井下钻压测量装置研制及应用

2012-11-21朱荣东蒋世全马天寿

长江大学学报(自科版) 2012年16期

朱荣东陈平蒋世全马天寿

(中海油研究总院，北京 100027) (油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四川成都 610500) (中海油研究总院，北京 100027) (油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四川成都 610500)

井下钻压测量装置研制及应用

朱荣东陈平蒋世全马天寿

介绍了一种基于液压测试技术设计的井下钻压随钻测量装置，可实时测量井下钻压、井下环空压力等工程参数。对井下钻压获取方法及特点进行分析，对井下钻压测量装置的总体结构、原理、特点及工作性能指标进行简要介绍；最后对测量仪在试验井的实测数据进行分析，井下钻压测量装置清晰记录了接单根、开泵、停泵、起钻、通井、下钻、钻进等工况下的钻压和井下环空压力，所记录数据与录井数据和现场工况符合良好。

随钻测量；钻井工程参数；钻压；环空压力

随着世界各国对能源需求的增加及陆上油气发现难度的增大，进军海上油气田的勘探开发已经成为油气资源开发的战略制高点。由于海上环境条件限制，目前海上油气田的开发大部分都是采用丛式井，近年来随着开发成本压力增大，为降低开采成本，水平井、大位移井和复杂轨迹调整井等特殊复杂井越来越多，钻井事故及复杂情况的发生率越来越高[1-2]，于是安全、高效钻井成为了广大钻井工作者的目标。很多钻井事故及复杂情况的发生都与钻井工程参数有着密切关系，因此准确获取钻压、扭矩等井下工程参数对降低钻井风险和事故具有十分重要的意义。就钻压测量而言，目前主要利用地面指重表，但地面数据不能提供钻头处真实钻压，由于钻井过程中钻柱与井壁相互作用过程复杂，由地面测量数据推算得到工程参数精度较差，使工程技术人员不能清楚的了解井下钻井工程参数，给钻头的控制带来一定的困难[3]。针对井下真实钻压获取困难的问题，研制了能随钻测量井下钻压的井下钻压测量装置，可实测井下钻压和环空压力，为现场技术人员实时掌握和分析井下钻压和环空状况提供了有效途径，可适应和满足旋转导向钻井技术及常规钻井技术的需求[4-6]。

1 井下钻压获取方法及特点

现场获取钻压等工程参数的方法分为地面(或近井口)间接获取、井下直接获取2种。

1.1地面(或近井口)间接获取钻压、扭矩

主要采用地面(或近井口)悬重扭矩仪(如钻盘扭矩传感器、方补心扭矩仪、新型方钻杆悬重扭矩仪等)进行测量[7]，这种获取钻压、扭矩的技术较成熟。由于钻柱与井壁相互作用过程复杂，间接获取的钻压不够真实，测量数据精度差。但该方法成本低，可准确、及时检测和预报钻井异常，可避免钻井事故的发生，避免设备损坏和人身安全事故的发生，因此该方法被广泛采用。

1.2井下直接获取

采用井下测量工具随钻测量，测量工具可安装在钻柱的不同部位，测量工具不会影响钻柱的正常工作，可实时测量钻柱工作状态下的各种工程参数。测量工具实测数据的采集与处理方式主要有2种[8-10]：一种是在井下采集、记录并存储数据，待起钻后在地面进行数据回放和数据处理；另一种是在井下采集数据，然后将数据信号通过特殊的传输系统(如MWD、有线钻杆或无线信息传输系统等)传输到地面进行记录和处理分析。目前，国内外的大部分测量工具都可实现井下采集、井下存储和随钻传输数据同步执行，钻进过程中将测得的数据存储在井下存贮器中，同时通过传输系统将数据实时传输到地面，起钻后做回放数据与实时传输数据对比分析，可有效避免数据传输失真带来的问题。井下直接测得的钻压工程参数，由于是近钻头部位的数据，其精确度较录井更高，能真实反映近钻头部位实际工况。因此，提出研制井下钻压测量装置以测量井下真实钻压。

2 井下钻压测量装置研制

2.1测量方案

钻压测量，实际上就是对作用于钻头上方的集中力进行测量，有2个测量方案：

1)方案1——采用应变测量方法该方法是测量压(拉)力常用的方法，钻井时井下工况十分复杂，保证钻井的安全进行是首要的，这就使弹性元件不能有足够大的应变，只能有100～200με，这样的信号太小，给测试带来一定的困难，而且测量井下钻压很难消除泥浆浮力对钻压的影响。

2)方案2——采用测量液缸压力求得钻压值的方法该方案的测量装置结构要复杂得多，但该方法可以有效地降低和消除泥浆浮力对钻压测量结果的影响。为了使钻压的测量数据比较准确可靠，避免小信号测量中的困难，尽管通过液体传递测量钻压，会在结构上要增加一些复杂性，结构的复杂性也会增加工具失效的可能性，但是该方案将使钻压的测量更为准确。这里考虑选择方案2。

2.2井下钻压测量装置结构及原理

1—上接头；2—电子线路芯；3—管路；4—引线接头；5—压力传感器；6—圆柱形液压缸体；7—活塞；8—保护壳；9—花键下接头；10—花键；11—内花键接头；12—小孔；13—液压缸。

1)井下钻压测量装置井下钻压测量装置采用在近钻头部位增加一个测量短节，安放井下电源、液压油缸、传感器及数据采集电路的方法，依靠液压油和压力传感器传递和感测钻压，可随钻测量钻压和井下环空压力参数。采用方案2的测量装置结构图如图1所示。

