钻井溢流井漏智能监测信息系统研制与应用

贾小军

摘要：针对钻井液池液面监测和录井气测等方法存在微量溢流发现不及时、溢流预判不准确等问题，研制出一套钻井溢流井漏智能监测信息系统，将综合录井仪获取悬重、泵压、液面高度等数据经过智能综合分析，在井漏溢流发生的瞬间做出预警，再经过各种参数的逻辑判断，最终判定是否发生溢流井漏。结合了监测系统逻辑判断和工程专家多年实践经验，与常规监测方式中的液位传感器相比，减少了技术人员对溢流和井漏误判次数，灵敏度大幅提高，为井漏和溢流的及时发现和处理赢得了宝贵时间，对确保井控安全意义重大。

关键词：井漏；溢流；智能化；预警；井控安全

一、前言

溢流和井漏是钻井作业过程中普遍存在，且一旦发生，后果就会极其严重的井下复杂事故，如果发现不及时、处理方法不恰当甚至会造成井喷、井塌等严重事故。因此，及时发现早期溢流和井漏对井控事故的预防极为重要。目前，溢流井漏预警技术主要采用传统的人工监测方法，通过实时监测地面钻井工程参数、泥浆循环罐液面参数和气测参数的变化来预判和识别溢流事故，在监测敏感性和普适性方面还存在诸多不足和局限。针对这一情况设计了基于多参数逻辑判断的溢流井漏监测智能决策信息系统，在现场实际应用工程中取得了较好的应用效果，证实了钻井溢流井漏智能监测信息系统具有较强的实用性和准确性。

二、溢流和井漏原因与危害分析

（一）原因分析

在钻井过程中，会将原有压力系统处于平衡状态的地层打开，地层中的流体会随着压力释放而进入井筒中。因此，为维持地层压力平衡，需要配制一定密度的钻井液注入井筒，利用钻井液的液柱压力来平衡地层压力。在钻进过程中，当从井底返出的钻井液总量大于泵入井筒中的钻井液总量，且停泵后，井口钻井液仍然自动往外溢的现象叫作溢流。当溢流没有及时被发现和处理，会导致井底地层孔隙压力与钻井液液柱压差越来越大，井底返出的钻井液等流体会逐渐增加，从而引起井涌，当井涌失控就会发展成井喷事故。引起溢流的最直接原因就是地层与井眼系统压力失去平衡，井筒内钻井液液柱压力小于地层孔隙压力[1]。

与溢流、井涌和井喷相反，井漏是指钻井作业过程中钻井液、完井液等在压差作用下直接进入到地层中的一种井下复杂情况。发生井漏的条件是地层中存在漏失通道，比如钻遇高渗透性地层，或地下存在裂缝、溶洞、暗河等漏失通道。井漏的原因比较复杂，最主要原因有以下几种。一是配制的钻井液密度过高，而钻地层压力亏空，钻井液液柱压力大于地层孔隙压力。二是钻井液黏度和切力过高，会导致开泵压力过大，产生压力激动引起井底压力大于地层孔隙压力。三是钻井液配制时没有考虑防漏性能，在渗透性地层由渗漏发展成小漏、大漏，甚至是失返性漏失。四是钻井液携砂性能不够和滤失量较大，会引起井底岩屑清理不及时、井壁上泥饼过厚，在起下钻和开泵时也会产生压力激动。五是工程操作不当，起下钻速度过快或者没有按照规定及时灌注钻井液，导致人为出现抽吸和压力激动等情况。

（二）危害分析

在现场实际钻井过程中，如果不能及时发现和正确处理溢流，往往会发展为井涌、井喷，当地层压力释放到一定程度后，则会出现井漏，最后发展成井塌和埋钻具，给油气资源勘探开发造成巨大损失。不仅会延长钻井周期、影响后期油气资源开发作业，还会增加直接钻井作业成本，破坏周边土壤、空气和水环境，造成社会负效应。2003年重庆开县“1223”特大井喷事故，就是由于操作不当、监测不准确和处理不及时而发生，造成的直接经济损失就高达六千多万元，间接损失更是不可估量[2]。2010年美国一沿海岸石油钻井平台发生爆炸，造成11人死亡，并引起大量原油泄漏，给海洋造成巨大污染。这次事故发生的主要原因就是固井作业过程中套管外压力下降而引发了溢流，该溢流不仅没有被及时监测到，溢流预警系统没有发出警报，且在后面接近两个小时的时间内未得到任何处置，由此引发了号称美国石油史的“911”事故。

