引用本文
张良, 谢平, 王浩晨. 钻录一体化井下液面连续监测技术研发及应用[J]. 录井工程, 2026,37(1): 34-41.
ZHANG Liang, XIE Ping, WANG Haochen. R&D and application of continuous monitoring technology of downhole liquid level in drilling-mud logging integration[J]. Mud Logging Engineering, 2026,37(1): 34-41.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2026.01.006  
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钻录一体化井下液面连续监测技术研发及应用
张良, 谢平, 王浩晨
上海神开石油科技有限公司

作者简介：张良 工程师,1991年生,2013年毕业于成都理工大学资源勘查工程专业,现在上海神开石油科技有限公司从事高新装备技术研发制造与推广应用工作。通信地址：201114 上海市闵行区浦星公路1769号。E-mail：759929332@qq.com

收稿日期: 2025-11-05
基金: 塔里木油田公司科研课题“钻录一体化的液面监测系统现场试验”（编号：201020061010）; 上海闵行科技项目“SK-OLM在线井筒液位检测仪”（编号：2022MH-ZD11）
摘要

钻井过程中环空液面不在井口时,为解决开井状态下井下液面难以连续监测、液面深度缺乏自动识别手段及无法与钻井工程参数联动,指导溢漏全过程决策的技术难题,提出钻录一体化井下液面连续监测技术及应用方案。结合现场实际进行井下液面监测仪传感器化设计及与综合录井深度集成的研究：通过优化安装位置减少声波干扰,解决开井状态下连续监测的难题;采用基于回波周期性衰减特征的相关性算法,解决了井下液面自动识别的难题,提高了连续监测自动化程度。该技术与综合录井系统进行数据交互并实时曲线监控,结合液面深度建立起计算漏速和漏失量的井筒漏失动态模型,实现了井漏失返情况下钻井工程与综合录井的一体化应用,达到对井下状态和溢漏情况进行实时监测、分析、报警、记录等目的。在井场实际应用案例中,开井实时监测取得了较好的应用效果,实现了井漏失返工况下的动态预警并精准指导堵漏决策,为井控安全提供了有力的保障。

关键词: 井漏; 环空液面; 液面监测; 开井状态; 漏失动态模型; 钻录一体化
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
R&D and application of continuous monitoring technology of downhole liquid level in drilling-mud logging integration
ZHANG Liang, XIE Ping, WANG Haochen
Shanghai Shenkai Petroleum Technology Co., Ltd., Shanghai 201114, China
Abstract

When the annulus liquid level is not at the wellhead during the drilling process, in order to solve the technical difficulties of continuousiy monitoring downhole liquid level, the lack of automatic means for identifying the fluid level depth, and the inability to link with drilling engineering parameters to guide the decision-making of the whole overflow and lost circulation process in the well opening state, the drilling-mud logging integration downhole liquid level continuous monitoring technology and its application program are proposed. Based on the actual situation on site, the study is conducted on the sensor-based design of downhole liquid level monitoring instruments and their deep integration with the compound logging. By optimizing the installation location to reduce acoustic interference, the problem of continuous monitoring in the well opening state has been solved. The correlation algorithm based on the periodic attenuation characteristics of echoes solves the problem of downhole liquid level automatic identification and improves the automation extent of continuous monitoring. The technology interacts with the compound logging system for data exchange and monitors real-time curves. Combined with the liquid level depth, the dynamic models of wellbore leakage for calculating leakage rate and the lost circulation volume were established, realizing the application of drilling engineering-compound logging integration in the case of lost returns for lost circulation. The purposes of real-time monitoring, analysis, alarm and recording of downhole conditions and overflow and lost circulation situations are achieved. In practical application cases on well sites, real-time monitoring of well opening has achieved good application results, realizing dynamic warning under lost returns for lost circulation conditions and accurately guiding plugging decisions, and providing strong guarantees for well control safety.

