DQPWD隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量儀器的研制

袁磊，馬曉偉，于成龍，韓玉安

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

欠平衡鉆井、精細(xì)控壓鉆井技術(shù)是解決深井中存在的高壓、高滲地層和窄密度窗口安全鉆進(jìn)問題的最有效方法。但在欠平衡鉆井、精細(xì)控壓鉆井過程中，通過常規(guī)鉆井參數(shù)的變化并不能及時(shí)、準(zhǔn)確地反映井下真實(shí)情況，會(huì)造成處理時(shí)機(jī)延誤，導(dǎo)致出現(xiàn)鉆井液漏失、地層流體侵入、壓差卡鉆等井下復(fù)雜情況[1]。而隨鉆測(cè)量環(huán)空壓力儀器可實(shí)時(shí)測(cè)量井下環(huán)空壓力和溫度數(shù)據(jù)，得出鉆井液的流變性、巖屑攜帶情況等信息，從而有效避免井下復(fù)雜情況和事故的發(fā)生，為欠平衡鉆井、精細(xì)控壓鉆井等高難度井的施工作業(yè)提供有效技術(shù)手段[2]。

國外在1980年左右已經(jīng)開始進(jìn)行井下壓力測(cè)量相關(guān)技術(shù)的研究，并在復(fù)雜井、高溫高壓井作業(yè)中取得了成功應(yīng)用[3]。諸如Halliburton公司開發(fā)的RTPWD、Schlumberger公司開發(fā)的APWD隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量工具等都已進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用階段，可適應(yīng)環(huán)境壓力140MPa，溫度150℃，測(cè)量精度較高，但產(chǎn)品價(jià)格和技術(shù)服務(wù)費(fèi)用昂貴。而國內(nèi)的研究起步較晚，還處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，沒有成熟的隨鉆壓力測(cè)量產(chǎn)品。目前，西南石油大學(xué)研制的深水表層鉆井環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)裝置，川慶鉆采院研制的ZT-PWD隨鉆壓力測(cè)量系統(tǒng)，克拉瑪依鉆井工藝研究院研制的欠平衡鉆井井底數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)等均已開展井下試驗(yàn)[4-5]。

DQPWD隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量儀器是大慶鉆井工程技術(shù)研究院獨(dú)立自主研制的隨鉆井下測(cè)量裝備，該儀器在泥漿脈沖信號(hào)上傳、地面信號(hào)濾波解碼技術(shù)上取得了創(chuàng)新突破，并進(jìn)行了2口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了很好的效果。

1 技術(shù)分析

1.1 DQPWD隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量儀器的組成

DQPWD隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量儀器主要由井下測(cè)量傳輸儀器和地面解碼系統(tǒng)2部分組成。井下測(cè)量傳輸儀器由壓力測(cè)量模塊、旋轉(zhuǎn)連接件、中控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、供電模塊和脈沖發(fā)生器組成，如圖1所示。供電模塊利用內(nèi)置鋰電池組給各模塊供電，中控模塊接收壓力測(cè)量模塊發(fā)送的環(huán)空壓力、溫度數(shù)據(jù)，并給出動(dòng)作指令，驅(qū)動(dòng)模塊接收中控模塊指令控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生有規(guī)律的鉆井液脈沖。

圖1 井下測(cè)量傳輸儀器組成

地面解碼系統(tǒng)由立管壓力傳感器、地面采集裝置、濾波解碼軟件組成，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解碼分析處理和存儲(chǔ)顯示。

1.2 工作原理

根據(jù)不同的鉆具組合來選擇合適的位置，將井下儀器與鉆具組合連接，并下入井下。鉆進(jìn)過程中循環(huán)鉆井液，供電模塊中的鋰電池組給壓力測(cè)量模塊、中控模塊和驅(qū)動(dòng)模塊供30V直流電，壓力測(cè)量模塊實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)空壓力數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給中控模塊，中控模塊將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成組合編碼方波信號(hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊，信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)換成脈沖發(fā)生器的閥動(dòng)作，以鉆井液壓力脈沖的形式將數(shù)據(jù)上傳到地面。地面解碼系統(tǒng)中的地面采集裝置接收立管壓力傳感器采集的立壓脈沖信號(hào)，經(jīng)過濾波解碼軟件將信號(hào)解碼還原成壓力、溫度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，形成環(huán)空壓力、溫度曲線。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

