用于辽河潜山的随钻地层压力测量系统探头研究

李连庆

（长城钻探工程公司工程技术研究院，辽宁盘锦124010）①

用于辽河潜山的随钻地层压力测量系统探头研究

李连庆

（长城钻探工程公司工程技术研究院，辽宁盘锦124010）①

随钻地层压力测量系统作为重要的随钻工具，在特殊井和欠平衡钻井过程中起着非常重要的作用。探头作为系统的重要组成部分，对整个测量系统工作可靠性与数据的精确性起着重要的作用，探头伸出和压入地层是一个探头的受压过程，其强度直接关系着系统的有效性。对探头结构和强度进行研究和计算，得到探头在工作过程中的应力分布和变形情况，对优化设计探头机构和保证井下作业安全具有指导意义。

随钻测量；探头；辽河潜山；地层

在复杂地况钻井过程中，特别是窄密度窗口钻井过程中由于不能准确地取得地层压力数据，经常会造成井漏、井壁坍塌及压差卡钻等井下复杂情况发生，导致钻井周期延长及钻井成本的大量增加。

国内外多家钻井技术服务公司及科研机构针对以上问题进行了研究，有针对性地研制出了相关系统并进行了现场试验和现场应用。国外的Schlum-berger公司的StethoScope，Halliburton公司的Geo-Tap，Baker Hughes公司的Tes Trak，Weather-ford公司的Compact MFT等均是具有不同结构及扩展功能的随钻地层压力测量仪器，已经作为常规的钻井工具用于常规钻井和复杂钻井过程中并取得了较好应用效果［1］。目前在国内，大庆钻探公司研制出了SDC-I型随钻地层压力测量系统，并在SDC-I型的基础上经过改进研制出了SDC-Ⅱ型随钻地层压力测量系统，该系统已经成功在大庆油区进行了多次现场试验，取得了大庆油区真实的地层压力、温度等数据，对大庆油区的后续开发和钻井提速都起到了一定的指导作用［2-3］。

目前，研制的随钻地层压力测量系统在钻井过程中可实时测量地层压力、温度等数据并以脉冲信号的方式传输至地面，通过地面仪器实时接收、解码、分析脉冲信号，有助于及时了解所钻地层的情况，从而优化钻井液密度和当量循环密度以适应当前所钻地层，避免井漏、井喷、油气进入环空和钻井液侵入地层等复杂情况的发生，以达到确保钻井安全，提高钻井速度，节约钻井成本，提高经济效益的目的。还可以通过识别地层流体早期识别油气层，对计算储量及解释油气藏类型都有着重要的作用。

1　探头结构及工作原理

如图1所示的探头作为随钻地层压力测量系统的重要部件，其强度及安全性不仅关系到整个系统功能可靠性，同时也关系到钻井安全，探头在推靠过程中与井壁发生挤压，通过泥饼并最终进入井壁地层。探头的强度是随钻测量地层压力能否成功的关键。国内外相关报道显示，探头与所测地层井壁的有效密封，能够保证井下环空与测量系统和地层井壁所建立的密闭空间的充分隔离，从而保证随钻地层压力测量系统所测得的数据能够准确地反映所测地层压力、温度等的真实状况。

图1　探头结构

随钻地层压力测量系统由于受井下环空、系统内部泥浆通道和井下液压动力系统功率的限制，导致探头推靠组件的输出功率和探头结构的尺寸受到限制。推靠组件推靠力过小，将会导致探头不能穿透泥饼或者不能够完全穿透泥饼，使探头不能够完全接触井壁地层而导致密封失效。反之，推靠组件推靠力过大，则要求随钻地层压力测量系统的探头和推靠组件具有较高的强度，确保探头和推靠组件在钻进和测量过程中的安全性和可靠性。

探头系统由2个液压缸双向推靠组件和探头及密封组件组成，如图2所示。为防止因探头组件伸出时推靠井壁和钻井液循环时钻杆振动导致的探头位置偏斜，影响测压效果，过大的变形甚至会对钻井安全产生影响，因此在探头两侧对称添加液压推靠组件，提高探头的强度与可靠性。采用这种双液压缸辅助直推结构能够保证系统在测量过程中，系统主体始终与井壁地层保持近似相对静止状态，降低了对系统本体的机械强度要求，不破坏井壁泥饼的密封作用，有利于保证测量结果的真实性。在钻井过程中振动、冲击载荷大，要求整套系统的机械结构具有较高的强度，所以除密封件采用橡胶材料外，整个探头均使用42Cr Mo材料，同时对加工完成的部件进行了热处理，使这种材料在具有高强度和韧性的同时，有较高的疲劳极限和抗多次冲击的能力。