Keyword: lost circulation; annulus liquid level; liquid level monitoring; well opening state; leakage dynamic model; drilling-mud logging integration
0 引言

钻井过程中及时监测和预警井下溢漏情况, 对井控安全具有重要意义。基于BP神经网络算法和支持向量机（SVM）算法的井涌井漏实时预测方法和模型, 尽管在综合录井的溢漏预警中表现较好[1], 但当环空液面不在井口时, 通常只能用井下液面监测仪测量井下液面深度变化的方式来监测溢漏情况。多年来, 基于次声波原理的井下液面监测仪从监测环境相对简单的采油厂应用, 到现在监测环境复杂的钻井现场, 已经不断优化完善并日臻成熟。但目前国内外常规的井下液面监测服务只提供单一、不连贯的液面深度参数, 对于现场钻井作业来说并无及时、直接的实质性帮助。监测井下液面深度的最终目的不仅仅是获取液面位置, 更重要的是基于液面深度和钻井工程参数生成液面变化曲线（即需要连续监测）、计算井漏失返过程中的漏速和钻井液漏失量, 以及可能发生的漏转溢报警提示等, 涉及监测整个井漏和溢流的动态变化过程。

在数智化油田建设过程中, 市场需求不断推动着钻井装备的高度自动化、高端智能化进程, 开井状态下无法连续监测、无法自动识别液面深度及无法与钻井工程参数联动指导整个溢漏过程决策的技术难题亟待解决。因此, 结合钻井现状提出钻录一体化井下液面连续监测技术应用方案, 其中包含3个重要组成部分, 即智能升级的井下液面监测仪、优化的测量与交互方式、实时在线监测分析动态漏失情况。该技术框架如下：首先对井下液面监测仪进行传感器化设计; 其次在钻井工程设计的地面设备及管汇结构中增加有效的液面监测口, 并与综合录井相结合完成钻录井实时联动和钻井工程参数数据交互; 最后对井下液面深度实时连续监控, 实时分析掌握井下液面动态漏失情况, 及时有效指导钻井决策, 减少钻井液漏失、节约材料成本、降低对储层的伤害, 预防钻井井控安全事故, 为工程预警提供技术保障[2, 3, 4]。为解决以上技术难题并达到应用目的, 钻录一体化井下液面连续监测技术在系统安装方式、测量方式、开井测量回波自动识别算法及处理方式、井漏溢流数据计算、氮气持续供给等各方面都有较大的改进和技术创新, 能够在井漏失返状态下实时有效监测井下液面深度、漏速、漏失量等关键参数, 弥补了钻井现场井漏失返井下状态监测的技术空白。

1 核心技术及原理
1.1 井下液面监测仪录井传感器化

目前井下液面监测技术普遍采用关井状态下的常规测量方式, 受现场条件限制, 将声波发生装置安装于井口附近后, 只能将4 L氮气瓶与声波发生装置近距离相连, 通过手动操作声波发生装置上的机械阀完成氮气充放过程, 再从近距离连接的防爆笔记本电脑上使用软件人工读取液面回波得到液面深度, 在安全性、及时性、连续性等方面存在很大的隐患和不足[4]。

钻录一体化井下液面连续监测系统首先把井下液面监测仪枪体单独安装在井口附近作为录井的一个传感器, 其他设备放置在录井仪器房内。系统设备组成包括：井口声波发生装置和微音器（即枪体）、声波采集控制装置（监测仪）、可供氮气流量≥8 L/min的制氮系统, 以及装载有液面回波分析软件和溢漏参数监测软件的计算机, 其钻录一体化功能体现在非单一参数的全面数据交互和集成分析预警, 完成液面监测、钻井工程、录井工程的实时联动（图1）。

图1 钻录一体化井下液面监测系统安装及工作原理示意

该系统具体工作流程包括：制氮系统持续供给氮气源, 采集控制装置向井口声波发声装置发送指令并充入一定压力的氮气, 随即控制井口声波发生装置内的高压气体向井内通道释放, 产生爆破声源形成次声波并在通道内传播; 次声波遇到液面时产生反射回波, 声波采集控制装置（监测仪）采集回波后转换为电信号, 经放大并将其他井下噪声信号进行过滤和处理后, 传输到计算机分析软件, 自动计算并分析出液面位置即液面深度[5], 再将该深度数据通过WITS协议传输给录井系统或远传软件完成数据交互（图1）。

