井下隨鉆壓力測量技術研究

唐雪平，熊祖根，王 鵬, 鄧 樂, 呂海川, 王家進，范錦輝, 彭 浩

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

井下隨鉆壓力測量技術以MWD為基礎，利用壓力測量工具和MWD測量傳輸系統實現鉆井過程中井下壓力的測量和實時傳輸功能，為鉆井作業提供基礎數據。該技術是實現欠平衡鉆井和控制壓力鉆井的一項關鍵技術[1-2]，在油氣井工程中具有重要作用[3-14]，是油氣勘探開發迫切需要的鉆井新技術。國外在隨鉆壓力測量技術方面有成熟產品，配合欠平衡和控壓鉆井技術進行商業化服務，取得了顯著的經濟效益。國內進行了環空壓力計算相關研究[15]，產品研發滯后國外[16]。由于理論計算井底壓力精度難以滿足復雜地層窄密度窗口精細控壓鉆井的要求，迫切需要研發高精度實時井下隨鉆壓力測量工具。近年中國石油集團公司工程技術研究院在國家重大科技專項和集團公司課題的支持下，在存儲式環空壓力測量工具研制基礎上，借鑒地質導向鉆井技術的研發經驗[17-18]，經過科技攻關，掌握了井下隨鉆壓力測量核心技術。目前，國內成功研制出具有完全自主知識產權的實時井下隨鉆壓力測量系統(以下簡稱DRPWD)，初步開展了應用研究，在深井適應性方面取得重大進展。該項技術具備了工程適用條件，逐步由系統研發邁向推廣應用階段。為此，本文概述了DRPWD系統及進展情況，更好地推進其應用及發展。

一、壓力測量技術原理

井下隨鉆壓力測量系統由壓力測量工具PWD、無線隨鉆測量工具MWD和地面系統組成。

PWD工具由壓力傳感器組件、信號檢測電路、數據存儲電路、電池和上數據連接器組成，所有的部件均配置在一根無磁的短鉆鋌中。壓力傳感器組件感知環空、柱內壓力及溫度變化，并將其轉換為電信號；信號檢測電路通過放大、濾波、AD轉換、標度變換等環節將該信號轉換為表示所測壓力及溫度大小的數字信號；數據存儲電路將該信號儲存在井下存儲器中供數據回放用。同時，當數據連接器接收到MWD工具的命令后，會將當時的測量壓力及溫度值發送至MWD工具。PWD機械結構包括儀器短節、數據連接器及扣型轉換鉆鋌。將儀器短節的壓力、溫度傳感器及測控電路安裝到相應的位置，裝配數據連接器并處理好線路連接，最后裝配扣型轉換鉆鋌，即完成了工具的整體組裝工作。

MWD工具由下數據連接器、定向參數與伽馬測量短節、驅動器短節、發電機短節和正脈沖發生器組成，所有部件均配置在一根無磁鉆鋌中。MWD工具通過數據連接器向PWD工具發送控制命令并接收PWD工具的測量壓力和溫度數據，所接收的數據隨同定向參數(井斜、方位、工具面)和伽馬經驅動器短節編碼并驅動后，由正脈沖發生器產生相應的壓力調制脈沖信號發送地面信號接收單元。

地面系統由地面傳感器(壓力傳感器、深度傳感器、泵沖傳感器等)、儀器房、信號處理前端箱、工業控制計算機外圍設備和相關軟件組成。地面傳感器感知鉆井液壓力脈沖信號并將其轉換為電信號，信號處理前端箱對其進行相應的處理后送至工業控制計算機進行濾波、解碼，以還原井下測量信號，并通過數字和曲線的方式將測量結果顯示在屏幕上，或通過井場信息傳輸協議WITS為精細控壓鉆井等應用系統提供基礎數據。

二、系統優化設計

主要技術參數：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℃，壓力測量精度±0.5%FS(全量程，下同)，最高數據傳輸速率5 bit/s。

井下壓力隨鉆測量裝置在“十一五”研制基礎上，對系統進行了整體改進和優化，擴展了測量功能，提高了整體性能指標，實用性加強，主要體現以下幾個方面：

(1)MWD和PWD工具分別采用井下發電機和電池供電，能在開、停泵工況下連續監測鉆井全過程的井下壓力變化，進而為井下壓力控制和波動壓力計算提供更全面的數據。

(2)MWD工具新增地層自然伽馬測量模塊，增加對儲層的識別能力，具有簡易的地質導向功能。

(3)PWD工具可根據不同應用需求靈活使用。PWD既可通過數據連接器與MWD對接使用，隨鉆測量井下壓力和溫度等參數并實時上傳；也可作為獨立測量工具單獨使用，隨鉆測量和存儲數據，起鉆后地面回放。

(4)優選新型壓力傳感器，使系統的耐溫能力和測量范圍得到了提高，耐高溫能力由之前的120℃提高到現在的150℃。改進后的系統具備了適應復雜深井高溫高壓作業環境的能力。

