井下鉆壓測(cè)量裝置研制及應(yīng)用

朱榮東 陳 平 蔣世全 馬天壽

(中海油研究總院，北京 100027) (油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500) (中海油研究總院，北京 100027) (油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500)

井下鉆壓測(cè)量裝置研制及應(yīng)用

朱榮東 陳 平 蔣世全 馬天壽

(中海油研究總院，北京 100027) (油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500) (中海油研究總院，北京 100027) (油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500)

介紹了一種基于液壓測(cè)試技術(shù)設(shè)計(jì)的井下鉆壓隨鉆測(cè)量裝置，可實(shí)時(shí)測(cè)量井下鉆壓、井下環(huán)空壓力等工程參數(shù)。對(duì)井下鉆壓獲取方法及特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)井下鉆壓測(cè)量裝置的總體結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)及工作性能指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹；最后對(duì)測(cè)量?jī)x在試驗(yàn)井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，井下鉆壓測(cè)量裝置清晰記錄了接單根、開泵、停泵、起鉆、通井、下鉆、鉆進(jìn)等工況下的鉆壓和井下環(huán)空壓力，所記錄數(shù)據(jù)與錄井?dāng)?shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)工況符合良好。

隨鉆測(cè)量；鉆井工程參數(shù)；鉆壓；環(huán)空壓力

隨著世界各國(guó)對(duì)能源需求的增加及陸上油氣發(fā)現(xiàn)難度的增大，進(jìn)軍海上油氣田的勘探開發(fā)已經(jīng)成為油氣資源開發(fā)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。由于海上環(huán)境條件限制，目前海上油氣田的開發(fā)大部分都是采用叢式井，近年來隨著開發(fā)成本壓力增大，為降低開采成本，水平井、大位移井和復(fù)雜軌跡調(diào)整井等特殊復(fù)雜井越來越多，鉆井事故及復(fù)雜情況的發(fā)生率越來越高[1-2]，于是安全、高效鉆井成為了廣大鉆井工作者的目標(biāo)。很多鉆井事故及復(fù)雜情況的發(fā)生都與鉆井工程參數(shù)有著密切關(guān)系，因此準(zhǔn)確獲取鉆壓、扭矩等井下工程參數(shù)對(duì)降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)和事故具有十分重要的意義。就鉆壓測(cè)量而言，目前主要利用地面指重表，但地面數(shù)據(jù)不能提供鉆頭處真實(shí)鉆壓，由于鉆井過程中鉆柱與井壁相互作用過程復(fù)雜，由地面測(cè)量數(shù)據(jù)推算得到工程參數(shù)精度較差，使工程技術(shù)人員不能清楚的了解井下鉆井工程參數(shù)，給鉆頭的控制帶來一定的困難[3]。針對(duì)井下真實(shí)鉆壓獲取困難的問題，研制了能隨鉆測(cè)量井下鉆壓的井下鉆壓測(cè)量裝置，可實(shí)測(cè)井下鉆壓和環(huán)空壓力，為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員實(shí)時(shí)掌握和分析井下鉆壓和環(huán)空狀況提供了有效途徑，可適應(yīng)和滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)及常規(guī)鉆井技術(shù)的需求[4-6]。

1 井下鉆壓獲取方法及特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)獲取鉆壓等工程參數(shù)的方法分為地面(或近井口)間接獲取、井下直接獲取2種。

1.1地面(或近井口)間接獲取鉆壓、扭矩

主要采用地面(或近井口)懸重扭矩儀(如鉆盤扭矩傳感器、方補(bǔ)心扭矩儀、新型方鉆桿懸重扭矩儀等)進(jìn)行測(cè)量[7]，這種獲取鉆壓、扭矩的技術(shù)較成熟。由于鉆柱與井壁相互作用過程復(fù)雜，間接獲取的鉆壓不夠真實(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)精度差。但該方法成本低，可準(zhǔn)確、及時(shí)檢測(cè)和預(yù)報(bào)鉆井異常，可避免鉆井事故的發(fā)生，避免設(shè)備損壞和人身安全事故的發(fā)生，因此該方法被廣泛采用。

