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展瓶頸。使用該工具無論是在目前已熟知的勘探開發區內進行環保型開采（平衡或欠平衡鉆井），還是在一些邊緣區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并分析其變化規律，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密度在地層流體壓力、坍塌壓力和破裂壓力的安全作業極限內，尤其是欠平衡井鉆井作業。大多數鉆井作業停工是由于井眼問題引起的，井眼問題包含循環漏失、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、安全的鉆井作業目的，同時降低了鉆井作業成本及鉆井作業的風險。

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空的壓力。溫度傳感器主要是檢測傳感器的工作環境溫度。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、井眼環空的工作壓力（地層壓力）和傳感器工作環境溫度（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，監視井眼清潔狀況和井壁坍塌情況，進行卡鉆前預警。

監測鉆井過程中井眼內泥漿攜砂情況，協助進行泥漿參數的優化。

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）發生的原因。

1.3 PWD傳感器的應用環境

高成本鉆井環境；

復雜地層（裂縫、高壓氣層）鉆井環境；

近平衡或欠平衡鉆井環境（配合精確控壓鉆井系統則效果更佳）。

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

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

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

4）鉆柱內部壓力（PWD Internal Pressure）；

5）井眼環空壓力（PWD Annular Pressure）；

6）泥漿當量循環密度（ECD）及泥漿當量密度（EMW）；

7）鉆井過程中鉆具的狀態（包括起下鉆、循環等）；

通常最小關泵環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）；平均關泵環空壓力所反應的是近似于靜態時的泥漿液柱壓力（也即靜液柱壓力）；鉆柱內部壓力和井眼環空壓力所反應的是動態及靜態狀況下鉆柱內部及井眼環空內的壓力；泥漿當量循環密度（ECD）及泥漿當量密度（EMW）則是根據所測的環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（通訊協議）版本號、傳感器內部環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測：見圖2。

圖2 PWD實時監測窗口

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；應用鉆柱內部壓力（PWD Internal Pressure）及井眼環空壓力（PWD Annular Pressure）曲線可以解釋當前的鉆進狀態（鉆進、循環或短起下等）及鉆具狀態（起下鉆、短起、接立柱或單根等）；而使用泥漿當量循環密度（ECD）及泥漿當量密度（EMW）、最小關泵環空壓力（Minimum Pump-off Annular Pressure）及最大關泵環空壓力（Maximum Pump-off Annular Pressure）參數可以知道當前井下可能發生復雜情況，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化鉆井參數；在復雜區塊通過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

為了充分發揮隨鉆壓力測量技術在實際鉆井過程中的優勢，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及調整泥漿比重后鉆井狀態，圖中可以看出，鉆具剛開始建立循環通路時泥漿比重為1.64g/cm3左右,但是循環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（從懸停狀態轉為下沉狀態），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 地層流體侵入監測

圖4所反應的是當有地層流體侵入環空時的情形。從圖中的實時隨鉆環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，環空內泥漿當量密度突然增大并持續增高，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監測，同時做好預防工作。循環至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空，從而導致泥漿比重增大，經處理泥漿并慢慢循環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。

圖4 地層流體侵入監測

4.3 泥漿漏失監測

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，進行低排量循環觀察以防井下嚴重事故發生。

圖5 泥漿漏失監測

4.4 氣侵監測

圖6所反應的是發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處理進行觀察。后經錄井監測發現有氣泡返出，證實地層中有氣體侵入環空。根據此次的經驗我們得到在鉆井過程中發生氣侵時PWD所反饋到地面時的曲線形態，為今后鉆井施工提供了一個寶貴的依據。

圖6 氣侵監測

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生倒轉現象，PWD監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，進行循環并緩慢上提操作，經半個多小時的循環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生。

3) 在塔中區塊，ZG21-H5是該區的一口生產開發井，而PWD也正是第一次在該區使用，從該區的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，同樣對該區儲層及沉積環境特征也為客戶解提供了重要線索，使客戶對該區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