摘要
目前，在野外钻探现场或泥浆实验室内测量泥浆滤失量都是以传统人工测量为主，测量程序繁琐，读数误差大，工作效率低。为此开展了泥浆滤失量自动测量技术的研制，从结构设计、软件开发、传感器优选、新型过滤材料研制等方面进行技术攻关，研制了LSZ-1型中低压泥浆滤失量自动测量仪。通过实验室试验，实现了泥浆滤失量自动测量、数据储存与无线传输、装置自动清洗等关键技术突破。该仪器的研制成功，可为我国今后实施深钻工程智能化提供技术支撑，有效降低劳动强度，提高数据测量可靠性和工作效率，是钻探信息化、自动化的核心技术装备。
泥浆被誉为钻探工程的“血液”，起着不可或缺的作用，其性能直接影响钻探效率和质量。随着自动化、大数据、人工智能等技术的不断融合发展，钻探技术正在加快自动化并转向智能化。智能钻探技术以大量数据的实时获取、高速传输和有效挖掘为基础。国内在地面自动化控制技术、传感检测技术、机器人技术、智能钻柱和远程作业计算机支持系统方面都有研究并取得了一定的进
在钻孔中液体压力差的作用下，泥浆中的自由水通过孔隙或裂隙向地层中渗透，称为泥浆的失水。失水的同时，泥浆中的固相颗粒附着在井壁上形成泥皮（泥饼），称为造
（1）滤失量测量精度：±0.1 mL/30 min，与人工测量滤失量偏差百分率≤5%，数据储存量512 M，传输速度9600 bps。
（2）滤失量测量模块的密封耐压1.6 MPa，可靠性100%。
（3）测量仪外形尺寸：长×宽×高=400 mm×250 mm×620 mm。
（4）整机质量≯8 kg，整体结构框架采用06Cr19Ni10奥氏体不锈钢，性价比高。
（5）适用于野外现场工作环境，防爆，电压36 V（或220 V变压至36 V）。
（6）使用寿命：平均无故障时间（MTBF）1000 h ，整机寿命8年。
（7）可实现滤失量参数自动测量和装置残留泥浆自动清洗功能。
（8）装置结构简单，各机械、电动及传感器部分具有满足野外钻探施工条件的抗震、耐腐蚀和耐潮湿性能。
（9）可实现野外钻探现场电脑端和手机端操作，界面简洁，结果显示直观，操作快捷。
（10）具备故障自动检测系统，便于野外钻探现场操作人员维修维护。
LSZ-1型泥浆滤失量自动测量仪主要由泥浆测试罐体总成、测量系统、清洗系统、信号处理与显示系统构
图1 泥浆滤失量自动测量仪结构
Fig.1 Structure of automatic measuring instrument of mud filter loss
罐体总成：1—液位电动阀；2—直线电机；3—移动杆；4—上罐体；5—下罐体；6—滤布；7—滤网托板；测量系统：8—气罐；9—减压阀；10—电磁阀；11—电磁阀；12—滤液管；13—挡污板；14—量筒；15—光感器；清洗系统：16—电动球阀；17—超声波传感器；18—电磁阀；19—喷嘴；信号处理与显示系统：20—主机；21—显示屏
图2 过滤组件结构
Fig.2 Structure of filter component
罐体总成由泥浆定量灌入液位电动阀（1）、直线电机（2）、移动杆（3）、上罐体（4）、下罐体（5）、滤布（6）、滤网托板（7）组成。被测泥浆通过液位电动阀定量灌入罐体内，直线电机通过移动杆可带动滤网托板上下滑动。过滤组件（
滤失量测量系统由气罐（8）、减压阀（9）、电磁阀（10）、电磁阀（11）、滤液管（12）、挡污板（13）、量筒（14）、光感器（15）组成。下罐体连接滤液管，滤液管插入量筒上部，量筒下部与排污电动球阀（16）相连，光感器处于量筒一侧。当罐体内灌入定量泥浆后，气罐通过减压阀向罐体送入额定气压的气体，关电磁阀，泥浆滤液将由滤液管滴（流）入量筒内，在规定的时间内，通过光感器测量泥浆的滤失量。测量结束，打开电磁阀泄压。
泥浆清洗系统由电动球阀（16）、超声波传感器（17）、电磁阀（18）、喷嘴（19）组成。当测量结束后，直线电机移动杆上移至上死点，罐体内泥浆泄出，打开排污口电动球阀和高压清水电磁阀，将清水送至喷嘴，同时启动超声波传感器，以产生微振动，将罐内泥浆和滤布上的泥皮清洗干净，停送高压清水，关闭各阀门，将滤网托板下行至下死点。
信号处理与显示系统由主机（20）和显示屏（21）组成。主机与各阀、传感器、电机相连，提供电动力，控制直线电机、各控制阀开关、传感器动作等程序，接收测量中信号并进行数据处理。通过主机处理后，由显示屏（21）自动显示测量数字及控制操作界
开发了1套泥浆滤失量自动测量控制软件，运行在组态屏上。组态屏操作系统为linux，内存256 M。阀口控制采用RS485串口进行数据交互。软件系统主要包括通讯和回应数据处理两部分。主要功能包括：（1）读取模块数据：通过串口按照MODBUS协议读取各模块数据，为流程控制提供判断设备动作的依据。（2）流程控制：通过控制DO模块的继电器输出，精确控制泥浆泵、清水泵、气缸等部件的动作，以控制泥浆的流动和清洗。（3）写入模块数据：串口按照协议写入DO模块数据，配合着读取模块读取到的数据，计算出泥浆滤失量。（4）组态屏通信：可设置流程控制过程中的时间参数，阀值大小，系统时间等，通过串口与控制模块进行通信，实时显示传感器数据及流程控制进度，实现数据储存、无线传输等功能。（5）故障检测功能，在测量系统出现故障时能及时准确地判断故障原因，以便于排除故障。软件操作界面如
