早期溢流监测技术研究现状与发展趋势.docx

钻柱导流管旁导通沉砂箱 管流量计早期溢流监测技术研究现状与发展趋势the research status and development of early kick detection technology郭元恒 guo yuan-heng；何世明 he shi-ming；胡彪 hu biao；青炳 qing bing；李成全 li cheng-quan（中石化石油工程技术服务有限公司钻井事业部，北京 100101；西南石油大学石油工程学院，成都 610500；西南油气分公司工程监督中心，成都 610051；西南油气田分公司低效油气开发事业部，成都 610051）（sinopec petroleum engineering technology service company drilling division，beijing 100101，china；petroleum engineering academy of southwest petroleum university，chengdu 610500，china；southwest oil and gas branch engineering supervision center，chengdu 610051，china；southwest oil and gas field branch inefficient oil and gas development division，chengdu 610051，china）摘要： 钻井过程中溢流的及时发现，将为排除溢流、重建压力平衡赢得宝贵时间，大大降低二次井控的难度。目前国内外监测溢流的方法很多，主要包括井口导管液面监测技术、钻井液流量计监测技术、改进流量监测技术、随钻环空压力测量监测技术、立压套压 监测技术以及声波监测技术。本文在对比分析上述各种溢流监测方法的优势与不足的基础上，结合不同钻井方式溢流的特点，推荐了 相应的早期溢流监测方法；并针对目前国内早期溢流监测技术的不足，提出改进意见。对早期溢流监测方法的选择和早期溢流监测方 法的进一步研究具有一定的指导意义和参考价值。abstract: the rapid detection of early kick will win valuable time for the kicks preclude and the reconstruction of pressure balance in the drilling process, which greatly reduce the risk of secondary well control. at present, there are many methods for the rapid detection of early kick, mainly including wellhead catheter liquid level monitoring, drilling fluid flow meter monitoring, differential flow out monitoring technology, standpipe and discharge pressure monitoring, and acoustic monitoring technology. based on the contrast of the advantages and disadvantages of these methods and the analysis of characteristics of influx of different drilling ways, the corresponding early kick monitoring methods are recommended. and improvement opinions for the domestic insufficient were also suggested. the results of this study will have certain guide and reference value for the further research of fast and accurate detection of early kick.关键词： 溢流；溢流监测；井控；监测技术key words: kick；kick detection；well control；monitoring technology中图分类号：te3文献标识码：a文章编号：1006-4311（2013）05-0027-03引言在井口导管侧壁开孔引出一个 l 型的支管，通过安装在支管上面的声纳测深装置来实时监测导管液面高度，当液面 高度超过所规定的值时，就自动报警，从而实现对溢流的及时监测。井口导管液面监测方法简单实用，对于早期溢流监测 的及时性也较传统的泥浆池液面监测方法有很大的提高。然而不足之处就是不能获得侵入井筒的溢流体积。1.2 钻井液流量计监测 天然气溢流的进入，必会使 得循环流体总体积增加，致使钻井液出口流量增大。通过 实时监测返出钻井液的出口流量（如质量流量、体积流量、 累积流量）变化，即可实现对溢流的实时监测。由于多数流 量计必须在满管情况下才能准确计量，所以一般安装在导 管旁路上，如图 1。0钻井过程中，若侵入井筒的天然气溢流未被及时发现并得到有效控制，将促使更多的天然气溢流进入井筒，并 在运移过程中不断膨胀。在接近井口时，天然气溢流的急 剧膨胀将导致井涌、甚至井喷，从而造成重大的安全事故。因此，早期溢流的及时监测，对井控安全具有重要的意义。