钻井液流量检测技术现状及精确计量方法探讨

张杰 杨智麟 阚孝玲

（东营市工业产品检验与计量检定中心 山东东营 257091）

胜利油田是我国重要的石油工业基地，截至2021年底，累计生产原油12.7 亿t，在长期勘探开发过程中积累了较为成熟的技术。但随着油气勘探领域不断拓展，钻井施工的难度越来越大，遇到地层复杂、高压、硫化氢等问题，甚至可能出现影响生命财产安全的事故。因此，在钻井施工过程中，井控工作的重要性越来越高，而钻井液流量的检测是其中的关键。钻井液流量精确计量技术的应用能够准确地识别异常工况，避免出现安全事故。根据东营市政府印发的《东营市国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，要加快计量体系建设，推进石油装备产业计量中心建设。研究钻井液流量精确计量技术，不仅是油田生产的需要，更符合地方政府规划要求，具有重要的现实意义。

1 钻井液流量检测技术现状

1.1 钻井液简介

钻井液是钻井的“血液”，主要作用是把岩屑从井底携带至地面。钻井液主要由液相、固相和化学处理剂组成：液相可以是水（淡水、盐水）、油（原油、柴油）或乳状液（混油乳化液和反相乳化液）；固相包括有用固相（膨润土、加重材料）和无用固相（岩石）；化学处理剂包括无机、有机及高分子化合物。

1.2 钻井液的循环过程

钻井液俗称泥浆。在钻井施工过程中，钻井液从地面泥浆罐通过泥浆泵进入钻杆内部，压入井底，再由井底的钻头水口处返出，携带着地层破碎的岩屑，经由钻杆与井壁的环状空间回到地面，经过地面设备处理，回到泥浆罐。在泥浆泵的动力下，不断循环，钻井液与地层压力产生了一种动态的平衡，维持着钻井施工过程中的安全，可以简化为：地面泥浆罐→泥浆泵→钻杆内部→钻头水口→钻杆外部与井壁的环状空间→出口管线→净化设备→地面泥浆罐。

1.3 钻井液流量检测与预测钻井风险的联系

在钻井循环过程中，泵入井底的钻井液与返回地面的钻井液应该基本保持一致。如果泵入速度（简称入口流量）明显大于返回地面速度（简称出口流量），说明钻井液消耗过快，过多地进入了地层中的孔隙、裂缝当中；如果入口流量小于出口流量，说明地层压力过高。这两种情况如果不及时处理，都有可能出现井涌井喷等事故。2003年，重庆发生特大井喷事故，共造成243人死亡、4000余人受伤，给人民群众的生命和财产安全造成了无法挽回的损失。如果能够通过精确测量入口流量、出口流量计算两者的偏差，从而及时判断出存在的钻井风险，及时采取措施，就能够最大限度地避免事故的发生。

1.4 当前钻井现场采用的钻井液流量检测技术

由于钻井现场工作环境恶劣，存在大量的机械振动源、电磁干扰源，而钻井液又是一种高温、高压、多相流体，常规的流量传感器根本无法使用，因此，常规钻井现场根本无法做到精确测量钻井液流量。对于钻井风险的预测，国内外公司大部分采用超声波液位传感器监测地面钻井液罐液位的变化。在钻井液循环过程中，如果返出的钻井液增多，出口流量增大，那么地面钻井液罐中的泥浆增多，液位就随之升高；如果返出的钻井液减少，液位就随之下降。表面上看，采用这种方法判别井涌、井漏等异常事故的发生是合理的，但是，在循环过程中，由于钻井液在泥浆罐间的流动频繁，液面不稳定，少量的溢流或井漏在液位上反应不明显，不能在短时间内做出准确的判断，等到液位发生了明显变化时，可能就错过了处理险情的最佳时机。

为进一步完善钻井液流量检测方法，钻井现场通常还配备靶式流量计。钻井现场使用的靶式流量计不同于通常意义上的靶式流量计，日常使用的靶式流量计需要安装在满管环境中，单一介质在管道中流动时推动靶片，将作用力传导至传感器中，经数字处理后，得出精确的流量。但是，钻井现场的靶式流量计安装在出口管道中（非满管），虽然原理仍然是依靠钻井液的冲击力推动靶片产生信号，但由于管道是不满管的，而且粘稠的钻井液容易在靶片上固结泥块，严重影响了测量的精度。随着钻井越来越深，钻井液的性能也会随之变化，介质变了，传感器更无法进行有效标定。因此，通常，钻井现场使用靶式流量计仅是得到一个相对测量结果，无法定量检测管道中流体的流量。

