自助下单地址（拼多多砍价，ks/qq/dy赞等业务）：点我进入

编者按：本文开发了一种基于循环罐浮球液位计的数显钻井漏水预警系统，实现了对循环罐液位波动的实时、连续、稳定的监测，及时发现溢流和泄漏，提高溢油预警的准确性，对保证钻井井控安全具有重要意义。 该系统的特色技术是增加了溢漏误报修正方法，实现了给料过程、泵启停过程、钻井液散落在钻台过程中的误报控制，从而提高循环槽液位监测精度。 监测精度达到±0.01立方米。

该系统结构简单，对现有设备改动小，便于井场安装使用。 目前，该系统已在川渝地区7口井推广应用。 最长连续稳定运行超过224天，成功监测11口井漏、29口气侵，取得了良好的应用效果。

论文引用格式

何先杰, 闫艳, 杨晓明. 数字浮球液位计研制及钻井漏失预警试验[J].钻采技术,2022,45(6):107-112

何先杰，闫妍，杨晓明。 数字浮球液位计溢漏预警研制及现场试验[J]． 钻采技术,2022,45(6):107-112

关于作者

何先杰（1989-），工程师，硕士，2015年毕业于西南石油大学油气田开发工程专业，现主要从事安全钻井技术研究和装备研发工作。 地址：（618300）四川省广汉市中山大道南二段88号钻井工程技术研究院，电话：13909020274，邮箱：hexj_ccde@cnpc.com.cn

何贤杰1、颜妍2、杨晓明3

1 中国石油川庆钻探工程有限公司钻井工程技术研究院 2 中国石油川庆钻探工程有限公司页岩气勘探开发项目经理部 3 中国石油川庆钻探工程有限公司川东钻探公司

摘要：目前，超声波液位计和浮球液位计主要用于监测钻井现场循环罐中的钻井液液位。 一定程度上影响监控效果，容易出现误报。 浮球式液位仪监测更稳定可靠，是井队判断循环罐液位的主要手段； 人员定期观察记录，人员劳动强度大，泄漏判断准确率低，及时性差。 此外，现有技术无法自动准确识别泥工投料、启停泵操作等，使用过程中误报率高。 针对上述问题，研制了一种基于循环罐浮球液位计的数字显示及泄漏报警系统。 现场应用表明，该系统在启泵、停泵、排量变化过程中，能够实时、连续、稳定地监测循环罐液位波动，精度达到±1mm，并成功警告泄漏事件。 该系统实现了循环罐内钻井液液位监测的数字化显示，对于提高泄漏识别的准确性，减少误报和漏报，进一步保障钻井安全具有重要意义。

关键词：循环罐液位； 浮球; 数字显示; 实时监控； 持续监测； 溢出警告

0 前言

随着勘探开发逐步向深部复杂地层推进，钻井安全密度窗口越来越窄，易诱发溢流和漏失，钻井施工安全环保压力不断加大[1-5] . 准确监测钻井液循环罐液位是判断井下溢漏的主要地面技术手段之一。 为避免误报，钻井现场一般采用两种循环罐液位监测装置——超声波液位计和浮球液位计[6-8]。 超声波液位计可以连续实时监测循环罐液位，但当罐内液位波动较大时（如搅拌器工作，液面有气泡等），会在一定程度上影响超声波液位计的测量，容易出现误报。 但浮球液位计监测较为稳定，因此精度较高，是钻井队确认循环罐钻井液液位的主要依据[9-10]。 然而，现有的浮球式液位计无法实时输出液位监测值。 值班人员有必要定期（大约每15分钟一次）观察刻度，并手动记录液位值。 流量和泄漏的识别时间相对滞后，不利于应急措施的及时实施，存在一定的安全隐患。 此外，现有技术无法自动准确识别进泥、启停泵运行等环节，导致使用过程中误报率高。

由于近年来信息技术的不断突破，自动化钻机和数字化井场是当前的研究热点，也是未来钻井的主要发展方向[11-15]。 因此，为实现钻井循环罐液位监测的数字化显示，减少漏油的误报和漏报，自主设计了具有实时、连续监测和数字显示功能的漏油预警系统。基于浮子液位计。 及时发现井下溢流和渗漏，提高渗漏预警的准确性，保障钻井井控安全具有重要意义。

