井筒微芯片示蹤器的深度定位研究

朱祖揚， 劉江濤， 楊明清,趙金海,4， 張 衛

(1頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室 2中國石化石油工程技術研究院 3中石化石油工程技術服務有限公司 4中石化休斯頓研究開發中心)

0 引言

隨著華為、谷歌等國內外信息技術公司加入到石油勘探開發領域，表明一場以人工智能引起的石油革命已經到來。智能鉆井技術[1- 3]是近年來興起的一項鉆井技術，主要以智能芯片替代人腦識別和解決井下鉆井故障，從而實現自動化作業，其帶來的好處是可以減輕人員勞動強度，縮短建井周期，提高鉆井效率。井筒微芯片示蹤器[4- 5](以下簡稱“示蹤器”)是智能鉆井技術的一個代表，其外形是球狀，直徑只有幾個毫米，主要功能是在鉆井過程中測量全井筒的溫度和壓力，及時發現井筒高溫高壓異常，防止井涌井漏等鉆井事故的發生。與傳統的隨鉆測量儀器相比，其優勢在于智能化和小型化，在現場使用時，不需要人員全程跟蹤鉆井過程，只需要投一次球就可以測全整個井筒的溫度和壓力，不但降低了人工成本，而且提高了隨鉆測量效率[6- 11]。

示蹤器已經在多口井中進行了現場試驗，獲得了一批有價值的隨鉆測量數據，既有常規油井的溫度和壓力數據，又有非常規(頁巖氣、煤層氣)氣井的溫度數據。由于這些數據只有時間信息，而沒有井深信息，因此不容易準確評價不同井深的溫度和壓力狀況。針對這個問題，很多人開展了示蹤器的深度定位方法研究。楊明清[12- 13]提出了利用時間分配法和速度定位法來計算示蹤器在井下的深度，曾義金[14]提出了利用磁信號定位示蹤器深度的方法，朱祖揚[15]提出了利用分布式隨鉆測量短節來定位示蹤器深度的方法，其中后兩種方法成本很高，施工難度較大。本文研究了時間分配法和速度定位法的特點，并在此基礎上提出了速度解算法，利用這三種方法對現場試驗數據進行了處理，均獲得了示蹤器的井深信息，從而為準確評價不同井深的溫度和壓力狀況奠定了理論基礎。

1 示蹤器的深度定位原理

示蹤器通過鉆柱水眼連續投放(10個示蹤器，時間間隔10 s)到循環的鉆井液中，從鉆頭水眼進入井筒，隨鉆井液循環從環空上行返至地面，經過緩沖罐后到達振動篩，在振動篩處被捕獲。在循環過程中，示蹤器連續采集井筒中的溫度和壓力，獲得井筒溫度和壓力分布剖面。因鉆頭水眼的直徑非常小，為確保示蹤器順利通過水眼進入環空段進行測量，示蹤器樣機為直徑7.5 mm的小球，其密度約1.50 g/cm3，耐溫可達100 ℃，耐壓可達70 MPa。

示蹤器在井筒中有三種運動狀態。第一，示蹤器的密度大于鉆井液的密度，示蹤器自身有一個下沉速度，當鉆井液靜止時，示蹤器會沉入井底，當鉆井液流速大于示蹤器的下沉速度時，示蹤器會漂浮在鉆井液里隨循環鉆井液返回地面。第二，示蹤器的密度大于鉆井液的密度，但是鉆井液的黏度很大，示蹤器會裹在鉆井液里隨循環鉆井液返回地面。第三，示蹤器的密度小于或等于鉆井液的密度，無論鉆井液是何種運動狀態，示蹤器會一直浮在鉆井液里隨循環鉆井液返回地面。第一種運動狀態，示蹤器的深度定位很復雜，需要準確掌握井筒物理參數、鉆井液參數和示蹤器參數，這些輸入參數高達十幾個，利用這些輸入參數計算出不同井段的鉆井液的流速和示蹤器的下沉速度，如果有一個輸入參數掌握不準確，都會對計算結果產生巨大的偏差。第二種和第三種運動狀態，示蹤器的運動速度基本等于鉆井液的運動速度，示蹤器的深度定位相對簡單。

2 幾種深度定位方法

示蹤器在井筒中的第一種運動狀態在絕大多數井中都存在，第二種和第三種運動狀態在超深井中存在，但示蹤器在超深井中的應用情況不多，因此本文主要考慮第一種運動狀態的示蹤器深度定位方法研究。主要有三種深度定位方法，第一種是時間分配法，第二種是速度定位法，在這兩種方法的基礎上，提出了速度解算法，主要思想是把示蹤器下沉速度的計算歸為一元多次方程的求解，最大程度地降低由于輸入參數不準而導致的計算偏差，如表1。

2.1 時間分配法

示蹤器在環空段運動時，其運動速度與環空面積成反比，按照每個井段的環空面積及相應的井段長度對示蹤器上返時間進行分配。根據示蹤器在該井段內的上返移動距離，最終獲取示蹤器在該井段的深度位置，從而實現定位示蹤器深度的目的。這種定位方法需要提取各井段的物理參數，包括內徑、外徑和高度，以及鉆井液的排量。