通常情况下，泥浆罐上的超声波液位计、出口管道上的靶式流量计必须配合使用，有经验的现场工程师能够通过这两种传感器的实时数据曲线分析出钻井异常工况的可能性，部分公司将其扩展成一项独立的服务——井涌井漏早期预报服务。但是，针对这一方法，一是需要足够的现场经验支撑，对于人才培养来说成本过高；二是因为定性分析存在主观想法干扰，有时可能出现误判；三是对于一些非常规的工况，经验主义可能产生更加危险的后果。因此，研发一套能够精确测量钻井液实时流量的设备，是钻井工程的迫切要求。

2 国内外钻井液流量检测技术研发现状

（1）使用超声波液位传感器测量出口流量，一般将传感器安装在钻井液出口缓冲罐处，根据缓冲罐处液位变化，判断井漏或井涌情况。该方法与泥浆液位动态监测原理相同，反应更为灵敏，但会受到振动筛阀门大小影响，且不能定量测量。国内部分研究人员如杨明清、王会永等利用伯努利方程、谢才公式等对该方法进一步推导，得出流量定量计算公式，但影响其精度的因素较多，未见相应的产品出现。

（2）对钻井液出口管线等设施进行改造，针对原先不满管的测量环境，通过将出口管线改装为矩形槽、V形槽、双弧曲线、喇叭形缓冲等，改变钻井液的流动方式，造成满管或非匀速等现象，使得出口钻井液能够满足电磁流量计、科里奥利计、文丘里流量计等使用要求，从而做到定量测量钻井液出口流量。但该方法必须改造现有的钻井设备，而且是每打一口井就要改造一次，不但影响钻井施工工期，单井施工成本大幅增加，而且安全性、精度也还需验证。

（3）使用超声波多普勒流量计进行测量，该方法在原理上比较适用于钻井液等杂质含量较多的流体，对钻井液流量的理论测量精度较高，一些研究团队在钻井液入口、海洋钻井隔水管外壁等位置均取得了一定的进展。但对于钻井液出口部位的流量测量，还需要克服管道不满管、固液气三相混合流体等的难题，该方法在钻井行业还没有具体的应用。

目前，国外如斯伦贝谢、GEOLOG等公司有了一定的突破，利用科里奥利效应开发了相应的传感器，并利用检测的钻井液出入口流量的变化扩展为井涌井漏早期预报服务项目——FLAG。该装置需要加装一套流量弯管，通过弯管振动频率的变化，计算通过弯管液体的流量和密度。这种传感器测量准确、精度高，但安装和操作繁琐，需要对现有设备进行改造，且造价高达百万级，一般更适用于海洋钻井。

在新的油气勘探形势下，钻井液流量监测技术发展趋势主要表现为以下两个方面：（1）钻井液流量监测准确性和及时性要求越来越高；（2）由单一的流量监测向智能化井涌井漏快速预报方向发展。

3 几种当前主要攻关的计量检测手段适用性分析

3.1 超声波多普勒检测方法

超声波多普勒检测方法是以物理学中的多普勒效应为基础，根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率，这个因相对运动产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。超声波多普勒流量测量的一个必要的条件是：被测流体介质应是含有一定数量、能反射声波的固体粒子或气泡等的多相介质。该工作条件适用于钻井液环境，这也是其他流量计所不具备的。在超声波多普勒测量过程中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的岩屑、药品颗粒、气泡等杂质起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，发射声波与接收声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移，由于这个频率差正比于流体流速，所以，测量频差可以求得流速，进而可以得到流体的流量。

钻井液中的黏土颗粒、岩屑、药品、气泡等各种粒子具有不同的声学特性，对其发射不同频率的超声波，接收到的多普勒信号强度也各不相同。对于同一种粒子，尺寸和浓度的大小会影响到多普勒声学特性，一般情况下，尺寸越小的粒子在管道中分布越均匀，尺寸越大的分布越紊乱，而粒子的浓度会影响到超声波的穿透深度，从而测量到管道中不同位置的流速，影响测量的精度。

