井下鉆壓測量裝置研制及應用

朱榮東 陳 平 蔣世全 馬天壽

(中海油研究總院，北京 100027) (油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川 成都 610500) (中海油研究總院，北京 100027) (油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川 成都 610500)

井下鉆壓測量裝置研制及應用

朱榮東 陳 平 蔣世全 馬天壽

(中海油研究總院，北京 100027) (油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川 成都 610500) (中海油研究總院，北京 100027) (油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川 成都 610500)

介紹了一種基于液壓測試技術設計的井下鉆壓隨鉆測量裝置，可實時測量井下鉆壓、井下環空壓力等工程參數。對井下鉆壓獲取方法及特點進行分析，對井下鉆壓測量裝置的總體結構、原理、特點及工作性能指標進行簡要介紹；最后對測量儀在試驗井的實測數據進行分析，井下鉆壓測量裝置清晰記錄了接單根、開泵、停泵、起鉆、通井、下鉆、鉆進等工況下的鉆壓和井下環空壓力，所記錄數據與錄井數據和現場工況符合良好。

隨鉆測量；鉆井工程參數；鉆壓；環空壓力

隨著世界各國對能源需求的增加及陸上油氣發現難度的增大，進軍海上油氣田的勘探開發已經成為油氣資源開發的戰略制高點。由于海上環境條件限制，目前海上油氣田的開發大部分都是采用叢式井，近年來隨著開發成本壓力增大，為降低開采成本，水平井、大位移井和復雜軌跡調整井等特殊復雜井越來越多，鉆井事故及復雜情況的發生率越來越高[1-2]，于是安全、高效鉆井成為了廣大鉆井工作者的目標。很多鉆井事故及復雜情況的發生都與鉆井工程參數有著密切關系，因此準確獲取鉆壓、扭矩等井下工程參數對降低鉆井風險和事故具有十分重要的意義。就鉆壓測量而言，目前主要利用地面指重表，但地面數據不能提供鉆頭處真實鉆壓，由于鉆井過程中鉆柱與井壁相互作用過程復雜，由地面測量數據推算得到工程參數精度較差，使工程技術人員不能清楚的了解井下鉆井工程參數，給鉆頭的控制帶來一定的困難[3]。針對井下真實鉆壓獲取困難的問題，研制了能隨鉆測量井下鉆壓的井下鉆壓測量裝置，可實測井下鉆壓和環空壓力，為現場技術人員實時掌握和分析井下鉆壓和環空狀況提供了有效途徑，可適應和滿足旋轉導向鉆井技術及常規鉆井技術的需求[4-6]。

1 井下鉆壓獲取方法及特點

現場獲取鉆壓等工程參數的方法分為地面(或近井口)間接獲取、井下直接獲取2種。

1.1地面(或近井口)間接獲取鉆壓、扭矩

主要采用地面(或近井口)懸重扭矩儀(如鉆盤扭矩傳感器、方補心扭矩儀、新型方鉆桿懸重扭矩儀等)進行測量[7]，這種獲取鉆壓、扭矩的技術較成熟。由于鉆柱與井壁相互作用過程復雜，間接獲取的鉆壓不夠真實，測量數據精度差。但該方法成本低，可準確、及時檢測和預報鉆井異常，可避免鉆井事故的發生，避免設備損壞和人身安全事故的發生，因此該方法被廣泛采用。

1.2井下直接獲取

采用井下測量工具隨鉆測量，測量工具可安裝在鉆柱的不同部位，測量工具不會影響鉆柱的正常工作，可實時測量鉆柱工作狀態下的各種工程參數。測量工具實測數據的采集與處理方式主要有2種[8-10]：一種是在井下采集、記錄并存儲數據，待起鉆后在地面進行數據回放和數據處理；另一種是在井下采集數據，然后將數據信號通過特殊的傳輸系統(如MWD、有線鉆桿或無線信息傳輸系統等)傳輸到地面進行記錄和處理分析。目前，國內外的大部分測量工具都可實現井下采集、井下存儲和隨鉆傳輸數據同步執行，鉆進過程中將測得的數據存儲在井下存貯器中，同時通過傳輸系統將數據實時傳輸到地面，起鉆后做回放數據與實時傳輸數據對比分析，可有效避免數據傳輸失真帶來的問題。井下直接測得的鉆壓工程參數，由于是近鉆頭部位的數據，其精確度較錄井更高，能真實反映近鉆頭部位實際工況。因此，提出研制井下鉆壓測量裝置以測量井下真實鉆壓。

