钻井液性能在线监测技术在南海钻井施工中的应用

陈现军 郭书生 张志财

(①中法渤海地质服务有限公司湛江分公司；②中海石油(中国)有限公司海南分公司；③中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院)

0 引 言

随着自动化、智能化、信息化技术的发展，石油钻井自动化程度越来越高，目前国外高端自动化钻机已经实现钻台操作自动化、地面设备信息和井下信息融合贯通，开发了不同的钻机控制系统，可以对接不同的钻井自动化软件，实现自动化钻井；国内在钻井地面自动化装备、钻井自动化智能仪器工具和钻井远程作业控制系统等方面也取得了较大进展[1-2]。钻井液作为钻井的“血液”，其性能自动化测量是自动化钻井的重要组成部分，也是当前比较热门的研究领域。

传统钻井液性能的人工测量方法耗时长、不连续、时效性差，且不易保存，测量精度受人员、经验差异影响较大，而离子含量的测量方法则更加繁琐，需要携带大量的试剂，且不易储存、对人体有伤害，误差更大，难以实时监控钻井液性能的变化情况，更重要的是人工测量的数据记录频次少，一天只有两个点的数据可以存储下来。

国外对钻井液性能自动化测量方面的研究起步比较早，比如哈里伯顿公司研发了一套自动测量钻井液性能的BaraLogixTM密度流变性装置，在2016年休斯敦举办的海上技术年会中获OTC新技术聚焦奖，但是该装置的流变性测量原理还是传统的旋转法，而且没有进行大规模推广应用；MI-SWACO公司也在2008年发表了关于全套钻井液性能和钻屑性能的自动化测量文献，据资料表明样机还处于研发阶段。

国内中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院研发的具有自主知识产权的水基钻井液性能在线监测系统，能够实现钻井液塑性粘度、密度、氯离子含量等10项钻井液性能参数的在线监测，同时制订了设备标准与现场技术规范，最终实现了工程化应用。

1 钻井液性能在线监测仪器简介

钻井液性能在线监测仪器(图1)由中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院自主研发，可测量密度、流变性(表观粘度、塑性粘度、动切力、漏斗粘度、流性指数、稠度系数)、pH值、氯离子和硫离子10项钻井液性能参数[1]，与国外现有技术相比，具有实时测量、连续记录、自动测量、数据远传四大优点，且远高于国外同类产品 10 ～15 min的监测频率，能更好预判井下状况，应对突发问题，可以更及时地处理钻井液性能,确保钻井安全。

仪器由取样系统、测量系统、采集系统、控制系统和保护系统组成。取样系统将钻井液输送至测量系统进行检测，得出的数据经采集系统分析处理后在软件界面上显示出来，并最终存储至专属文件，同时传输至录井数据库系统。控制系统主要功能是提供动力，即为整套仪器供电。保护系统的主要功能是过压保护，防止仪器由于压力过高导致损坏。

图1 钻井液性能在线监测仪器

采集系统将测量的各类参数集成输入采集箱，整个采集系统在功能模块上分为：数据采集模块、数据预处理模块、数据存储模块、数据显示模块以及参数标定模块5部分，最终将测量的数据通过软件系统呈现。同时可将10项钻井液性能参数以WITS数据格式实时传输至现场录井系统，并通过录井系统端口将钻井液性能参数上传至随钻监测系统，以实时曲线的方式将钻井液性能参数展示出来，方便作业人员对钻井液性能的监测与分析。

软件整体界面如图2所示，分为9个选项界面，将10项钻井液性能参数实时呈现出来。9个选项界面分别是主界面显示、密度及温度显示界面、离子浓度显示界面、粘切参数显示界面、n和K值显示界面、参数设置界面、通信设置界面、远程设置界面和远程列表界面。

图2 钻井液性能在线监测软件界面

2 钻井液性能在线监测技术原理

2.1 钻井液流变性测量原理

钻井液流变性的传统手动测量方法总结有 2 种：旋转法和管流法[3-5]。旋转法是目前现场钻井液流变性测量最常用的方法，适用范围宽，测量方便，但这种方法取样、测量时间较长，只能定时单点测量，对实现流变性的实时在线自动测量具有一定局限性。而传统的管流法由于几何形状和直径的问题，很容易引起管道堵塞、压力测量不准等问题。为此，钻井液流变性的测量采用全新的理念，其原理为变径管式流变性测量原理。根据矩形断面的宽度、高度以及2 个测压点之间的距离，计算出管壁处作用在流体上的剪切应力，得出两个速度梯度下的切应力值，再通过宾汉模式计算出塑性粘度、动切力和表观粘度，根据幂律模式计算出流性指数和稠度系数。

2.2 钻井液密度测量原理

钻井液密度的测量是根据振动管式原理[6]，其工作原理是基于振动体(元件)的振动频率与其密度间的关系。当振动管的几何尺寸、形状和材质一定时，振动频率仅由振动系统的质量决定；而流经振动管内的一定容积的流体质量则是由其密度决定，即密度变化将改变振动管的固有振动频率。具体来说，振动系统的振动频率和管内流体密度的平方根成正比，通过测量振动频率确定流体密度。

2.3 钻井液离子浓度测量原理

钻井液的离子浓度采用离子选择电极法进行测量[7]。离子选择电极是一种对溶液中离子活度有电位响应的电化学传感器，离子选择电极法就是利用电极电位和离子浓度之间的关系来确定溶质含量，现已广泛应用于实验室痕量分析、常规离子分析、地下水分析以及环境监测等领域。

