唐雪平，熊祖根，王 鵬, 鄧 樂, 呂海川, 王家進(jìn)，范錦輝, 彭 浩

(1中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 2中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

井下隨鉆壓力測(cè)量技術(shù)以MWD為基礎(chǔ)，利用壓力測(cè)量工具和MWD測(cè)量傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鉆井過程中井下壓力的測(cè)量和實(shí)時(shí)傳輸功能，為鉆井作業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆井和控制壓力鉆井的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1-2]，在油氣井工程中具有重要作用[3-14]，是油氣勘探開發(fā)迫切需要的鉆井新技術(shù)。國(guó)外在隨鉆壓力測(cè)量技術(shù)方面有成熟產(chǎn)品，配合欠平衡和控壓鉆井技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化服務(wù)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)進(jìn)行了環(huán)空壓力計(jì)算相關(guān)研究[15]，產(chǎn)品研發(fā)滯后國(guó)外[16]。由于理論計(jì)算井底壓力精度難以滿足復(fù)雜地層窄密度窗口精細(xì)控壓鉆井的要求，迫切需要研發(fā)高精度實(shí)時(shí)井下隨鉆壓力測(cè)量工具。近年中國(guó)石油集團(tuán)公司工程技術(shù)研究院在國(guó)家重大科技專項(xiàng)和集團(tuán)公司課題的支持下，在存儲(chǔ)式環(huán)空壓力測(cè)量工具研制基礎(chǔ)上，借鑒地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)[17-18]，經(jīng)過科技攻關(guān)，掌握了井下隨鉆壓力測(cè)量核心技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)成功研制出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)時(shí)井下隨鉆壓力測(cè)量系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱DRPWD)，初步開展了應(yīng)用研究，在深井適應(yīng)性方面取得重大進(jìn)展。該項(xiàng)技術(shù)具備了工程適用條件，逐步由系統(tǒng)研發(fā)邁向推廣應(yīng)用階段。為此，本文概述了DRPWD系統(tǒng)及進(jìn)展情況，更好地推進(jìn)其應(yīng)用及發(fā)展。

一、壓力測(cè)量技術(shù)原理

井下隨鉆壓力測(cè)量系統(tǒng)由壓力測(cè)量工具PWD、無(wú)線隨鉆測(cè)量工具M(jìn)WD和地面系統(tǒng)組成。

PWD工具由壓力傳感器組件、信號(hào)檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、電池和上數(shù)據(jù)連接器組成，所有的部件均配置在一根無(wú)磁的短鉆鋌中。壓力傳感器組件感知環(huán)空、柱內(nèi)壓力及溫度變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；信號(hào)檢測(cè)電路通過放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換、標(biāo)度變換等環(huán)節(jié)將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為表示所測(cè)壓力及溫度大小的數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路將該信號(hào)儲(chǔ)存在井下存儲(chǔ)器中供數(shù)據(jù)回放用。同時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)連接器接收到MWD工具的命令后，會(huì)將當(dāng)時(shí)的測(cè)量壓力及溫度值發(fā)送至MWD工具。PWD機(jī)械結(jié)構(gòu)包括儀器短節(jié)、數(shù)據(jù)連接器及扣型轉(zhuǎn)換鉆鋌。將儀器短節(jié)的壓力、溫度傳感器及測(cè)控電路安裝到相應(yīng)的位置，裝配數(shù)據(jù)連接器并處理好線路連接，最后裝配扣型轉(zhuǎn)換鉆鋌，即完成了工具的整體組裝工作。