综上所述，井喷等事故的避免在于预防，而预防的重点又在于溢流和井漏初期的监测。

三、监测预警技术现状

（一）传统监测方法

溢流井漏监测目前使用最多的方法还是实行专人坐岗制度，通过观测钻井液罐中液面变化、井口处钻井液流态，尤其是起下钻中钻井液罐中钻井液总量的变化情况，从而判断是否发生溢流或者井漏。这种观测方法因操作简单和方便使用而得到大范围应用，现在很多作业队仍然在采用这种方法。但是，这种方法过于依赖人为因素的经验判断，存在着较多不足之处：一是凭肉眼无法观测到溢流和漏失初期少量钻井液增加，并进行及时预警。二是在搅拌器搅拌过程中，钻井液罐中液面上下起伏波动较大，会对液面高低判断产生误判。三是井口发生溢流和井漏时，需要很长时间才能反映到钻井液罐液面的变化，导致预警滞后。四是向钻井液罐中添加钻井液材料、加重剂等进行性能维护时，也会对钻井液罐液面變化产生干扰[3]。

（二）机械监测方法

随着电子信息等技术的发展和进步，溢流井漏监测技术也得到了进步和发展，形成了一系列监测装置和技术，并在现场实际应用中取得了一定效果。

2006年，为解决人工监测工作量大、精度低的问题，江汉机械研究所刘寿军等[4]研制了一套钻井液液面监测与自动灌浆装置，该装置的核心部件液面监测器是由超声波传感器、显示器、数据处理板和机箱等部件组成。超声波探头发射的超声波遇到液面后会将部分波反射，超声波传感器可以测出发射超声波和接收回波的时间差，然后换算求出钻井液液面高度。当换算后的高度超出初始设置参数范围时，说明井筒有可能发生溢流或者井漏，主机则会将这些参数传送到司钻台的显示器上并发出警报。这套装置精度为满量程的0.2%，计量罐的检测精度可以达到0.1m3，现场应用过程中可以实现自动灌注钻井液和自动停止灌注钻井液。减少了人为误判发生概率，保证了钻井安全。

2020年，廖璘志[5]等人研制了一套罐面监测系统，该系统由流量、密度和液位等传感器，以及主控元件和报警器等外围元件组成。液位传感器采用浮球式液位深度仪实时监测各罐体中的液面高度，信号传输到控制器后会换算成各罐液体体积。密度传感器可检测到钻井液性能为工况预判提供辅助信息。流量传感器可以检测到钻井液罐中新增加的钻井液体积。该监测系统的核心工作单元为数据处理及逻辑控制主机，可配置于各种型号的钻机和其他井下作业机械上。

西部钻探录井分公司李开荣[6]等针对超声波传感器测量精度下降、采集数据不稳定、易受作业环境干扰的不足，利用虹吸效应和贯通原理设计出一套特殊结构的钻井液池体积监测装置。该装置由一个类似“T”形结构的主体装置、导管、超声波传感器等部件组成，在监测过程中可以避免钻井液罐中液面上下起伏波动引起的误差，为提高钻井液罐液面监测精度和满足及时发现溢流、井漏等井控要求提供了新的解决方案。

长江大学石油工程学院郑双进[7]等为解决固井作业过程中监测手段较少、监测过程不完全和缺乏分析预警系统等问题，研制了固井作业全过程预警系统，通过低功耗单片微型处理器采集传感器数据，并利用无线模块将数据传输到上位机，可以实时监测固井作业中完井液密度、注入压力和流量，还可以对固井作业过程中存在的憋堵、溢流和井漏等风险进行提前预警。在现场测试中，该系统可对固井全过程施工参数进行监测，具有数据采集准确、信号传输稳定等优点，为提高固井作业安全提供了较好的技术手段。

东北石油大学白丽丽[8]等以钻井液流量、密度和液位等为参数，结合施工过程中的实际工况，研发了一套基于多参数控制的钻井井下复杂事故监测系统。这套系统由数据采集与传输处理、报警系统组成，采用的非接触式钻井液密度检测仪避免了数据远程传输的误差。在现场试验过程中，该系统工作状况稳定，对现场模拟工况均能及时作出准确判断和预警。