钻录一体化井下液面连续监测系统的计算机、监测仪及制氮系统则放置于录井仪器房内, 通过局域网和WITS传输协议完成与录井软件的交互, 即将液面深度数据通过WITS协议传输给录井监测曲线软件中显示, 并远传至甲方终端; 也可以将录井所需各项参数传输至SK-OLM液面监测软件, 共同显示监测曲线。此举可以将液面深度数据与录井参数相结合, 分析和判断井下情况, 帮助录井工作人员熟悉预报流程, 可及时发现异常并预报, 规避了因操作人员分析和预报不熟练形成的风险; 同时, 液面深度实时曲线监控有助于及时发现和分析井下情况, 可快速结合钻录井工程参数数据, 准确计算井漏失返状态下漏速和钻井液漏失量, 并及时汇报。

1.2 实现开井测量

目前井下液面监测的常规测量方式普遍是关井测量, 需先关闭防喷器使得井筒空间封闭, 保障井下液面检测仪发射至井筒内的次声波能量不易快速衰减, 从而达到有效的监测效果。但频繁开关井可能因误操作将钻具夹断掉落, 存在破坏井内压力平衡等风险, 给钻井井控安全带来较大的影响。此外, 常规测量方式需将井口声波发声装置安装于节流/压井管汇处, 部分甚至安装于考克上, 存在距离井筒较远、直角拐弯多、管道通路路程支路多、反射干扰多、部分测量口极小还要变径等因素, 而这些因素对测量结果有很大的影响, 例如导致回波波形杂乱甚至难以人工识别等, 无法实现开井测量。钻录一体化井下液面连续监测技术要实现连续开井测量, 研究以下两个方面的优化解决方案则变得尤为重要。

1.2.1 优选安装位置

经过多年的现场应用, 钻录一体化井下液面连续监测技术方案确定了防喷器四通旁边的1#、2#阀门之间或3#、4#阀门之间为最优测量位置（图‍2）, 在该位置安装有效的液面监测三通并将井口声波发声装置安装于液面三通测量口, 以便能够实现实时开井测量, 其最终确定的原因主要包括：

图2 开井测量安装位置示意

（1）该位置较低, 便于安装、拆卸和日常清洁维护。

（2）距离井筒最近, 影响次声波传播的直角拐弯少, 开井状态下测量回波清晰, 利于提高测量可靠性和准确性。

（3）该位置在浅液面时, 无论关井测量还是开井测量、测量口大还是小, 均能得到准确的液面深度; 当遇到深、超深液面时, 需保障测量口与井口发声装置口径基本一致, 且测量时尽量保持钻具静止、液面稳定, 特别是灌浆后需等待足够的时间, 避免流动的液体对测量造成影响[6]。

（4）未测量时常关阀门不影响任何钻井作业, 阀门关闭也排除了可能的井控安全隐患。

1.2.2 开井测量自动识别算法

井下液面的开井测量最大的影响因素就是回波能量的散失, 造成液面回波信号较弱, 液面位置难以确认, 软件也无法自动识别。常规液面回波自动识别大多采用基于液面回波极值的算法, 缺点是易被忽略的小信号可能实际是真正的液面回波。本技术采用基于回波周期性衰减特征的相关性算法来解决小信号的问题[7], 主要实现步骤如下：

利用多次回波之间的相关性分析来提取计算得到液面回波x（n）特征, 设y（n）为x（n）的下一次液面回波,∂xy为其归一化相关系数, 可表示为：

$\partial_{\mathrm{xy}}=\frac{\sum_{n=0}^{\infty} x(n) y(n)}{\sqrt{\sum_{n=0}^{\infty} x^{2}(n) \sum_{n=0}^{\infty} y^{2}(n)}}$（1）

其中, 分母为常量, 表示两个回波能量积的平方根, 故∂xy的大小由分子决定, 其分子为x（n）和y（n）的相关系数Rxy：

$R_{\mathrm{xy}}=\sum_{n=0}^{\infty} x(n) y(n)$（2）

当两个回波完全相关时,Rxy取最大值, 此时归一化相关系数绝对值为1; 当两个回波完全无关时,Rxy取最小值, 此时归一化相关系数绝对值为0; 当两个回波部分相关时, 归一化相关系数介于0~1之间。