1 数显浮球液位计原理及结构设计

1.1浮球液位计数显原理

循环槽内浮球液位计的测量原理是浮球随循环槽内钻井液液位上下浮动时，带动上端刻度指示杆上下运动。 循环储罐的钻井液体积，然后人工计算所有储罐的容积，得到总池容积，判断溢漏。

浮球液位计数显就是通过信息技术实现上述过程的自动测量、记录和报警。 其核心原理是在现有浮球液位计上增加拉绳位移传感器（其主要技术参数见表1），传感器上端拉索与刻度指示杆相连。 当循环槽内的钻井液液位发生变化时，刻度指示杆上下运动带动电缆伸缩，电缆带动下部位移传感器内的转子转动，并输出与移动量成正比的电信号绳索的距离，软件系统将各罐的钻井液液位电信号数据转换成钻井液体积数据，并计算出同时参与循环的所有罐的钻井液体积，最后以曲线显示。

表1绳索位移传感器主要技术参数

1.2 系统结构设计

数显浮球液位计主要由浮球液位计、绳索位移传感器、防爆监控显示屏、软件系统组成。 系统原理图和总体结构图如图1和图2所示。

图1 数显浮球液位计示意图

绳索位移传感器和钻井液液位（量）防爆监控显示屏安装在现有钻井队每个循环罐，主监控显示屏和数据采集箱安装在人员坐位处。 每个拉线位移传感器将钻井液液位数据通过采集盒传输到监控室内的软件系统，软件系统将每个罐的钻井液液位数据转换为体积数据，同时计算出每个罐的钻井液液位数据所有参与循环的罐体液体总量实时检测，监测结果同步回传至所有显示屏和司钻台。 此外，软件系统还与测井系统的钻井液进出液密度和进出液流量数据相连接，辅助判断溢漏。

图2 系统总体结构

2 基于实测数据的溢出报警算法研究

2.1 数据过滤方法

开泵循环时，循环罐内的钻井液液位不断波动，特别是大排量钻井或开钻井液搅拌器时，液位波动较大，需要监测对收集到的液位数据进行过滤。

数据过滤的原则是在保持数据变化原有趋势的同时，剔除错误值。 在分析了常用的中值滤波算法、指数平滑滤波算法、非线性时间序列滤波算法、小波滤波算法等方法后，决定采用中值滤波算法对液位数据进行处理。 中值滤波算法是一种基于排序统计理论的能够有效抑制噪声的非线性信号处理技术。 取而代之的是，使周围的像素值接近真实值，从而消除噪声。 因此，中值滤波算法可以满足循环罐内钻井液液位的连续稳定监测。

中值滤波算法处理液位数据的过程主要分为以下两步：

(1) 取原始采集数据中某一采样段的奇数个液位数据进行排序，假设采样段有N个液位数据点，滤波窗口长度为W(通常为奇数）。

(2)计算排序后数据的中值，用中值代替异常数据点。 对于数据点Ni，以其为中心分别覆盖左侧W-12个数据点和右侧W2-1个数据点。 以此 W 个数据点的中值作为 Ni 的值（示例滤波效果见图 3）。

图3 总池体积数据中值滤波前后数据对比

2.2 溢出报警算法

考虑到循环罐液位监测数据量大，一分钟内的数据差异往往很小，相似的数据对提高预警模型的准确率帮助不大，所以过滤后的数据中值，软件对剩余的分析数据进行重采样，采样间隔设置为15 s，即每15 s取一个数据点。

将参与循环的罐体数量和每个罐体的长宽高数据输入软件后，系统会自动计算出每个罐体液位每升高1cm对应的钻井液体积增量. 当监测到连续4个数据点（60s数据）有连续上升或下降趋势时，系统会发出溢流或漏水警报，站台显示屏和司钻台同时发出语音警报信息; 当连续8个数据点（120s数据）有连续上升或下降趋势时，系统会发出溢出或漏水报警，站台和司钻台显示屏同步发出语音报警信息（溢出X立方米或泄漏Y立方米），同时还会有声光报警提示。 泄漏报警算法是基于循环罐液位的连续变化趋势。 可根据不同的井眼钻进情况适配报警阈值，具有良好的通用性。 及时采取应急措施，有效防止事态扩大。