图3 软件操作界面
Fig.3 Software operation interface
测量滤失量时，过滤组件处于下限位，罐体内放入240 mL定量泥浆后（通过泥浆筒上端液位传感器来控制），罐体气源通道阀开启，其他控制阀均处于关闭和密封状态，罐体内充气，压力保持0.69 MPa、30 min后，由光感器测量量筒滤液量（也可采用称重法），然后气源通道阀关闭，其他各控制阀开启，过滤组件上移进入清水冲洗状态，冲洗完毕后，各阀关闭及过滤组件下移至下死点位置。滤失量测量模块过滤组件中的滤纸采用研发的高分子树脂材料滤布代替，与常规滤纸网状结构类似，并可重复使用。泥浆滤失量自动测量工作流程如
图4 泥浆滤失量自动测量工作流程
Fig.4 Automatic measurement workflow of mud filter loss
人工测量泥浆滤失量时所用的滤纸为标准API滤纸，是一次性用品，无法重复使用。而设计泥浆滤失量自动测量仪时，需实现自动测量、清洗、复位等动作，要求各部件可重复使用、经久耐用。因此，优选或研制一种可重复使用的替代性过滤材料，是实现泥浆滤失量自动测量的前提之一，否则研制的泥浆滤失量自动测量仪每测一次就要对装置进行拆卸、更换滤纸等操作，就失去了自动测量的意义。为解决这一技术“瓶颈”，针对性地开展了泥浆滤失量测量所用的替代过滤材料的优选、研制试验。
钻井液用API滤纸规范要求：外观纸边整齐、纸面均匀，直径90.0±1.0 mm，厚度0.13±0.01 mm，紧度≥0.70 g/c
图5 API滤纸与研制的滤布细观结构
Fig.5 Detailed structure diagram of API filter paper
and the developed filter paper
针对该过滤材料开展了大量的不同泥浆配方、不同滤失量条件下的对比试验。试验仪器为ZNS-1型中压滤失仪，对每一种配方的泥浆分别测量采用API滤纸和研制滤布时的滤失量，各测5次取平均值。试验数据见
| 泥浆配方 | 密度/ （g·c | pH 值 | 粘度/ s | 滤失量/[mL·(30mi | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| API滤纸 | 研制滤布 | 偏差值 | 偏差率/ % | ||||
| （1）4%土 | 1.03 | 10 | 21 | 21.9 | 22.8 | 0.9 | 4.11 |
| （2）4%土+0.10%HV-CMC | 1.03 | 10 | 28 | 13.0 | 13.0 | 0 | 0 |
| （3）4%土+0.15%HV-CMC | 1.03 | 8 | 45 | 12.2 | 11.6 | -0.6 | -4.92 |
| （4）4%土+0.2%HV-CMC | 1.03 | 10 | 55 | 12.0 | 11.4 | -0.6 | -5.00 |
| （5）4%土+0.1%HV-CMC+2%KHm+1.5%GPNH+1%护壁剂 | 1.03 | 10 | 35 | 6.1 | 6.4 | 0.3 | 4.92 |
| （6）4%土+0.15%HV-CMC+2%KHm+1.5%GPNH+1%护壁剂 | 1.03 | 10 | 44 | 5.9 | 6.1 | 0.2 | 3.39 |
| （7）4%土+0.2%HV-CMC+2%KHm+1.5%GPNH+1%护壁剂 | 1.03 | 10 | 56 | 5.7 | 5.9 | 0.2 | 3.51 |
| （8）4%土+0.1%HV-CMC+2%KHm+1.5%GPNH+1%护壁剂+0.375%PHP | 1.03 | 10 | 74 | 5.3 | 5.5 | 0.2 | 3.77 |
图6 不同配方条件下API滤纸与研制滤布试验结果对比
Fig.6 Comparison of experimental results between API filter paper and developed filter materials under different mud formulations
由
（1）对使用前后的滤布进行对比观察，其内部网状结构未发生改变，测量结果重复性好。
（2）易清洗，滤布上粘附的泥皮用清水冲洗30 s即可清洗干净，无残留，不影响下一回次的测量。
（3）耐腐蚀性好，使用寿命长，在添加不同泥浆处理剂的配方条件下试验，单片滤布最高使用400次后，仍未发生明显腐蚀、变形、破损等情况。
新型可重复使用替代型滤布的研制成功，为实现泥浆滤失量自动化测量奠定了基
为检验研制的泥浆滤失量自动测量仪的可靠性和测量准确性，进行对比试验，采用不同泥浆配方，以密度、滤失量和含砂量3项指标为变量，对比自动测量与人工测量结果的差异性。根据地质岩心钻探现场常用泥浆性能指标范