2)钻压测量原理基于液压测试技术和传感器技术，利用测量液体压力的方法来测量钻压，即应用一个压力传感器测量圆柱形液压缸体内压力求得钻压，并应用另一个压力传感器测量环空压力，将环空压力测量信号传递至钻压测试信号中，可以有效的降低和消除泥浆浮力对钻压测量结果的影响。钻压测量原理[3]如下：钻头钻进时的钻压沿垂直的方向作用在花键下接头上，进而传动给活塞，活塞直接将压力挤压在液压缸上，这样液压缸内的压力通过小孔传递给压力传感器，压力传感器感应压力物理量的变化并将其转换为电信号，信号检测电路通过放大、滤波、A/D转换、标度变换等环节将该信号转换为表示所测物理量大小的数字信号[3-5]，存储器可在井下将测量数据储存供起钻后进行数据回放。测量装置工作时需要传递扭矩，按照以下过程传递[3]：钻柱带动上接头转动，上接头带动液压缸体转动，液压缸体带动内花键接头转动，通过花键的传动，可以带动花键下接头转动，而花键下接头将带动与其连接的钻具转动，实现扭矩的传递。

2.3钻压测量装置特点、工作环境及性能参数

1)特点该井下钻压测量装置有如下特点：采用液压油传递钻压，在测量钻压时可以将钻井液的浮力作用直接消除，使得其测量的钻压数据可靠，准确性高，能真实检测到钻头处钻压，而且液压油传递钻压使钻头的工作更加平稳；由于测量装置内部中空，对钻井液流道没有影响；具有结构简单、制造成本低廉、灵活方便、入井后工作可靠、使用寿命长等优点。

2)工作环境及性能参数工作井深3000m，适用钻头尺寸∅215.9～311.1mm，工作压力小于60MPa，工作温度小于125℃，工作轴向拉力小于500kN，最大工作钻压250kN，最大工作扭矩10kN/m，最大允许振动200m/s2，外径177.8mm，长度2520mm。测量参数范围及精度如下：钻压测量范围0～250kN，精度±5.0%；环空压力测量范围0～60MPa，精度±5.0%。

3 现场试验

井下钻压测量装置样机制造完成以后，对电路和各传感器分别进行标定，保证了系统的精度及回放数据有可比性[8]。在地面做了多次模拟试验后，在试验井进行了下井试验，主要验证测量装置综合性能，考察测量装置在恶劣钻井过程中能否正常实时测量钻压、环空压力。

3.1试验情况

试验井是二开二完直井。测量装置完整地进行了一趟钻试验，在井下连续工作时间为40.95h，测量装置有效测量时间38.1h，试验井深300～621m，进尺321m。试验阶段泵压4.6MPa，泥浆排量25.27～28.26L/s，泥浆密度1.18～1.22g/cm3，转速65r/min。测量装置取出后，外观一切正常，将保护壳拆开，确认硬件和软件均能正常工作。

3.2钻具组合

∅331.15mm牙轮钻头×0.30m+∅203.2mm630×410双母接头×0.50m+∅203.2mm钻铤6根×53.11m+∅177.8mm井下钻压测量装置×2.45m+∅177.8mm钻铤6根×53.0m+∅159mm钻铤3根×27.52m+∅127mm钻杆。测量装置底部距离钻头53.81m，仪器下部钻具浮重约96kN。

3.3数据分析

1) 钻压曲线图2是根据试验井596～621m井段实测数据绘制的井下钻压曲线。从图2可以看出，测量装置记录钻压与录井记录钻压十分接近，测量装置测得钻压为40～90kN，录井记录钻压为70kN左右，总体上实测井下钻压低于录井记录钻压，测量装置测得钻压与测量装置在BHA(井底钻具组合)上的位置有关。图中18～25min、178～187min、381～389min这3个时间段录井记录钻压有3个大缺口，表明是接3根单根工况，测量仪记录钻压与之相对应的时刻也有3个缺口，故接单根、起钻等工况符合较好。

2)井下环空压力曲线图3是根据试验井596～621m井段实测数据绘制的井下环空压力曲线。ABC三处为接单根工况，接单根时间分别为18～25min、178～187min、381～389min，接单根过程即ABC三处压力降低的过程。接单根时先停泵造成井下环空压力降低，压力逐渐降低成为测量仪所处位置的静液柱压力；接完单根后再次开泵循环钻进，压力再逐渐升高至循环井底环空压力，即循环、关泵条件下的环空压力差值大约为1.2MPa，即井眼环空循环压降大约为1.2MPa。需说明的是压力升高的就已经开泵，压力升高需要一段时间，这是由于要将井内静止泥浆循环起来，需先克服循环摩阻，这些都与现场实际情况符合较好。

图2 井下钻压测试曲线图3 井下环空压力测试曲线

DEFGHIJ段(500～700min)出现的压力大幅度波动是由通井(起钻→下钻→起钻)造成的：在D点(500min)泥浆泵关闭，压力降低到静液柱压力成为E点；EF段是起钻过程，起钻过程中测量仪所处位置的静液柱压力逐渐降低，当起钻至F点(628min)后，又开始下钻进行通井，为后续下套管固井做好准备；FG段是下钻通井过程，由环空压力曲线来看通井比较顺利(压力均匀增加)；下钻至G点(700min)开泵循环，循环很短时间再次关泵，压力再次降低到静液柱压力(即H点)；HI段代表钻柱在井内静止的过程；IJ段代表起钻过程，起钻过程也比较顺利(压力均匀降低)。