钻井液入口流量与出口流量详解

李小溪

（大庆钻探工程公司地质录井二公司，吉林松原138000）

在实际工作中，有些录井参数的字面意思相近，易被误解，导致应用上的错误，尤其是室内研究人员更易对这些参数产生错误的理解和应用。其中钻井液入口流量与钻井液出口流量是钻井现场最重要、最常用的钻井液参数，也是最易被误解和用错的参数。钻井液入口流量与钻井液出口流量的单位不同，实际意义也不一样。在实际工作中钻井液入口流量的单位是m3/min或者L/s。而钻井液出口流量的单位是%。前者是指由钻井液泵在单位时间内泵入井口的钻井液量，即钻井液泵的排量，而后者是指钻井液返出井口时在架空槽或缓冲罐内的钻井液液面的变化值，是个相对变化量。具体说明如下所述。

1 钻井液入口流量

1.1 实际意义

钻井液入口流量是绝对流量，指在单位时间内流入井口的钻井液的体积，常用单位是m3/min或者L/s。实际工作中钻井液入口流量就是指由钻井液泵在单位时间内泵入井口的钻井液量，即钻井液泵的流量。此参数是通过监测钻井液泵的泵冲数，而得出的计算参数。

钻井液泵的流量和排量实际上是两个不同的概念。泵的流量是指单位时间内泵通过排出或吸入管道所输送的液体量。流量通常以单位时间内的体积表示，称体积流量，用Q表示，单位为m3/min 或者L/s。而泵的排量是指往复泵的曲轴旋转一周（360°）、活塞或柱塞往复运行一次（一个冲次），泵所排出或吸入的液体体积，常用单位为L/冲或m3/冲。它只与泵的液缸数目及几何尺寸（液缸内径、活塞或柱塞的冲程长度）有关，而于时间无关。

泵冲数n：是指单位时间内活塞或柱塞的往复次数，简称冲次，用n表示，单位为min-1。

1.2 数据来源及采集方法

现场测量钻井液入口流量一般是通过使用泵冲传感器监测钻井液泵的活塞（或柱塞）的冲数（也就是我们所说的泵冲数），来监测和计算实时流量和累计流量。

泵冲数的测量原理：泵冲的测量采用电感接近式开关传感器，当泵的联动机构上金属物体在接近开关传感器的感应面附近划过时会产生脉冲信号，经过信号采集及数据处理得出单位时间内泵的单个活塞的运动频率从而获得脉冲数（单位：冲/min），以及一定时间内的累计泵冲数（单位：冲）。泵冲数乘以缸的个数，即可得出整台钻井液泵的泵冲数，但实际工作中所说的泵冲数是指把泵的三个缸的活塞同时运行一个冲次看作一冲而取得的数值。

1.3 钻井液入口流量的应用

钻井液入口流量是钻井现场所需要录取的必不可少的钻井液参数之一，它对钻井和录井施工都起着至关重要的作用。实时监测钻井液入口流量（泵冲数）可以帮助司钻了解钻井液泵的工作情况和现在钻井液注入量和累计注入量，并间接地掌握井内的压力和流量情况，杜绝安全事故的发生。只有通过监控钻井液入口流量，才能够计算迟到时间及其他派生参数，工程人员才能记录和监控钻井液泵的运行状态，录井人员才能准确录取岩屑、气测等资料，建立精确的地层剖面。钻井液入口流量主要用来计算迟到时间、油气上窜速度、精确计量和定位特殊处理剂、计算平均井径等，同时它还反映了泵的工作状态，结合其他参数可以判别异常工况。

2 钻井液出口流量

2.1 实际意义

实际上我们一直以来所说钻井液的出口流量是相对流量，指钻井液出口流量的相对变化量，即与钻井液泵正常工作时的出口流量相比，实时流量的变化趋势，是增多、相近还是减少，也可以说是指钻井液返出井口时在架空槽或缓冲罐内的钻井液面的相对变化量，实际工作中是以%为单位。

2.2 数据来源及采集方法

出口流量是出口流量传感器采集的实时参数值。具体说明如下：

在钻井过程中，为了对钻井液出口流量的实时监控，综合录井通常使用靶式流量计或者超声波液位传感器来测量钻井液出口流量的变化。二者测量原理和方法不同，精度也不同。

2.2.1 靶式流量计

（1）常见的靶式流量计。常见的靶式流量计主要用于高粘度、低雷诺数流体的流量测量，也可用于测量一般气体、液体和蒸汽等流体介质的流量。靶式流量计是安装在管道中的，是一种节流变压降式流量计，靶式流量计的关键技术是力的转换方式，即力传感器的结构形式。虽然按靶式流量计使用的力转换器的结构或信号形式可分为将其不同类型，但其基本结构均是由测量装置（包括靶板和测量管）、力转换器和信号处理单元（包括显示部分）组成。其基本工作原理如下：在恒定截面的圆筒形测量管(仪表体)直管段的截面中心同轴放置一个与流束垂直的圆形靶板（或圆钢球），当流体冲击靶板、并沿靶板周围流过时，靶板上受到一个推力F，它与流速V（或流体的动能）、流体密度ρ和靶板受力面积A之间的成正比，具体关系如式（1）所示：

