孫在 西安石油大學，陜西 西安

隨鉆壓力測量技術的研究與應用

孫在 西安石油大學，陜西 西安

隨著現代鉆井技術的發(fā)展，如何確保井下安全及提高鉆井效率成為目前鉆井技術的一大趨勢，PWD（隨鉆壓力測量工具）工具的出現無疑為現代鉆井技術錦上添花，解決了困擾多年的鉆井技術發(fā)展瓶頸。使用該工具無論是在目前已熟知的勘探開發(fā)區(qū)內進行環(huán)保型開采（平衡或欠平衡鉆井），還是在一些邊緣區(qū)塊或某些特征性油氣藏（如裂縫、高壓氣層等）進行開采，對鉆井作業(yè)都能夠起到積極作用。本文主要是通過對隨鉆壓力測量技術的研究，實時掌握井下壓力狀態(tài)并分析其變化規(guī)律，將其應用于井下安全控制，特別應用在隱蔽、高壓、高含硫等復雜油氣藏鉆井，預防重大鉆井事故的發(fā)生，同時為控制壓力鉆井提供依據。

PWD；隨鉆壓力；欠平衡；裂縫；高壓氣層

隨鉆壓力測井技術(PWD)是隨鉆測井(LWD)的一項主要功能,國內關于這方面的研究目前尚處于起步階段，仍屬于前沿技術。在許多大斜度定向井和水平井中，鉆井成功的關鍵是保持鉆井液密度和當量循環(huán)密度在地層流體壓力、坍塌壓力和破裂壓力的安全作業(yè)極限內，尤其是欠平衡井鉆井作業(yè)。大多數鉆井作業(yè)停工是由于井眼問題引起的，井眼問題包含循環(huán)漏失、地層流體侵入，井眼坍塌、壓差卡鉆以及井眼不清潔等。隨鉆環(huán)空壓力測量PWD工具則實現了對井底壓力的實時錄取，給予鉆井作業(yè)者提供井下復雜情況的及時預警，從而實現了快速、高效、安全的鉆井作業(yè)目的，同時降低了鉆井作業(yè)成本及鉆井作業(yè)的風險。

1.PWD傳感器基本原理及應用

1.1 PWD傳感器基本原理

隨鉆壓力傳感器PWD主要由通訊端口、電子元件、壓力傳感器、溫度傳感器和井眼環(huán)空壓力檢測端口構成，如圖1所示。壓力傳感器主要是檢測鉆桿內和井眼環(huán)空的壓力。溫度傳感器主要是檢測傳感器的工作環(huán)境溫度。通訊口主要是進行數據的讀取和通訊。電子元件主要是控制測量數據的采樣、處理和存儲。井眼環(huán)空壓力檢測端口是為了使傳感器內的壓力傳感器能檢測井眼環(huán)空壓力。

圖1 PWD傳感器的基本構成

施工過程中，傳感器內部的壓力傳感器、溫度傳感器通過壓力檢測端口隨時檢測鉆具內部、井眼環(huán)空的工作壓力（地層壓力）和傳感器工作環(huán)境溫度（地層溫度），電子線路控制所有數據的采集、處理和存儲，所有測量數據可以通過數據通訊口由MWD向地面實時傳輸，從而實現實時溫度、地層壓力測井。存儲的數據可以在傳感器出井后在地讀取，以利用詳細的壓力、溫度測井數據對地層進行更準確的分析。

