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妥红, 张以军, 张耀先, 杨明清, 解俊昱, 刘华阳. 钻井液罐液面抗波动装置的研发与应用[J]. 录井工程, 2024,35(2): 44-48.
TUO Hong, ZHANG Yijun, ZHANG Yaoxian, YANG Mingqing, XIE Junyu, LIU Huayang. Development and application of anti-fluctuation device for drilling fluid tank liquid level[J]. Mud Logging Engineering, 2024,35(2): 44-48.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2024.02.008  
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钻井液罐液面抗波动装置的研发与应用
妥红①, 张以军②, 张耀先③, 杨明清④, 解俊昱①, 刘华阳⑤
①中国石油西部钻探工程有限公司地质研究院（录井工程分公司）
②中国石油西部钻探工程有限公司工程技术处
③中国石油西部钻探工程有限公司吐哈钻井公司
④中石化石油工程技术服务有限公司
⑤中国石油西部钻探工程有限公司市场与生产协调处

作者简介：妥红 高级工程师,1967年生,2012年毕业于山东理工大学经济管理专业,现在中国石油西部钻探地质研究院（录井工程分公司）从事综合录井技术工作。通信地址：842000 新疆阿克苏地区库车市东城街道长宁路库车龟兹小微创业园。电话：13399950162。E-mail：thljth@163.com

收稿日期: 2024-02-06
摘要

钻井液池体积参数变化是钻井液液量增加或减少的直接显示,也是判断和预防溢流、井漏的关键参数。由于钻井液液面受搅拌器搅拌的影响,波动剧烈,给综合录井仪钻井液池体积参数准确监测造成一定的干扰,影响到溢流和井漏等工程异常的判断,也是录井作业的一个难点。为此,研发了钻井液罐液面抗波动装置,该装置由镂空式抗波动管、安装卡箍、传感器安装支架3部分构成,可大幅减少钻井液搅拌器的影响。通过现场在同一窗口安装两个同型号传感器进行监测对比得知,钻井液罐液面抗波动装置有效地降低了液面波动干扰,提高了溢漏等关键井控异常监测的精确性,为钻井工程实时决策提供了科学依据,为确保井控安全发挥了重要作用。

关键词: 综合录井仪; 钻井液; 池体积; 液面波动; 抗波动管; 安装卡箍; 安装支架; 搅拌器
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Development and application of anti-fluctuation device for drilling fluid tank liquid level
TUO Hong①, ZHANG Yijun②, ZHANG Yaoxian③, YANG Mingqing④, XIE Junyu①, LIU Huayang⑤
①XDEC Geological Research Institute（MudLogging Branch Company）of CNPC, Kuqa, Xinjiang 842000, China
②Engineering Technology Department of XDEC, CNPC, Urumqi, Xinjiang 830011, China
③Tuha Drilling Company of XDEC, CNPC, Turpan, Xinjiang 838200,China
④Sinopec Oilfield Service Corporation, Beijing 100200, China
⑤Market and Production Coordination Department of XDEC, CNPC, Urumqi, Xinjiang 830011, China
Abstract

The change of drilling fluid volume parameter is a direct indication of the increase or decrease of drilling fluid found in time, and is also a key parameter for judging and preventing overflow and circulation loss. As the drilling fluid is stirred by the agitator, the liquid level fluctuates violently, which causes certain errors in the monitoring of drilling fluid volume parameter by the comprehensive mud logging unit, and affects the abnormal judgment of drilling fluid parameters such as overflow and circulation loss, which is also a difficult point in the mud logging operation. Therefore, a drilling fluid tank liquid level anti-fluctuation device has been developed, which is composed of hollow anti-fluctuation pipe,installation of collar clamp, sensor mounting bracket and other components, which can greatly reduce the influence of drilling fluid agitator. By installing two sensors of the same model at the same window on site for monitoring and comparison, it is found that the anti-fluctuation device for the drilling fluid tank liquid level effectively reduces the interference of liquid level fluctuations, improves the accuracy of monitoring key well control parameters such as overflow and circulation loss, provides a scientific basis for real-time decision-making in drilling engineering, and plays an important role in ensuring well control safety.