2 井下鉆壓測量裝置研制

2.1測量方案

鉆壓測量，實際上就是對作用于鉆頭上方的集中力進行測量，有2個測量方案：

1)方案1——采用應變測量方法 該方法是測量壓(拉)力常用的方法，鉆井時井下工況十分復雜，保證鉆井的安全進行是首要的，這就使彈性元件不能有足夠大的應變，只能有100～200με，這樣的信號太小，給測試帶來一定的困難，而且測量井下鉆壓很難消除泥漿浮力對鉆壓的影響。

2)方案2——采用測量液缸壓力求得鉆壓值的方法 該方案的測量裝置結構要復雜得多，但該方法可以有效地降低和消除泥漿浮力對鉆壓測量結果的影響。為了使鉆壓的測量數據比較準確可靠，避免小信號測量中的困難，盡管通過液體傳遞測量鉆壓，會在結構上要增加一些復雜性，結構的復雜性也會增加工具失效的可能性，但是該方案將使鉆壓的測量更為準確。這里考慮選擇方案2。

2.2井下鉆壓測量裝置結構及原理

1—上接頭；2—電子線路芯；3—管路；4—引線接頭；5—壓力傳感器；6—圓柱形液壓缸體；7—活塞；8—保護殼；9—花鍵下接頭；10—花鍵；11—內花鍵接頭；12—小孔；13—液壓缸。

1)井下鉆壓測量裝置 井下鉆壓測量裝置采用在近鉆頭部位增加一個測量短節，安放井下電源、液壓油缸、傳感器及數據采集電路的方法，依靠液壓油和壓力傳感器傳遞和感測鉆壓，可隨鉆測量鉆壓和井下環空壓力參數。采用方案2的測量裝置結構圖如圖1所示。

2)鉆壓測量原理 基于液壓測試技術和傳感器技術，利用測量液體壓力的方法來測量鉆壓，即應用一個壓力傳感器測量圓柱形液壓缸體內壓力求得鉆壓，并應用另一個壓力傳感器測量環空壓力，將環空壓力測量信號傳遞至鉆壓測試信號中，可以有效的降低和消除泥漿浮力對鉆壓測量結果的影響。鉆壓測量原理[3]如下：鉆頭鉆進時的鉆壓沿垂直的方向作用在花鍵下接頭上，進而傳動給活塞，活塞直接將壓力擠壓在液壓缸上，這樣液壓缸內的壓力通過小孔傳遞給壓力傳感器，壓力傳感器感應壓力物理量的變化并將其轉換為電信號，信號檢測電路通過放大、濾波、A/D轉換、標度變換等環節將該信號轉換為表示所測物理量大小的數字信號[3-5]，存儲器可在井下將測量數據儲存供起鉆后進行數據回放。測量裝置工作時需要傳遞扭矩，按照以下過程傳遞[3]：鉆柱帶動上接頭轉動，上接頭帶動液壓缸體轉動，液壓缸體帶動內花鍵接頭轉動，通過花鍵的傳動，可以帶動花鍵下接頭轉動，而花鍵下接頭將帶動與其連接的鉆具轉動，實現扭矩的傳遞。

2.3鉆壓測量裝置特點、工作環境及性能參數

1)特點 該井下鉆壓測量裝置有如下特點：采用液壓油傳遞鉆壓，在測量鉆壓時可以將鉆井液的浮力作用直接消除，使得其測量的鉆壓數據可靠，準確性高，能真實檢測到鉆頭處鉆壓，而且液壓油傳遞鉆壓使鉆頭的工作更加平穩；由于測量裝置內部中空，對鉆井液流道沒有影響；具有結構簡單、制造成本低廉、靈活方便、入井后工作可靠、使用壽命長等優點。

2)工作環境及性能參數 工作井深3000m，適用鉆頭尺寸?215.9～311.1mm，工作壓力小于60MPa，工作溫度小于125℃，工作軸向拉力小于500kN，最大工作鉆壓250kN，最大工作扭矩10kN/m，最大允許振動200m/s2，外徑177.8mm，長度2520mm。測量參數范圍及精度如下：鉆壓測量范圍0～250kN，精度±5.0%；環空壓力測量范圍0～60MPa，精度±5.0%。

3 現場試驗

井下鉆壓測量裝置樣機制造完成以后，對電路和各傳感器分別進行標定，保證了系統的精度及回放數據有可比性[8]。在地面做了多次模擬試驗后，在試驗井進行了下井試驗，主要驗證測量裝置綜合性能，考察測量裝置在惡劣鉆井過程中能否正常實時測量鉆壓、環空壓力。