MWD工具由下數(shù)據(jù)連接器、定向參數(shù)與伽馬測(cè)量短節(jié)、驅(qū)動(dòng)器短節(jié)、發(fā)電機(jī)短節(jié)和正脈沖發(fā)生器組成，所有部件均配置在一根無(wú)磁鉆鋌中。MWD工具通過數(shù)據(jù)連接器向PWD工具發(fā)送控制命令并接收PWD工具的測(cè)量壓力和溫度數(shù)據(jù)，所接收的數(shù)據(jù)隨同定向參數(shù)(井斜、方位、工具面)和伽馬經(jīng)驅(qū)動(dòng)器短節(jié)編碼并驅(qū)動(dòng)后，由正脈沖發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的壓力調(diào)制脈沖信號(hào)發(fā)送地面信號(hào)接收單元。

地面系統(tǒng)由地面?zhèn)鞲衅?壓力傳感器、深度傳感器、泵沖傳感器等)、儀器房、信號(hào)處理前端箱、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和相關(guān)軟件組成。地面?zhèn)鞲衅鞲兄@井液壓力脈沖信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)處理前端箱對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理后送至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行濾波、解碼，以還原井下測(cè)量信號(hào)，并通過數(shù)字和曲線的方式將測(cè)量結(jié)果顯示在屏幕上，或通過井場(chǎng)信息傳輸協(xié)議WITS為精細(xì)控壓鉆井等應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

二、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

主要技術(shù)參數(shù)：工具外徑171.5 mm、120.7 mm，適用井眼尺寸?213 mm～?251 mm、?149 mm～?200 mm，最大工作壓力120 MPa，最高工作溫度150℃，壓力測(cè)量精度±0.5%FS(全量程，下同)，最高數(shù)據(jù)傳輸速率5 bit/s。

井下壓力隨鉆測(cè)量裝置在“十一五”研制基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體改進(jìn)和優(yōu)化，擴(kuò)展了測(cè)量功能，提高了整體性能指標(biāo)，實(shí)用性加強(qiáng)，主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

(1)MWD和PWD工具分別采用井下發(fā)電機(jī)和電池供電，能在開、停泵工況下連續(xù)監(jiān)測(cè)鉆井全過程的井下壓力變化，進(jìn)而為井下壓力控制和波動(dòng)壓力計(jì)算提供更全面的數(shù)據(jù)。

(2)MWD工具新增地層自然伽馬測(cè)量模塊，增加對(duì)儲(chǔ)層的識(shí)別能力，具有簡(jiǎn)易的地質(zhì)導(dǎo)向功能。

(3)PWD工具可根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活使用。PWD既可通過數(shù)據(jù)連接器與MWD對(duì)接使用，隨鉆測(cè)量井下壓力和溫度等參數(shù)并實(shí)時(shí)上傳；也可作為獨(dú)立測(cè)量工具單獨(dú)使用，隨鉆測(cè)量和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，起鉆后地面回放。

(4)優(yōu)選新型壓力傳感器，使系統(tǒng)的耐溫能力和測(cè)量范圍得到了提高，耐高溫能力由之前的120℃提高到現(xiàn)在的150℃。改進(jìn)后的系統(tǒng)具備了適應(yīng)復(fù)雜深井高溫高壓作業(yè)環(huán)境的能力。

(5)獨(dú)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)了傳感器零點(diǎn)補(bǔ)償電路，能夠自動(dòng)校正傳感器零點(diǎn)的變化。將壓力測(cè)量精度由之前的±1%FS提高到±0.2%FS，超過±0.5%FS的設(shè)計(jì)精度指標(biāo)。

(6)改進(jìn)PWD的機(jī)械結(jié)構(gòu)，由之前的儀器串搭接鉆鋌模式改為了蓋板結(jié)構(gòu)，從而提高了工具的耐高壓能力和安全可靠性。工具整體耐壓達(dá)到140 MPa。

(7)優(yōu)化MWD的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，工具長(zhǎng)度由6.4 m精簡(jiǎn)到4.7 m，使MWD的運(yùn)輸便捷性和現(xiàn)場(chǎng)可維護(hù)性得到了提高。

