井下随钻压力测量技术研究

2019-08-30唐雪平熊祖根吕海川王家进范锦辉

钻采工艺 2019年4期

唐雪平，熊祖根，王鹏, 邓乐, 吕海川, 王家进，范锦辉, 彭浩

(1中国石油集团工程技术研究院有限公司 2中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院)

井下随钻压力测量技术以MWD为基础，利用压力测量工具和MWD测量传输系统实现钻井过程中井下压力的测量和实时传输功能，为钻井作业提供基础数据。该技术是实现欠平衡钻井和控制压力钻井的一项关键技术[1-2]，在油气井工程中具有重要作用[3-14]，是油气勘探开发迫切需要的钻井新技术。国外在随钻压力测量技术方面有成熟产品，配合欠平衡和控压钻井技术进行商业化服务，取得了显著的经济效益。国内进行了环空压力计算相关研究[15]，产品研发滞后国外[16]。由于理论计算井底压力精度难以满足复杂地层窄密度窗口精细控压钻井的要求，迫切需要研发高精度实时井下随钻压力测量工具。近年中国石油集团公司工程技术研究院在国家重大科技专项和集团公司课题的支持下，在存储式环空压力测量工具研制基础上，借鉴地质导向钻井技术的研发经验[17-18]，经过科技攻关，掌握了井下随钻压力测量核心技术。目前，国内成功研制出具有完全自主知识产权的实时井下随钻压力测量系统(以下简称DRPWD)，初步开展了应用研究，在深井适应性方面取得重大进展。该项技术具备了工程适用条件，逐步由系统研发迈向推广应用阶段。为此，本文概述了DRPWD系统及进展情况，更好地推进其应用及发展。

一、压力测量技术原理

井下随钻压力测量系统由压力测量工具PWD、无线随钻测量工具MWD和地面系统组成。

PWD工具由压力传感器组件、信号检测电路、数据存储电路、电池和上数据连接器组成，所有的部件均配置在一根无磁的短钻铤中。压力传感器组件感知环空、柱内压力及温度变化，并将其转换为电信号；信号检测电路通过放大、滤波、AD转换、标度变换等环节将该信号转换为表示所测压力及温度大小的数字信号；数据存储电路将该信号储存在井下存储器中供数据回放用。同时，当数据连接器接收到MWD工具的命令后，会将当时的测量压力及温度值发送至MWD工具。PWD机械结构包括仪器短节、数据连接器及扣型转换钻铤。将仪器短节的压力、温度传感器及测控电路安装到相应的位置，装配数据连接器并处理好线路连接，最后装配扣型转换钻铤，即完成了工具的整体组装工作。

MWD工具由下数据连接器、定向参数与伽马测量短节、驱动器短节、发电机短节和正脉冲发生器组成，所有部件均配置在一根无磁钻铤中。MWD工具通过数据连接器向PWD工具发送控制命令并接收PWD工具的测量压力和温度数据，所接收的数据随同定向参数(井斜、方位、工具面)和伽马经驱动器短节编码并驱动后，由正脉冲发生器产生相应的压力调制脉冲信号发送地面信号接收单元。

地面系统由地面传感器(压力传感器、深度传感器、泵冲传感器等)、仪器房、信号处理前端箱、工业控制计算机外围设备和相关软件组成。地面传感器感知钻井液压力脉冲信号并将其转换为电信号，信号处理前端箱对其进行相应的处理后送至工业控制计算机进行滤波、解码，以还原井下测量信号，并通过数字和曲线的方式将测量结果显示在屏幕上，或通过井场信息传输协议WITS为精细控压钻井等应用系统提供基础数据。

二、系统优化设计

主要技术参数：工具外径171.5 mm、120.7 mm，适用井眼尺寸Ø213 mm～Ø251 mm、Ø149 mm～Ø200 mm，最大工作压力120 MPa，最高工作温度150℃，压力测量精度±0.5%FS(全量程，下同)，最高数据传输速率5 bit/s。

井下压力随钻测量装置在“十一五”研制基础上，对系统进行了整体改进和优化，扩展了测量功能，提高了整体性能指标，实用性加强，主要体现以下几个方面：

(1)MWD和PWD工具分别采用井下发电机和电池供电，能在开、停泵工况下连续监测钻井全过程的井下压力变化，进而为井下压力控制和波动压力计算提供更全面的数据。

(2)MWD工具新增地层自然伽马测量模块，增加对储层的识别能力，具有简易的地质导向功能。

(3)PWD工具可根据不同应用需求灵活使用。PWD既可通过数据连接器与MWD对接使用，随钻测量井下压力和温度等参数并实时上传；也可作为独立测量工具单独使用，随钻测量和存储数据，起钻后地面回放。

(4)优选新型压力传感器，使系统的耐温能力和测量范围得到了提高，耐高温能力由之前的120℃提高到现在的150℃。改进后的系统具备了适应复杂深井高温高压作业环境的能力。