图2　探头系统

2　探头承受压力值

由辽河潜山随钻测量压力温度数据抽样统计分析（如表1），可得知辽河油田某油区的2 600 m及3 500 m地层的平均压力、温度。2 600 m井深时，井下环空平均温度为64.93℃，井下环空静液柱平均压力为30.24 MPa，此时该深度地层的流体泡点压力为15.93 MPa；井深3 500 m时，井下环空平均温度为89℃、井下环空静液柱平均压力为40.71 MPa，此时该地层的流体泡点压力为26.42 MPa。

表1　辽河潜山随钻测量压力温度抽样统计

从上述及流体测试腔压力变化曲线（如图3）［4-6］，可以得出井深2 600、3 500 m时井下环空静液柱压力与钻至地层的流体泡点压力差值Δp约为14.3 MPa，即为了不影响测试精度，探头推靠至井壁密封时，探头与井壁形成的密闭空间与外界的压差不应大于Δp＝14.3 MPa。

图3　流体测试腔压力变化曲线

则单位面积受力为

由极坐标方程整理得

式中：D为探头外径，m；d为探针外径，m。

将探头设计外径55 mm和探针设计外径14 mm代入上式得f≥44.09 k N，因此液压系统向探头提供的最小推靠力为44.09 k N。

由于随钻设备受钻柱直径与当前技术水平的限制，所以不能安装与上述推靠力相匹配的井下发电系统和液压输出系统，目前能够选用的液压输出系统的输出压力为15 MPa，因此其探头最大推靠力由下式得出，即

将探头设计外径55 mm和探针设计外径14 mm代入上式得f≤48.2 k N，因此液压系统向探头提供的最大推靠力为48.2 k N。

综上所述，为保证随钻地层压力测量系统在辽河潜山地区工作的可靠性，其推靠力的取值范围为44.09 k N≤f≤48.2 k N。

3　有限元校核

3.1 边界条件建立

图4　形变云图

由上得出井下发电及液压系统能够提供的最大推靠力为48.2 k N，本文以177.8mm随钻地层压力测量系统液压探头作为研究对象，基本结构如图1所示。假设地层为均质地层，在探头推靠过程中探头与地层接触面受力分布相同，将探头总成结构简化，建立探头和支架几何模型，将上述计算中取得压力输入计算软件中，得出力学分析结果如图4～5。

图5　受力云图

3.2 云图分析

由图4～5可以看出：在15 MPa液压作用下，设计外径55 mm的探头其最大变形发生在探头与液压杆之间，最大的应力变形为0.4191 mm，其变形在许可范围之内，安全系数n＝1.74，能够满足实际工况下对工具安全性的要求，不会对测量工作造成影响。

4　结论

1） 探头的强度应保证在系统测量过程中探头能够穿透泥饼并与地层形成密封，从而保证测量结果能够真实地反映所测地层的压力、温度等关键参数。

2） 在井下高温、高压、井下环空有限以及保证钻井安全的前提下，探头具有最优设计尺寸，其最优设计尺寸能够保证在现有电源及液压系统下工作的可靠性。

3） 在后续的研究中，继续改进探头结构，使其能够具有更高的可靠性。

［1］ 周树国.随钻地层压力测量装置的设计与仿真研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

［2］ 杨利.新型随钻地层压力测试工具［J］.国外油田工程，

2005，21（11）：20-23.

［3］ 李梦刚，万长根，白彬珍.随钻压力测量技术现状及应用前景［J］.断块油气田，2008，15（6）：123-126.

［4］ 马建国.油气井地层测试［M］.北京：石油工业出版社，

2006：99-105.

［5］ 何更生.油层物理［M］.北京：石油工业出版社，1993：

86-93.

［6］ 郑俊华，，杨春国，陈小锋，等.随钻地层压力测量探头推靠力研究［J］.石油机械，2011，39（7）：42-44.

［7］ Ward C D.Andreassen E.Pressure while drilling data improves reservoirdrillingperformance［R］.SPE 37588，1998.

Study on Formation Pressure Measurement System’s Probe for Liaohe Qianshan

LI Lianqing
（Engineering and Technology Research Institute，Greatwall Drilling Company，Panjin 124010，China）

The formation pressure measurement system is an important MWD tool，which plays a very important role in the drilling of special wells and underbalanced wells.Probe is one of the most important parts of the system，which could affect the reliability and accuracy of the measure-ment system.Probe extending and pressing into ground is a compression process，the strength of the probe is directly related with the effectiveness of the measurement system，we the structure and strength of the probe are studied，it will be helpful to get the stress distribution and deforma-tion when the probe is in work，and there will be guiding significance to optimizing the desig n andguarantee the safety in downhole operation.

measure while drilling；probe；Liaohe Qianshan；formation

TE921.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.024

1001-3482（2015）07-0094-04

①2014-01-25

李连庆（1969-），男，吉林东丰人，工程师，主要从事钻井技术研究及钻井监督工作。