Keyword: comprehensive mud logging unit; drilling fluid; pit volume; liquid level fluctuation; anti-fluctuation pipe; installation of collar clamp; mounting bracket; agitator
0 引言

录井的主要作用之一是确保优快安全钻井, 尤其在及时发现溢流、井漏等工程异常方面具有十分突出的作用, 是保证钻井全周期安全的重要技术手段[1]。录井超声波池体积传感器安装在钻井液罐罐面之上, 通过发射超声波信号来检测罐内液面高度, 进而实现罐内钻井液体积的监测。根据录井传感器安装规范, 超声波池体积传感器安装口直径不小于 20 cm, 钻井液罐内钻井液液面保持平稳, 传感器测量探头与被测钻井液罐顶面保持 30~50 cm垂直高度, 并确保测量探头正下方波束角（10° ）范围内无遮挡物。但在录井过程中, 受钻井液罐内搅拌器的影响, 罐内液面产生大幅波动, 会干扰钻井液池体积传感器的正常监测, 给录井现场钻井液池体积变化的准确测量带来困难, 进而对及时发现和准确预报溢流、井漏等异常风险造成影响。为此, 研发设计了钻井液罐液面抗波动装置, 来有效阻隔罐内搅拌器造成的液面波动干扰, 为钻井液池体积的精确测量和井下溢漏的精准预报提供了技术保障。

1 钻井液罐液面抗波动装置的设计

钻井液罐液面抗波动装置设计的4个原则如下：一是能够有效阻挡搅拌器运转时产生的液面波动, 且防腐蚀性和耐用性强; 二是传感器安装位置和高度统一, 能满足不同油田钻井液罐安装要求; 三是改变只有一个安装支撑点的传统池体积传感器安装方法, 提高传感器的监测精度[2]; 四是符合综合录井仪传感器安装技术规范[3]。

1.1 整体设计

钻井液罐液面抗波动装置整体结构由抗波动管、安装卡箍、传感器安装支架3部分构成（图1）。抗波动管垂直安装在钻井液罐内, 能有效将搅拌器搅拌所产生的波动阻隔在抗波动管外部[4], 超声波池体积传感器监测管柱内平稳液位, 从而实现钻井液池体积精准监测[5]; 安装卡箍的构型和规格根据抗波动管的直径设计, 安装在钻井液罐罐面用于固定抗波动管; 传感器安装支架用于固定传感器, 要求安装位置和高度要统一, 以消除因池体积传感器设置可能带来的系统性误差。

图1 钻井液罐液面抗波动装置结构

1.2 抗波动管设计

抗波动管与钻井液罐高度相匹配, 其结构如图2所示。抗波动管管柱采用钢管制作, 规格尺寸为外径273 mm、内径257 mm、壁厚8 mm、长度2 150 mm[6]。抗波动管中部开取宽40 mm、高1 300 mm的钻井液排液口, 用于排出钻井液, 减少管柱内液面波动。抗波动管下部四周开取4个宽100 mm、高200 mm的钻井液流动口, 用于钻井液从管柱下部流进、流出。抗波动管底部四周焊接4根直径20 mm、高200 mm的立柱, 用于从钻井液罐底部支撑抗波动管。

图2 抗波动管结构

需要说明的是, 根据超声波池体积传感器安装技术规范, 要求传感器监测方向与被监测液面垂直, 定向波束角（10° ）范围内无遮挡物。通过对不同液面高度监测对比得知, 只有钻井液液面高度与抗波动管内径相匹配, 才能够准确地监测钻井液池体积参数变化, 满足监测需求。如表1所示, 通过分析可知, 当钻井液罐内液面高度下降到1.50 m时, 定向波束角对应管径为261.0 mm, 监测曲线波动小, 曲线变化趋势呈平稳状态, 符合安装技术规范。当钻井液罐内液面高度下降至1.60~2.30 m之间时, 定向波束角对应管径应介于278.4~400.2 mm之间。所以当被监测液面位置过低时, 该装置管壁会产生回声干扰信号, 导致测量曲线出现异常[7]。经过现场多次对液面高度与抗波动管内径对应监测得知, 抗波动管制作过大, 现场安装困难; 制作太小, 影响超声波钻井液池体积传感器正常测量。因此抗波动管的制作, 应根据实际钻井液罐的高度准确设计应用。