通过以上公式就能找到有周期性的液面回波位置, 完成软件自动识别, 该算法的实际处理效果如图3所示。图3a为处理前基于极值识别算法的回波图, 其信号较小, 幅值在-20~20 mV之间, 软件自动识别液面深度为323.266 m; 图3b为采用新算法处理后的回波图, 可以在较小信号强度中识别到周期性的衰减回波信号, 其软件自动读值为141.986 m。相比之下, 处理前自动识别误差较大, 处理后较处理前的误差降低80%以上。

图3 相关性算法处理前后回波自动识别对比

1.3 钻录一体化井下液面连续监测技术应用

1.3.1 技术方案应用与优化

目前常规液面监测服务仍依赖人工读取液面深度, 需关井操作且读取间隔时间长, 仅能获取单一深度参数, 不能及时分析和计算获取其他衍生参数与数据。但在井漏过程中往往伴随漏转溢的情形, 需要加密测量、连续监测, 特别是在井漏失返的情况下, 需要向各相关作业方收集参数数据和表格, 不能及时得到漏速和漏失量的数据变化情况。

钻录一体化井下液面连续监测技术在应用中接入了综合录井各项关键参数, 液面监测软件具备井下液面深度自动识别和参数自动计算等功能。在接收到回波后, 软件进行分析处理并自动识别出液面深度传输至录井系统形成曲线; 结合录井各项工程参数, 通过自动计算获取实时漏速和漏失量, 可以及时判断井下情况并汇报。在井下液面检测仪的录井传感器化研究方面, 不断地优化升级了软硬件版本和算法。由于各区域各井位的具体作业条件不同, 例如安装液面监测三通有T型和Y型两种, 使用过程中也会针对不同的问题并提出相应的处理方法; 远程连接方式也分为无线和有线连接两种, 根据现场实际情况选取; 同时制氮系统也进行了升级改造, 推出了一体化便携式制氮仪, 体积更小、便携性更佳; 在获取的液面深度参数有效时, SK-OLM液面监测软件通过算法对其进行综合分析和预警, 进一步完善钻录一体化井下液面连续监测技术的现场集成化综合应用程度。

1.3.2 基于液面深度的漏速、漏失量计算

钻录一体化井下液面监测系统的溢漏监测软件能够自动得到录井系统的井身结构数据, 并基于井下液面数据计算井漏失返情况下的漏速和漏失量, 计算公式如下：

vL=（Ht2-Ht1）/（t2-t1）（3）

式中：vL为漏速（负值为溢流速度）, m/h;Ht1、Ht2分别为t1、t2时刻环空液面深度, m。

ML=（ΔV1+ΔV2+⋯+ΔVn）/（t2-t1）（4）

式中：ML为漏失量（负值为溢流量）, m3/h;ΔV1，ΔV2，⋯，ΔVn为不同钻具和井身结构对应的环空体积, m3。

钻具及井身结构数据来源于录井系统, 由于环空体积为理论计算值, 未考虑井壁垮塌、井径扩缩等复杂环空形态的影响, 后续将从这个方向扩展研究, 建立环空体积校正机制和计算模型, 结合AI技术完成模型的理论计算预训练和现场的数据训练, 使得环空体积预测结果最大限度接近于实际体积。

2 现场测试

经过塔里木油田20余口井的现场测试发现, 在强噪声干扰环境下, 如钻具上提下放晃动期间, 开井状态测量液面深度效果基本不佳, 需要钻井队配合停止提放钻具进行连续测量, 后续仍要对该环境下的抗干扰算法进行深入研究, 争取实现钻具提放过程中的开井连续液面监测; 现场遇到轻微的钻具震动时, 对监测效果并未产生很大的影响, 采用基于最小二乘平滑滤波算法的抗干扰模式可以有效抑制轻微钻具震动干扰, 在超深液面的监测中也取得了较好效果。塔里木油田所在的新疆地区昼夜温差大, 本技术方案中的制氮系统在极低温度下, 由于空气中水分无法充分干燥易结冰, 增加活塞摩阻甚至出现卡住的情况; 而在夏天极高气温下空压机长期工作负荷较大, 电机发烫损坏的情况也时有发生。为此, 提出了制氮系统添加保温处理措施、空压机延长连接气管线后放置于仪器房内工作的解决方案, 有效避免了以上问题的发生。通过以上测试不断进行技术优化和改进后, 计划在预测可能发生井漏失返区域的井位全面应用钻录一体化井下液面连续监测技术, 井位将在塔里木油田区域或长庆油田区域选取。