3.1試驗情況

試驗井是二開二完直井。測量裝置完整地進行了一趟鉆試驗，在井下連續工作時間為40.95h，測量裝置有效測量時間38.1h，試驗井深300～621m，進尺321m。試驗階段泵壓4.6MPa，泥漿排量25.27～28.26L/s，泥漿密度1.18～1.22g/cm3，轉速65r/min。測量裝置取出后，外觀一切正常，將保護殼拆開，確認硬件和軟件均能正常工作。

3.2鉆具組合

?331.15mm牙輪鉆頭×0.30m+?203.2mm630×410雙母接頭×0.50m+?203.2mm鉆鋌6根×53.11m+?177.8mm井下鉆壓測量裝置×2.45m+?177.8mm鉆鋌6根×53.0m+?159mm鉆鋌3根×27.52m+?127mm鉆桿。測量裝置底部距離鉆頭53.81m，儀器下部鉆具浮重約96kN。

3.3數據分析

1) 鉆壓曲線 圖2是根據試驗井596～621m井段實測數據繪制的井下鉆壓曲線。從圖2可以看出，測量裝置記錄鉆壓與錄井記錄鉆壓十分接近，測量裝置測得鉆壓為40～90kN，錄井記錄鉆壓為70kN左右，總體上實測井下鉆壓低于錄井記錄鉆壓，測量裝置測得鉆壓與測量裝置在BHA(井底鉆具組合)上的位置有關。圖中18～25min、178～187min、381～389min這3個時間段錄井記錄鉆壓有3個大缺口，表明是接3根單根工況，測量儀記錄鉆壓與之相對應的時刻也有3個缺口，故接單根、起鉆等工況符合較好。

2)井下環空壓力曲線 圖3是根據試驗井596～621m井段實測數據繪制的井下環空壓力曲線。ABC三處為接單根工況，接單根時間分別為18～25min、178～187min、381～389min，接單根過程即ABC三處壓力降低的過程。接單根時先停泵造成井下環空壓力降低，壓力逐漸降低成為測量儀所處位置的靜液柱壓力；接完單根后再次開泵循環鉆進，壓力再逐漸升高至循環井底環空壓力，即循環、關泵條件下的環空壓力差值大約為1.2MPa，即井眼環空循環壓降大約為1.2MPa。需說明的是壓力升高的就已經開泵，壓力升高需要一段時間，這是由于要將井內靜止泥漿循環起來，需先克服循環摩阻，這些都與現場實際情況符合較好。

圖2 井下鉆壓測試曲線 圖3 井下環空壓力測試曲線

DEFGHIJ段(500～700min)出現的壓力大幅度波動是由通井(起鉆→下鉆→起鉆)造成的：在D點(500min)泥漿泵關閉，壓力降低到靜液柱壓力成為E點；EF段是起鉆過程，起鉆過程中測量儀所處位置的靜液柱壓力逐漸降低，當起鉆至F點(628min)后，又開始下鉆進行通井，為后續下套管固井做好準備；FG段是下鉆通井過程，由環空壓力曲線來看通井比較順利(壓力均勻增加)；下鉆至G點(700min)開泵循環，循環很短時間再次關泵，壓力再次降低到靜液柱壓力(即H點)；HI段代表鉆柱在井內靜止的過程；IJ段代表起鉆過程，起鉆過程也比較順利(壓力均勻降低)。

4 結 論

1)通過分析，對井下鉆壓測量方案進行了選擇，選擇通過測量液缸壓力求得鉆壓值的方法，該方案的測量裝置結構復雜，但測量數據比較準確可靠，可避免小信號測量中的困難，還可有效地降低和消除泥漿浮力對鉆壓測量結果的影響。

2)介紹了一種基于液壓測試技術設計的井下鉆壓測量裝置的結構及其特點，對測量裝置的測量原理進行了介紹，該裝置可實測井下鉆壓和井下環空壓力，井下直接測得工程參數，其精確度較錄井更高，能更真實反映近鉆頭部位實際工況。

3)試驗井實測數據分析表明，井下鉆壓測量裝置所記錄的井下鉆壓和井下環空壓力與錄井記錄數據、現場工況吻合良好，清晰記錄了接單根、開泵、停泵、起鉆、通井、下鉆、鉆進等工況下的井下鉆壓和井下環空壓力及相應的變化情況。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.017

TE242；TE921

A

1673-1409(2012)06-N051-04