随着全球已探明非常规油气资源储量的不断增加 [1] 与石油天然气行业技术的高速发展 [2] [3] ，油气探测领域中钻井与井控的难度越来越大 [4] ，溢流更是成为钻探过程中的常见现象。

溢流是指在钻井探测的过程中，钻井液(泥浆)和地层流体(如天然气、油或水)从井口非计划性的溢出现象。这种情况通常发生在地下压力大于钻井液柱压力时，导致地层流体进入井内并向上流动至地面。溢流是井控问题的早期迹象之一，如果不及时处理，可能发展成更严重的喷发(井喷)事件，对钻井平台和钻井工作人员造成重大威胁。

溢流监测的方法经过多年的开发研究，一般将钻井液池体积的数据作为溢流监测的理论依据，目前常用的方法是微流量溢流监测 [5] [6] [7] ，即在正常钻井时，观测泥浆池液面的微小变化，当井下发生液侵或气侵等异常情况时，泥浆池的高精度测量计测量的体积会有溢流显示，并以此为依据拉响溢流警报。除此之外，其他的溢流监测方法还有井口压力检测、钻井液密度检测、声波检测、井内压力和温度检测、泥浆循环系统观察等。但这些溢流监测的方法都是在井口处监测，相较于随钻溢流监测有实时性不足的缺点，而本文提出的方法是在井下钻头附近，实时性大幅提高。

溢流发生的最直接原因是地层孔隙压力大于钻井液静液柱压力，主要原因 [8] 有：

1) 钻头钻入异常高压地层，地层压力使地层流体侵入井筒。

2) 钻井液柱因地层流体侵入密度不足使地层流体速度加快。

3) 停泵时环空压耗消失，地层流体侵入井筒。

4) 起钻时钻头被泥浆包裹，抽汲作用导致溢流。

5) 邻井注水开发，导致地层流体侵入本井。

6) 起钻时未按规定补充钻井液，导致井筒液面下降或钻井液密度不足，地层流体侵入井筒。

对溢流的监测应从早期征兆着手，溢流的发生可以看到一些预兆或参数的变化，尽管预兆和参数的变化不一定确定有溢流发生，但可以确定有潜在的溢流存在。其征兆和参数变化 [8] 有：

1) 出口流量增加。

2) 钻井液池钻井液液面升高。

3) 钻井液性能变化。

4) 硫化氢浓度、烃类或氯根含量增高。

5) 起钻时井内流体外溢。

6) 停泵后钻井液外溢。

根据以上的分析，溢流监测的参数有钻压、转盘转速、泵速、泵压、钻井液参数、硫化氢浓度等，在这些参数中，选用与钻井液相关的参数变化来检测溢流，钻井液相关参数有总池体积、分离器液面、井口导管液面、环空液面、密度、温度、流量、流速等，当地层流体侵入井筒时，会引起井内环空压力、温度和钻井液组分、性能的变化，从而导致钻井液的密度、温度和电导率的变化，可以利用这些参数进行随钻溢流监测。在此，选择钻井液的电导率作为参数采集对象进行系统设计。

电阻率是一种物理量，用于描述物质阻挡电流通过的能力。其单位是欧姆·米。电阻率的大小取决于物质的类型和状态，以及温度等因素。具体来说，液体的导电性主要取决于其离子浓度。例如，纯水的电阻率很高，而含有离子的水(如盐水)的电阻率则较低。因此，不同类型和浓度的液体侵入，会导致电阻率发生不同程度的变化。

在井内，已有液体的存在会影响电阻率的基线值。当新的液体侵入时，由于新液体的电阻率可能与已有液体的电阻率不同，因此，会导致井内的电阻率发生变化。这种变化可以被电阻率监测技术检测到，从而实现对液体侵入的监测。

由于钻铤内的钻井液未与井内环境接触，其电导率数据可作为参考，钻铤外壁上设计多组传感器采集井内钻井液数据，并与钻铤内钻井液数据进行差异比较，研究电阻率变化趋势进行溢流监测。