3 钻井液性能在线监测仪器的应用效果

3.1 钻井液性能在线监测数据准确度高

钻井液性能在线监测系统经过上百余口井的现场应用，效果良好，其测试数据精度高、偏差小、实时连续而且稳定性好。为了保证监测数据的准确性，每间隔12 h或根据现场作业需要，选取定点钻井液样品，结合人工传统测量数据，对比实时监测数据，对设备的运行稳定性进行一次校验，每天记录一次校验结果。从校验结果可以看出，仪器在线监测数据同人工测量数据对比偏差较小，数据误差在仪器设定精确度范围之内，较为客观地反映了钻井液性能状况(表1)。测量数据存在偏差主要与钻井液温度、取样点位置和人工测量手法不同有关。

表1 某井钻井液性能人工测量与仪器测量校验数据对比

3.2 实时监测预警溢流

钻井液性能在线监测仪器可连续实时测量钻井液性能数据，能直观地监测钻井液性能参数变化趋势，做到早预判、早准备；同时结合工程、地质和地层等各类综合录井信息，对出现的溢流等井下风险进行预警，从而降低事故发生风险。

中海油南海乐东区块高温高压深水井具有井底压力高、地层存在多套压力系统、安全密度窗口窄、漏喷共存风险大等技术难点，因此严格控制钻井液密度是该区块施工的重点。

在钻井施工现场，出口钻井液密度均间隔15 min或更长时间测量一次，入口钻井液密度的测量往往在需要时才进行测量，钻井液密度无法实时测量给钻井安全施工带来了较大隐患，而采用钻井液性能在线测量技术可有效规避该类风险。比如在乐东区块某高温高压深井钻进过程中，出、入口密度监测数据(图3)显示，03∶30前后，入口监测密度稳定，出口监测密度突然降低，检查设备运行状态无异常后，结合综合录井出现钻井液出口流量增大等井况信息，提前对可能出现的溢流进行报警。通过及时上报处理，避免了井下复杂情况进一步恶化，降低了事故发生的风险。

图3 某高温高压井钻井液入口和出口密度变化曲线

3.3 实时监测及时进行钻井液性能调整

钻井液性能在线监测仪器对钻井过程中钻井液性能变化进行24 h连续监测，钻遇油气层或水层、调整钻井液体系，以及钻井液提密度循环前中后期所造成的钻井液性能变化，都能从监测曲线图中显示出来，并以数据的形式记录存档。以中海油A井为例：通过实时监测钻井液流变性的变化(图4)，发现表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)、漏斗粘度(FV)均出现波动，表明钻井液性能不稳定，工程师根据监测情况对钻井液性能进行精准调控，实时掌握钻井液性能的调整情况，避免出现调整不到位或调整过度的情况。

钻井液性能在线监测仪器还可以在入口进行监测，实时监控入口密度，保证入井钻井液密度不超过设计密度，尤其在目的层钻进期间，一方面可以保护油气层，降低储层损害，另一方面降低井漏风险。对于安全密度窗口窄的地层，密度略高就会井漏，密度略低就会井涌，此时入口处钻井液密度的实时监测至关重要。通过监测入口钻井液密度，可以实现快速调整钻井液性能，从而节约调整时间和钻井液材料成本。

图4 A井钻井液流变性实时监测曲线

3.4 实时监测及时判断地层流体特征

钻井液性能参数的监测还可以为判断地层流体提供依据，以中国南海莺歌海盆地的一口深井B井为例：该井钻进至3 088 m,气测全烃值突破6%，同时出现电阻率升高、自然伽马下降的情况，而钻井液监测曲线也随之波动，出口钻井液密度从2.025 g/cm3降至2.015 g/cm3，返出的钻井液回流至循环罐后，导致入口钻井液密度延后出现对应下降(图5)；从12∶54开始，表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)、漏斗粘度(FV)均出现下降趋势(图6)，受气体中酸根离子影响，pH值也相应下降；综合整个目的层气测升高过程，电阻率对应变化不强烈，从而得出地层含水的可能性建议。

图5 B井钻井液入口密度和出口密度变化曲线

图6 中海油B井钻井液流变性变化曲线

通过对各类参数曲线图进行分析，可以发现在气测值升高期间，对应的钻井液密度、漏斗粘度、离子浓度等参数的变化过程；通过综合分析，总结变化规律，为后续地层状况判断提供了辅助参数依据，完整的数据库存储系统也为后续资料复盘和调取提供了可能。

4 结 论

(1)钻井液性能在线测量仪器可实时监测密度、流变性、pH值和离子浓度等10项钻井液性能参数，具有实时测量、连续记录、自动测量、数据远传四大优点，通过曲线图实时直观地反映钻井液性能的变化趋势，并全方位采集存储相关数据，便于今后的查验和对比分析，解决了人工测量不连续、记录零散、人为差异干扰误差、测量数据单一等问题。

(2)通过实时监测钻井液性能变化可预警溢流，做到早预判、早准备，从而降低事故发生风险；测量数据结合气测变化，为判断地层流体特征提供依据。结合工程、地质和地层等各类综合录井信息，建立区域钻井作业知识库，可为后续钻井作业提供专业分析。

(3)上百余口井的现场应用证明，该仪器性能可靠稳定、准确度高，与手动测量结果相比基本一致，误差较小，完全满足现场钻井液性能自动化测量的需要。

(4)钻井液性能实时在线监测技术还处于起步阶段，但钻井自动化、信息化的发展，为该技术提供了广阔的应用空间，同时该技术的推广也将加快钻井自动化发展进程。