对每组泥浆的滤失量分别进行人工测量与自动测量，各重复测5次，取平均值，然后进行对比，试验数据如
| 试验编号 | 滤失量/mL | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 人工测量 | 自动测量 | 偏差值 | 偏差率/% | |||
| 1 | 6.26 | 6.45 | 0.19 | 3.04 | ||
| 2 | 6.24 | 6.43 | 0.19 | 3.04 | ||
| 3 | 6.26 | 6.54 | 0.28 | 4.48 | ||
| 4 | 8.22 | 7.85 | -0.37 | -4.50 | ||
| 5 | 11.22 | 11.15 | -0.07 | -0.62 | ||
| 6 | 12.42 | 12.05 | -0.37 | -2.98 | ||
| 7 | 12.86 | 13.48 | 0.62 | 4.82 | ||
| 8 | 13.90 | 14.33 | 0.43 | 3.09 | ||
| 9 | 18.60 | 19.14 | 0.54 | 2.90 | ||
图7 人工与自动测量结果对比
Fig.7 Comparison between manual measurements and automatic measurements
由
（1）人工肉眼读取量筒中滤液凹面刻度值时误差较大，且读数结果因人而异。而自动测量采用光传感器或称重传感器获取滤液体积数值，测量结果读取的重复性与精确性高于人工肉眼读数。
（2）自动测量时，罐体内压力通过传感器进行控制，控制精度高，且气压稳定，相比人工用打气筒加压、补压，自动测量时测试环境条件对结果影响较小。
综上，研发的泥浆滤失量自动测量仪测量精度与准确性满足钻探现场泥浆滤失量测试要求，可以用于替代人工测量。
（1）本文研制的泥浆滤失量自动测量仪，实现了泥浆滤失量的自动化测量、数据储存与无线传输、装置自动清洗等功能，有效降低了技术人员劳动强度，提高了数据测量可靠性和工作效率，可为我国今后实施深钻工程智能化提供技术支撑，是钻探信息化、自动化的核心技术装备。
（2）试验表明，本文研制的泥浆滤失量自动测量仪性能可靠，测量数值准确，精确度高，与人工手动测量结果相比误差<5%，满足钻探现场泥浆滤失量测量的需要。
（3）本文研制的泥浆滤失量测量新型滤布，可替代一次性API滤纸，具有易清洗、可重复使用等优点。
（4）该研究成果解决了泥浆中压滤失量自动测量的关键技术“瓶颈”，下一步将针对超深孔、地热井钻探等高温高压环境下的泥浆滤失量自动测量开展研究，拓宽其应用范围。
参考文献（References）
闫铁，许瑞，刘维凯，等.中国智能化钻井技术研究发展［J］.东北石油大学学报，2020，44（4）：15-21，6. [百度学术]
YAN Tie， XU Rui， LIU Weikai， et al. Research and development of intelligent drilling technology in China［J］. Journal of Northeast Petroleum University， 2020，44（4）：15-21，6. [百度学术]
李根生，宋先知，田守嶒.智能钻井技术研究现状及发展趋势［J］.石油钻探技术，2020，48（1）：1-8. [百度学术]
LI Gensheng， SONG Xianzhi， TIAN Shouceng. Intelligent drilling technology research status and development trends［J］.Petroleum Drilling Techniques， 2020，48（1）：1-8. [百度学术]
薛倩冰，张金昌.智能化自动化钻探技术与装备发展概述［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（4）：9-14. [百度学术]
XUE Qianbing， ZHANG Jinchang. Advances in intelligent automatic drilling technologies and equipment［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2020，47（4）：9-14. [百度学术]
翁竞.一种滤失量测定组件：CN210829238U［P］.2020-06-23. [百度学术]
WONG Jing. Filter loss measuring assembly： CN210829238U［P］. 2020-06-23. [百度学术]
李凡，李大奇，张国，等.一种改进型API滤失量测定仪：CN209231290U［P］.2019-08-09. [百度学术]
LI Fan， LI Daqi， ZHANG Guo， et al. Improved API filter loss tester： CN209231290U［P］. 2019-08-09. [百度学术]
