基于随钻工程参数测量数据的钻井风险识别试验

常 杨，郭修成，李永钊，匡 涛

中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院

0 引言

针对一些复杂区块和复杂井，仅仅依靠地面的工程参数，很难达到预期的效果。调查统计，复杂风险的非生产时间占所有时间的20%[1]，井下事故处理费用占钻井总费用的15%[2]。钻井过程中由于缺少井底钻头处扭矩、钻压等实际参数，无法分析掌握井下真实工作动态、避免事故复杂发生、减少非生产时间、实现科学化钻井。

在国外，斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯研发相应集地面和井下工程参数测量、实时模型优化与监测、参数优化、远程支持等系统模块，降险提速效果显著，国外部分油田已形成标准的服务模式。

本文结合现场复杂情况发生时，了解哪些井下参数可以进行识别，并重点对钻井风险发生时随钻工程参数的变化进行分析研究，达到地面—井下工程参数一体化测量处理分析，意在实现提前预防应对复杂问题的目的，为科学钻井提供数据支撑。

1 井下参数获取方式

通过一种井下随钻测量仪器系统，测量短节获取近钻头位置钻具参数变化信号，信号源通过处理板块，经放大、电压偏移、滤波、再次放大处理后，输出信号到主控模块。由主控模块进行AD数值处理，并经过一定的比例、温漂调整、修正系数等最终计算出测量值。该短节可采集扭矩、钻压、内外环空压力、转速、振动及温度等参数，并通过近距离无线通信方式(近场磁通信)将数据传输给仪器串里的接收装置进行存储，并按照事先优化的逻辑发送给MWD主控短节，从而将数据通过钻井液脉冲发送到地面。通过软件平台，进行地面—井下参数的实时对比分析。

2 井下参数风险识别

当井下实时诊断钻井风险，需实时监测的特征参数为两个集合，即钻井力学风险因素集和钻井风险征兆集[3]。通过模型计算，把井下各种力转化为对应的井下参数，分析风险前或风险发生时地面—井下仪器测量的表征参数变化作出判断，来实现风险预防。

2.1 滑动托压

施工过程中，由于井眼轨迹、井眼清洁、滤饼虚厚、钻具结构的影响[4]，导致钻压无法有效地施加钻头处，都加到了钻具或扶正器位置，地面钻压一直增加，井下钻压不变或减小，形成托压状态，地面扭矩不变，井下扭矩会随着钻压突然的释放而迅速变大，最终导致反扣、遇阻或遇卡等复杂发生。

2.2 气侵、井漏、井喷

气侵或井漏发生时，随着机械钻速增加，井下泵压、排量会出现变化。外环空压力会出现降低或升高现象，井底实测的ECD(钻井液的当量循环密度)出现波动，压差越来越大。随着地温梯度变化，井底温度也会出现变化，诱发出井喷风险，严重危害人身、设备、环境安全，分析井下参数变化带来的影响，有利于预防故障复杂发生，减少损失提高效益[5]。目前，研究者对于钻井气侵的检测已形成了一部分研究成果[6-10]。

2.3 钻具疲劳

当钻柱发生纵向振动或径向振动时，钻具振动频率近似其固有频率时，其振幅加强、交变应力增大，而随着阶数的增多，振动波越来越密集，强度越来越大。转速虽然增加但机械钻速反而会降低，钻具受损，使用寿命降低。严重地导致黏扣、钻具疲劳、钻具断裂、随钻仪器故障等复杂情况发生[11]。

3 现场井下参数分析

2021年5月井下随钻工程参数测量仪在X井上部Ø311.1 mm井眼进行了现场试验，该井段设计轨道为斜井段，PDC钻头定向不稳且绕障造成的托压现象严重。由于上部层位较多且复杂，存在局部圈闭压力，导致复杂风险频发。通过井下随钻工程参数测量仪实现井斜、方位、井下钻压、扭矩、钻柱内压力、环空压力、轴向振动、径向振动等参数的随钻测量和监测，进而探知钻具在井下真实的工作状态，完成井眼清洁监测和井下风险预测，从而降低井下故障风险发生率。

3.1 托压状态下的钻压监测分析

监测结果表明：X井造斜后的稳斜井段，根据实测数据对比分析常态钻进时，地面—井下钻压变化基本保持一致，且能真实有效地传递到钻头处。但长时间的裸眼段施工，井眼清洁不及时，会有大量的岩屑堆积在井眼不规则处。随着井深的增加，需要定向调整轨迹，岩屑上返不及时，井下摩擦阻力慢慢增大，形成托压趋势，地面与井下钻压监测曲线就会出现明显偏朝向两个方向，或地面钻压增加井下钻压无变化，直到加压过程中，扭矩突然增大，钻压开始回压，表明钻压传递效率发生变化。通过软件测算分析，提前预判，采取措施，合理优化钻压参数，就可以有效避免托压带来的钻具疲劳引发的井下复杂事故发生见图1。