（三）机械监测装置问题分析

在不同时期研制的上述机械监测装置与传统方式相比，实现了机械化、自动化监测与识别，满足了一定条件下的监测需求。但是，随着井控要求越来越严格，采用这些装置还存在着一定问题。一是误判次数多，每次开关钻井泵的过程中，井筒由于受到环空压耗的影响，整个井筒像一个气球，有膨胀系数，开泵时泥浆罐液面会有一定程度减少，等关掉钻井泵的时候，罐液面又有一定的上升，造成井漏溢流系统误报警。二是地面人为处理钻井液等操作会造成钻井液池液位发生变化，发出错误报警，让工程技术人员疲于作战。三是测量精度不高，常规钻井液罐的内容积约为60m?，当溢流或井漏量小于2m?时，2个钻井液罐的液面高度变化不到１cm，而钻井液池液位监测装置误差在2cm左右，故对小于2m?的溢流和井漏不能及时准确监测。四是时效性不强，当井漏溢流发生时往往都是通过泥浆罐的液面来判断，如果发生气侵，气体从井底循环至井口这个过程需要很长时间，气体返至井口时，井下复杂已经比较严重，浪费了宝贵的抢险时间。

四、智能溢流井漏信息系统的设计

（一）智能预警信息系统的设计思路

智能溢流井漏预警信息系统由监测装置、数据采集装置、供电设备、传输设备、软件装置、显示器和报警装置共七部分组成。

监测装置内部安置有数据采集系统，把装置进液端安装在井筒出液口处，钻井液经流量计后从出口端流至泥浆罐。数据采集系统可对监测到的钻井液流量、出口压力、井内液面深度、井底压力等数据进行分析和判断，最终做出是否需要发出预警的判断。监测装置的供电系统可以采用220V的交流电进行供电，也可以采用36V蓄电池连接太阳能板充电方式进行持续供电，以保证整个监测系统的供电需求。为实现信息传输的及时性和准确性，预警信息系统采用无线或局域网进行信息传输，实现监测装置各单位和作业现场各部门之间的通信畅通。软件部分可以实现基本数据采集、录入、计算与分析的功能，采用移动平均算法对是否即将发生溢流、井漏进行判断并做出预警或报警。监测系统的显示器可用来显示监测数据绘制成的曲线、溢流或井漏图形。报警系统安装在监测装置顶部，可以进行远程操控，并实现分级声光报警。

（二）智能預警信息系统优势分析

与其他预警装置和系统相比，智能预警信息系统具有以下优势：一是该装置充分根据钻进过程中采集到的液压、流量、液面深度等参数，经过分析比对后做出逻辑判断，在井漏溢流发生的初期进行初预警，初预警后现场工程技术人员立即结合钻井过程中的钻压、钻时、泵压等实时参数进行预警确认，也可连线专家进行确认。在钻井液从井底循环至井口的这段时间内可以做应急抢险准备，确保了及时性，减少了误判次数。二是该信息系统适当放宽了确认预警的条件，降低了开关泵和人为处理钻井液产生的误判次数，提高预警的精度。三是传统井漏溢流预警系统是在泥浆池液面发生变化或者气体溢出才发生报警，智能溢流井漏预警系统是在初期即发出预警，给工程抢险争取了时间。

（三）智能预警信息系统的预警条件确定

1.井漏预警条件

（1）钻进时井漏预警条件

初步预警条件：放空（钻时减少、钻压减少且悬重增加），同时泵压下降。确认预警的条件：除了满足初步预警条件外，泥浆槽出口流量计监测流量降低，泥浆罐液面下降。

（2）下钻时井漏预警条件

初步预警条件，每下钻一柱钻具泥浆返出的体积与上一柱相比相差30%或以上，且持续2柱，或井口泥浆不返。确认预警条件：除了满足初步预警条件外，持续下钻4柱钻具后下入钻具的体积与泥浆返出体积持续相差30%或以上，或者井口泥浆不返。