张志财，刘保双，王忠杰，等. 钻井液性能在线监测系统的研制与现场应用［J］.钻井液与完井液，2020，37（5）：597-601，607. [百度学术]
ZHANG Zhicai， LIU Baoshuang， WANG Zhongjie， et al. Development and field application of an online drilling fluid property monitoring system［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2020，37（5）：597-601，607. [百度学术]
朱恒银，王强，刘兵，等.5000m新型能源勘探智能钻探装备与技术研究［J］.钻探工程，2022，49（1）：110-119. [百度学术]
ZHU Hengyin， WANG Qiang， LIU Bing， et al. Research on 5000m new energy exploration intelligent drilling equipment and technology［J］. Drilling Engineering， 2022，49（1）：110-119. [百度学术]
潘一，徐明磊，郭永成，等.智能钻井液的化学体系及辅助系统研究进展［J］.精细化工，2020，37（11）：2246-2254. [百度学术]
PAN Yi， XU Minglei，GUO Yongcheng， et al. Research progress on chemical system and auxiliary system of intelligent drilling fluids［J］. Fine Chemicals， 2020，37（11）：2246-2254. [百度学术]
蒋官澄，董腾飞，崔凯潇，等.智能钻井液技术研究现状与发展方向［J］.石油勘探与开发，2022，49（3）：577-585. [百度学术]
JIANG Guancheng， DONG Tengfei， CUI Kaixiao， et al. Research status and development directions of intelligent drilling fluid technologies［J］. Petroleum Exploration and Development， 2022，49（3）：577-585. [百度学术]
朱恒银，王强，杨凯华，等.深部岩心钻探技术与管理［M］.北京：地质出版社，2014. [百度学术]
ZHU Hengyin， WANG Qiang， YANG Kaihua， et al. Deep Core Drilling Technology and Management［M］. Beijing： Geological Publishing House， 2014. [百度学术]
姚如钢，张振华，彭春耀，等.钻井液滤失造壁性能评价方法研究现状［J］.钻井液与完井液，2016，33（6）：1-9. [百度学术]
YAO Rugang， ZHANG Zhenhua， PENG Chunyao， et al. Status quo of methods for evaluating filtration performance and mud cake quality of drilling fluid［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2016，33（6）：1-9. [百度学术]
鄢捷年.钻井液工艺学［M］.东营：石油大学出版社，2001：366-369. [百度学术]
YAN Jienian. Drilling Fluid Technology［M］. Dongying： China University of Petroleum Press， 2001：366-369. [百度学术]
张洁，刘宁，陈刚.钻井液静态/动态滤失性评价装置与方法研究［J］.石油仪器，2014，28（2）：50-54，9. [百度学术]
ZHANG Jie， LIU Ning， CHEN Gang. Study on evaluation apparatus and method of static/dynamic filtration of drilling fluid［J］. Petroleum Instruments， 2014，28（2）：50-54，9. [百度学术]
GB/T 16783.1—2014，石油天然气工业 钻井液现场测试 第1部分：水基钻井液［S］. [百度学术]
GB/T 16783.1—2014， Petroleum and natural gas industries—Field testing of drilling fluids—Part 1： Water-based fluids［S］. [百度学术]
