挪威研發出井眼內實時鉆井液密度自動測量裝置

挪威石油技術研究院（Norce）近日公布其研發的井眼內，實時鉆井液密度測量裝置，即實時測量在井眼內溫度與壓力不斷變化條件下，鉆井液真實密度。此項技術是全自動鉆井工藝的一個分支，對于加強鉆井過程中的井控環節、提前預防井噴與井漏事故、提高鉆井效率與降低鉆井成本具有重要作用。

在鉆井過程中，始終在井眼內保持循環的鉆井液，會受跨度很大的壓力和溫度等外界條件制約，以至于鉆井液密度在不同井段中存在較大差異。因此，作業者均懂得準確測量鉆井液的密度，并切實厘清鉆井液真實密度對于井眼內壓力和溫度的依賴性，對于鉆井司鉆精確估計井眼內的靜水壓和動水壓極為重要。

在世界各地，作業者通常使用泥漿天平，手動測量從井眼內所采集鉆井液的密度。然后，操作者根據流體組分PVT（壓力與體積及溫度）特性，以及相對比例，估算鉆井液密度與井眼內壓力和溫度相互函數關系，常稱為PVT特性。然而，人工測量鉆井液密度，由于受鉆井液混合物成分的變化，以及各成分PVT特性的不確定性，可能導致鉆井現場鉆井液密度測量不準確。Norce為了克服技術缺憾，研發了一種直接自動測量井眼中鉆井液PVT特性的裝置。

實時測量鉆井液密度的裝置基本原理，是通過流體內的聲速測量鉆井液在特定壓力和溫度條件下的密度。具體來說，是作業者根據液體混合物中的聲速變化，估算鉆井液的絕熱壓縮特性。裝置還利用自身安裝的熱交換器，通過熱交換器可以估算鉆井液“導熱系數”和“容積比熱”。裝置內安裝的電腦，可以結合“容積比熱”“熱導率”和“絕熱壓縮率”，計算出等鉆井液“等溫壓縮率”。結合在其他測量參數，比如井眼內的不同壓力和溫度條件下的監測結果，預測井眼內鉆井液特性。包括業已形成的流體抽汲狀態，以及相匹配的PVT特性模型。

鉆井液質量密度是計算井內靜水壓力的重要信息，同時也是黏性摩擦計算的一個重要參數，因為其出現在Navier-Stokes方程中，也是計算鉆柱扭矩和阻力或鉆柱動力學性能的關鍵數據。

Norce研發人員通過鉆井液密度測量裝置的自動與連續工作，準確地提供井眼內鉆井液的實際PVT特性。該裝置與井場上的自動鉆井系統聯合作業，可以提高鉆井過程的整體工藝精度。專家指出，如果適當簡化裝置配置，還可以使這套裝置適用于任何類型的鉆井作業。Norce鉆井專家指出，深刻了解井眼內鉆井液的PVT特性，對于準確預測鉆井作業期間的井底壓力非常重要。隨著鉆井工藝的復雜化，鉆井液成分也趨于更多變化。在鉆井現場，類似原來那樣，作業者僅基于一種壓力和溫度條件下進行的零星鉆井液密度監測，很難準確給出井眼內液體的PVT特性。

在研發過程中，技術人員推出一種模擬井眼環境模型。該模型需要6組井眼內的壓力和溫度參數，進行特定井眼條件下的某種鉆井液PVT特性的校準。在實際使用過程中，作業者發現實時監測到井眼循環時鉆井液所顯示的壓力和溫度參數，遠高于利用常規方式監測到的壓力與溫度參數，作業者認為實時監測井眼內壓力與溫度的精度是可信的。此外，作業者還發現，在安裝一個傳感器情況下，如果仍然堅持利用6組不同的壓力和溫度參數確定模擬函數，則會延遲收到鉆井液密度信息，或者依然需要加裝相對復雜的水力機構。

近年來，Norce專家對鉆井液密度實時監測方法進行多處改進。他們采取同時監測井眼內鉆井液中的聲速與密度方法，這樣可以將原來監測6組壓力與溫度參數的操作流程，改進為監測3組參數。具體實施方法，是添加幾個額外的溫度傳感器，即可同時預測井眼內的“容積比熱”和“導熱系數”。