目前，早期溢流监测技术主要包括井口导管液面监测技 术、钻井液流量计监测技术、随钻环空压力测量监测技术、声波监测技术和国外最新进展的立压套压监测技术以及改进流量监测技术。然而，上述各种监测方法都有其独特 的优势，但也存在着较多不足。而对这些优势与不足的对比分析，将有助于国内早期溢流监测技术的进一步研究。1 早期溢流监测方法1.1 井口导管液面监测 由于井口导管横截面积较 小，对侵入井眼中的少量溢流，井口导管液面也会有较大 的波动。井口导管液面监测技术正是通过监测导管中钻井液的液面高度来监测溢流。具体做法就是利用连通原理，基金项目：国家自然科学基金项目“智能井井下流量控制系统机 理研究”(50674077)和 863 项目“智能井注采井下控制 关键技术研究”(2006aa09z312)资助。作者简介：郭元恒（1962-），男，陕西西安人，高级工程师，1988 年毕业于西南石油学院钻井工程专业，现在中石化集团 公司石油工程管理部工作。图 1 流量计安装位置目前钻井液出口流量的监测方法也多种多样，但由于 受到钻井液性能（粘度、密度、含气率）、泥浆泵振动、回流 管回流、测量仪器限制等影响，对早期溢流的监测，都不同价值工程28 程度的存在着不及时、不精确的问题。1.3 改进流量监测技术 通常泥浆泵排量的改变、起 下钻、泥浆的压缩性、回流管回流以及浮式钻井装置升沉 摇动等都会不同程度的影响钻井液出口流量。改进流量监 测技术正是通过考虑这些影响因素，对钻井液出口流量进 行修正，运用修正过后的流量来对溢流进行快速准确的监 测。由于此流量不同于井口的真实流量，也不同于井口的 理论流量，因此称之为改进流量。并通过考虑关井后泥浆 返出管中的泥浆体积和不同工况引起泥浆罐中泥浆体积 的变化，对溢流体积进行一定的修正，使得到的溢流体积 更加准确。目前，改进流量监测技术的首次应用（深水钻井中）取 得了较好的效果。因此，可对钻井液出口流量进行选择性 的修正，推广运用该技术。1.4 随钻环空压力测量技术 当天然气溢流进入井筒 时，必会引起井底附近环空压力场的变化。随钻环空压力 测量技术正是通过实时监测井底环空压力，并与水力计算 模型或正常井底压力趋势线上的值对比，来实现对早期溢 流的及时监测。另外，随钻环空压力测量技术能通过实测 钻柱内外压力，实时修正钻井液流变模型，建立精确反映 井筒流体流动规律特征的水力模型；并准确有效地测量地 层压力，提高了溢流监测的精度。然而，井底环空压力是钻井液环空流动压耗和钻井液 静压力综合作用的结果，受施工排量、溢流侵入量等影响 较大，给早期溢流的监测增加了难度。1.5 立压套压监测技术 目前，立压套压监测技术主 要用于控压钻井。随着溢流进入环空中上升膨胀，环空部 分钻井液被置换，致使环空液柱压力降低，从而导致立压 降低，进而回压升高。立压套压监测技术正是通过在立管 和套管出口安装压力传感器，实时监测立压和套压的变 化，来实现对早期溢流及时、准确的监测。当然，不同的钻井施工参数或是井下复杂状况（井漏、 钻柱刺漏、桥塞）都会影响立压和套压。目前，国外研制的 自动溢流监测系统将压力变化、溢流体积以及压力变化持 续时间等因素综合考虑，实现了对早期溢流准确的监测。然而，该自动溢流监测系统使用时，需要根据不同施 工参数，反复调试、校正，不易被现场人员掌握。1.6 声波监测技术 气液两相流理论研究成果表明，当天然气溢流进入井眼环空后，通常在井底是以泡状流出 现。另外由声波传播理论可知，声脉冲信号在纯泥浆单相流中的传播速度远高于含气泥浆两相流中的传播速度。声波监测技术正是基于上述两原理，以泥浆泵的压力波动为 波源，同时在进口和出口分别安装传感器，接受波信号。通过相移曲线法或概率密度处理技术分析比较两个传感器 所接收的信号，便可及时的监测到气侵的发生，并计算出气侵高度和井底进气量。声波检测虽然能及时地监测到溢流，但是声波信号容 易受钻井施工参数影响、钻井设备等干扰，同时还存在判断失真等不足。2 早期溢流监测方法对比与选择2.1 早期溢流监测方法对比 上述各种早期溢流监测 方法都有其独特的优势，但也有其不足。现将各种监测方法的基本原理、监测精度以及优缺点等进行对比分析，结果如表 1。表 1 早期溢流监测方法对比、2.2 早期溢流监测方法选择 早期溢流监测方法的选择，不仅要考虑各种早期溢流监测方法的优缺点，更要考 虑不同钻井方式的溢流特点。表 2 分析了不同钻井方式溢流的特点，并结合表 1 推荐了相应的早期溢流监测方法， 便于在工程中运用。表 2 早期溢流监测方法选择溢流发生时，3 发展趋势目前，国外的早期溢流监测系统具有较高的综合性， 能在一定程度上实现复杂井下条件（井漏、桥塞、刺漏），针对不同工况（钻进、起下钻、接单根）的早期溢流的监测。但 系统的调试、校对，维护等工作，对现场工作人员要求较高，在一定程度上增加了其使用的风险性。而目前国内早期溢流监测的不足主要体现在以下几个方面：依据膨胀 原理的地面监测方法，虽简单实用，但在溢流的发现时间上会有一定滞后，且对于水平井、深井超深井等滞后的时间更长。