每個井段環空內外徑和高度分別是d1、D1、h1，d2、D2、h2，dn、Dn和hn，鉆井液排量是Q。示蹤器到達井底的時間是ta，返回地面的時間是tb。在各個井段鉆井液的上返速度vn由式(1)得到，鉆井液在各個井段的運行時間tn由式(2)得到。示蹤器自井底返回地面的總運行時間為tl=tb-ta，根據鉆井液的運行時間tn對tl進行分配，得到示蹤器在各個井段的運行時間tn′，如式(3)，其中n為總的井段數。

(1)

表1 深度定位方法比較

(2)

(3)

(4)

示蹤器在各個井段的運行距離s可以由式(4)計算得到，t是示蹤器從井底開始上返的時間，最終得到示蹤器在井下的深度為H=h1+h2+…+hn-s。這種方法的物理意義是示蹤器在各個井段的上返時間和鉆井液在各個井段的上返時間成正比，作為一個特例，當鉆井液總的上返時間和示蹤器自井底返回地面的時間相等時，則示蹤器在各個井段的上返時間就等于鉆井液的上返時間，那么示蹤器在各個井段的上返速度就等于鉆井液的上返速度，當示蹤器的密度和鉆井液的密度相當時，這種情況有可能發生。

2.2 速度定位法

示蹤器隨鉆井液的流動而運動，按照井筒環空內外徑尺寸將全井分段，根據鉆井液流量和井筒物理參數得到各井段鉆井液的上返速度和示蹤器下沉速度，并由此得到各個井段示蹤器的實際上返速度。再根據示蹤器返回地面的時間得到示蹤器的運動位移，從而獲取示蹤器在各個井段的深度位置，實現定位示蹤器深度的目的。這種定位方法需要提取各井段的物理參數，包括內徑、外徑和高度，鉆井液的密度、排量和黏度,示蹤器的密度和直徑等參數。

與上面一種方法相比，多了4個參數，分別是示蹤器的密度ρs和直徑ds，鉆井液的密度ρd和黏度μe。在各個井段鉆井液的上返速度vn由式(1)得到，示蹤器在環空內的下沉速度vd由式(5)得到，示蹤器在各井段的實際上返速度Vn由式(6)得到。

(5)

Vn=vn-vd

(6)

(7)

2.3 速度解算法

按照井筒環空的內外徑尺寸將全井分段，根據鉆井液流量和井筒物理參數得到各井段鉆井液的上返速度，通過一元多次方程計算出示蹤器下沉速度，并由此得到各個井段示蹤器的實際上返速度。再根據示蹤器返回地面的時間得到示蹤器的運動位移，獲取示蹤器在各個井段的深度位置，從而實現定位示蹤器深度的目的。這種定位方法需要提取各井段的物理參數，包括內徑、外徑、高度以及鉆井液排量，而不需要提取鉆井液的密度、黏度以及示蹤器的密度和直徑等相關參數。

(8)

示蹤器在各個井段的運行距離s可由式(7)計算得到，t是示蹤器從井底開始上返的時間，最終得到示蹤器在井下的深度為H=h1+h2+…+hn-s。這種方法的物理意義是示蹤器在環空內的下沉速度vd是一個復雜的參數，不僅與示蹤器自身的物理參數相關，還與鉆井液的物理參數(密度、黏度、流變性)相關，在實際工程應用中，這些參數是很難準確得到的，通過求解一元多次方程(8)，在不需要輸入復雜的鉆井液的物理參數的前提條件下，同樣能夠準確得到示蹤器在環空內的下沉速度。

3 現場試驗數據處理

本文對兩口井的現場試驗數據進行了處理。這兩口井差別較大，井1是淺井，井深較小，鉆井液密度較低，井底溫度較低，示蹤器在環空內的上返時間較短；井2是深井，井深較大，鉆井液密度較高，井底溫度較高，示蹤器在環空內的上返時間較長。

3.1 井1試驗數據處理

這口井的鉆井深度是661 m，井斜角38°，鉆井液密度1 050 kg/m3，鉆井液排量30 L/s，技術套管內徑244.5 mm，套管深度51 m，裸眼井段直徑215.9 mm，裸眼井段長度610 m，鉆桿外徑127.0 mm。示蹤器在井1中記錄的溫度曲線(原始數據)如圖1所示。

圖1 示蹤器在井1中記錄的溫度曲線

示蹤器到達井底的時間是150 s，返回地面的時間是700 s，井底溫度39 ℃，鉆井液出口溫度31 ℃，由于示蹤器每秒采樣一個溫度點，以及溫度采樣精度不是很高，因此對150～700 s時間段的溫度數據進行了曲線插值處理，得到了相應的插值數據，后面的溫度曲線均指的是該插值數據。

