的可能性，部分公司將其擴展成一項獨立的服務——井涌井漏早期預報服務。但是，針對這一方法，一是需要足夠的現場經驗支撐，對于人才培養來說成本過高；二是因為定性分析存在主觀想法干擾，有時可能出現誤判；三是對于一些非常規的工況，經驗主義可能產生更加危險的后果。因此，研發一套能夠精確測量鉆井液實時流量的設備，是鉆井工程的迫切要求。

2 國內外鉆井液流量檢測技術研發現狀

（1）使用超聲波液位傳感器測量出口流量，一般將傳感器安裝在鉆井液出口緩沖罐處，根據緩沖罐處液位變化，判斷井漏或井涌情況。該方法與泥漿液位動態監測原理相同，反應更為靈敏，但會受到振動篩閥門大小影響，且不能定量測量。國內部分研究人員如楊明清、王會永等利用伯努利方程、謝才公式等對該方法進一步推導，得出流量定量計算公式，但影響其精度的因素較多，未見相應的產品出現。

（2）對鉆井液出口管線等設施進行改造，針對原先不滿管的測量環境，通過將出口管線改裝為矩形槽、V形槽、雙弧曲線、喇叭形緩沖等，改變鉆井液的流動方式，造成滿管或非勻速等現象，使得出口鉆井液能夠滿足電磁流量計、科里奧利計、文丘里流量計等使用要求，從而做到定量測量鉆井液出口流量。但該方法必須改造現有的鉆井設備，而且是每打一口井就要改造一次，不但影響鉆井施工工期，單井施工成本大幅增加，而且安全性、精度也還需驗證。

（3）使用超聲波多普勒流量計進行測量，該方法在原理上比較適用于鉆井液等雜質含量較多的流體，對鉆井液流量的理論測量精度較高，一些研究團隊在鉆井液入口、海洋鉆井隔水管外壁等位置均取得了一定的進展。但對于鉆井液出口部位的流量測量，還需要克服管道不滿管、固液氣三相混合流體等的難題，該方法在鉆井行業還沒有具體的應用。

目前，國外如斯倫貝謝、GEOLOG等公司有了一定的突破，利用科里奧利效應開發了相應的傳感器，并利用檢測的鉆井液出入口流量的變化擴展為井涌井漏早期預報服務項目——FLAG。該裝置需要加裝一套流量彎管，通過彎管振動頻率的變化，計算通過彎管液體的流量和密度。這種傳感器測量準確、精度高，但安裝和操作繁瑣，需要對現有設備進行改造，且造價高達百萬級，一般更適用于海洋鉆井。

在新的油氣勘探形勢下，鉆井液流量監測技術發展趨勢主要表現為以下兩個方面：（1）鉆井液流量監測準確性和及時性要求越來越高；（2）由單一的流量監測向智能化井涌井漏快速預報方向發展。

3 幾種當前主要攻關的計量檢測手段適用性分析

3.1 超聲波多普勒檢測方法

超聲波多普勒檢測方法是以物理學中的多普勒效應為基礎，根據聲學多普勒效應，當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發出的頻率，這個因相對運動產生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。超聲波多普勒流量測量的一個必要的條件是：被測流體介質應是含有一定數量、能反射聲波的固體粒子或氣泡等的多相介質。該工作條件適用于鉆井液環境，這也是其他流量計所不具備的。在超聲波多普勒測量過程中，超聲波發射器為一固定聲源，隨流體一起運動的巖屑、藥品顆粒、氣泡等雜質起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用，發射聲波與接收聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運動而產生的聲波多普勒頻移，由于這個頻率差正比于流體流速，所以，測量頻差可以求得流速，進而可以得到流體的流量。

鉆井液中的黏土顆粒、巖屑、藥品、氣泡等各種粒子具有不同的聲學特性，對其發射不同頻率的超聲波，接收到的多普勒信號強度也各不相同。對于同一種粒子，尺寸和濃度的大小會影響到多普勒聲學特性，一般情況下，尺寸越小的粒子在管道中分布越均勻，尺寸越大的分布越紊亂，而粒子的濃度會影響到超聲波的穿透深度，從而測量到管道中不同位置的流速，影響測量的精度。

目前，中石化經緯公司、電子科技大學等單位對多普勒測量鉆井液流量方法進行了深入研究。在研究過程中發現，該方法容易受鉆井現場電磁干擾、鉆井液成分變化、泥漿擾動影響。電子科技大學對電磁干擾進行了研究處理，中石化經緯公司研究了多種位置安裝傳感器，減少擾動、干擾等影響，均取得了一定的效果。但如果采用該方法精確測量鉆井液流量，仍有很長的道路要走。

