鉆井溢流井漏智能監測信息系統研制與應用

賈小軍

摘要：針對鉆井液池液面監測和錄井氣測等方法存在微量溢流發現不及時、溢流預判不準確等問題，研制出一套鉆井溢流井漏智能監測信息系統，將綜合錄井儀獲取懸重、泵壓、液面高度等數據經過智能綜合分析，在井漏溢流發生的瞬間做出預警，再經過各種參數的邏輯判斷，最終判定是否發生溢流井漏。結合了監測系統邏輯判斷和工程專家多年實踐經驗，與常規監測方式中的液位傳感器相比，減少了技術人員對溢流和井漏誤判次數，靈敏度大幅提高，為井漏和溢流的及時發現和處理贏得了寶貴時間，對確保井控安全意義重大。

關鍵詞：井漏；溢流；智能化；預警；井控安全

一、前言

溢流和井漏是鉆井作業過程中普遍存在，且一旦發生，后果就會極其嚴重的井下復雜事故，如果發現不及時、處理方法不恰當甚至會造成井噴、井塌等嚴重事故。因此，及時發現早期溢流和井漏對井控事故的預防極為重要。目前，溢流井漏預警技術主要采用傳統的人工監測方法，通過實時監測地面鉆井工程參數、泥漿循環罐液面參數和氣測參數的變化來預判和識別溢流事故，在監測敏感性和普適性方面還存在諸多不足和局限。針對這一情況設計了基于多參數邏輯判斷的溢流井漏監測智能決策信息系統，在現場實際應用工程中取得了較好的應用效果，證實了鉆井溢流井漏智能監測信息系統具有較強的實用性和準確性。

二、溢流和井漏原因與危害分析

（一）原因分析

在鉆井過程中，會將原有壓力系統處于平衡狀態的地層打開，地層中的流體會隨著壓力釋放而進入井筒中。因此，為維持地層壓力平衡，需要配制一定密度的鉆井液注入井筒，利用鉆井液的液柱壓力來平衡地層壓力。在鉆進過程中，當從井底返出的鉆井液總量大于泵入井筒中的鉆井液總量，且停泵后，井口鉆井液仍然自動往外溢的現象叫作溢流。當溢流沒有及時被發現和處理，會導致井底地層孔隙壓力與鉆井液液柱壓差越來越大，井底返出的鉆井液等流體會逐漸增加，從而引起井涌，當井涌失控就會發展成井噴事故。引起溢流的最直接原因就是地層與井眼系統壓力失去平衡，井筒內鉆井液液柱壓力小于地層孔隙壓力[1]。

與溢流、井涌和井噴相反，井漏是指鉆井作業過程中鉆井液、完井液等在壓差作用下直接進入到地層中的一種井下復雜情況。發生井漏的條件是地層中存在漏失通道，比如鉆遇高滲透性地層，或地下存在裂縫、溶洞、暗河等漏失通道。井漏的原因比較復雜，最主要原因有以下幾種。一是配制的鉆井液密度過高，而鉆地層壓力虧空，鉆井液液柱壓力大于地層孔隙壓力。二是鉆井液黏度和切力過高，會導致開泵壓力過大，產生壓力激動引起井底壓力大于地層孔隙壓力。三是鉆井液配制時沒有考慮防漏性能，在滲透性地層由滲漏發展成小漏、大漏，甚至是失返性漏失。四是鉆井液攜砂性能不夠和濾失量較大，會引起井底巖屑清理不及時、井壁上泥餅過厚，在起下鉆和開泵時也會產生壓力激動。五是工程操作不當，起下鉆速度過快或者沒有按照規定及時灌注鉆井液，導致人為出現抽吸和壓力激動等情況。

（二）危害分析

在現場實際鉆井過程中，如果不能及時發現和正確處理溢流，往往會發展為井涌、井噴，當地層壓力釋放到一定程度后，則會出現井漏，最后發展成井塌和埋鉆具，給油氣資源勘探開發造成巨大損失。不僅會延長鉆井周期、影響后期油氣資源開發作業，還會增加直接鉆井作業成本，破壞周邊土壤、空氣和水環境，造成社會負效應。2003年重慶開縣“1223”特大井噴事故，就是由于操作不當、監測不準確和處理不及時而發生，造成的直接經濟損失就高達六千多萬元，間接損失更是不可估量[2]。2010年美國一沿海岸石油鉆井平臺發生爆炸，造成11人死亡，并引起大量原油泄漏，給海洋造成巨大污染。這次事故發生的主要原因就是固井作業過程中套管外壓力下降而引發了溢流，該溢流不僅沒有被及時監測到，溢流預警系統沒有發出警報，且在后面接近兩個小時的時間內未得到任何處置，由此引發了號稱美國石油史的“911”事故。