井下监测方法虽然及时，但随钻环空压力监测 中使用的井下随钻测量装置大都综合性较高，成本也较钻井方式溢流特点推荐方法水平井在水平段溢流膨胀很小，钻井液池体积 变化不明显；井筒与产层接触面积大，溢 流量较直井大得多；在井底附近环空返 速较小，而上部环空返速大随钻环空压力测量 技术流量监测技术深井超深井井底少量溢流运移到井口，会膨胀成大 量的气体；在井眼底部，环空截面积小， 溢流两相段相对较长；钻井液安全密度 窗口窄，容易造成地下井喷改进流量监测技术 井口导管液面监测 技术声波监测技术小井眼钻井压力损失主要发生在环空， 立压变化明显；环空面积小，相同溢流量 下，溢流两相段长度大；关井套压高，上 返速度快，允许的反应时间很短立压套压监测技术 声波监测技术深水钻井除上述溢流监测的难点外，浮式钻井装 置还处于纵摇与横摇的动态运动中改进流量监测技术 随钻环空压力测量 技术监测方法基本原理监测方式计算溢流量监测精度优缺点井口导管 液面监测流量计监测改进流量 监测随钻环空 压力监测 立压套压 监测声波监测膨胀原理流量守恒原 理流量（修正 后）守恒原 理随钻测量技 术 u 形管压力 平衡原理气液两相流 理论、声波 传播理论地面地面 地面井下 井下井下不能能 能不能 能能中等中等 较高较高 高较高安装方便、成本较低，监测较及 时；但不能计算溢流量安装方便、操作简单，能同时监测井漏和溢流；但关井后不能及 时停止计量技术较新，精度较流量计监测 高、针对性强，且适用于起下钻 接单根工况；但不及井下监测方 式及时技术成熟，监测直观、及时；但费 用较高，且仅适用于开泵工况 监测及时，能应对多种井下复杂 状况；但立压套压受工况影响大，系统需要反复调试、校正，目 前还仅用于控压钻井 监测及时、能计算溢流量；但声 波信号易受干扰、处理复杂，存 在判断失真等问题value engineering29 基于 ioserver 技术的 intouch 与 ab-plc 的光纤筛选系统optical fiber screening system based on io server-intouch and ab-plc孙勤良 sun qin-liang；邵金涛 shao jin-tao；田锦成 tian jin-cheng；何炳 he bing（江苏通鼎光电股份有限公司，吴江 215233）（jiangsu tong ding optic-electronic co.，ltd.，wujiang 215233，china）摘要： 随着信息技术的不断进步和经济的迅速发展，市场对光纤的需求量在快速增长，因此迫切需要对光纤筛选设备进行优化和升级。目前，intouch 等组态软件在工业自动化中已经有了广泛应用，但在光纤筛选系统中却少见报道。本文详细描述了基于 intouch 的光纤筛选系统的体系结构和软件设计方案，利用以太网 io server 软件建立 opc，为系统的监控提供数据采集接口。系统应用于江 苏通鼎集团，具有较好的可靠性和鲁棒性，很好的完成了光纤筛选的监控工作。abstract: with the development of information technology and the rapid development of economy, market demand for optical fiber was in a fast growth, so optical fiber screening equipments need for optimization and upgrading urgently. at present, intouch etc. configuration software in industrial automation has been widely used, but rarely reported in the optical fiber screening system. this article describes the system structure and software design which based on optical fiber screening system, opc that set up by using of ethernet io server software, gives data acquisition interfaces for system monitoring. because of the good reliability and robustness, the system has been applied to jiangsu tongding optic-electronic co.,ltd, and finished fiber screening monitoring work well.关键词： 光纤筛选；监控系统；intouch；io serverkey words: optical fiber screening；monitoring system；intouch；io server中图分类号：th6文献标识码：a文章编号：1006-4311（2013）05-0029-03引言证产品质量的同时提高产能的途径。目前计算机网络技术结合自动化技术对工业生产控制的方法已经应用于很多 大型高科技产业，将这种方法引入光纤生产行业也是大势 所趋。本文提到的 intouch 软件监控是一种将虚拟仪器引 入生产网络，提供一种直观、集中和操作方便的人机交互0随着我国信息产业的快速发展，光纤的产能已经无法满足现有市场的需求。因此，光电行业都在寻找一条在保作者简介：孙勤良（1973-），男，江苏苏州人，工程师，研究方向为 工业电气自动化。高；声波监测中的声波信号易受干扰，存在判断失真等问题。监测技术自动化程度、效率相对较低，难同时实现不 同工况条件下的早期溢流监测。然而，早期溢流监测技术必将向着及时性、高效性发 展。为此，国内应进一步开展以下几方面研究：根据不同的情况，对钻井液出口流量和溢流体积进行修正，使早期溢流监测更加及时、获得的溢流体积更加准确。加强专 门针对溢流的井下监测设备和声波信号处理技术的研究。对现有监测技术进行一定集成、优化处理，使之同时实现多种工况条件下的早期溢流监测。4 结论早期溢流监测作为井控工作的重要部分，取得了丰 富的研究成果。根据不同原理、不同监