井下微流量测量实时传输系统研究及应用

李 果王 振李群生郑 义

（1.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川 德阳 618000；

2.中国石油大庆钻探工程公司钻井四公司工程分公司，黑龙江 大庆 138000）

井下微流量测量实时传输系统研究及应用

李 果1王 振2李群生1郑 义1

（1.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川 德阳 618000；

2.中国石油大庆钻探工程公司钻井四公司工程分公司，黑龙江 大庆 138000）

微流量控制的钻井技术主要通过实时监测钻井液进出口流量变化来判断井下复杂情况，并通过调节井口节流装置的开度来控制井口回压。井下微流量工具可实现实时传输功能，这为微流量高效准确控制提供了有利保证，从而，设计了井下微流量测量实时传输系统，本系统可以将井下测试仪器的信号通过MWD传输至地面，为地面回压、流量的控制提供参数。本装置的优点主要体现在对井下发生的溢流和井漏事故的快速处理上，如果没有发生相应事故，则只需保持井底环空流量和压力的稳定；一旦井下发生压力相关事故，控压机制就会启动，通过判断井下环空流量的变化及侵入流体的含气率，结合井口参数，采取合理措施对井底流量、压力进行控制。

微流量控制 实时传输 节流装置 MWD 闭环控制

0 引言

井下微流量控制钻井技术是一种在现有地面微流量控制钻井技术基础上提出的，以井下环空流量为主要控制对象的新的控压钻井方法。该技术的核心是通过实时监测钻井过程中井下环空流量的变化，并把相关数据通过MWD及时传输到地面，结合地面其他钻井参数进行分析处理，判断井下发生的各种复杂情况，借以指导下一步钻井操作。这种测量装置安装在近钻头处，能较好地解决气体压缩、多相流动带来的监测难点，能及时发现溢流或井漏情况的发生，提高钻井安全性。

1 实时传输系统设计

1.1 实时传输系统设计的基本原理

微流量测量装置安装于近钻头处，在下钻前打开仪器侧面的电源开关，此时仪器开始工作。在钻井过程中，泵入的循环流体从短节内孔流道向下流动，并沿节流元件与井壁所形成的通道按一定速度上返，当循环流体在上返过程中经过节流短节时，在节流件两端产生一定的压差，安装在节流短节两端的压力传感器分别测量所在点的压力值，并通过压力传感器，实现被测压力信号由非电量到电信号的转换，其结构如图1所示。由于压力传感器输出信号微弱，需要通过信号调理模块对信号进行信号放大滤波，放大后的信号送入仪器内置芯片的微处理器进行A/D转换，将得到的数字量送到数据存储模块，并与上位机（地面接收终端）之间通过无线随钻测量系统进行数据通讯，将所测得数据传回地面进行分析处理，得到井下环空流量的变化情况。并将所测得的数据转化为压差值，结合相应的算法即可计算出每个瞬时的环空上返流体的流量。在正常钻进过程工况下，环空流量保持不变，钻井液通过井下流量测量装置所产生的压差也不变；若井下发生复杂情况如井漏、溢流等情况造成环空内流量改变，从而使测量装置两端压差发生变化。

图1 井下流量测量装置结构图

1.2 传感器的选择

根据井下微流量测试仪使用的载荷性质、环境条件和所要求的可靠性，选用应变测量方法测量压力。测量短节所选压力传感器的最小分辨率为0.02 MPa，为了保证在测量过程中的压力波动及其他干扰因素不会对测量结果的正确识别产生影响，节流元件产生的压差值应比压力传感器的最小分辨率至少高一个数量级，即至少达到0.2 MPa。在测量井下参数时，要注意钻井液的流变性、在流道中的流态以及井下温度对压力传感器的影响。在本装置的研制中，根据井下使用条件和测量要求，选用CYB系列溅射薄膜压力传感器。这种传感器是金属电阻一体化结构、尺寸小、耐腐蚀、抗振动、温漂低、测量精度高。

1.3 微流量测试装置与无线随钻测量系统的通信协议

通讯采用主从机通讯模式，其应答延迟不得超过10 ms，实际总线开关硬件可以以各种方式实现。

1）井下仪器总线选用RS-232C串行总线结构。其三根线占用标准快速接头上七芯旋转插头座中的六芯和六芯插座中的六芯。

2）地址、功能码和数据块长度为单字节；CRC码为双字节，其余数据因参数而异，具体约定；负数用补码表示；高位在前，低位在后；高位字节在前，低位字节在后。

3）通信协议具体规定如图2所示。

图中功能代码指：主叫CPU要求接收数据请求，命令代码0X01；主叫CPU要求发送数据请求，命令代码0X02。数据块长度由数据占有的字节数确定，字节的安排（组合）由主叫CPU根据最有效发挥MWD上传效率原则决定。

图2 通信应答流程图

1.4 流量控制理论模型

要设计合理的节流短节结构，需要建立节流元件结构尺寸与所产生压差之间关系的数学模型，并在此基础上分析各敏感型参数对压差的影响，从而对节流元件的结构进行优化。本节根据流体力学基本理论，建立基于测量短节节流元件的复杂结构流道与压差关系的数学模型，为之后的结构分析及设计提供理论基础。