綜上所述，井噴等事故的避免在于預防，而預防的重點又在于溢流和井漏初期的監測。

三、監測預警技術現狀

（一）傳統監測方法

溢流井漏監測目前使用最多的方法還是實行專人坐崗制度，通過觀測鉆井液罐中液面變化、井口處鉆井液流態，尤其是起下鉆中鉆井液罐中鉆井液總量的變化情況，從而判斷是否發生溢流或者井漏。這種觀測方法因操作簡單和方便使用而得到大范圍應用，現在很多作業隊仍然在采用這種方法。但是，這種方法過于依賴人為因素的經驗判斷，存在著較多不足之處：一是憑肉眼無法觀測到溢流和漏失初期少量鉆井液增加，并進行及時預警。二是在攪拌器攪拌過程中，鉆井液罐中液面上下起伏波動較大，會對液面高低判斷產生誤判。三是井口發生溢流和井漏時，需要很長時間才能反映到鉆井液罐液面的變化，導致預警滯后。四是向鉆井液罐中添加鉆井液材料、加重劑等進行性能維護時，也會對鉆井液罐液面變化產生干擾[3]。

（二）機械監測方法

隨著電子信息等技術的發展和進步，溢流井漏監測技術也得到了進步和發展，形成了一系列監測裝置和技術，并在現場實際應用中取得了一定效果。

2006年，為解決人工監測工作量大、精度低的問題，江漢機械研究所劉壽軍等[4]研制了一套鉆井液液面監測與自動灌漿裝置，該裝置的核心部件液面監測器是由超聲波傳感器、顯示器、數據處理板和機箱等部件組成。超聲波探頭發射的超聲波遇到液面后會將部分波反射，超聲波傳感器可以測出發射超聲波和接收回波的時間差，然后換算求出鉆井液液面高度。當換算后的高度超出初始設置參數范圍時，說明井筒有可能發生溢流或者井漏，主機則會將這些參數傳送到司鉆臺的顯示器上并發出警報。這套裝置精度為滿量程的0.2%，計量罐的檢測精度可以達到0.1m3，現場應用過程中可以實現自動灌注鉆井液和自動停止灌注鉆井液。減少了人為誤判發生概率，保證了鉆井安全。

2020年，廖璘志[5]等人研制了一套罐面監測系統，該系統由流量、密度和液位等傳感器，以及主控元件和報警器等外圍元件組成。液位傳感器采用浮球式液位深度儀實時監測各罐體中的液面高度，信號傳輸到控制器后會換算成各罐液體體積。密度傳感器可檢測到鉆井液性能為工況預判提供輔助信息。流量傳感器可以檢測到鉆井液罐中新增加的鉆井液體積。該監測系統的核心工作單元為數據處理及邏輯控制主機，可配置于各種型號的鉆機和其他井下作業機械上。

西部鉆探錄井分公司李開榮[6]等針對超聲波傳感器測量精度下降、采集數據不穩定、易受作業環境干擾的不足，利用虹吸效應和貫通原理設計出一套特殊結構的鉆井液池體積監測裝置。該裝置由一個類似“T”形結構的主體裝置、導管、超聲波傳感器等部件組成，在監測過程中可以避免鉆井液罐中液面上下起伏波動引起的誤差，為提高鉆井液罐液面監測精度和滿足及時發現溢流、井漏等井控要求提供了新的解決方案。

長江大學石油工程學院鄭雙進[7]等為解決固井作業過程中監測手段較少、監測過程不完全和缺乏分析預警系統等問題，研制了固井作業全過程預警系統，通過低功耗單片微型處理器采集傳感器數據，并利用無線模塊將數據傳輸到上位機，可以實時監測固井作業中完井液密度、注入壓力和流量，還可以對固井作業過程中存在的憋堵、溢流和井漏等風險進行提前預警。在現場測試中，該系統可對固井全過程施工參數進行監測，具有數據采集準確、信號傳輸穩定等優點，為提高固井作業安全提供了較好的技術手段。