表1 液面高度与抗波动管内径对应关系
1.3 安装卡箍设计

安装卡箍的作用是将抗波动管固定在钻井液罐内[8], 其结构及规格根据抗波动管的直径来设计。如图3所示, 安装卡箍由两部分组成：一是固定边框, 其结构为长380 mm、高5 mm、宽380 mm的正方形框架, 固定边框四角设计有安装固定孔, 便于现场安装; 二是卡箍, 结构为高120 mm、宽3 mm、内径273~339 mm的圆形框架, 与固定边框的内边沿进行固定连接, 可满足直径273~339 mm之间抗波动管的安装要求。

图3 安装卡箍结构

1.4 传感器安装支架设计

传感器安装支架根据传感器安装标准进行设计, 如图4所示, 采用梯形结构。安装支架高度400 mm, 其顶端长130 mm、宽140 mm, 底端长380 mm、宽140 mm, 符合直径为273~380 mm 抗波动管的安装要求。安装支架顶端设计有直径70 mm的传感器探头安装孔, 符合综合录井仪现场安装技术规范。

图4 传感器安装支架结构

2 实验测试

将钻井液罐液面抗波动装置安装在实验水箱内, 进行不同搅动幅度模拟实验, 测试抗波动管内液面稳定性。如图5所示, 首先将安装卡箍固定在抗波动管上端, 排液口开口背向搅拌器安装, 再将传感器安装支架固定在卡箍上部, 最后将池体积传感器探头安装在支架上, 进行不同搅拌幅度模拟测试。如表2所示, 人工搅拌模拟测试, 当抗波动管外部液面波动高度在0~2.0 cm时, 管柱内液面波动高度0 cm, 液面波动最大误差2.0 cm; 当抗波动管外部液面波动高度在2.0~4.0 cm时, 管柱内液面波动高度0~1.0 cm, 减小液面波动最大误差3.0 cm; 当抗波动管外部液面波动高度在4.0~6.0 cm时, 管柱内液面波动高度1.0~1.5 cm, 减小液面波动最大误差4.5 cm; 当抗波动管外部液面波动高度在6.0~8.0 cm时, 管柱内液面波动高度1.5~2.0 cm, 减小液面波动最大误差6.0 cm; 当抗波动管外部液面波动高度在8.0~10.0 cm时, 管柱内液面波动高度2.0~2.5 cm, 减小液面波动最大误差7.5 cm; 当抗波动管外部液面波动高度在10.0~12.0 cm时, 管柱内液面波动高度2.5~3.0 cm, 减小液面波动最大误差9.0 cm。通过测试结果得知, 该装置能有效地减小管柱内液面波动的幅度。

图5 钻井液罐液面抗波动管测试示意

表2 人工搅拌模拟测试对比
3 现场应用效果

选择塔里木油田5口井进行了钻井液罐液面抗波动装置的现场应用。将钻井液罐液面抗波动管垂直安装在钻井液罐顶面窗口, 排液口背向搅拌器安装, 底部坐落在钻井液罐底部, 整体安装稳定牢固。传感器安装支架固定于卡箍两侧, 传感器安装在支架中心位置, 并确保传感器探头与被测钻井液罐罐面的垂直高度大于30 cm, 以消除传感器系统性误差的影响（图6a、图6b）。

图6 钻井液罐液面抗波动装置现场应用

3.1 起钻工况下的应用

选择起钻作业工况进行应用分析, 对钻井液罐上同一窗口两个同型号的池体积传感器未安装抗波动管与安装抗波动管进行监测对比（图7）, 并采用同比例曲线进行对比分析, 如图8所示。未安装抗波动管的池体积监测曲线（绿色）呈现大幅波动趋势, 不能准确判断钻井液池体积参数变化是否异常; 安装抗波动管的池体积监测曲线（红色）呈现平稳趋势, 可精准呈现钻井液池体积参数变化趋势。通过液面监测对比可见, 该抗波动管装置在起钻过程中, 能有效地减小钻井液液面波动干扰。