随钻溢流监测系统由STM32F103C8T6单片机主控模块、信号发生模块、电极片阵列、信号处理模块和PC机组成。

本设计通过信号发生电路产生100 Hz的双极性方波信号，双极性方波信号通过STMF103C8T6主控芯片控制CD4052通道选择芯片进入电极片阵列，信号放大电路接收电极片阵列返回的信号，对信号进行处理，将处理后的信号传入STM32F103C8T6单片机的ADC进行模数转换，最后将数据通过串口传入PC端进行图形化显示，从而直观地得到钻铤附近内外电压差，进而对随钻溢流实现监测，本设计的整体设计如 图1 所示。

随钻溢流监测系统软件设计主要包括定时器、监测通道切换、ADC、串口传输。其中，定时器设定采集一组数据的间隔时间，监测通道切换设定监测外壁电极片阵列的组别，ADC将信号处理模块传入STM32F103C8T6的模拟信号转化为数字信号，串口传输将AD转化的数字信号传入PC端。

首先在自来水中观察系统初始状态，由于模拟钻铤的亚克力圆柱管直径较短，导致实际工况为外壁的电极片是垂直方向贴附在钻铤的外壁上，内壁的电极片是水平方向面对面贴附在钻铤的内壁上，因此内壁电极片与外壁电极片的实际形态不同，两者在水体中均体现出电容的特性，由于电极片组的形态不一致，导致其特性也出现差异，如 图9 所示。

对信号进行半波整流后得到未出现液体溢流时的系统监测图像，如 图10 所示。

此时，模拟液体侵入时的情况，调制溶质为20 g食盐，溶剂为380 g自来水的盐水，以10 g/s的速度通过管道匀速侵入井筒底部，得到出现液体溢流时的系统监测图像，如 图11 所示。

通过STM32F103C8T6主控系统串口传输的实验采集数据汇总分析，如 表1 所示。

将数据所有实验数据综合为趋势图，如 图12 所示。

通过测试结果的分析和总结，我们可以得出以下结论：

随着液体的不断侵入，外壁的电极片组的电阻率降低，分压减少，此时外壁电极片组与内壁电极片组的电压差值峰值减小，随着时间的推移，在侵入完成之前，电压差峰值还将不断减小。随着溢流液体的侵入，外壁液体测量的电阻率变小，内壁液体测量的电阻率不变，因此通过算法平滑后的电阻率差值曲线明显反映出这个过程，即有段下降过程。随着溶液的少量溶解，内壁溶液的电阻率发生少量变化，所以电阻率差值曲线呈现出先降后少量回升的过程。通过累计不同的侵入量，可以明显看出侵入量越多，内外壁电阻率差值越大。在注有19 kg自来水的模拟井筒中模拟侵入400 g盐水，从PC端的图形化显示界面可清晰监测到溢流发生的全过程，随钻溢流监测系统初步完成。

本文研究与实验设计了基于STM32F103C8T6单片机的随钻溢流监测系统，通过信号发生电路输出激励信号，输入电极片阵列采集数据，经过电极片阵列输出的采集信号传入信号处理电路，完成处理传入单片机进行AD转换，最后通过串口传入PC端进行图形化显示。

在实际测试中发现，电极片组的形状对信号影响较大，由于本次实验初期选择的模拟井筒直径较小，内壁的电极片组是在同一水平线上对称贴附，后期考虑更换直径更大的亚克力圆柱通管模拟钻铤，使得内壁的电极片组与外壁的电极片组贴附形态大致一致，让电极片组的特性相近。

目前，随钻溢流监测系统设计取得了阶段性成果，后期仍需改进，目前的实验条件是在实验室环境下使用自来水模拟钻井液，后期需要加入钻井液循环系统并使用钻井液在高温高压模拟真实环境的情况进行实验。随钻溢流监测系统可大幅提升溢流工况监测的实时性，有效保障了钻井作业人员的生命安全。