（1）最大外徑：172mm；

（2）總長：6062mm；

（3）壓力測(cè)量范圍：0～100MPa；

（4）壓力測(cè)量精度：±0.1%FS；

（5）工作溫度：150℃；

（6）工作壓力：100MPa。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井下測(cè)量數(shù)據(jù)上傳技術(shù)

為了解決井下儀器采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳問題，進(jìn)行了井下電子電路設(shè)計(jì)、井下中控模塊嵌入式程序的開發(fā)。

井下電子電路主要包括中控模塊電路、驅(qū)動(dòng)模塊電路的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)模塊主要將中控模塊發(fā)過來的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈沖發(fā)生器閥動(dòng)作的電脈沖信號(hào)。供電協(xié)議采用串聯(lián)式整體供電模式。中控模塊編程芯片優(yōu)選C8051F530單片機(jī)，除了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)和發(fā)送外，還進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合碼協(xié)議編碼，發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊。圖2為中控模塊嵌入式程序開發(fā)流程。

圖2 中控模塊嵌入式程序開發(fā)流程

2.2 地面信號(hào)接收分析技術(shù)

為了解決地面及時(shí)準(zhǔn)確接收到井下上傳的信號(hào)問題，進(jìn)行了地面采集裝置、解碼濾波軟件的研制。

地面采集裝置包括模擬安全柵、開關(guān)量安全柵、信號(hào)放大，數(shù)據(jù)采集卡（A/D）等。主要是對(duì)泥漿脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，安全柵實(shí)現(xiàn)了干擾噪聲信號(hào)的隔離，濾除干擾信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送給濾波解碼軟件。濾波解碼軟件通過對(duì)采集的立壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理，根據(jù)中控模塊的組合碼編碼協(xié)議對(duì)上傳的鉆井液脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，從而實(shí)現(xiàn)井下環(huán)空壓力、溫度數(shù)據(jù)的顯示及存儲(chǔ)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

DQPWD隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量儀器在大慶油田北2-丁6-556井、喇3-PS3317井成功進(jìn)行了2口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。儀器井下累計(jì)工作89h，累計(jì)隨鉆上傳有效環(huán)空、溫度數(shù)據(jù)191組。圖3是喇3-PS3317井測(cè)量井段100～820m，隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量儀器測(cè)量數(shù)據(jù)曲線。在測(cè)試井段，環(huán)空壓力最大為15.21MPa，環(huán)空溫度最高為36.5℃。隨著井深的增加，環(huán)空壓力、溫度曲線成增加趨勢(shì)。

分析試驗(yàn)結(jié)果，DQPWD儀器系統(tǒng)在井下試驗(yàn)過程中工作正常，測(cè)試效果良好，測(cè)試數(shù)據(jù)完整，真實(shí)反映了井底壓力和溫度變化，為工程設(shè)計(jì)和施工方案的制定提供了科學(xué)依據(jù)，避免了井下復(fù)雜情況和事故。

4 結(jié)論

DQPWD隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量儀器設(shè)計(jì)合理，工作可靠性高，測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。該儀器在大慶油田北2-丁6-556井、喇3-PS3317井成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量和實(shí)時(shí)上傳，為鉆井過程中井下壓力控制作業(yè)提供有效數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)于防止井下復(fù)雜情況與事故的發(fā)生具有明顯的效果，為控壓鉆井、欠平衡鉆井作業(yè)提供有力技術(shù)手段，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

圖3 喇3-PS3317隨鉆環(huán)空壓力、溫度測(cè)量數(shù)據(jù)曲線

[1]蔣宏偉,周英操,趙慶,等.控壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012,41(1）:1-5.

[2]周英操，劉永貴，鹿志文.欠平衡鉆井井底壓力控制技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2007,29(2）:13-17.

[3]劉建立,陳會(huì)年,高炳堂.國外隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2010,32(1）:94-98.

[4]王鵬，唐雪平，等.環(huán)空壓力隨鉆測(cè)量系統(tǒng)研究[J].石油機(jī)械，2012,40（1）：29-32.

[5]劉陽.基于PWD技術(shù)深水表層井下復(fù)雜工況隨鉆監(jiān)測(cè)[D].西南石油大學(xué)，2012.