東北石油大學白麗麗[8]等以鉆井液流量、密度和液位等為參數，結合施工過程中的實際工況，研發了一套基于多參數控制的鉆井井下復雜事故監測系統。這套系統由數據采集與傳輸處理、報警系統組成，采用的非接觸式鉆井液密度檢測儀避免了數據遠程傳輸的誤差。在現場試驗過程中，該系統工作狀況穩定，對現場模擬工況均能及時作出準確判斷和預警。

（三）機械監測裝置問題分析

在不同時期研制的上述機械監測裝置與傳統方式相比，實現了機械化、自動化監測與識別，滿足了一定條件下的監測需求。但是，隨著井控要求越來越嚴格，采用這些裝置還存在著一定問題。一是誤判次數多，每次開關鉆井泵的過程中，井筒由于受到環空壓耗的影響，整個井筒像一個氣球，有膨脹系數，開泵時泥漿罐液面會有一定程度減少，等關掉鉆井泵的時候，罐液面又有一定的上升，造成井漏溢流系統誤報警。二是地面人為處理鉆井液等操作會造成鉆井液池液位發生變化，發出錯誤報警，讓工程技術人員疲于作戰。三是測量精度不高，常規鉆井液罐的內容積約為60m?，當溢流或井漏量小于2m?時，2個鉆井液罐的液面高度變化不到１cm，而鉆井液池液位監測裝置誤差在2cm左右，故對小于2m?的溢流和井漏不能及時準確監測。四是時效性不強，當井漏溢流發生時往往都是通過泥漿罐的液面來判斷，如果發生氣侵，氣體從井底循環至井口這個過程需要很長時間，氣體返至井口時，井下復雜已經比較嚴重，浪費了寶貴的搶險時間。

四、智能溢流井漏信息系統的設計

（一）智能預警信息系統的設計思路

智能溢流井漏預警信息系統由監測裝置、數據采集裝置、供電設備、傳輸設備、軟件裝置、顯示器和報警裝置共七部分組成。

監測裝置內部安置有數據采集系統，把裝置進液端安裝在井筒出液口處，鉆井液經流量計后從出口端流至泥漿罐。數據采集系統可對監測到的鉆井液流量、出口壓力、井內液面深度、井底壓力等數據進行分析和判斷，最終做出是否需要發出預警的判斷。監測裝置的供電系統可以采用220V的交流電進行供電，也可以采用36V蓄電池連接太陽能板充電方式進行持續供電，以保證整個監測系統的供電需求。為實現信息傳輸的及時性和準確性，預警信息系統采用無線或局域網進行信息傳輸，實現監測裝置各單位和作業現場各部門之間的通信暢通。軟件部分可以實現基本數據采集、錄入、計算與分析的功能，采用移動平均算法對是否即將發生溢流、井漏進行判斷并做出預警或報警。監測系統的顯示器可用來顯示監測數據繪制成的曲線、溢流或井漏圖形。報警系統安裝在監測裝置頂部，可以進行遠程操控，并實現分級聲光報警。

（二）智能預警信息系統優勢分析

與其他預警裝置和系統相比，智能預警信息系統具有以下優勢：一是該裝置充分根據鉆進過程中采集到的液壓、流量、液面深度等參數，經過分析比對后做出邏輯判斷，在井漏溢流發生的初期進行初預警，初預警后現場工程技術人員立即結合鉆井過程中的鉆壓、鉆時、泵壓等實時參數進行預警確認，也可連線專家進行確認。在鉆井液從井底循環至井口的這段時間內可以做應急搶險準備，確保了及時性，減少了誤判次數。二是該信息系統適當放寬了確認預警的條件，降低了開關泵和人為處理鉆井液產生的誤判次數，提高預警的精度。三是傳統井漏溢流預警系統是在泥漿池液面發生變化或者氣體溢出才發生報警，智能溢流井漏預警系統是在初期即發出預警，給工程搶險爭取了時間。