1.2井下直接獲取

采用井下測(cè)量工具隨鉆測(cè)量，測(cè)量工具可安裝在鉆柱的不同部位，測(cè)量工具不會(huì)影響鉆柱的正常工作，可實(shí)時(shí)測(cè)量鉆柱工作狀態(tài)下的各種工程參數(shù)。測(cè)量工具實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與處理方式主要有2種[8-10]：一種是在井下采集、記錄并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，待起鉆后在地面進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)處理；另一種是在井下采集數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)信號(hào)通過特殊的傳輸系統(tǒng)(如MWD、有線鉆桿或無線信息傳輸系統(tǒng)等)傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行記錄和處理分析。目前，國(guó)內(nèi)外的大部分測(cè)量工具都可實(shí)現(xiàn)井下采集、井下存儲(chǔ)和隨鉆傳輸數(shù)據(jù)同步執(zhí)行，鉆進(jìn)過程中將測(cè)得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在井下存貯器中，同時(shí)通過傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛妫疸@后做回放數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可有效避免數(shù)據(jù)傳輸失真帶來的問題。井下直接測(cè)得的鉆壓工程參數(shù)，由于是近鉆頭部位的數(shù)據(jù)，其精確度較錄井更高，能真實(shí)反映近鉆頭部位實(shí)際工況。因此，提出研制井下鉆壓測(cè)量裝置以測(cè)量井下真實(shí)鉆壓。

2 井下鉆壓測(cè)量裝置研制

2.1測(cè)量方案

鉆壓測(cè)量，實(shí)際上就是對(duì)作用于鉆頭上方的集中力進(jìn)行測(cè)量，有2個(gè)測(cè)量方案：

1)方案1——采用應(yīng)變測(cè)量方法 該方法是測(cè)量壓(拉)力常用的方法，鉆井時(shí)井下工況十分復(fù)雜，保證鉆井的安全進(jìn)行是首要的，這就使彈性元件不能有足夠大的應(yīng)變，只能有100～200με，這樣的信號(hào)太小，給測(cè)試帶來一定的困難，而且測(cè)量井下鉆壓很難消除泥漿浮力對(duì)鉆壓的影響。

2)方案2——采用測(cè)量液缸壓力求得鉆壓值的方法 該方案的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，但該方法可以有效地降低和消除泥漿浮力對(duì)鉆壓測(cè)量結(jié)果的影響。為了使鉆壓的測(cè)量數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確可靠，避免小信號(hào)測(cè)量中的困難，盡管通過液體傳遞測(cè)量鉆壓，會(huì)在結(jié)構(gòu)上要增加一些復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也會(huì)增加工具失效的可能性，但是該方案將使鉆壓的測(cè)量更為準(zhǔn)確。這里考慮選擇方案2。

2.2井下鉆壓測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)及原理

1—上接頭；2—電子線路芯；3—管路；4—引線接頭；5—壓力傳感器；6—圓柱形液壓缸體；7—活塞；8—保護(hù)殼；9—花鍵下接頭；10—花鍵；11—內(nèi)花鍵接頭；12—小孔；13—液壓缸。

1)井下鉆壓測(cè)量裝置 井下鉆壓測(cè)量裝置采用在近鉆頭部位增加一個(gè)測(cè)量短節(jié)，安放井下電源、液壓油缸、傳感器及數(shù)據(jù)采集電路的方法，依靠液壓油和壓力傳感器傳遞和感測(cè)鉆壓，可隨鉆測(cè)量鉆壓和井下環(huán)空壓力參數(shù)。采用方案2的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2)鉆壓測(cè)量原理 基于液壓測(cè)試技術(shù)和傳感器技術(shù)，利用測(cè)量液體壓力的方法來測(cè)量鉆壓，即應(yīng)用一個(gè)壓力傳感器測(cè)量圓柱形液壓缸體內(nèi)壓力求得鉆壓，并應(yīng)用另一個(gè)壓力傳感器測(cè)量環(huán)空壓力，將環(huán)空壓力測(cè)量信號(hào)傳遞至鉆壓測(cè)試信號(hào)中，可以有效的降低和消除泥漿浮力對(duì)鉆壓測(cè)量結(jié)果的影響。鉆壓測(cè)量原理[3]如下：鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的鉆壓沿垂直的方向作用在花鍵下接頭上，進(jìn)而傳動(dòng)給活塞，活塞直接將壓力擠壓在液壓缸上，這樣液壓缸內(nèi)的壓力通過小孔傳遞給壓力傳感器，壓力傳感器感應(yīng)壓力物理量的變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)檢測(cè)電路通過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、標(biāo)度變換等環(huán)節(jié)將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為表示所測(cè)物理量大小的數(shù)字信號(hào)[3-5]，存儲(chǔ)器可在井下將測(cè)量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存供起鉆后進(jìn)行數(shù)據(jù)回放。測(cè)量裝置工作時(shí)需要傳遞扭矩，按照以下過程傳遞[3]：鉆柱帶動(dòng)上接頭轉(zhuǎn)動(dòng)，上接頭帶動(dòng)液壓缸體轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓缸體帶動(dòng)內(nèi)花鍵接頭轉(zhuǎn)動(dòng)，通過花鍵的傳動(dòng)，可以帶動(dòng)花鍵下接頭轉(zhuǎn)動(dòng)，而花鍵下接頭將帶動(dòng)與其連接的鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。

