模擬分析電磁流量計鉆進液滿管流量測量系統(tǒng)

鉆井液出口流量是判斷鉆井現(xiàn)場井涌溢流的關(guān)鍵參數(shù),上海自動化儀表有限公司為了實現(xiàn)安全、快速、經(jīng)濟的鉆井,對鉆井液定量、實時、準確監(jiān)測顯得尤其重要。目前國內(nèi)一般是由綜合錄井儀池體積參數(shù)監(jiān)測與人工定時觀測、記錄、并加以對比,以判斷是否出現(xiàn)溢流或者井漏等事故。這種判斷方法自動化程度和精度較低,不能實現(xiàn)定量檢測,而且溢流發(fā)現(xiàn)時間晚。近些年在鉆井液定量監(jiān)測技術(shù)上有了新的突破,引進質(zhì)量流量計和電磁流量計兩種設(shè)備用于石油鉆探過程中的鉆井液的定量監(jiān)測。質(zhì)量流量計雖然具有測量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,但是存在價格昂貴,現(xiàn)場安裝復(fù)雜等缺點,因此目前多采用電磁流量計定量監(jiān)測鉆井現(xiàn)場鉆井液流量。電磁流量計受測量原理限制,為保證測量精度,流體流經(jīng)流量計的前后管道內(nèi)均需要滿足滿管狀態(tài),對電磁流量計的安裝使用產(chǎn)生了限制;另外當(dāng)鉆井液流量較大時,固定管徑下的電磁流量計會對流體通過產(chǎn)生抑制作用,從而造成鉆井液的回流,對鉆井的安全作業(yè)產(chǎn)生影響。

該文通過對鉆井液返出管線流速場進行水力學(xué)模擬,分析返出管線的流體流動規(guī)律,優(yōu)化了出口流量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計;同時設(shè)計了鉆井液定量監(jiān)測過流分流裝置,克服了大流量狀態(tài)下的鉆井液回流問題;從而滿足電磁流量計的滿管測量條件,提高了流量計適用性和測量準確性,實現(xiàn)了鉆井液出口流量的實時準確監(jiān)測,為溢流的準確預(yù)警和鉆井的安全施工提供了支持,減輕了井噴和壓井作業(yè)對地下油氣層的傷害,從而提高經(jīng)濟和社會效益,降低對環(huán)境的影響。

1 國內(nèi)外溢流監(jiān)測現(xiàn)狀

國內(nèi)外監(jiān)測溢流的方法很多,主要研究方向集中于微流量監(jiān)測和壓力監(jiān)測方面。微流量監(jiān)測方面陸續(xù)開發(fā)出包括井口導(dǎo)管液面監(jiān)測技術(shù)、鉆井液流量計監(jiān)測技術(shù)、改進流量監(jiān)測技術(shù)、壓力監(jiān)測方面則有隨鉆環(huán)空壓力測量監(jiān)測技術(shù)、立壓套壓監(jiān)測技術(shù)以及聲波監(jiān)測技術(shù)。郭元恒等人從改進設(shè)備和分析類型方面綜合給出了不同的溢流監(jiān)測方法的對比分析[1]。目前國內(nèi)對于溢流、井涌等復(fù)雜情況的監(jiān)測,一般是由鉆井參數(shù)儀、綜合錄井儀池體積參數(shù)監(jiān)測與人工定時觀測、記錄、并加以對比,判斷是否出現(xiàn)溢流或者井漏等事故。這種判斷方法自動化程度和精度較低,溢流發(fā)現(xiàn)時間晚;另外對于早期溢流監(jiān)測領(lǐng)域研究工作還集中于對鉆井液存儲區(qū)域的體積變化進行精確化測量,從而根據(jù)進出鉆井液的差值判斷溢流狀態(tài)。由于存儲區(qū)域的基礎(chǔ)體積較大,微小流量的變化范圍不容易測得,另外改造添加輔助設(shè)施,增加了施工復(fù)雜程度,而且液面波動范圍受環(huán)境影響因素較大,從而從根本上決定了測量精度較低和發(fā)現(xiàn)預(yù)警時間的延遲。通常在鉆井過程中,出現(xiàn)液面變化到發(fā)生井噴的時間較短,大多數(shù)井從發(fā)現(xiàn)溢流到井噴時間只有5～10 min,有的時間更短,甚至溢流和井噴同時發(fā)生,幾乎沒有應(yīng)急處理的時間。溢流監(jiān)測的原理并不復(fù)雜,但是由于溢流現(xiàn)象的模糊性和不確定性,測量條件和設(shè)備的限制以及監(jiān)測方案的缺陷,使得溢流監(jiān)測達不到預(yù)期的效果。