图1 X井地面—井下钻压趋势变化

正常的井下工作状态，井下钻压与地面钻压值保持一定的数值区间，呈现均匀变化。保持钻压平稳钻进，即可达到动力钻具的最大使用效果。随着井深增加和井身轨迹变化，井眼摩阻逐渐增大，地面钻压与井下钻压差值也会呈现增大变化，但整体变化趋势合理，且上提下放无反应，即可反馈井下真实的钻压状况。通过地面与井下钻压对比，结合钻时、振动，发现托压状态下，井下振动、扭矩值也会出现相应的变化，所以通过井下数据的监测，推算复合钻进和滑动钻进下合理钻压范围，优化施工参数，从而达到提高机械钻速的目的。

3.2 扭矩监测分析

扭矩与钻压测量原理基本相同，所以井下至地面上传的参数趋势也相近，可以还原井下真实的工作状态。根据实测数据对比分析常态钻进时，井下扭矩值随着钻柱往上延伸，受摩擦力等因素影响，扭矩值到地面最大，数值变化比钻压更明显见图2。

图2 X井地面—井下井下扭矩趋势变化

监测结果表明：PDC钻头井下运动的真实特征表现为托压发生时，扭矩先趋于稳定，随着钻压释放，井下扭矩瞬间上升，对井下钻具安全使用急剧危害性。而合理的钻压，能形成有效破岩，地面—井下扭矩呈现稳定趋势性变化。

3.3 外环空压力监测分析

通过前期威X区块数据调研，Ø311 mm井段属于多层系、多压力系统油气富集区，存在多套易漏、易气侵地层，茅口、栖霞等地层含黄铁矿、燧石结核，地层可钻性差。在气侵风险预警、机械钻速、降低仪器故障率等方面，存在较大提升空间。因理论计算的外环空压力和实际ECD值与实际差别较大，不利于客观评估循环压力、地层压力，因此通过井下工程参数测量系统准确测得相关真实井下数据，以此计算各井段的ECD真实数值。

威X井页岩气井外环空压力变化：钻进至2 823.56 m，监测到外环空压力由54.3 MPa下降至53 MPa(压力下降1.3 MPa)，判断气侵发生。随后录井监测到出口流量增加(42.22%上涨至57.78%)，全烃上升，井队随即关井，见图3。

图3 地面—井下参数对比变化

监测结果表明：井下外环空压力开始下降时，与地面出口流量反应时间间隔约5 min，与全烃反应时间间隔大约7 min。气侵井段从压力变化到地面录井发现，外环空压力下降达1.3 MPa，充分验证了利用实测外环空压力变化来进行井控风险预警是可行的。

通过实时监测对比理论计算与实测的外环空压力，结合地面参数对比分析，还是能够有效地反应出井下气体运移状态，经过反复的验证井下数据反馈地层信息的准确性，完善实时盯防气侵、溢流井控风险模型，计算出气侵严重时的真实ECD，可更精确地进行密度优化、排量调整、控压设计等工作，以减少井漏、漏喷转换等风险发生。

3.4 振动监测分析

正常施工过程中，井下振动相对平稳，随着岩性、井深发生变化，振动也会呈现增长趋势。在斜井段钻进时，通过分析软件和实时数据监测，可有效对井下有害振动进行识别和量化评估。岩性变化，导致钻头适应性变差是诱发井下振动变化的原因之一，通过地层识别，数据监测，软件分析，有效辅助钻井操作，进而采取有效措施规避，对提高钻头使用寿命，保护钻具安全有重要意义。通过井下振动监测，结合地面—井下钻压变化，从而确定避免钻柱共振事故的风险转速阈值区间，实现钻具故障风险管控。

监测结果表明：威X井须家河地层后期较前期振动值波动小，同等滑动进尺情况下，振动小的后期地层造斜率明显提升，可达到4°/30 m以上。振动变化时，可对滑动效果产生影响见图4。

图4 振动数据变化

结合钻时数据观察，振动数据变化，影响钻时偏慢，表明钻头破岩效果降低。井下径向振动波动明显，如果长时间不恢复，钻具反复碰撞井壁，极易引起井壁不稳。结合地面托压、跳钻和蹩钻判断，能有效反应钻具在井下的真实状态。振动值监测正常范围内时，也可适当提高钻压和转速等参数，以提高机械钻速。

4 结论

(1)利用环空压力数据变化，建立井下风险识别因子，可对井下发生气侵进行预判。

(2)实时钻压数据监测，可预判井下真实工作动态，提高机械钻速。利用横、纵向振动数据监测井下工具工作状态，识别钻具疲劳风险。

(3)通过地面—井下数据监测分析，为井下工具效果评价带来有效技术措施，减少井下钻井风险发生概率，参数测量与模型计算相互印证，逐渐形成地面—井下数据联动性。