泥漿性能檢測

超深井鉆探由于井深、溫度高、壓力大，對鉆井液要求嚴格。特別是在深井段，隨著深度的增加，泥漿溫度、壓力也逐漸升高，對高溫高壓條件下鉆井液性能的實時檢測尤為重要，現(xiàn)場泥漿工程師將根據(jù)檢測結果實時對鉆井液進行調(diào)整和完善。因此，除了API標準要求的常規(guī)檢測外，需要增加高溫檢測項目，因此需要在現(xiàn)場建立泥漿實驗室，并配備高溫高壓方面的檢測儀器。

需要配備的高溫鉆井液檢測儀器：高溫滾子爐、高溫高壓濾失儀（動態(tài)及靜態(tài)）、高溫流變儀等。

鉆井液泥漿監(jiān)測系統(tǒng)

鉆井泥漿監(jiān)測就是在鉆井過程中，對泥漿性能參數(shù)進行實時監(jiān)測，存儲和間接計算，并利用這些基礎數(shù)據(jù)實時分析泥漿性能，指導鉆井施工。經(jīng)過長時間的數(shù)據(jù)積累，可以為鉆井方案設計和施工提供參考依據(jù)。

在鉆井施工過程中，鉆井泥漿監(jiān)測系統(tǒng)可對泥漿各項性能參數(shù)進行實時監(jiān)測、處理和動態(tài)顯示，并結合其他鉆井參數(shù)，建立起各個參數(shù)間的數(shù)學模型。

（1）現(xiàn)場泥漿檢測的主要參數(shù)

鉆井液的黏度、密度、溫度、流量及泥漿罐液面高度等。

（2）鉆井泥漿監(jiān)測系統(tǒng)組成

鉆井泥漿監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場測量儀表、通信線和計算機組成，如圖 所示?，F(xiàn)場測量儀表包括電磁流量計、液位監(jiān)測計、泥漿密度監(jiān)測計和泥漿黏度監(jiān)測計等。下面主要就電磁流量計和密度計這兩項最主要的監(jiān)測設備作介紹。

圖 鉆井泥漿監(jiān)測系統(tǒng)組成

1）電磁流量計。為了測得泥漿管道中的泥漿流量，采用電磁式流量傳感器測量流量。流量計的測量管是一內(nèi)襯絕緣材料的非導磁合金短管。2只電極沿管徑方向固定在測量管上，電極頭與襯里內(nèi)表面基本齊平。勵磁線圈以雙向方波勵磁時，將在與測量管軸線垂直的方向上產(chǎn)生一工作磁場。此時，如果具有一定電導率的流體流經(jīng)測量管，將切割磁力線，感應出電動勢E。電動勢E正比于工作磁場的磁通量密度B、測量管內(nèi)徑d與平均流速v的乘積，即E=kBdv（k為比例常數(shù)）。電動勢E（流量信號）由電極檢出，經(jīng)過信號調(diào)理、AD（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號傳送給單片機，最后通過通信總線傳送給工業(yè)控制計算機。電磁流量計結構如圖 所示。

2）密度計。密度計采用放射源產(chǎn)生的伽馬射線穿過管道中的被測介質(zhì)，其中一部分射線被介質(zhì)散射和吸收，剩余部分被安裝在管道另一邊的探測器所接收。介質(zhì)吸收了多少射線，與被測介質(zhì)密度成指數(shù)關系；通過相應的計算，就可得到管道中泥漿的密度。密度計采用單片機控制，通過通信總線與工業(yè)控制計算機相連。用戶可在上位機中設定參數(shù)；測量到的實時數(shù)據(jù)，也可通過通信總線傳送給上位機進行顯示、存儲。密度計結構如圖所示。