1.2 PWD傳感器的應用[1]

地層漏失（LOT）測試及地層完整性測試（FIT）。

根據測量的壓力值，監(jiān)視井眼清潔狀況和井壁坍塌情況，進行卡鉆前預警。

監(jiān)測鉆井過程中井眼內泥漿攜砂情況，協(xié)助進行泥漿參數的優(yōu)化。

通過PWD井底記錄的數據來分析井下復雜情況（諸如地層破裂）發(fā)生的原因。

1.3 PWD傳感器的應用環(huán)境

高成本鉆井環(huán)境；

復雜地層（裂縫、高壓氣層）鉆井環(huán)境；

近平衡或欠平衡鉆井環(huán)境（配合精確控壓鉆井系統(tǒng)則效果更佳）。

2.PWD主要應用模式及現場操作

2.1 PWD主要應用模式

PWD隨鉆壓力測井主要有以下幾種模式[1]：

1）最小關泵環(huán)空壓力（Mini mum Pump-off Annular Pressure）；

2）最大關泵環(huán)空壓力（Maxi mum Pump-off Annular Pressure）；

3）平均關泵環(huán)空壓力（Average Pumps-off Annular Pressure）；

4）鉆柱內部壓力（PWD Internal Pressure）；

5）井眼環(huán)空壓力（PWD Annular Pressure）；

6）泥漿當量循環(huán)密度（ECD）及泥漿當量密度（EMW）；

7）鉆井過程中鉆具的狀態(tài)（包括起下鉆、循環(huán)等）；

通常最小關泵環(huán)空壓力反應的是鉆柱上提或起鉆時對地層造成的抽吸（Swab Pressure）壓力；最大關泵環(huán)空壓力反應的是下放鉆柱或下鉆時對地層造成的激動壓力（Surge Pressure）；平均關泵環(huán)空壓力所反應的是近似于靜態(tài)時的泥漿液柱壓力（也即靜液柱壓力）；鉆柱內部壓力和井眼環(huán)空壓力所反應的是動態(tài)及靜態(tài)狀況下鉆柱內部及井眼環(huán)空內的壓力；泥漿當量循環(huán)密度（ECD）及泥漿當量密度（EMW）則是根據所測的環(huán)空壓力及井深算出的泥漿密度值。

2.2 PWD現場操作

為了解井底壓力情況，我們首先需要按照操作程序對PWD進行一個下井前的可信度測試，包括PWD傳感器的類型、PIC（通訊協(xié)議）版本號、傳感器內部環(huán)空壓力及溫度等測試。待測試顯示正常后，我們按照既定的參數進行設置，如采樣率、延遲時間、PWD傳感器尺寸等參數。此外，為方便現場施工人員的監(jiān)測與分析，我們還要設定一組傳輸序列，將井底壓力的參數按照施工者的意圖傳輸至地面，以方便解釋與應用，在現場中通常以如下窗口進行實時監(jiān)測：見圖2。

圖2 PWD實時監(jiān)測窗口

3.PWD隨鉆壓力測量傳感器的解釋與應用

在實時壓力測量監(jiān)測過程中，PWD隨鉆壓力測量傳感器為我們提供了多種參數以幫助現場施工，如：配合鉆時曲線（ROP）、大勾高度及井深參數可以了解當前的鉆具或鉆井狀態(tài)；應用鉆柱內部壓力（PWD Internal Pressure）及井眼環(huán)空壓力（PWD Annular Pressure）曲線可以解釋當前的鉆進狀態(tài)（鉆進、循環(huán)或短起下等）及鉆具狀態(tài)（起下鉆、短起、接立柱或單根等）；而使用泥漿當量循環(huán)密度（ECD）及泥漿當量密度（EMW）、最小關泵環(huán)空壓力（Minimum Pump-off Annular Pressure）及最大關泵環(huán)空壓力（Maximum Pump-off Annular Pressure）參數可以知道當前井下可能發(fā)生復雜情況，如井涌、井漏、氣侵、地層流體侵入等等，同時如果配合鉆壓、扭矩參數還可以分析馬達性能及優(yōu)化鉆井參數；在復雜區(qū)塊通過PWD壓力參數還有利于地質師準確把握當地的地層壓力特征及油藏特點，總之在鉆進過程中使用PWD隨鉆壓力傳感器將有利于現場的施工及判斷井下復雜情況，進而優(yōu)化鉆井參數，提高鉆井效率并保障井下安全以達到安全生產目的。

4.PWD隨鉆壓力傳感器的應用實例及分析

為了充分發(fā)揮隨鉆壓力測量技術在實際鉆井過程中的優(yōu)勢，我們有針對性進行了多口井的實驗，從這些試驗中我們不僅達到了預期目的，同時還獲得了寶貴的經驗，尤其在儲層方面的認識有了新的突破。以下幾個方面就是在不同的生產井中實踐所得出的結論：

4.1 井眼清潔（攜砂能力）判斷

圖3所反應的是鉆具剛下到井底時的鉆井狀態(tài)及調整泥漿比重后鉆井狀態(tài)，圖中可以看出，鉆具剛開始建立循環(huán)通路時泥漿比重為1.64g/cm3左右,但是循環(huán)一段時間后泥漿比重逐漸在下降并達到一定值1.63g/cm3左右，出現這種情況主要是泥漿攜砂能力較低而導致泥漿中巖屑下沉（從懸停狀態(tài)轉為下沉狀態(tài)），進而泥漿比重變低。于是在當天20:00左右要求井隊處理泥漿，從圖中可以看出處理完泥漿后泥漿的比重逐漸增大（1.66g/cm3左右），而后泥漿比重又開始降低至另一定值（1.64g/cm3左右），這種情況表明，由于處理后的泥漿攜砂能力提高，導致井底巖屑被帶出，進而導致泥漿比重增大，隨著巖屑的不斷帶出泥漿的比重也開始下降，當循環(huán)到一定程度，井底巖屑不斷被帶出后泥漿比重趨于一定值。

