模拟分析电磁流量计钻进液满管流量测量系统

钻井液出口流量是判断钻井现场井涌溢流的关键参数,上海自动化仪表有限公司为了实现安全、快速、经济的钻井,对钻井液定量、实时、准确监测显得尤其重要。目前国内一般是由综合录井仪池体积参数监测与人工定时观测、记录、并加以对比,以判断是否出现溢流或者井漏等事故。这种判断方法自动化程度和精度较低,不能实现定量检测,而且溢流发现时间晚。近些年在钻井液定量监测技术上有了新的突破,引进质量流量计和电磁流量计两种设备用于石油钻探过程中的钻井液的定量监测。质量流量计虽然具有测量精度高、稳定性好等优点,但是存在价格昂贵,现场安装复杂等缺点,因此目前多采用电磁流量计定量监测钻井现场钻井液流量。电磁流量计受测量原理限制,为保证测量精度,流体流经流量计的前后管道内均需要满足满管状态,对电磁流量计的安装使用产生了限制;另外当钻井液流量较大时,固定管径下的电磁流量计会对流体通过产生抑制作用,从而造成钻井液的回流,对钻井的安全作业产生影响。

该文通过对钻井液返出管线流速场进行水力学模拟,分析返出管线的流体流动规律,优化了出口流量监测系统结构设计;同时设计了钻井液定量监测过流分流装置,克服了大流量状态下的钻井液回流问题;从而满足电磁流量计的满管测量条件,提高了流量计适用性和测量准确性,实现了钻井液出口流量的实时准确监测,为溢流的准确预警和钻井的安全施工提供了支持,减轻了井喷和压井作业对地下油气层的伤害,从而提高经济和社会效益,降低对环境的影响。

1 国内外溢流监测现状

国内外监测溢流的方法很多,主要研究方向集中于微流量监测和压力监测方面。微流量监测方面陆续开发出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、压力监测方面则有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。郭元恒等人从改进设备和分析类型方面综合给出了不同的溢流监测方法的对比分析[1]。目前国内对于溢流、井涌等复杂情况的监测,一般是由钻井参数仪、综合录井仪池体积参数监测与人工定时观测、记录、并加以对比,判断是否出现溢流或者井漏等事故。这种判断方法自动化程度和精度较低,溢流发现时间晚;另外对于早期溢流监测领域研究工作还集中于对钻井液存储区域的体积变化进行精确化测量,从而根据进出钻井液的差值判断溢流状态。由于存储区域的基础体积较大,微小流量的变化范围不容易测得,另外改造添加辅助设施,增加了施工复杂程度,而且液面波动范围受环境影响因素较大,从而从根本上决定了测量精度较低和发现预警时间的延迟。通常在钻井过程中,出现液面变化到发生井喷的时间较短,大多数井从发现溢流到井喷时间只有5～10 min,有的时间更短,甚至溢流和井喷同时发生,几乎没有应急处理的时间。溢流监测的原理并不复杂,但是由于溢流现象的模糊性和不确定性,测量条件和设备的限制以及监测方案的缺陷,使得溢流监测达不到预期的效果。

通过对国内外的溢流监测现状分析,可以看出井下压力和地层因素是流量变化的诱因,其它工程参数的变化则是流体状态发生变化的间接影响结果,而流体流量的变化则是反映溢流状态的非常直接表现,选择出口流量监测技术为突破口即能够判断早期溢流状态,又是立足于我国录井技术现状的合理选择。

2 出口流量监测系统

2.1 出口流量定量监测方法

该方法基于流体动力学计算,分析出口管线的流体流动规律,考虑流体自然流速和出口压力状态,采用V型出口管线方案,流量计测试系统满足满管状态,返出管线的入口端倾角范围为30°～45°。Ansys流体计算后可知,在30°至45°的角度范围内,随着返出管线的入口端倾角的增大,支线管道弯管造成的能量损失增大,则后端测试位置处的伯努利方程C常量值逐渐减小,从而表现为测试位置流速值逐渐减小,所以在保证钻井液的通过率前提下,应尽量减小入口端倾角;减小入口端倾角保证一定流速的另一个优点还在于保持了钻井液的岩屑携带能力,这一点也在其它的研究工作中得到证实。

2.2 定量监测过流分流装置

装置采用多管测量技术,在原有测量系统上加装两个或多个分管,使得分管流通量之和大于或等于主通管,从而有效的解决了大流量状态下的钻井液回流问题,通过优化分管安装角度,在主管和分管交接口处安装限流装置和防回流阀,满足电磁流量计的满管测量条件,提高了流量计适用性和测量准确性,实现了钻井液出口流量的实时准确监测。

3 应用实例

利用出口流量监测装置获取的高可靠性瞬时流量值,利用软件WinBUGS对溢流事件进行了溢流概率计算和验证。具体事例为:BS24-5-27井位于天津市滨海新区南港工业规划区,构造位置为滨海断鼻南翼BS16X1井区岩性圈闭。井别为开发井,井型为定向井。该井于2014年3月7日开钻,2014年4月1日钻进至3 673.88 m。地层: 沙一上,03:26分出口流量由27.99 L/s上升至36.69 L/s,气测全烃值由0.601%上升至88.034%,甲烷由0.508%上升至73.1327%,出口温度由61℃上升至80℃,电导率由0.915 s/m下降至0.832 s/m,钻井液密度由1.40 g/cm3降至1.35～1.38 g/cm3,粘度由55 s上升至80 s,池体积由120.38 m3上升至125.17 m3。现场观察发现返出管线钻井液含气泡明显,当班人员在全烃放空管线处用球胆取样,点火试验火焰呈淡蓝色。将相关参数整理后代入预警模型,发现经过720 s的时间预警概率由0上升至99%,与实际溢流发生时间相吻合,验证了流量数据的可用性。

4 结语和展望

电磁流量计在石油钻井现场应用广泛,其测量过程中对满管性的要求影响了现场数据的准确性。上海自动化仪表有限公司通过过流分流装置的设计及流体动力学理论的模拟计算,优化了设计角度,在提高钻井液通过性的同时又满足了电磁流量计的精确测量条件,获取了真实有效的流量数据,从而为准确判断溢流状态打下了坚实基础。