（三）智能預警信息系統的預警條件確定

1.井漏預警條件

（1）鉆進時井漏預警條件

初步預警條件：放空（鉆時減少、鉆壓減少且懸重增加），同時泵壓下降。確認預警的條件：除了滿足初步預警條件外，泥漿槽出口流量計監測流量降低，泥漿罐液面下降。

（2）下鉆時井漏預警條件

初步預警條件，每下鉆一柱鉆具泥漿返出的體積與上一柱相比相差30%或以上，且持續2柱，或井口泥漿不返。確認預警條件：除了滿足初步預警條件外，持續下鉆4柱鉆具后下入鉆具的體積與泥漿返出體積持續相差30%或以上，或者井口泥漿不返。

2.溢流預警條件

（1）鉆進時溢流的預警條件

初步預警條件，放空（鉆時減少、鉆壓減少且懸重增加），同時泵壓變化超過1兆帕。確認預警條件：除了滿足初步預警條件外，泥漿槽出口流量計監測流量增加，或泥漿罐液面上升，或錄井氣測值大幅增加。

（2）起鉆時溢流預警條件

初步預警條件，每起鉆一柱灌入泥漿的體積與上一柱相比相差大于等于30%，且持續2柱，同時起鉆時井口返出泥漿。確認預警條件，除了滿足初步預警條件外，持續起鉆4柱鉆具后起出鉆具的體積與泥漿灌入的體積持續相差大于等于30%，同時井口不停返出鉆井液。

五、現場應用

在現場施工時，對研制的智能溢流井漏監測信息系統進行了應用與測試，結合區塊歷年鉆井施工資料，分別選取易發生溢流和井漏的徐家圍子深層氣井進行監測信息系統的井漏和溢流監測測試。

（一）井漏實例

徐家圍子深部地層營城組等層位發育有豐富的天然氣資源，是大慶油田天然氣的主產區。由于深部火山巖地層破碎帶發育、地層膠結能力差，且地層壓力系數較高，井漏情況時有發生。徐深X-P1井在鉆至沙河子層位時發生滲漏，由于井漏監測不及時、錯過最佳處理時機，最后發生失返性漏失，最大漏速達到15.6m3/h，全井共漏失油基鉆井液超過1800m3，最后不得不進行停鉆堵漏作業，堵漏失效后只能填井側鉆，造成了巨大的經濟損失。

徐深X1井是部署在徐家圍子的一口深層天然氣井，該井在鉆進至3813.02米時，出現鉆具突然放空、鉆時降低、鉆壓降至零的情況。監測泵壓也開始大幅下降，隨后發生了輕微滲漏。此時，監測信息系統發出初步預警，司鉆收到初步預警指令后，立刻停鉆，觀察泵壓變化，同時告知泥漿工觀察出口流量和罐液面變化，確認預警信息后，立刻停泵，并立即采取一系列工程措施，避免鉆井液大量漏失。由于及時觸發初步預警條件，報警成功率大大提高，避免井漏進一步擴大。

（二）溢流實例

徐深X2井也是一口深層天然氣井，在鉆至3657.89米時，監測系統發出預警，此時鉆壓下降明顯，泵壓也跟著下降，初步判斷鉆進過程中發生油氣侵。司鉆收到初步預警指令后，立刻停鉆，靜止觀察，同時告知泥漿工觀察出口流量和罐液面變化，確認出口流量增加、泥漿罐液面也增加，確認發生溢流，并按照溢流應急預案立即組織搶險，避免了油氣大量返出地面后再組織搶險，節約了寶貴的反應和處理時間，避免事態進一步惡化。

六、結語

溢流和井漏是鉆井過程中常發生的井下復雜情況，也是當前井控工作重點防范內容之一。對溢流、井漏發生原因及危害進行了系統分析，并對目前常用的溢流井漏監測系統與裝置進行了介紹及優缺點綜合分析。

研制的溢流井漏智能監測信息系統不僅能夠排除人為判斷的誤差，減少停鉆時間，提高鉆井時效，還能及時發現溢流和井漏的前期征兆，在鉆時和泵壓發生異常時初步預警。

現場應用中，智能監測信息系統能夠收集施工數據和分析各種工程參數，及時作出預警，并采取處理措施，避免溢流和井漏嚴重時才做出預警，能爭取到寶貴的搶救時間，對于井控安全意義重大。

參考文獻

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責任編輯：張津平