2.溢流预警条件

（1）钻进时溢流的预警条件

初步预警条件，放空（钻时减少、钻压减少且悬重增加），同时泵压变化超过1兆帕。确认预警条件：除了满足初步预警条件外，泥浆槽出口流量计监测流量增加，或泥浆罐液面上升，或录井气测值大幅增加。

（2）起钻时溢流预警条件

初步预警条件，每起钻一柱灌入泥浆的体积与上一柱相比相差大于等于30%，且持续2柱，同时起钻时井口返出泥浆。确认预警条件，除了满足初步预警条件外，持续起钻4柱钻具后起出钻具的体积与泥浆灌入的体积持续相差大于等于30%，同时井口不停返出钻井液。

五、现场应用

在现场施工时，对研制的智能溢流井漏监测信息系统进行了应用与测试，结合区块历年钻井施工资料，分别选取易发生溢流和井漏的徐家围子深层气井进行监测信息系统的井漏和溢流监测测试。

（一）井漏实例

徐家围子深部地层营城组等层位发育有丰富的天然气资源，是大庆油田天然气的主产区。由于深部火山岩地层破碎带发育、地层胶结能力差，且地层压力系数较高，井漏情况时有发生。徐深X-P1井在钻至沙河子层位时发生渗漏，由于井漏监测不及时、错过最佳处理时机，最后发生失返性漏失，最大漏速达到15.6m3/h，全井共漏失油基钻井液超过1800m3，最后不得不进行停钻堵漏作业，堵漏失效后只能填井侧钻，造成了巨大的经济损失。

徐深X1井是部署在徐家围子的一口深层天然气井，该井在钻进至3813.02米时，出现钻具突然放空、钻时降低、钻压降至零的情况。监测泵压也开始大幅下降，随后发生了轻微渗漏。此时，监测信息系统发出初步预警，司钻收到初步预警指令后，立刻停钻，观察泵压变化，同时告知泥浆工观察出口流量和罐液面变化，确认预警信息后，立刻停泵，并立即采取一系列工程措施，避免钻井液大量漏失。由于及时触发初步预警条件，报警成功率大大提高，避免井漏进一步扩大。

（二）溢流实例

徐深X2井也是一口深层天然气井，在钻至3657.89米时，监测系统发出预警，此时钻压下降明显，泵压也跟着下降，初步判断钻进过程中发生油气侵。司钻收到初步预警指令后，立刻停钻，静止观察，同时告知泥浆工观察出口流量和罐液面变化，确认出口流量增加、泥浆罐液面也增加，确认发生溢流，并按照溢流应急预案立即组织抢险，避免了油气大量返出地面后再组织抢险，节约了宝贵的反应和处理时间，避免事态进一步恶化。

六、结语

溢流和井漏是钻井过程中常发生的井下复杂情况，也是当前井控工作重点防范内容之一。对溢流、井漏发生原因及危害进行了系统分析，并对目前常用的溢流井漏监测系统与装置进行了介绍及优缺点综合分析。

研制的溢流井漏智能监测信息系统不仅能够排除人为判断的误差，减少停钻时间，提高钻井时效，还能及时发现溢流和井漏的前期征兆，在钻时和泵压发生异常时初步预警。

现场应用中，智能监测信息系统能够收集施工数据和分析各种工程参数，及时作出预警，并采取处理措施，避免溢流和井漏严重时才做出预警，能争取到宝贵的抢救时间，对于井控安全意义重大。

参考文献

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[2]孙合辉，陶青龙，李邓玥，等.基于电磁流量计的钻井液出口流量监测系统[J].科技资讯，2015，21（05）：21-24.

[3]邓勇，刘绘新，唐继平，等.超深井早期微量溢流监测技术研究[J].西部探矿工程，2010（09）：58-60.

[4]刘寿军.钻井液液面监测与自动灌浆装置的研制[J].石油机械，2006，34（02）：29-30.

[5]廖璘志，陈琪.钻井罐面监测系统的研究与设计[J].机械工程与自动化，2020（05）：161-162.

[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，2022，32（04）：92-96.

[7]郑双进，张朝政，刘会斌，等.固井施工全过程监测预警系统研制与应用[J].石油地质与工程，2023，37（03）：121-126.

[8]白丽丽，孙文峰，高金兰，等.基于多参数控制的钻井事故監测预警系统[J].化工自动化及仪表，2017，44（07）：643-647.

责任编辑：张津平