图3所示节流元件的设计思路是以稳定器结构为基础，在考虑携岩钻井液能有效通过，在有限长度和截面尺寸限制条件下产生所需压差等要求下提出的。

图3 节流短节结构示意图

1）计算节流元件处环空当量直径d¯

式中，d¯为节流元件处环空当量直径，m；A1为节流元件处环空过流面积，m2；c1为节流元件处环空湿周，m。

节流元件环空平均流速V1

式中，V1为节流元件环空平均流速，m/s；Q为钻井液排量，m3/min。

2）计算钻杆与井壁环空当量直径d′¯

式中，d′¯为钻杆与井壁环空当量直径，m；A2为钻杆与井壁环空的截面积，m2；c2为钻杆与井壁环空湿周，m；D为钻头直径，m；dd为节流短节件基体直径，m。

钻杆环空平均流速V2

式中，V2为钻杆环空平均流速，m/s。

3）节流元件处环空流体雷诺数

式中，Re为节流元件处环空流体雷诺数；ρ为钻井液密度，kg/m3；τ0为钻井液极限动切应力，Pa；ηp为塑性黏度，Pa·s。

当结构流时λ=96，当紊流时λ=0.015～0.024。Re

每一级节流元件沿程水头损失hf1

式中，hf1为每一级节流元件沿程水头损失，m；L1为测量短节长度，m；γ为短节与井壁夹角，°；g为重力加速度，m/s2。

则每级节流元件产生的局部损失水头hj

式中，hj为每级节流元件产生的局部损失水头，m；ξ1为突然扩大的局部水头损失阻力系数；ξ2为突然缩小的局部水头损失阻力系数；ξ3为流道弯曲引起的阻力系数，此处取1.5。

每级节流元件产生的节流压差Δp：

式中，Δp为每级节流元件产生的节流压差，Pa。

2 入井试验及效果分析

为了验证实时传输系统的可靠性，试制样机于川西什邡某井Φ215.9 mm井眼入井试验。测量装置在井下连续工作6 h，进尺30 m，电路联调试验完全成功，通过示波器检测的主机下行命令和从机上行数据，验证了无线随钻测量系统主控模块与微流量测量装置控制模块间能正常、可靠的通讯。

图4中曲线表示了从下钻到起钻的一趟钻过程中井底压力变化情况，红色曲线代表前端（以钻井液循环方向为准进行判断）压力传感器所测数据，蓝色曲线代表后端压力传感器所测数据，受两测试点间节流元件的影响，两条曲线代表的意义略有区别。测量短节的压力测试数据基本满足现场工况的要求，短节测量的环空压力值的总体趋势是随井深的增加不断增大。由于电路板的数据记录时间与现场操作时间在下井前已实现同步，所以对比现场操作与数据采集时间可知，钻进、划眼、短起、接单根等一系列钻井操作过程均能在图4中曲线上得到合理的体现；红线上压力的波动表示开泵或排量的变化。

要比较节流压差与钻井液排量的关系，就要在接近的机械钻速范围内找它们的联系，以排除机械钻速的干扰。现选择2.1～3 m/h的机械钻速范围内的钻井液排量数据、节流压差数据进行对比。在图5中，每个排量下的实际压差平均值是按照去掉特殊点后取平均值求得的。考虑到实际钻井过程中，井眼均会出现一定程度的扩大，根据邻井施工特性，取井眼扩大率为1.5%，并据此求得压差的理论值。由图5中曲线可以看出，理论压差曲线与实际压差曲线的变化趋势一致，均是随着排量的增加而增大；理论计算值与实际值的最大误差为8%。这验证了测量短节环空流量测量的准确性与节流压差计算理论的正确性，由此可通过测量短节所测节流压差反算环空瞬时流量，及时判断井下各种情况。

图4 井底压力测试曲线图

图5 不同钻井液排量下的节流压差规律图

由表1可以看出，由于受到现场试验时井下复杂环境的影响，取各组试验中压差变化率的最小值作为短节的测量基准，即测量短节在现场中能够产生的最小压差变化率为0.011 MPa/L。这样，为了保证能够产生0.02 MPa以上的压差，至少需要1.33 L/s的排量变化，即测量短节本次的实际测试精度为1.33 L。

表1 各组试验的泵冲变化、排量变化、压差变化及压差变化率表

3 结论

1）井下微流量测量仪器能够实现与地面的数据通信，把井下测量数据传输到地面数据接收终端。

2）由于节流元件对压力测量的影响主要体现在前端压力传感器上，所以其所测数据为真实井底压力数据，受节流压差变化的影响，井底压力也要发生变化；后端压力传感器不受节流压差变化的影响，只与环空静液柱压力、井口回压与环空摩阻等因素有关，在这些因素没有发生变化时，压力数据基本保持平稳。

［1］石磊，陈平，胡泽，等.井下流量测量装置在MPD系统中的应用研究［J］.西南石油大学学报：自然科学版，2010，32（6）：89-92.

［2］SANTOS H，REID H，MCCASKILL J，et al.Deepwater drilling made more efficient and cost-effective:using the microflux control method and an ultralow-invasion fluid to open the mud weight window［J］.SPE Drilling &Completion 2007，22（3）：189-196.

［3］Don M.Hannegan，Glen Wanzer：Well Control Considerations-Offshore ApplicationsofUnderbalanced Drilling Technology SPE79854.

［4］杨振江.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2002.

［5］韩继勇，韩金井.精细控压钻井技术在塔里木气田的应用［J］.天然气技术与经济，2011，5（5）：47-50.

（编辑：卢栎羽）

B

2095-1132（2016）05-0036-04

10. 3969/j. issn. 2095-1132. 2016. 05. 009

修订回稿日期：2016-09-12

国家科技重大专项“低渗气藏复杂地层高效钻井关键技术”（编号：2011ZX05022-005）第三部分研究内容。作者简介：李果（1981-），工程师，从事钻井设计及科研工作。E-mail：24879229@qq.com。