图7 池体积传感器安装与未安装抗波动管示意

图8 起钻工况下池体积监测曲线对比

3.2 循环作业工况下的应用

选择循环作业工况进行应用分析, 对钻井液罐上同一窗口两个同型号的池体积传感器未安装抗波动管与安装抗波动管进行监测对比, 并采用同比例曲线进行对比分析, 如图9所示。未安装抗波动管的池体积监测曲线（绿色）呈现不规则锯齿状; 安装抗波动管的池体积监测曲线（红色）呈现平缓趋势。通过多次开泵、停泵测试对比监测得知, 该抗波动管装置能在循环作业工况下, 有效地减小液面波动干扰, 极大地提高了钻井液池体积监测精度, 为准确预报井下溢漏等异常工况提供参考依据。

图9 循环作业工况下池体积监测曲线对比

4 结论与认识

（1）通过对钻井液池体积监测方法的改进, 提高了钻井液池体积测量精准度, 确保第一时间准确发现钻井液池体积参数异常, 及时预警和处置, 为钻井井控安全再上一道“ 保险” 。

（2）根据录井钻井液池体积传感器安装规范, 抗波动管内径需与钻井液罐液面测量高度相匹配, 才能够确保传感器准确地监测钻井液罐液面变化, 为准确测量钻井液液量变化提供了准确详实的依据。

（3）钻井液罐液面抗波动装置, 为钻井液参数采集提供了精确监测和精准预报, 增强了综合录井在钻井现场的使用价值, 其技术应用效果良好, 在塔里木油田已经全面推广应用, 并列入塔里木油田井控辅助装置目录。

编辑 唐艳军

参考文献
[1] 张世明, 张玲, 岳俊, 等. 应用综合录井参数在钻进中的溢流预报方法[J]. 录井工程, 2018, 29(1): 29-33.
ZHANG Shiming, ZHANG Ling, YUE Jun, et al. Method of using comprehensive logging parameters in overflow prediction during drilling[J]. Mud Logging Engineering, 2018, 29(1): 29-33. [本文引用:1]
[2] 李兆群. 综合录井现场信号干扰问题及解决方法[J]. 录井工程, 2011, 22(1): 56-58.
LI Zhaoqun. Compound logging field signal interference problem and solutions[J]. Mud Logging Engineering, 2011, 22(1): 56-58. [本文引用:1]
[3] 中国石油天然气集团公司标准化委员会石油工程技术专业标准化技术委员会. 综合录井仪现场安装技术规范： Q/SY 1766-2014[S]. 北京: 石油工业出版社, 2015.
Petroleum Engineering Technology Professional Stand ardization Technical Committee of CNPC Stand ardization Committee. Site installation technical specification for mud logging unit： Q/SY 1766-2014[S]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2015. [本文引用:1]
[4] 蒋怀德, 喻良, 常立冬. 城市供水管网连通性分析研究[J]. 河南科学, 2007, 25(2): 300-302.
JIANG Huaide, YU Liang, CHANG Lidong, et al. Connectivity analysis of water distribution system[J]. Henan Science, 2007, 25(2): 300-302. [本文引用:1]
[5] 王健, 陈颖, 张军阳, 等. 钻井液循环系统减缓液面波动装置研发与应用[J]. 石油钻探技术, 2017, 45(5): 48-52.
WANG Jian, CHEN Ying, ZHANG Junyang, et al. Development and application of a device for alleviating liquid level fluctuation to be used in drilling fluid circulation system[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(5): 48-52. [本文引用:1]
[6] 李开荣, 陈俊男, 段丽娟, 等. 钻井液池体积精准监测装置的研制与应用[J]. 录井工程, 2022, 33(4): 92-96.
LI Kairong, CHEN Junnan, DUAN Lijuan, et al. Development and application of a precise monitoring device for drilling fluid pit volume[J]. Mud Logging Engineering, 2022, 33(4): 92-96. [本文引用:1]
[7] 妥红, 刘伍生. 超声波液位传感器参数监测影响因素的排除及其应用[J]. 石油天然气学报, 2017, 39(4): 199-210.
TUO Hong, LIU Wusheng. The Method for removing the factors affecting monitoring parameters of ultrasonic fluid level sensor and its application[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2017, 39(4): 199-210. [本文引用:1]
[8] 黄莉. 抱箍设计[D]. 泉州: 泉州信息职业技术学院, 2007.
HUANG Li. Hold hoop design[D]. Quanzhou: Quanzhou Institute of Information Engineering, 2007. [本文引用:1]