2.3鉆壓測(cè)量裝置特點(diǎn)、工作環(huán)境及性能參數(shù)

1)特點(diǎn) 該井下鉆壓測(cè)量裝置有如下特點(diǎn)：采用液壓油傳遞鉆壓，在測(cè)量鉆壓時(shí)可以將鉆井液的浮力作用直接消除，使得其測(cè)量的鉆壓數(shù)據(jù)可靠，準(zhǔn)確性高，能真實(shí)檢測(cè)到鉆頭處鉆壓，而且液壓油傳遞鉆壓使鉆頭的工作更加平穩(wěn)；由于測(cè)量裝置內(nèi)部中空，對(duì)鉆井液流道沒有影響；具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低廉、靈活方便、入井后工作可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2)工作環(huán)境及性能參數(shù) 工作井深3000m，適用鉆頭尺寸?215.9～311.1mm，工作壓力小于60MPa，工作溫度小于125℃，工作軸向拉力小于500kN，最大工作鉆壓250kN，最大工作扭矩10kN/m，最大允許振動(dòng)200m/s2，外徑177.8mm，長(zhǎng)度2520mm。測(cè)量參數(shù)范圍及精度如下：鉆壓測(cè)量范圍0～250kN，精度±5.0%；環(huán)空壓力測(cè)量范圍0～60MPa，精度±5.0%。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

井下鉆壓測(cè)量裝置樣機(jī)制造完成以后，對(duì)電路和各傳感器分別進(jìn)行標(biāo)定，保證了系統(tǒng)的精度及回放數(shù)據(jù)有可比性[8]。在地面做了多次模擬試驗(yàn)后，在試驗(yàn)井進(jìn)行了下井試驗(yàn)，主要驗(yàn)證測(cè)量裝置綜合性能，考察測(cè)量裝置在惡劣鉆井過程中能否正常實(shí)時(shí)測(cè)量鉆壓、環(huán)空壓力。

3.1試驗(yàn)情況

試驗(yàn)井是二開二完直井。測(cè)量裝置完整地進(jìn)行了一趟鉆試驗(yàn)，在井下連續(xù)工作時(shí)間為40.95h，測(cè)量裝置有效測(cè)量時(shí)間38.1h，試驗(yàn)井深300～621m，進(jìn)尺321m。試驗(yàn)階段泵壓4.6MPa，泥漿排量25.27～28.26L/s，泥漿密度1.18～1.22g/cm3，轉(zhuǎn)速65r/min。測(cè)量裝置取出后，外觀一切正常，將保護(hù)殼拆開，確認(rèn)硬件和軟件均能正常工作。

3.2鉆具組合

?331.15mm牙輪鉆頭×0.30m+?203.2mm630×410雙母接頭×0.50m+?203.2mm鉆鋌6根×53.11m+?177.8mm井下鉆壓測(cè)量裝置×2.45m+?177.8mm鉆鋌6根×53.0m+?159mm鉆鋌3根×27.52m+?127mm鉆桿。測(cè)量裝置底部距離鉆頭53.81m，儀器下部鉆具浮重約96kN。

3.3數(shù)據(jù)分析

1) 鉆壓曲線 圖2是根據(jù)試驗(yàn)井596～621m井段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的井下鉆壓曲線。從圖2可以看出，測(cè)量裝置記錄鉆壓與錄井記錄鉆壓十分接近，測(cè)量裝置測(cè)得鉆壓為40～90kN，錄井記錄鉆壓為70kN左右，總體上實(shí)測(cè)井下鉆壓低于錄井記錄鉆壓，測(cè)量裝置測(cè)得鉆壓與測(cè)量裝置在BHA(井底鉆具組合)上的位置有關(guān)。圖中18～25min、178～187min、381～389min這3個(gè)時(shí)間段錄井記錄鉆壓有3個(gè)大缺口，表明是接3根單根工況，測(cè)量?jī)x記錄鉆壓與之相對(duì)應(yīng)的時(shí)刻也有3個(gè)缺口，故接單根、起鉆等工況符合較好。