(8)優(yōu)化DRPWD系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)能根據(jù)井下作業(yè)工況和測(cè)量數(shù)據(jù)變化情況，優(yōu)選傳輸井下壓力、工具面和地層伽馬等重要測(cè)量數(shù)據(jù)，以更好地滿足不同應(yīng)用需求。

三、試驗(yàn)研究

1. 壓力測(cè)試試驗(yàn)

為了確保PWD工具壓力測(cè)量精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定和室內(nèi)壓力測(cè)試。壓力傳感器標(biāo)定范圍0～140 MPa，標(biāo)定源精度為±0.02%FS。模擬最大井溫150℃，模擬井溫精度為±0.5℃。壓力傳感器檢驗(yàn)儀器為Fluke RPM4-E-DWT。將壓力傳感器安置在加熱爐中并加溫，每個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)加溫時(shí)間約為2 h，待爐內(nèi)溫度基本穩(wěn)定后，分別加壓至指定的壓力。待每個(gè)壓力穩(wěn)定后，通知儀器自動(dòng)記錄參考溫度(采用JM624檢測(cè))、標(biāo)準(zhǔn)壓力(由Fluke RPM4-E-DWT提供)和測(cè)試壓力結(jié)果。將標(biāo)準(zhǔn)壓力與測(cè)量壓力之差作為測(cè)試壓力的絕對(duì)誤差，絕對(duì)誤差與壓力測(cè)量滿度140 MPa之百分比為測(cè)試壓力的滿度相對(duì)誤差。壓力傳感器室內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明，壓力測(cè)量滿度相對(duì)誤差±0.2%FS以內(nèi)，滿足PWD工具設(shè)計(jì)壓力測(cè)量精度±0.5%FS的要求。

2. 地面綜合試驗(yàn)

為了驗(yàn)證DRPWD系統(tǒng)的深井適應(yīng)能力，開展了深井適應(yīng)性地面綜合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

3. 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2011～2015年，DRPWD系統(tǒng)在四川、華北、玉門和新疆等油田試驗(yàn)8口井，試驗(yàn)總進(jìn)尺2 502.15 m，累計(jì)工作時(shí)間900.35 h，為產(chǎn)品定型和推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2015年DRPWD深井適應(yīng)性試驗(yàn)取得突破性進(jìn)展，具備了推廣應(yīng)用條件。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最大井深7 380 m、鉆進(jìn)最長(zhǎng)井段986 m、最長(zhǎng)工作時(shí)間324 h，最高工作溫度147.56℃、最高工作壓力76.36 MPa。下面對(duì)其中的兩次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行介紹分析。

試驗(yàn)1 2015年8月，?120.65 mm DRPWD系統(tǒng)在玉門油田青西礦區(qū)一口充氣欠平衡井中配合井底溢流實(shí)時(shí)檢測(cè)軟件進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。井下壓力測(cè)量工具下井兩次，試驗(yàn)井段4 443～4 500 m，總進(jìn)尺57 m，工具在井下時(shí)間178.5 h，循環(huán)時(shí)間92 h，鉆進(jìn)時(shí)間81 h。在井深4 430 m時(shí)，DRPWD實(shí)測(cè)井斜14.8°、方位79.5°，對(duì)比定向井服務(wù)公司井深4 430 m測(cè)斜數(shù)據(jù)為井斜14.8°、方位78.9°。DRPWD測(cè)得充氣狀態(tài)下環(huán)空壓力43 MPa/4 430 m，溫度90℃,該井4 400 m處地層壓力為45.15 MPa，實(shí)測(cè)環(huán)空當(dāng)量密度0.95～0.96 g/cm3。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，DRPWD系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)，為欠平衡鉆井和定向鉆井作業(yè)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期目的。