圖3 井眼清潔判斷

4.2 地層流體侵入監(jiān)測

圖4所反應的是當有地層流體侵入環(huán)空時的情形。從圖中的實時隨鉆環(huán)空壓力當量密度曲線（RT PWD Annular Eqv Mud Wt）看出，地層流體侵入前的泥漿當量密度為8.5ppg，但鉆至當地時間18:00左右，環(huán)空內泥漿當量密度突然增大并持續(xù)增高，當量泥漿密度從8.5ppg增大至9.45ppg，此時通知井隊停止鉆進并開始循環(huán)監(jiān)測，同時做好預防工作。循環(huán)至20:00左右，泥漿密度恢復至8.5ppg，此時又開始恢復鉆進。出現這種情況的主要原因是由于有地層流體侵入時，地層中的巖屑也隨著流體一并流入到環(huán)空，從而導致泥漿比重增大，經處理泥漿并慢慢循環(huán)后地層中流體所攜帶的巖屑被逐漸帶出，泥漿比重也開始逐漸下降，當全部巖屑被帶出后泥漿比重又降到一定值，恢復鉆進后泥漿比重又逐漸恢復到初始狀態(tài)。

圖4 地層流體侵入監(jiān)測

4.3 泥漿漏失監(jiān)測

圖5所反應的是地層被壓漏的情況下所產生的情形。從該圖可以看出，在下鉆過程中由于鉆柱的不斷下入所產生的一系列波動曲線，這種波動曲線主要是由于下鉆過程中的激動壓力所造成。在當地時間15:15左右進行下滑眼操作，15:30左右環(huán)空當量泥漿密度突增至1.8g/cm3，而后迅速下降至1.66g/cm3左右，立管壓力也開始下降，由于該情況的產生導致儀器信號出現短暫的丟失，實時錄井數據也出現短暫丟失現象，此時LWD工程師及時通知井隊及地質錄井單位，采取措施控制排量，結合地質錄井數據表明地層發(fā)生漏失現象，此時要求井隊立即停止下滑眼操作，上提鉆柱并降低排量，進行低排量循環(huán)觀察以防井下嚴重事故發(fā)生。

圖5 泥漿漏失監(jiān)測

4.4 氣侵監(jiān)測

圖6所反應的是發(fā)生氣侵時所產生的情形。圖中可以看出當鉆至當地時間15:00附近，環(huán)空泥漿當量密度由原先的16.5ppg陡降至14.5ppg，此時LWD工程師立即通知井隊及錄井單位，要求井隊做好相關防護措施，井隊接到通知后立即關井并做低排量循環(huán)處理進行觀察。后經錄井監(jiān)測發(fā)現有氣泡返出，證實地層中有氣體侵入環(huán)空。根據此次的經驗我們得到在鉆井過程中發(fā)生氣侵時PWD所反饋到地面時的曲線形態(tài)，為今后鉆井施工提供了一個寶貴的依據。

圖6 氣侵監(jiān)測

5 結論與認識

1) 通過上述實例分析得知，在地質導向施工過程中使用PWD隨鉆壓力測量傳感器，有助于指導現場施工人員分析、判斷井下發(fā)生異常情況并及時提出解決的方案，降低了鉆井風險，同時也降低了非生產（NPT）鉆井時間。

2) 在營451-平11井的一次施工中，從1891米～1919米進行滑動鉆進時鉆具發(fā)生倒轉現象，PWD監(jiān)測顯示井底有嚴重阻塞現象，現場LWD工程師立即通知井隊及定向工程師，進行循環(huán)并緩慢上提操作，經半個多小時的循環(huán)處理及上提下放操作后PWD顯示正常，而后又恢復鉆進，此次由于PWD的及時井底信息反饋避免了井下復雜事故的發(fā)生。

3) 在塔中區(qū)塊，ZG21-H5是該區(qū)的一口生產開發(fā)井，而PWD也正是第一次在該區(qū)使用，從該區(qū)的PWD應用情況來看，PWD隨鉆壓力測井不僅幫助鉆井施工操作探索到了寶貴的施工經驗，同樣對該區(qū)儲層及沉積環(huán)境特征也為客戶解提供了重要線索，使客戶對該區(qū)塊儲層特征也有了更深層次的認識。

4) PWD的應用不僅減少了井下儀器的風險，同時也降低了井下事故發(fā)生的頻率，相對于井隊而言，也起到了保護井下鉆具的作用，降低了損失，提高了鉆井效率，節(jié)約了鉆井成本。

5) PWD在隨鉆地質導向過程中的成功應用，為現場施工人員又多增加了一雙“眼睛”，為現代鉆井技術又增添了一個亮點。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.033