通過對國內(nèi)外的溢流監(jiān)測現(xiàn)狀分析,可以看出井下壓力和地層因素是流量變化的誘因,其它工程參數(shù)的變化則是流體狀態(tài)發(fā)生變化的間接影響結(jié)果,而流體流量的變化則是反映溢流狀態(tài)的非常直接表現(xiàn),選擇出口流量監(jiān)測技術(shù)為突破口即能夠判斷早期溢流狀態(tài),又是立足于我國錄井技術(shù)現(xiàn)狀的合理選擇。

2 出口流量監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 出口流量定量監(jiān)測方法

該方法基于流體動力學(xué)計算,分析出口管線的流體流動規(guī)律,考慮流體自然流速和出口壓力狀態(tài),采用V型出口管線方案,流量計測試系統(tǒng)滿足滿管狀態(tài),返出管線的入口端傾角范圍為30°～45°。Ansys流體計算后可知,在30°至45°的角度范圍內(nèi),隨著返出管線的入口端傾角的增大,支線管道彎管造成的能量損失增大,則后端測試位置處的伯努利方程C常量值逐漸減小,從而表現(xiàn)為測試位置流速值逐漸減小,所以在保證鉆井液的通過率前提下,應(yīng)盡量減小入口端傾角;減小入口端傾角保證一定流速的另一個優(yōu)點還在于保持了鉆井液的巖屑攜帶能力,這一點也在其它的研究工作中得到證實。

2.2 定量監(jiān)測過流分流裝置

裝置采用多管測量技術(shù),在原有測量系統(tǒng)上加裝兩個或多個分管,使得分管流通量之和大于或等于主通管,從而有效的解決了大流量狀態(tài)下的鉆井液回流問題,通過優(yōu)化分管安裝角度,在主管和分管交接口處安裝限流裝置和防回流閥,滿足電磁流量計的滿管測量條件,提高了流量計適用性和測量準確性,實現(xiàn)了鉆井液出口流量的實時準確監(jiān)測。

3 應(yīng)用實例

利用出口流量監(jiān)測裝置獲取的高可靠性瞬時流量值,利用軟件WinBUGS對溢流事件進行了溢流概率計算和驗證。具體事例為:BS24-5-27井位于天津市濱海新區(qū)南港工業(yè)規(guī)劃區(qū),構(gòu)造位置為濱海斷鼻南翼BS16X1井區(qū)巖性圈閉。井別為開發(fā)井,井型為定向井。該井于2014年3月7日開鉆,2014年4月1日鉆進至3 673.88 m。地層: 沙一上,03:26分出口流量由27.99 L/s上升至36.69 L/s,氣測全烴值由0.601%上升至88.034%,甲烷由0.508%上升至73.1327%,出口溫度由61℃上升至80℃,電導(dǎo)率由0.915 s/m下降至0.832 s/m,鉆井液密度由1.40 g/cm3降至1.35～1.38 g/cm3,粘度由55 s上升至80 s,池體積由120.38 m3上升至125.17 m3。現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)返出管線鉆井液含氣泡明顯,當(dāng)班人員在全烴放空管線處用球膽取樣,點火試驗火焰呈淡藍色。將相關(guān)參數(shù)整理后代入預(yù)警模型,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過720 s的時間預(yù)警概率由0上升至99%,與實際溢流發(fā)生時間相吻合,驗證了流量數(shù)據(jù)的可用性。

4 結(jié)語和展望

電磁流量計在石油鉆井現(xiàn)場應(yīng)用廣泛,其測量過程中對滿管性的要求影響了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的準確性。上海自動化儀表有限公司通過過流分流裝置的設(shè)計及流體動力學(xué)理論的模擬計算,優(yōu)化了設(shè)計角度,在提高鉆井液通過性的同時又滿足了電磁流量計的精確測量條件,獲取了真實有效的流量數(shù)據(jù),從而為準確判斷溢流狀態(tài)打下了堅實基礎(chǔ)。