對溫度曲線進行預處理，把時間當作井深來對待，如圖2所示。

圖2 井1預處理后的溫度曲線

分別用時間分配法、速度定位法和速度解算法進行了示蹤器深度定位計算，得到了井1的深度—溫度曲線，如圖3所示。

圖3 井1的深度—溫度曲線

時間分配法計算得到示蹤器在下部井段的上返時間是491 s，上返“視”速度是1.24 m/s，在上部井段的上返時間是59 s，上返“視”速度是0.87 m/s。要指出的是，“視”速度并不一定等于示蹤器的實際上返速度。速度定位法計算得到鉆井液在下部井段的上返速度是1.25 m/s，在上部井段的上返速度是0.87 m/s，示蹤器在環空內的下沉速度是0.17 m/s，由于下沉速度偏大，導致示蹤器在各個井段內的實際上返速度偏低，使得在規定的時間內示蹤器沒能返回地面，從而導致在井深小于67 m的井段沒有數據，這是不合理的。這種計算結果是由于對鉆井液性能參數(黏度和流變性)估算不準造成的，由于影響示蹤器下沉速度的井內物理參數很多，這種偏差會經常出現。速度解算法計算得到鉆井液在下部井段的上返速度是1.25 m/s，在上部井段的上返速度是0.87 m/s，示蹤器在環空內的下沉速度是0.01 m/s，從而得到示蹤器在下部和上部井段內的實際上返速度是1.24 m/s和0.86 m/s。由于下沉速度很小，示蹤器在各個井段內的實際上返速度近似等于鉆井液的上返速度，因此示蹤器的上返時間等于鉆井液的上返時間。由于時間分配法和速度解算法得到的示蹤器在各個井段內的上返速度差別不大，從而得到的深度—溫度轉換曲線也基本一致，這兩種方法的計算結果是可靠的。

3.2 井2試驗數據處理

這口井的鉆井深度是2 440 m，井斜角67°，鉆井液密度1 200 kg/m3，鉆井液排量26 L/s，技術套管內徑244.5 mm，套管深度351 m，裸眼井段直徑215.9 mm，裸眼井段長度2 089 m，鉆桿外徑127.0 mm。示蹤器在井2中記錄的溫度曲線(原始數據)如圖4所示，示蹤器到達井底的時間是1 200 s，返回地面的時間是4 200 s，井底溫度60 ℃，鉆井液出口溫度53 ℃，由于示蹤器每秒采樣一個溫度點，以及溫度采樣精度不是很高，因此對1 200～4 200 s時間段的溫度數據進行了曲線插值處理，得到了相應的插值數據，后面的溫度曲線均指的是該插值數據。對溫度曲線進行預處理，如圖5所示。

圖4 示蹤器在井2中記錄的溫度曲線

圖5 預處理后的溫度曲線

分別用時間分配法、速度定位法和速度解算法進行了示蹤器深度定位計算，得到了井2的深度—溫度曲線，如圖6所示。時間分配法計算得到示蹤器在下部井段的上返時間是2 418 s，上返“視”速度是0.86 m/s，在上部井段的上返時間是582 s，上返“視”速度是0.60 m/s。速度定位法計算得到鉆井液在下部井段的上返速度是1.09 m/s，在上部井段的上返速度是0.76 m/s，示蹤器在環空內的下沉速度是0.11 m/s，由于下沉速度偏低，導致示蹤器在各個井段內的實際上返速度偏大，使得在規定的時間內示蹤器提前返回地面，從而導致在井上200 m的距離也有數據，這是不合理的，這種計算結果是由于對鉆井液性能參數(黏度和流變性)估算不準造成的。速度解算法計算得到，鉆井液在下部井段的上返速度是1.09 m/s，在上部井段的上返速度是0.76 m/s，示蹤器在環空內的下沉速度是0.20 m/s，從而得到示蹤器在下部和上部井段內的實際上返速度是0.89 m/s和0.56 m/s。由于下沉速度較大，示蹤器在各個井段內的實際上返速度要比鉆井液的上返速度小，因此示蹤器上返時間要大于鉆井液的上返時間。由于時間分配法和速度解算法得到的示蹤器在各個井段內的上返速度差別不大，從而得到的深度溫度轉換曲線也基本一致，這兩種方法的計算結果是可靠的。

圖6 井2的深度—溫度曲線

4 結論

(1)示蹤器的深度定位使用了時間信息、井筒物理參數、鉆井液參數和示蹤器參數等信息，通過計算鉆井液在環空內的上返速度以及示蹤器在環空內的下沉速度，得到示蹤器在環空內的實際上返速度，從而實現示蹤器深度定位的目的。

(2)時間分配法和速度解算法對井筒等參數的依賴性較低，而速度定位法則需要完全掌握井筒和鉆井液等狀況，否則不能正確定位示蹤器的深度，因此在不能完全掌握井筒物理參數和鉆井液參數的情況下，采用時間分配法和速度解算法獲得示蹤器的井深信息是可行的。

(3)現場試驗數據處理結果表明，通過時間分配法和速度解算法獲得了示蹤器的井深信息，井深—溫度曲線符合實際地質情況。為了檢驗示蹤器的深度定位精度，需要繼續開展示蹤器的下井試驗，進一步完善深度定位方法。