王鹏，刘伟，张果.钻井液性能自动监测装置的现状及改进建议［J］.钻采工艺，2022，45（3）：42-47. [百度学术]
WANG Peng， LIU Wei， ZHANG Guo．Status quo and improvement suggestions of automatic monitoring equipment for drilling fluid performance［J］. Drilling and Production Technology， 2022，45（3）：42-47. [百度学术]
张勇，张长亮，李江，等.钻井液自动在线测量技术和应用介绍［J］.石油化工自动化，2021，57（S1）：141-145，162. [百度学术]
ZHANG Yong， ZHANG Changliang， LI Jiang， et al. Technology and application on introduction of automaticon‑line measurement for drilling fluid［J］. Automation In Petro‑Chemical Industry， 2021，57（S1）：141-145，162. [百度学术]
朱恒银，王强，冯建宇，等.一种泥浆滤失量自动测量装置：CN213275602U［P］.2021-05-25. [百度学术]
ZHU Hengyin， WANG Qiang， FENG Jianyu， et al. Automatic mud filter loss measuring device： CN213275602U［P］. 2021-05-25. [百度学术]
朱恒银，王强，冯建宇，等.一种钻探泥浆性能多参数测量装置：CN214200204U［P］.2021-09-14. [百度学术]
ZHU Hengyin， WANG Qiang， FENG Jianyu，et al. Drilling mud performance multi‑parameter measuring device： CN214200204U［P］. 2021-09-14. [百度学术]
于倩倩，齐奔，黄子庚，等.滤失量实时监测装置：CN208187887U［P］.2018-12-04. [百度学术]
YU Qianqian， QI Ben， HUANG Zigeng， et al. Filter loss real-time supervision device： CN208187887U［P］. 2018-12-04. [百度学术]
余娇，王迪，孙召霞，等.微纳米纤维复合滤纸的过滤性能研究［J］.中国造纸，2021，40（3）：27-34. [百度学术]
YU Jiao， WANG Di， SUN Zhaoxia， et al. Study on the filtration performance of micro‑nano fiber composite filter paper［J］. China Pulp & Paper， 2021，40（3）：27-34. [百度学术]
杨圆坤，陶洪飞， 马合木江·艾合买提，等.不同滤网条件的微压过滤冲洗池过滤性能研究［J］.水资源与水工程学报，2020，31（6）：249-255. [百度学术]
YANG Yuankun， TAO Hongfei， Mahemujiang·AIHEMAITI， et al. Filtration performance of micro‑pressure filtering and washingpool with different screen materials［J］. Journal of Water Resources & Water Engineering， 2020，31（6）：249-255. [百度学术]
卫志美，刘振艳，王劭妤，等.多种结构聚醚砜纤维过滤膜的制备及过滤性能［J］.高分子材料科学与工程，2020，36（11）：101-108. [百度学术]
WEI Zhimei， LIU Zhenyan， WANG Shaoyu， et al. Preparation and filtration performance of different structure polyethersulfone fibrious membranes［J］. Polymer Materials Science and Engineering， 2020，36（11）：101-108. [百度学术]
乌效鸣，蔡记华，胡郁乐.钻井液与岩土工程浆材［M］.武汉：中国地质大学出版社，2014. [百度学术]
WU Xiaoming， CAI Jihua， HU Yule. Drilling Fluid and Geotechnical Slurry Material［M］. Wuhan： China University of Geosciences Press， 2014. [百度学术]