鉴于长庆油田Y 1井根据区域邻井资料显示极有可能发生井漏, 在该井开始安装之前, 提前在地面对液面监测设备准确性进行了验证, 方法是通过地面已知长度管线测试确保该设备可正常运行, 共有3种途径：用井队暂时闲置的套管或钻杆、防喷管线以及测量水眼。第一步, 现场随机选择一根实测长度为10.70 m的套管, 使用绝缘胶皮开孔插入枪体实测4次（图4）, 软件读取套管长度分别为10.261 1、10.021 7、9.972 2、10.192 1 m, 与套管实际长度误差很小, 准确度高。第二步, 现场选择一段防喷管线, 实测纯管线18节共约126 m, 弯头与短节长度约2.5 m, 共计约128.5 m。液面监测仪实测4次（图5）, 软件读取防喷管线长度分别为127.453、129.709、127.837、129.420 m。4次测量读数均较为稳定、回波明显, 与防喷管线实际长度误差很小, 验证了地面测量的准确度较高, 自动识别数值与实际接近。第三步, 在钻杆水眼内测量验证, 钻杆内安装有单流阀, 每柱钻杆长度已知, 下钻不灌浆的过程中, 每下1柱钻杆测1次钻杆内井下液面的深度, 两次测得液面深度的差值即为1柱钻杆的长度。从表1可以看出, 钻杆内液面深度差值与实际钻柱长度相比误差基本小于± 1%, 回波图形清晰（图6）, 此步骤验证了设备井内测量自动识别的准确性。通过测试验证了本井钻录一体化井下液面连续监测技术全面应用前设备状态完全正常。

图4 套管测量验证4次识别的回波图

图5 防喷管线测量验证4次识别的回波图

表1 下钻过程中钻杆水眼内测量结果统计

图6 下钻过程中钻杆水眼验证8次识别的回波图

3 应用实例

钻录一体化井下液面监测将相关技术与装备有机融合, 使液面深度测量不再仅仅是获取一项工程参数的单一工作, 而是快速实时地反映井漏失返工况下井下钻井液的漏速及漏失量, 从而有效地指导钻井堵漏决策, 降低井控风险, 提升了自动化程度, 实现了钻井与录井工程的有效联动。在前期20余口井的现场测试积累了大量经验的基础上, 首先在Y 1井展开开井实时监测的全面应用工作, 由于Y 1井的应用案例成功, 长庆油田HT 1井等10余口井相继采用了钻录一体化井下液面连续监测技术, 且在塔里木油田STX井等超300口井成功推广应用, 累计为不同的录井公司培训专业操作人员超千人。本文针对长庆油田Y 1井实践应用过程展开论述。

Y 1井二开钻进至井深1 928.87 m时井漏失返, 层位为刘家沟组, 使用钻录一体化井下液面连续监测技术进行全井开井状态下实时连续监测井下液面, 此时井队不需要开关防喷器, 并不影响钻井作业进度。根据大量的实践经验设定本井连续监测周期最低为1 min/次, 同时根据现场实际情况调整加密测量。由于出口失返, 开泵灌浆无法返出, 钻井及录井方均无法及时测算出准确漏速及漏失量, 存在较大的井控风险。钻录一体化井下液面连续监测系统软件自带漏速及漏失量计算功能, 根据仪器连续测得的液面深度变化量, 计算出整个过程中的漏速和漏失量, 通过软件建立井筒漏失动态模型, 经数理统计分析和三维可视化技术显示井筒漏失状态, 找到了漏失平衡点。

该井当日持续井漏期间吊灌钻井液约20 m3, 在此后加密测量并记录（图7）, 钻井队于当日18：40开泵开始注堵漏浆25.00 m3, 液面上涨90.0 m, 井筒环空钻井液增量小计5.76 m3, 据此实测开泵漏速60.76 m3/h, 累计漏失钻井液39.24 m3。由于采集时间点疏密不一, 本节所述时间点均为实际汇报时间点, 与图7横轴显示时间点并非完全一一对应显示, 仅标注本节所述时间点的对应漏速大致位置。