（3）泥漿監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

根據(jù)現(xiàn)場測得的泥漿數(shù)據(jù)，采用綜合加權評分法進行編程，對泥漿多項性能指標（流動指數(shù)、塑性黏度、懸浮能力及鉆頭水眼黏度等）進行分析，以判斷泥漿質(zhì)量的好壞。根據(jù)經(jīng)驗和鉆井技術要求，給各項指標確定權值。流動指數(shù)對流型和洗井質(zhì)量影響很大，是指標中最重要的一個；塑性黏度不但決定了泥漿攜帶巖屑的能力，而且影響鉆進速度；泥漿凝膠強度和結構影響泥漿懸浮能力；失水量是鉆井液性能的重要參數(shù)，也是衡量泥漿護壁效果的指標之一；鉆頭水眼黏度既影響泥漿的抗剪能力和稀釋能力，又影響鉆進速度。根據(jù)相應的權值進行計算，并考慮泥漿配比中的各種成分，可得到最優(yōu)泥漿配方。另外，在影響鉆進速度的許多變量中，泥漿的性能參數(shù)是比較獨立的，只受井筒地質(zhì)條件影響；但泥漿類型及其性能變化卻對鉆壓、轉(zhuǎn)速和水力因素的配合有很大影響。所以對采集到的實時泥漿數(shù)據(jù)要進行相應的處理。最優(yōu)泥漿密度由下式求得：

圖 電磁流量計結構

圖 密度計結構

科學超深井鉆探技術方案預研究專題成果報告（中冊）

式中：ρm為最優(yōu)泥漿密度，kg/L；Pk為地層孔隙壓力，MPa；H為井深，m；Δρ為附加泥漿密度，常取～。

鉆頭鉆速和泥漿的運動黏度有一定的關系?？筛鶕?jù)泥漿黏度、密度和泥漿流量反算出鉆頭的機械鉆速與實際鉆速（通過測量得到）的相對比。

儀器控制及分析軟件初步編制

基于計算機平臺，利用VB計算機語言和相應的數(shù)據(jù)庫，編寫高溫高壓泥漿分析軟件，以高效科學地管理室內(nèi)和現(xiàn)場泥漿數(shù)據(jù)、便捷直觀地顯示泥漿各項性能隨溫度壓力的變化圖表、科學精確地預測較高溫高壓時的泥漿性能。

Visual Basic是Microsoft公司推出的可視化的開發(fā)環(huán)境，是Windows下最優(yōu)秀的程序開發(fā)工具之一。利用Visual Basic可以開發(fā)出具有良好交互功能、良好的兼容性和擴展性的應用程序。

VB的特點：①可視化編程；②事件驅(qū)動機制；③面向?qū)ο蟮某绦蛟O計語言；④支持多種數(shù)據(jù)庫訪問機制。我們可以想到的程序90%都可以用VB來開發(fā)和實現(xiàn)。從設計新興的用戶界面到利用其他應用程序的對象，從處理文字圖像到使用數(shù)據(jù)庫，從開發(fā)小工具到大型企業(yè)應用系統(tǒng)，甚至通過Internet的編輯全球分布式應用程序，都可以利用VB來實現(xiàn)。因此，我們選用VB來進行該軟件的設計。

軟件主要功能包括：室內(nèi)數(shù)據(jù)導入、現(xiàn)場數(shù)據(jù)導入；泥漿各項性能隨溫度壓力變化曲線，包括綜合圖和分組圖；井下具體位置的泥漿性能查詢，具體包括溫度、pH值、潤滑性、失水量、黏度、膠體率、密度，地層膨脹量，乳化效果；較高溫高壓條件下的泥漿性能預測；泥漿性能數(shù)據(jù)修改、導出、打印。

軟件結構圖：見圖。

圖 軟件功能結構圖

軟件數(shù)據(jù)流見圖。

軟件系統(tǒng)包括的數(shù)據(jù)流有技術員對數(shù)據(jù)的錄入；室內(nèi)實驗員對數(shù)據(jù)的錄入；軟件將泥漿數(shù)據(jù)以圖表的形式可視化顯示；管理人員對泥漿數(shù)據(jù)的查詢；管理人員對泥漿數(shù)據(jù)的修改；軟件對較高溫高壓條件下的泥漿性能進行預測；泥漿性能數(shù)據(jù)打印輸出。數(shù)據(jù)流圖如下：

圖 軟件數(shù)據(jù)流程圖

可視化效果見圖至圖。

圖 泥漿分析軟件模擬界面圖

圖 溫度隨井深變化曲線

圖 pH值隨溫度變化曲線

圖 黏度隨溫度變化曲線

圖 失水量隨溫度變化曲線

圖 泥漿摩阻系數(shù)隨溫度變化曲線