式中：F——靶板上受的力，N；

CD——阻力系数；

ρ——流体密度，kg/m3；

V——流体流速，m/s；

A——靶板受力面积，mm2。

靶式流量计适用场所有如下要求：①所测流体必须是牛顿流体；②流体必须充满流量计的测量管；③流体在物理学和热力学上是均匀的，并可知道测量条件下的密度和粘度；④流体流经流量计时不发生相变；⑤管道雷诺数应大于2000（不同的制造商可能有不同的要求）。

目前施工现场所使用的钻井液绝大多数均是非牛顿流体，而且钻井液从井底返出时还要携带大量的岩屑，有时其中还要溶解地层中的流体（包括油、气、水等）。同时钻井现场一般是在钻井液出口处安装方形敞口高架槽来连接缓冲罐及振动筛，即使是使用圆形导管连接，当正常钻进时，钻井液也并不能充满架空槽（导管），只是在其中形成一定高度的液面。所以常见的靶式流量计不适用于钻井现场，即使勉强使用，也无法测出钻井液的流量大小。

（2）钻井现场使用的靶式流量计。

①工作原理：长期以来钻井施工现场是使用靶式流量计来测量钻井液出口流量的，此流量计与安装在管道中的靶式流量计不同，此传感器结构简单，成本低廉，其核心部件是传感器的靶板和与其相连的可变电阻，靶板位置变化会导致相连的可变电阻的阻值变化。其测量原理是依靠出口钻井液的冲击力使靶板位置发生变化，进而根据钻井液流体连续性原理和伯努利方程以及靶体受力的分析，可得出流量与传感器靶板之间的函数关系，并以电阻值线性变化反映靶板的角位移（即转动的角度），从而表示出口液面的高度，即可测得钻井液流量的相对变化。其输出信号为4～20mA。经实地观察实际流量的大小与靶板转动的角度呈正相关性，即流量大，转动的角度也大，槽内的液面高度也就高，反之，则转动的角度也小，槽内的液面高度也就低。也就是通过靶板转动的角度及槽内液面的高度变化来代表实际的流量变化。此传感器靶板的张开角度为0°～50°，其变化反应比较灵敏，测量结果基本上能反映出口钻井液流量的异常变化，其测得的是出口钻井液流量相对变化，无绝对量程。

②现场安装步骤：a必须安装在钻井液出口导管或高架槽上，距井口3～4m 处，且要求高架槽的宽度（或导管的直径）和坡度要满足靶板在静止时（即没有钻井液返出时）能够保持垂直或接近垂直状态；b 靶板活动方向与钻井液流向一致；c靶板浸入钻井液的深度以不被沉砂搁置为宜。注意：在安装后，应检查靶板可在管内空间自由摆动，不与管线内壁相碰。否则影响传感器输出信号正确性。此传感器一般备有两种加重块，可由用户在现场根据不同的情况自由选用，可单独用一块，也可两块叠用。如钻井液流速很大，传感器摆臂冲到极限位置时，可以适当增加配重，若钻井液流速较小，传感器摆臂摆幅太小，可以适当减小配重。

③传感器标定方法：实际工作中常用的标定方法有几种：

方法一：a 在钻井液泵处于停止状态，井口没有钻井液返出，靶板此时处于最低位，呈垂直或接近垂直状态，把此时传感器所测得的信号值标定成0%，b把靶板抬到最高位，大约与垂直方向呈50°时，把此时传感器所测得的信号值标定成100%。

方法二：a 在井口没有钻井液返出时，靶板此时处于最低位，把此时传感器所测得的信号值标定成0%；b在钻井液泵处于正常工作状态、钻井液从井口正常返出时，靶板偏转到一定的位置，把此时传感器所采集到的信号值标定成80%（之所以不标成100%，是因为一旦钻井液排量再加大或有溢流产生，参数值可能会超过100%。）。

④靶式流量计的优、缺点：靶式流量计是钻井现场应用最多流量传感器，具有结构简单、价格最低廉、能够长期使用的优点，主要测量钻井液的相对变化量，只能定性地从井底返出的钻井液的变化情况，不能定量测量。在使用中，靶式流量计具有很多缺点：安装条件严格且过程繁琐；靶板长期使用后会因挂上泥饼而活动范围缩小、灵敏度变差，需要定期对挡板进行清洗；配种块如果选择不当会导致测量误差加大；潮湿的环境导致传感器的可变电阻易损且电阻值产生误差等。经过计算，钻井液返出流量从24L/s 增加到25L/s 时，由于泥浆的粘滞作用，其升高只有2%左右，这导致靶式流量计在实际测量返出钻井液流量时精度不够，不能准确预测溢流。