图7 Y 1井井漏失返状态下开井持续测量液面深度变化曲线

（1）19：05第二次开泵开始注堵漏浆12.00 m3, 液面上涨31.7 m, 井筒环空钻井液增量小计2.03 m3, 据此实测开泵漏速99.7 m3/h, 静止漏失量2.32 m3, 累计漏失钻井液51.53 m3。

（2）19：31测得静止漏速2.5 m3/h, 钻井队改单凡尔第三次开泵开始注堵漏浆10.00 m3, 液面上涨26.7 m, 井筒环空钻井液增量小计1.71 m3, 据此实测开泵漏速45.2 m3/h, 累计漏失钻井液60.50 m3。

（3）19：52第四次开泵开始注堵漏浆10.00 m3, 液面下降3.6 m, 井筒环空钻井液减少量小计0.23 m3, 据此实测开泵漏速122.7 m3/h, 累计漏失钻井液70.78 m3。

（4）20：05钻井队决定起钻, 20：57实测液面计算静止漏速1.4 m3/h, 22：12静止漏速1.12 m3/h, 钻井队凌晨起钻期间共计泵注堵漏浆30.00 m3, 至07：12液面下降24.0 m, 井筒环空钻井液减少量小计1.54 m3, 据此实测11 h综合漏速2.88 m3/h, 累计漏失钻井液103.00 m3。

应用本技术获取的以上数据及曲线图可以清晰获悉环空液面深度变化趋势, 从而快速准确地判断井下漏失情况（包括静止漏速、开泵漏速、漏失钻井液量等）, 为井控安全决策提供了有力的技术支撑, 最终堵漏成功建立循环后, 统计的漏失量与本技术数据基本一致。在井漏失返状态下, 钻井队对井下液面变化情况无从获悉往往是导致井涌、井喷的主要原因, 本技术弥补了这一空白, 不仅在开井状态下能实时监测液面深度, 还通过工程参数与液面深度综合分析降低了人工分析难度, 减少了堵漏决策时间, 加强了井控安全响应力度, 取得显著的经济效益。

4 结论与展望

（1）钻录一体化井下液面连续监测技术完成了液面监测技术的录井传感器化, 切实解决了人工到井口附近手动操作存在的风险、不具备持续加密监测的连续性、不具备响应的及时性、氮气持续供给不足等问题, 自动化应用程度较高。

（2）井口声波发生装置和微音器安装在井口防喷器四通旁1#阀门处, 可实现整个液面监测过程的远程开井连续测量, 回波清晰, 软件自动识别准确, 解决了开井状态下持续加密监测液面的难题, 并验证了该位置连续监测的可行性和数据的可靠性, 从优化安装和算法改进方面攻克了开井测量及自动识别两大难关。

（3）将液面监测控制系统放置于录井房内操作, 实现了远程控制和自动化分析; 在突遇井漏失返时, 能快速、便捷、及时、持续地测量井下液面深度变化, 且不影响钻井作业。

（4）井漏失返需要开井连续测量, 由于测量次数较多, 本系统采用的制氮系统自动持续提供氮气气源, 解决了频繁测量供氮需求的问题, 验证了该系统有较强的现场适应性, 根据大量实践结果提出了极端温度环境下的有效解决方案。

（5）在井漏失返的过程中, 通过测得井下液面深度参数的连续变化, 实现了液面深度与录井参数联动计算漏速、漏失量模型, 及时获知液面深度及钻井液漏失变化情况并预警, 且漏速计算精准, 解决了现场人员无法及时计算和汇报的问题。

（6）实现了钻录一体化应用, 液面监测软件与录井系统软件之间完成数据交互和远程传输, 使现场和基地人员能够实时、直观地看见井漏相关参数和曲线的变化情况, 交互性和可监督性得到充分发挥。

建议后续研究方向包括：开发钻具提放过程中的开井连续液面监测抗干扰技术; 研发基于AI技术的环空体积校正机制和计算模型, 有效预测复杂环空形态; 针对海上高盐雾、高湿度场景, 开发压差内爆式和基于超长测距雷达的高穿透力井下液面监测仪, 一定程度上降低环境因素或制氮系统稳定性带来的影响; 结合硬件优化和AI赋能进一步有效提升液面监测的精度和可靠性。

编辑 王丙寅

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