3.2 電磁流量計

電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律進行流量測量的流量計。在與測量管軸線和磁力線相垂直的管壁上安裝一對檢測電極，當導電液體沿測量管軸線運動時，導電液體切割磁力線產生感應電勢，此感應電勢由兩個檢測電極檢出，數值大小與流速成正比。

該方法必須滿管測量，且不能測量有較多氣泡的液體。如果采用該方法測量鉆井液，一方面，必須將出口管線進行改造，使其變成滿管狀態；另一方面，在遇到某些含氣量較高的地層、使用產生泡沫較多的鉆井液配方時，必須進行除氣操作，否則將影響測量精度，甚至測不出數據。部分鉆井公司針對這一方法進行了實驗，發現使用油基泥漿時，因泥漿特性，電磁流量計普遍工作不正常。

3.3 科里奧利流量計

質量流量計可直接測量流體的質量流量，測量結果受介質密度、溫度、壓力、流速分布等特性的影響較小，具有測量精度高、穩定性好、可實現多參數測量等特點，目前已被廣泛應用于生產過程控制等領域中。科里奧利質量流量計質量測量的原理是牛頓第二定律F=Ma。當流體在振動管中流動時，將產生與質量流量成正比的科里奧利力；當沒有流體流過時，振動管不產生扭曲，振動管兩側電磁信號檢測器檢測到的信號是同相位的；當有流體經過時，振動管在力矩作用下產生扭曲，兩檢測器間將存在相位差，變送器測量左右檢測信號之間的滯后時間，這個時間差乘上流量標定系數就可確定質量流量［1-2］。

科里奧利流量檢測方法要求必須滿管，要把管線改為彎管狀態。但鉆井液在出口已經接近常壓，伴隨著大量的巖屑，容易造成管道堵塞。此外，根據科里奧利檢測原理，泥漿中的氣泡、安裝過程中產生的應力、流體的密度和黏度都會影響檢測精度，必須根據不同的鉆井工況對科里奧利流量彎管的大小、材質、形狀和安裝位置進行設計，并且針對氣泡、應力和流體性質的影響進行校正研究。

國內外目前都在探索使用該方法檢測鉆井液流量，部分公司已經開始在鉆井過程中使用，并取得了良好的效果。但該方法每打一口井都要對管道進行設計修改，成本較高，并且如果遇到大量氣泡，也存在讀數不準確、測不出等問題。部分企業思考采用消泡劑、消泡槽等方法減少氣泡，優化測量環境，但還沒有足夠的現場實踐支撐［3-4］。

4 一種簡易鉆井液流量檢測方法探討

采用超聲波多普勒、電磁流量計、科里奧利流量計等先進的測量手段，因其測量原理較為復雜、測量設備較為精密，容易受到鉆井現場的強震動、電磁等環境干擾和復雜的鉆井液介質干擾，因此，要想正常使用，必須解決諸多干擾難題。可以換個角度，通過簡易的明渠流量計測量鉆井液流量。

明渠流量計是常見的一種液體流量測量儀器，被廣泛地應用于城市污水處理、水利環保質量檢測，以及石油、制藥、化工、農業等各行各業。由于超聲波明渠流量計采用非接觸式測量方法，可適應多種復雜的工況現場，最關鍵的是，明渠流量計受環境干擾較少，滿足非滿管測量條件。明渠流量計結構簡單：一個超聲波多普勒傳感器測量液體表面流速，一個超聲波液位計測量液位，通過流速、液位兩個參數，計算出當前渠道中的實時流量。較為先進的明渠流量計引入邊坡系數、渠道精度、水力坡道、流速垂直平面修正系數，按照預定的數學模式，計算出渠道的流量。

可以將鉆井液出口管道改成明渠，安裝超聲波多普勒表面流速儀、超聲波液位計，通過大量的實驗，推到不同鉆井液體系、不同坡度下的流量計算模型。在鉆井施工過程中，將鉆井液體系性能、坡度等參數輸入系統，就能較為精確地測量出鉆井液的實時流量［5-6］。

5 結語

鉆井液流量的定量檢測技術事關人民群眾的生命和財產安全，但當前仍未研究出一種成熟、簡單、精確的檢測手段，應大力開展相關實驗研究工作，早日開發出成熟的系統，填補技術空白，減少鉆井事故的發生。