表1 DRPWD系統(tǒng)深井適應(yīng)性地面綜合試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)2 2015年11月，?120.65 mm DRPWD系統(tǒng)塔里木油田某水平井完鉆通井時(shí)進(jìn)行了深井適應(yīng)性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)最大井深7 380 m,井下工作時(shí)間78 h，實(shí)測(cè)最大環(huán)空/柱內(nèi)壓力75.34 MPa/76.36 MPa,最高工作溫度147.56℃，測(cè)量數(shù)據(jù)完整，傳輸解碼正確。DRPWD隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量裝置經(jīng)受了井下高溫高壓和復(fù)雜情況的考驗(yàn)，工作正常，安全可靠，起下鉆順利，存儲(chǔ)壓力曲線如圖1所示。

圖1 PWD存儲(chǔ)壓力測(cè)量曲線

DRPWD深井適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠在井深7 000 m以上，溫度150℃以下正常工作，具備了工程應(yīng)用條件。

四、應(yīng)用及前景

DRPWD系統(tǒng)隨鉆測(cè)量井下壓力、溫度、定向參數(shù)及地層自然伽馬，在噴漏同層等復(fù)雜地層、充氣欠平衡鉆井、雙循環(huán)模擬鉆井和水平井儲(chǔ)層導(dǎo)向鉆井等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中取得初步成效，為井下溢流早期監(jiān)測(cè)研究、深井波動(dòng)壓力計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

實(shí)例驗(yàn)證空氣混合鉆井液的欠平衡能力。由于工程上對(duì)鉆井液混合空氣能否達(dá)到欠平衡效果尚有爭(zhēng)議，通過井下壓力實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。鉆進(jìn)井段1 883～2 150 m，PWD所獲取的當(dāng)量循環(huán)密度曲線如圖2所示。井深1 922 m開始混合空氣鉆進(jìn)，當(dāng)量循環(huán)密度ECD為0.67～0.86 g/cm3,其平均值為0.77 g/cm3。該井設(shè)計(jì)ECD為0.68 g/cm3，驗(yàn)證結(jié)果表明該井未達(dá)到預(yù)期的欠平衡目標(biāo)，但ECD確實(shí)大幅度降低，從1.01 g/cm3降至0.77 g/cm3,泵壓從13 MPa降至3 MPa，且提高了機(jī)械鉆速。

圖2 隨鉆當(dāng)量循環(huán)密度曲線

由于DRPWD系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)量環(huán)空和柱內(nèi)壓力參數(shù)，在復(fù)雜地層安全鉆井、油氣儲(chǔ)層保護(hù)和鉆井基礎(chǔ)理論研究等方面具有良好的應(yīng)用前景?；诃h(huán)空壓力實(shí)時(shí)測(cè)量，可以有效地指導(dǎo)控制壓力鉆井作業(yè)，為欠平衡井地層與環(huán)空壓差的確定提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)環(huán)空壓力的變化，結(jié)合鉆井工況和作業(yè)參數(shù)等，可監(jiān)測(cè)井眼凈化、分析判斷井下溢流，以及作業(yè)不當(dāng)而引起的壓力波動(dòng)，如快速起下鉆、開停泵過猛及劃眼過快等，可以規(guī)范鉆井作業(yè)，避免井下復(fù)雜情況發(fā)生。根據(jù)柱內(nèi)與環(huán)空壓差，可判斷鉆頭泥包、水眼堵塞和井壁垮塌等情況，也可優(yōu)化鉆井水力參數(shù)，提高鉆井效率。

五、結(jié)論和建議

井下隨鉆壓力測(cè)量技術(shù)在控制壓力鉆井、欠平衡井、高溫高壓鉆井和大位移鉆井具有廣泛的應(yīng)用前景，是油氣勘探開發(fā)迫切需要的鉆井新技術(shù)。

建議開展175℃高溫PWD系統(tǒng)的研制工作，提高系統(tǒng)在超高溫井的適應(yīng)能力，在地層自然伽馬測(cè)量的基礎(chǔ)上，增加電阻率測(cè)量功能，以更好地滿足深層鉆井和水平應(yīng)用需求。