(5)獨創性地設計了傳感器零點補償電路，能夠自動校正傳感器零點的變化。將壓力測量精度由之前的±1%FS提高到±0.2%FS，超過±0.5%FS的設計精度指標。

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

(7)優化MWD的整體機械結構，工具長度由6.4 m精簡到4.7 m，使MWD的運輸便捷性和現場可維護性得到了提高。

(8)優化DRPWD系統軟件，系統能根據井下作業工況和測量數據變化情況，優選傳輸井下壓力、工具面和地層伽馬等重要測量數據，以更好地滿足不同應用需求。

三、試驗研究

1. 壓力測試試驗

為了確保PWD工具壓力測量精度達到設計指標，需要對壓力傳感器進行標定和室內壓力測試。壓力傳感器標定范圍0～140 MPa，標定源精度為±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，每個溫度檢測點加溫時間約為2 h，待爐內溫度基本穩定后，分別加壓至指定的壓力。待每個壓力穩定后，通知儀器自動記錄參考溫度(采用JM624檢測)、標準壓力(由Fluke RPM4-E-DWT提供)和測試壓力結果。將標準壓力與測量壓力之差作為測試壓力的絕對誤差，絕對誤差與壓力測量滿度140 MPa之百分比為測試壓力的滿度相對誤差。壓力傳感器室內測試結果表明，壓力測量滿度相對誤差±0.2%FS以內，滿足PWD工具設計壓力測量精度±0.5%FS的要求。

2. 地面綜合試驗

為了驗證DRPWD系統的深井適應能力，開展了深井適應性地面綜合試驗，試驗結果見表1。

3. 系統現場試驗

2011～2015年，DRPWD系統在四川、華北、玉門和新疆等油田試驗8口井，試驗總進尺2 502.15 m，累計工作時間900.35 h，為產品定型和推廣應用奠定了基礎。2015年DRPWD深井適應性試驗取得突破性進展，具備了推廣應用條件。系統現場試驗最大井深7 380 m、鉆進最長井段986 m、最長工作時間324 h，最高工作溫度147.56℃、最高工作壓力76.36 MPa。下面對其中的兩次現場實驗情況進行介紹分析。

試驗1 2015年8月，?120.65 mm DRPWD系統在玉門油田青西礦區一口充氣欠平衡井中配合井底溢流實時檢測軟件進行了現場試驗。井下壓力測量工具下井兩次，試驗井段4 443～4 500 m，總進尺57 m，工具在井下時間178.5 h，循環時間92 h，鉆進時間81 h。在井深4 430 m時，DRPWD實測井斜14.8°、方位79.5°，對比定向井服務公司井深4 430 m測斜數據為井斜14.8°、方位78.9°。DRPWD測得充氣狀態下環空壓力43 MPa/4 430 m，溫度90℃,該井4 400 m處地層壓力為45.15 MPa，實測環空當量密度0.95～0.96 g/cm3。在整個試驗過程中，DRPWD系統測量數據完整、準確，數據傳輸及時，為欠平衡鉆井和定向鉆井作業提供了基礎數據，達到了試驗預期目的。

表1 DRPWD系統深井適應性地面綜合試驗結果

試驗2 2015年11月，?120.65 mm DRPWD系統塔里木油田某水平井完鉆通井時進行了深井適應性現場試驗。試驗最大井深7 380 m,井下工作時間78 h，實測最大環空/柱內壓力75.34 MPa/76.36 MPa,最高工作溫度147.56℃，測量數據完整，傳輸解碼正確。DRPWD隨鉆環空壓力測量裝置經受了井下高溫高壓和復雜情況的考驗，工作正常，安全可靠，起下鉆順利，存儲壓力曲線如圖1所示。

圖1 PWD存儲壓力測量曲線

DRPWD深井適應性試驗結果表明，該系統能夠在井深7 000 m以上，溫度150℃以下正常工作，具備了工程應用條件。

四、應用及前景

DRPWD系統隨鉆測量井下壓力、溫度、定向參數及地層自然伽馬，在噴漏同層等復雜地層、充氣欠平衡鉆井、雙循環模擬鉆井和水平井儲層導向鉆井等現場試驗中取得初步成效，為井下溢流早期監測研究、深井波動壓力計算現場驗證提供了重要基礎數據。

實例驗證空氣混合鉆井液的欠平衡能力。由于工程上對鉆井液混合空氣能否達到欠平衡效果尚有爭議，通過井下壓力實際檢測數據加以驗證。鉆進井段1 883～2 150 m，PWD所獲取的當量循環密度曲線如圖2所示。井深1 922 m開始混合空氣鉆進，當量循環密度ECD為0.67～0.86 g/cm3,其平均值為0.77 g/cm3。該井設計ECD為0.68 g/cm3，驗證結果表明該井未達到預期的欠平衡目標，但ECD確實大幅度降低，從1.01 g/cm3降至0.77 g/cm3,泵壓從13 MPa降至3 MPa，且提高了機械鉆速。

圖2 隨鉆當量循環密度曲線

由于DRPWD系統能同時測量環空和柱內壓力參數，在復雜地層安全鉆井、油氣儲層保護和鉆井基礎理論研究等方面具有良好的應用前景。基于環空壓力實時測量，可以有效地指導控制壓力鉆井作業，為欠平衡井地層與環空壓差的確定提供科學依據。根據環空壓力的變化，結合鉆井工況和作業參數等，可監測井眼凈化、分析判斷井下溢流，以及作業不當而引起的壓力波動，如快速起下鉆、開停泵過猛及劃眼過快等，可以規范鉆井作業，避免井下復雜情況發生。根據柱內與環空壓差，可判斷鉆頭泥包、水眼堵塞和井壁垮塌等情況，也可優化鉆井水力參數，提高鉆井效率。

五、結論和建議

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

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