2.2.2 超声波液位传感器

（1）替代原理：鉴于靶式流量计在现场应用中显现出来的诸多缺点，人们开始研究如何用其他方式来测量钻井液出口流量。通过分析不难看出：靶式流量计只能测量钻井液出口流量的相对变化，钻井液出口流量变化导致高架槽（出口导管）内的钻井液液面的高低发生相应的变化，不同的出口流量会形成不同高度的液面，即流量与液面高度具正相关性，现场只要能准确测量这一高度，便可达到准确反映出口钻井液流量变化的目的。综上所述，完全可以用出口钻井液面的高低变化来替代出口流量变化。

（2）工作原理：超声波液位传感器，用来测量敞开或密封容器中的液体液位。此传感器装有超声波探头及温度感应元件。传感器由探头发射一系列超声波脉冲，而超声波脉冲遇到液面后返回，被传感器接收。传感器中的滤波装置可从来自声波、电波噪声等各种假回波中分辨出从液面上返回的真回波，脉冲波从发射到液面、再返回到传感器所用的时间经温度补偿后，转换成可显示的距离，并转变为4～20mA 电流信号输出。超声波传感器具有输出信号稳定、抗干扰能力强、测量距离准确、误差范围小等优点。

安装要求：超声波液位传感器最佳的安装位置是在出口导管（或高架槽）上，距离井口3～4m、液面稳定处。为了提高测量精度，尽量避免装在缓冲罐上面。因为注入流量一定的情况下，容器的底面积越小，液面高度的变化越明显。一般要求传感器探头距离出口导管（高架槽）顶面25cm（超声波液位传感器的盲区为25cm）。

传感器标定方法：①初始化传感器：设定传感器的最小监测距离为25cm（即导管或高架槽顶面位置）；设定最大监测距离为25cm+导管内径或高架槽内部高度。②标定：于录井软件标定界面中，把最大距离所对应的信号标定为0%；把最小距离所对应的信号标定为100%。

2.3 钻井液出口流量的应用

钻井过程中，如果对井漏、井涌等复杂情况的发生处理不及时，则会酿成严重的事故。尤其是在天然气井中，如果处理的方法和措施不当，极易引起井喷失控着火、井场爆炸及井场下陷等灾难性事故。为了预防井喷，钻井过程中的井控工作中，应该及早发现溢流、井漏等征兆并及时处理，这也是井控技术的关键环节。钻井液出口流量是判断钻井现场井涌溢流及井漏的关键参数，对钻井液流量参数进行实时动态监测，便能及时发现溢流、井漏等异常现象，及时预警，以便安全、高效地完成钻井工作。

钻井液出口流量主要应用是结合其他参数来判断和预警以下井下复杂情况和工程事故。

井漏：井漏发生时的特征是在入口流量恒定的情况下，出口流量减小，同时钻井液池体积下降，立管压力下降。

溢流及井涌：此类异常情况的特征是在入口流量恒定的情况下，出口流量增大，同时钻井液池体积增大，立管压力上升。

堵水眼：一旦钻头水眼被堵，会出现泵压急剧上升，泵速下降，出口流量减小的现象。

断钻具：断钻具的事故发生，会导致泵压急剧下降、泵速上升、悬重突然下降、扭矩下降、出口流量上升等情况。

3 问题探讨

由于条件限制，目前陆地钻井现场绝大多数是使用靶式流量计或超声波液位传感器来测量钻井液出口流量，用泵冲数来计算钻井液入口流量。在实际工作中钻井液泵的排量要受泵的机械效率和上水效率的影响，而且靶式流量计和超声波液位传感器所测得的钻井液出口流量只是相对流量，无法进行入口、出口流量的对比。随着井控技术的发展，越来越要求现场能精确测量出钻井液的入口、出口流量，以便及时对比，及早预报井漏、井涌和井喷等事故的发生。所以近些年在钻井液定量监测技术上有了新的突破，有些油气田引进质量流量计和电磁流量计两种设备用于石油钻探过程中的钻井液的定量监测。质量流量计虽然具有测量精度高、稳定性好等优点，但是存在价格昂贵、现场安装复杂等缺点，因此目前多采用电磁流量计定量监测钻井现场钻井液流量。电磁流量计受测量原理限制，为保证测量精度，流量计前后的管道必须有一定长度的直管段，流体流经流量计的前后管道内均需要是满管状态，这就对电磁流量计的安装使用产生了限制；另外当钻井液流量较大时，固定管径下的电磁流量计会对流体通过产生抑制作用，从而造成钻井液的回流，对钻井的安全作业产生影响。也有些油气田引进多普勒流量计来进行钻井液流量监测，但是由于各种原因，均没有得到广泛应用。

4 结束语

截止目前钻井液入口与出口流量的实际意义不同是由于现场监测方法及条件限制所导致的，而为了实现安全、快速、经济的钻井，对钻井液定量、实时、准确监测显得尤其重要。这就要求必须有新的、更科学的测量方法应用于钻井现场，如何高精度、真实、准确测量返出钻井液成为石油工业界需要探索的课题之一。