2)井下環(huán)空壓力曲線 圖3是根據(jù)試驗(yàn)井596～621m井段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的井下環(huán)空壓力曲線。ABC三處為接單根工況，接單根時(shí)間分別為18～25min、178～187min、381～389min，接單根過程即ABC三處壓力降低的過程。接單根時(shí)先停泵造成井下環(huán)空壓力降低，壓力逐漸降低成為測(cè)量?jī)x所處位置的靜液柱壓力；接完單根后再次開泵循環(huán)鉆進(jìn)，壓力再逐漸升高至循環(huán)井底環(huán)空壓力，即循環(huán)、關(guān)泵條件下的環(huán)空壓力差值大約為1.2MPa，即井眼環(huán)空循環(huán)壓降大約為1.2MPa。需說明的是壓力升高的就已經(jīng)開泵，壓力升高需要一段時(shí)間，這是由于要將井內(nèi)靜止泥漿循環(huán)起來，需先克服循環(huán)摩阻，這些都與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況符合較好。

圖2 井下鉆壓測(cè)試曲線 圖3 井下環(huán)空壓力測(cè)試曲線

DEFGHIJ段(500～700min)出現(xiàn)的壓力大幅度波動(dòng)是由通井(起鉆→下鉆→起鉆)造成的：在D點(diǎn)(500min)泥漿泵關(guān)閉，壓力降低到靜液柱壓力成為E點(diǎn)；EF段是起鉆過程，起鉆過程中測(cè)量?jī)x所處位置的靜液柱壓力逐漸降低，當(dāng)起鉆至F點(diǎn)(628min)后，又開始下鉆進(jìn)行通井，為后續(xù)下套管固井做好準(zhǔn)備；FG段是下鉆通井過程，由環(huán)空壓力曲線來看通井比較順利(壓力均勻增加)；下鉆至G點(diǎn)(700min)開泵循環(huán)，循環(huán)很短時(shí)間再次關(guān)泵，壓力再次降低到靜液柱壓力(即H點(diǎn))；HI段代表鉆柱在井內(nèi)靜止的過程；IJ段代表起鉆過程，起鉆過程也比較順利(壓力均勻降低)。

4 結(jié) 論

1)通過分析，對(duì)井下鉆壓測(cè)量方案進(jìn)行了選擇，選擇通過測(cè)量液缸壓力求得鉆壓值的方法，該方案的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但測(cè)量數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確可靠，可避免小信號(hào)測(cè)量中的困難，還可有效地降低和消除泥漿浮力對(duì)鉆壓測(cè)量結(jié)果的影響。

2)介紹了一種基于液壓測(cè)試技術(shù)設(shè)計(jì)的井下鉆壓測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，對(duì)測(cè)量裝置的測(cè)量原理進(jìn)行了介紹，該裝置可實(shí)測(cè)井下鉆壓和井下環(huán)空壓力，井下直接測(cè)得工程參數(shù)，其精確度較錄井更高，能更真實(shí)反映近鉆頭部位實(shí)際工況。

3)試驗(yàn)井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，井下鉆壓測(cè)量裝置所記錄的井下鉆壓和井下環(huán)空壓力與錄井記錄數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)工況吻合良好，清晰記錄了接單根、開泵、停泵、起鉆、通井、下鉆、鉆進(jìn)等工況下的井下鉆壓和井下環(huán)空壓力及相應(yīng)的變化情況。

[1]Harrison W H. Geo science Electronics Cor[A]//Air-Drilling, Electro-magnetic, MWD System Development [C]. English Track Publishing House, 2002.

[2]張紹槐, 狄勤豐. 用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)鉆大位移井[J]. 石油學(xué)報(bào), 2000, 21(1): 76-80.

[3]陳平, 姜偉, 黃萬(wàn)志, 等. 井下鉆壓測(cè)量裝置[P]. 中國(guó)專利: CN200420116290.8. 2006-03-01.

[4]胡澤, 賴欣, 顧三春, 等. 基于DSP技術(shù)的鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 西南石油學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 28(4): 94-96.

[5]王旭東, 陳平, 張杰. 井下鉆井工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 32(05): 154-160.

[6]胡澤, 陳平, 黃萬(wàn)志, 等. 應(yīng)變測(cè)試法測(cè)試鉆井參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，西南石油大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 29(3): 49-52.

[7]孫永興, 林元華, 施太和, 等. 鉆柱扭矩測(cè)量方法研究[J]. 石油鉆探技術(shù), 2005, 33(2): 13-15.

[8]王以法, 管志川, 李志剛, 等.井下測(cè)量接頭自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研制[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2000, 24(5): 11-13.

[9] Close D A, Owens S C, McPherson J D, et al. Measurement of BHA Vibration Using MWD[J]. IADC/SPE 17273, 1988.

[10] Finger J T, Mansure A J, Knudsen S D, et al. Development of a System for Diagnostic-While-Drilling (DWD)[J]. SPE/IADC 79884, 2003.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.017

TE242；TE921

A

1673-1409(2012)06-N051-04