目前，中石化经纬公司、电子科技大学等单位对多普勒测量钻井液流量方法进行了深入研究。在研究过程中发现，该方法容易受钻井现场电磁干扰、钻井液成分变化、泥浆扰动影响。电子科技大学对电磁干扰进行了研究处理，中石化经纬公司研究了多种位置安装传感器，减少扰动、干扰等影响，均取得了一定的效果。但如果采用该方法精确测量钻井液流量，仍有很长的道路要走。

3.2 电磁流量计

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。在与测量管轴线和磁力线相垂直的管壁上安装一对检测电极，当导电液体沿测量管轴线运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势，此感应电势由两个检测电极检出，数值大小与流速成正比。

该方法必须满管测量，且不能测量有较多气泡的液体。如果采用该方法测量钻井液，一方面，必须将出口管线进行改造，使其变成满管状态；另一方面，在遇到某些含气量较高的地层、使用产生泡沫较多的钻井液配方时，必须进行除气操作，否则将影响测量精度，甚至测不出数据。部分钻井公司针对这一方法进行了实验，发现使用油基泥浆时，因泥浆特性，电磁流量计普遍工作不正常。

3.3 科里奥利流量计

质量流量计可直接测量流体的质量流量，测量结果受介质密度、温度、压力、流速分布等特性的影响较小，具有测量精度高、稳定性好、可实现多参数测量等特点，目前已被广泛应用于生产过程控制等领域中。科里奥利质量流量计质量测量的原理是牛顿第二定律F=Ma。当流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力；当没有流体流过时，振动管不产生扭曲，振动管两侧电磁信号检测器检测到的信号是同相位的；当有流体经过时，振动管在力矩作用下产生扭曲，两检测器间将存在相位差，变送器测量左右检测信号之间的滞后时间，这个时间差乘上流量标定系数就可确定质量流量［1-2］。

科里奥利流量检测方法要求必须满管，要把管线改为弯管状态。但钻井液在出口已经接近常压，伴随着大量的岩屑，容易造成管道堵塞。此外，根据科里奥利检测原理，泥浆中的气泡、安装过程中产生的应力、流体的密度和黏度都会影响检测精度，必须根据不同的钻井工况对科里奥利流量弯管的大小、材质、形状和安装位置进行设计，并且针对气泡、应力和流体性质的影响进行校正研究。

国内外目前都在探索使用该方法检测钻井液流量，部分公司已经开始在钻井过程中使用，并取得了良好的效果。但该方法每打一口井都要对管道进行设计修改，成本较高，并且如果遇到大量气泡，也存在读数不准确、测不出等问题。部分企业思考采用消泡剂、消泡槽等方法减少气泡，优化测量环境，但还没有足够的现场实践支撑［3-4］。

4 一种简易钻井液流量检测方法探讨

采用超声波多普勒、电磁流量计、科里奥利流量计等先进的测量手段，因其测量原理较为复杂、测量设备较为精密，容易受到钻井现场的强震动、电磁等环境干扰和复杂的钻井液介质干扰，因此，要想正常使用，必须解决诸多干扰难题。可以换个角度，通过简易的明渠流量计测量钻井液流量。

明渠流量计是常见的一种液体流量测量仪器，被广泛地应用于城市污水处理、水利环保质量检测，以及石油、制药、化工、农业等各行各业。由于超声波明渠流量计采用非接触式测量方法，可适应多种复杂的工况现场，最关键的是，明渠流量计受环境干扰较少，满足非满管测量条件。明渠流量计结构简单：一个超声波多普勒传感器测量液体表面流速，一个超声波液位计测量液位，通过流速、液位两个参数，计算出当前渠道中的实时流量。较为先进的明渠流量计引入边坡系数、渠道精度、水力坡道、流速垂直平面修正系数，按照预定的数学模式，计算出渠道的流量。

可以将钻井液出口管道改成明渠，安装超声波多普勒表面流速仪、超声波液位计，通过大量的实验，推到不同钻井液体系、不同坡度下的流量计算模型。在钻井施工过程中，将钻井液体系性能、坡度等参数输入系统，就能较为精确地测量出钻井液的实时流量［5-6］。

5 结语

钻井液流量的定量检测技术事关人民群众的生命和财产安全，但当前仍未研究出一种成熟、简单、精确的检测手段，应大力开展相关实验研究工作，早日开发出成熟的系统，填补技术空白，减少钻井事故的发生。