2.3 溢漏误报修正方法

2.3.1 投料过程误报控制

在钻井过程中，由于工况的变化，需要在不停泵送的情况下向循环罐中的钻井液中添加材料。 在进给过程中，钻井液的体积会不断增加。 如果不在告警算法中修正，就会出现溢出误报。 针对这种情况，软件系统设置了维护模式。 泥工在加料时，可以点击工位监控主显示屏，切换到维修模式。 该模式下，软件系统结合所连接的录井系统进、出口流量数据进行辅助判断：如果系统识别出进、出口流量在正常范围内波动，没有明显增加，但某罐容积持续异常增大，不会发出溢流报警； 投料完成后，泥工点击主监控显示屏切换到循环模式液位仪原理，软件系统更新投料后总池容积数据，作为后续溢出判断的基准值。

2.3.2 水泵启停误报控制

在接柱等工况下的停泵和启泵作业中，由于停泵后回流，总池容积会增加或因泵入井时泵入钻井液而减少。开启，需要在报警算法中进行。 校准以避免溢流和漏失的误报警。 为此，软件系统配备了水泵状态识别程序和水泵启停过程泄漏预警程序。 2 L/s)记录前4次正常停泵过程的总池容积增加曲线，生成正常回流条件下总池容积数据的变化区间。 当相同排量下第5次停泵时，实时将采集到的总池容积数据曲线与正常回流状态下的变化区间进行比较。 如果当前总池容积曲线低于或高于该范围，则会发出井漏或溢流警告。 如果当前池总容积曲线增加到这个区间内，软件系统判断正常停泵倒流，不会发出溢流报警（停泵实测曲线见图4）； 当程序识别正常抽水过程时，虽然总罐容积曲线减小，但不会发出井漏报警。

图4 停泵过程软件监测曲线

2.3.3 钻井液散落台面误报控制

在连接立柱和拔出钻头的过程中，经常会发生漏井时钻井液散落在钻台上的情况。 为避免钻井液流失过多，造成循环罐液位下降，造成漏井误报，在防溢管处设置了钻井液。 液体回收装置（即泥浆伞），在泥浆伞处安装专用管路至循环罐，及时回收散落在钻台上的钻井液，保证总池容积的动态平衡，有效防止假警报。

3 数显浮球液位计现场试验

MX023-H1井进行了数字式浮球液位计现场试验。 试验井段为4913～5815 m。 截至钻井结束，系统已连续稳定运行450多个小时。 实时、连续、准确、稳定地输出循环罐内钻井液的液位和体积。 在启停泵和进泥过程中无误报警。 液位监测精度为±1 mm，体积监测精度为±0.01 m3，期间比现有技术成功预警漏失事件2分钟（监测曲线见图5），应用效果显着。 2021年8月28日16时10分钻至5252.15米时，系统识别到5号罐（上罐）容积在不断减小，总罐容积在不断减小。 :12 值班人员检查浮标，计算池总容积液位仪原理，与以往记录对比，确认漏失发生。

图5 漏失事件软件监测曲线

4。结论

(1)数显浮球液位计结构简单，对现有设备改动不大。 可实现对循环槽内液位波动的实时、连续、稳定监测，精度可达±1mm，解决了现有浮球液位计存在的问题。 仪器只能手动监测单点的问题。

(2)系统实现了浮球液位计监控的数字化显示，大大减轻了值班人员的劳动强度，有效避免了目视误差和人工测量的不利影响，有利于减少误报和漏报溢油报警，对于进一步提高钻井作业的安全性具有重要意义。

(3)系统能自动准确识别工况变化，有效解决了现有技术在进泥、启停泵运行等误报率高的问题，实用性和可靠性得到了极大的提高.

参考

详情见原文。

基金项目

中国石油天然气集团公司重大科技专项“陆上井控应急关键装备及配套技术研究”项目1“井控应急预警技术与装备研发”（编号：2021ZZ03-1）。

论文首发于《钻采技术》2022年第6期。

编辑| 郭锐

排版 | 李瑞涵

全国中文核心期刊

RCCSE中文核心学术期刊

中国期刊全文数据库收录全文期刊

中国石油文献数据库全文收录期刊

中国科技期刊质量数据库收录期刊

中国学术期刊评价数据库统计来源期刊

美国石油文摘数据库索引期刊

美国化学文献数据库收录的期刊

CI学科影响力指数排名Q1区

点击下方