(5)独创性地设计了传感器零点补偿电路，能够自动校正传感器零点的变化。将压力测量精度由之前的±1%FS提高到±0.2%FS，超过±0.5%FS的设计精度指标。

(6)改进PWD的机械结构，由之前的仪器串搭接钻铤模式改为了盖板结构，从而提高了工具的耐高压能力和安全可靠性。工具整体耐压达到140 MPa。

(7)优化MWD的整体机械结构，工具长度由6.4 m精简到4.7 m，使MWD的运输便捷性和现场可维护性得到了提高。

(8)优化DRPWD系统软件，系统能根据井下作业工况和测量数据变化情况，优选传输井下压力、工具面和地层伽马等重要测量数据，以更好地满足不同应用需求。

三、试验研究

1. 压力测试试验

为了确保PWD工具压力测量精度达到设计指标，需要对压力传感器进行标定和室内压力测试。压力传感器标定范围0～140 MPa，标定源精度为±0.02%FS。模拟最大井温150℃，模拟井温精度为±0.5℃。压力传感器检验仪器为Fluke RPM4-E-DWT。将压力传感器安置在加热炉中并加温，每个温度检测点加温时间约为2 h，待炉内温度基本稳定后，分别加压至指定的压力。待每个压力稳定后，通知仪器自动记录参考温度(采用JM624检测)、标准压力(由Fluke RPM4-E-DWT提供)和测试压力结果。将标准压力与测量压力之差作为测试压力的绝对误差，绝对误差与压力测量满度140 MPa之百分比为测试压力的满度相对误差。压力传感器室内测试结果表明，压力测量满度相对误差±0.2%FS以内，满足PWD工具设计压力测量精度±0.5%FS的要求。

2. 地面综合试验

为了验证DRPWD系统的深井适应能力，开展了深井适应性地面综合试验，试验结果见表1。

3. 系统现场试验

2011～2015年，DRPWD系统在四川、华北、玉门和新疆等油田试验8口井，试验总进尺2 502.15 m，累计工作时间900.35 h，为产品定型和推广应用奠定了基础。2015年DRPWD深井适应性试验取得突破性进展，具备了推广应用条件。系统现场试验最大井深7 380 m、钻进最长井段986 m、最长工作时间324 h，最高工作温度147.56℃、最高工作压力76.36 MPa。下面对其中的两次现场实验情况进行介绍分析。

试验1 2015年8月，Ø120.65 mm DRPWD系统在玉门油田青西矿区一口充气欠平衡井中配合井底溢流实时检测软件进行了现场试验。井下压力测量工具下井两次，试验井段4 443～4 500 m，总进尺57 m，工具在井下时间178.5 h，循环时间92 h，钻进时间81 h。在井深4 430 m时，DRPWD实测井斜14.8°、方位79.5°，对比定向井服务公司井深4 430 m测斜数据为井斜14.8°、方位78.9°。DRPWD测得充气状态下环空压力43 MPa/4 430 m，温度90℃,该井4 400 m处地层压力为45.15 MPa，实测环空当量密度0.95～0.96 g/cm3。在整个试验过程中，DRPWD系统测量数据完整、准确，数据传输及时，为欠平衡钻井和定向钻井作业提供了基础数据，达到了试验预期目的。

表1 DRPWD系统深井适应性地面综合试验结果

试验2 2015年11月，Ø120.65 mm DRPWD系统塔里木油田某水平井完钻通井时进行了深井适应性现场试验。试验最大井深7 380 m,井下工作时间78 h，实测最大环空/柱内压力75.34 MPa/76.36 MPa,最高工作温度147.56℃，测量数据完整，传输解码正确。DRPWD随钻环空压力测量装置经受了井下高温高压和复杂情况的考验，工作正常，安全可靠，起下钻顺利，存储压力曲线如图1所示。

图1 PWD存储压力测量曲线

DRPWD深井适应性试验结果表明，该系统能够在井深7 000 m以上，温度150℃以下正常工作，具备了工程应用条件。

四、应用及前景

DRPWD系统随钻测量井下压力、温度、定向参数及地层自然伽马，在喷漏同层等复杂地层、充气欠平衡钻井、双循环模拟钻井和水平井储层导向钻井等现场试验中取得初步成效，为井下溢流早期监测研究、深井波动压力计算现场验证提供了重要基础数据。

实例验证空气混合钻井液的欠平衡能力。由于工程上对钻井液混合空气能否达到欠平衡效果尚有争议，通过井下压力实际检测数据加以验证。钻进井段1 883～2 150 m，PWD所获取的当量循环密度曲线如图2所示。井深1 922 m开始混合空气钻进，当量循环密度ECD为0.67～0.86 g/cm3,其平均值为0.77 g/cm3。该井设计ECD为0.68 g/cm3，验证结果表明该井未达到预期的欠平衡目标，但ECD确实大幅度降低，从1.01 g/cm3降至0.77 g/cm3,泵压从13 MPa降至3 MPa，且提高了机械钻速。

图2 随钻当量循环密度曲线

由于DRPWD系统能同时测量环空和柱内压力参数，在复杂地层安全钻井、油气储层保护和钻井基础理论研究等方面具有良好的应用前景。基于环空压力实时测量，可以有效地指导控制压力钻井作业，为欠平衡井地层与环空压差的确定提供科学依据。根据环空压力的变化，结合钻井工况和作业参数等，可监测井眼净化、分析判断井下溢流，以及作业不当而引起的压力波动，如快速起下钻、开停泵过猛及划眼过快等，可以规范钻井作业，避免井下复杂情况发生。根据柱内与环空压差，可判断钻头泥包、水眼堵塞和井壁垮塌等情况，也可优化钻井水力参数，提高钻井效率。