DQPWD隨鉆環空壓力測量儀器的研制

袁磊，馬曉偉，于成龍，韓玉安

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

欠平衡鉆井、精細控壓鉆井技術是解決深井中存在的高壓、高滲地層和窄密度窗口安全鉆進問題的最有效方法。但在欠平衡鉆井、精細控壓鉆井過程中，通過常規鉆井參數的變化并不能及時、準確地反映井下真實情況，會造成處理時機延誤，導致出現鉆井液漏失、地層流體侵入、壓差卡鉆等井下復雜情況[1]。而隨鉆測量環空壓力儀器可實時測量井下環空壓力和溫度數據，得出鉆井液的流變性、巖屑攜帶情況等信息，從而有效避免井下復雜情況和事故的發生，為欠平衡鉆井、精細控壓鉆井等高難度井的施工作業提供有效技術手段[2]。

國外在1980年左右已經開始進行井下壓力測量相關技術的研究，并在復雜井、高溫高壓井作業中取得了成功應用[3]。諸如Halliburton公司開發的RTPWD、Schlumberger公司開發的APWD隨鉆環空壓力測量工具等都已進入了商業化應用階段，可適應環境壓力140MPa，溫度150℃，測量精度較高，但產品價格和技術服務費用昂貴。而國內的研究起步較晚，還處于現場試驗階段，沒有成熟的隨鉆壓力測量產品。目前，西南石油大學研制的深水表層鉆井環空壓力監測裝置，川慶鉆采院研制的ZT-PWD隨鉆壓力測量系統，克拉瑪依鉆井工藝研究院研制的欠平衡鉆井井底數據釆集系統等均已開展井下試驗[4-5]。

DQPWD隨鉆環空壓力測量儀器是大慶鉆井工程技術研究院獨立自主研制的隨鉆井下測量裝備，該儀器在泥漿脈沖信號上傳、地面信號濾波解碼技術上取得了創新突破，并進行了2口井的現場試驗，取得了很好的效果。

1 技術分析

1.1 DQPWD隨鉆環空壓力測量儀器的組成

DQPWD隨鉆環空壓力測量儀器主要由井下測量傳輸儀器和地面解碼系統2部分組成。井下測量傳輸儀器由壓力測量模塊、旋轉連接件、中控模塊、驅動模塊、供電模塊和脈沖發生器組成，如圖1所示。供電模塊利用內置鋰電池組給各模塊供電，中控模塊接收壓力測量模塊發送的環空壓力、溫度數據，并給出動作指令，驅動模塊接收中控模塊指令控制脈沖發生器產生有規律的鉆井液脈沖。

圖1 井下測量傳輸儀器組成

地面解碼系統由立管壓力傳感器、地面采集裝置、濾波解碼軟件組成，負責對數據進行接收、解碼分析處理和存儲顯示。

1.2 工作原理

根據不同的鉆具組合來選擇合適的位置，將井下儀器與鉆具組合連接，并下入井下。鉆進過程中循環鉆井液，供電模塊中的鋰電池組給壓力測量模塊、中控模塊和驅動模塊供30V直流電，壓力測量模塊實時測量環空壓力數據，并把數據發送給中控模塊，中控模塊將采集數據轉換成組合編碼方波信號發送給驅動模塊，信號經過驅動模塊轉換成脈沖發生器的閥動作，以鉆井液壓力脈沖的形式將數據上傳到地面。地面解碼系統中的地面采集裝置接收立管壓力傳感器采集的立壓脈沖信號，經過濾波解碼軟件將信號解碼還原成壓力、溫度數據，并實時存儲，形成環空壓力、溫度曲線。

1.3 主要技術參數

（1）最大外徑：172mm；

（2）總長：6062mm；

（3）壓力測量范圍：0～100MPa；

（4）壓力測量精度：±0.1%FS；

（5）工作溫度：150℃；

（6）工作壓力：100MPa。

2 關鍵技術

2.1 井下測量數據上傳技術

為了解決井下儀器采集數據的實時上傳問題，進行了井下電子電路設計、井下中控模塊嵌入式程序的開發。

井下電子電路主要包括中控模塊電路、驅動模塊電路的設計。驅動模塊主要將中控模塊發過來的數據信號轉化成脈沖發生器閥動作的電脈沖信號。供電協議采用串聯式整體供電模式。中控模塊編程芯片優選C8051F530單片機，除了實現數據的接收、校驗和發送外，還進行對數據進行組合碼協議編碼，發送給驅動模塊。圖2為中控模塊嵌入式程序開發流程。

圖2 中控模塊嵌入式程序開發流程

2.2 地面信號接收分析技術

為了解決地面及時準確接收到井下上傳的信號問題，進行了地面采集裝置、解碼濾波軟件的研制。

地面采集裝置包括模擬安全柵、開關量安全柵、信號放大，數據采集卡（A/D）等。主要是對泥漿脈沖信號進行處理，安全柵實現了干擾噪聲信號的隔離，濾除干擾信號，經過信號放大后，經數據采集卡發送給濾波解碼軟件。濾波解碼軟件通過對采集的立壓信號進行濾波處理，根據中控模塊的組合碼編碼協議對上傳的鉆井液脈沖數據進行解碼，從而實現井下環空壓力、溫度數據的顯示及存儲。

3 現場試驗

DQPWD隨鉆環空壓力測量儀器在大慶油田北2-丁6-556井、喇3-PS3317井成功進行了2口井的現場應用。儀器井下累計工作89h，累計隨鉆上傳有效環空、溫度數據191組。圖3是喇3-PS3317井測量井段100～820m，隨鉆環空壓力測量儀器測量數據曲線。在測試井段，環空壓力最大為15.21MPa，環空溫度最高為36.5℃。隨著井深的增加，環空壓力、溫度曲線成增加趨勢。

分析試驗結果，DQPWD儀器系統在井下試驗過程中工作正常，測試效果良好，測試數據完整，真實反映了井底壓力和溫度變化，為工程設計和施工方案的制定提供了科學依據，避免了井下復雜情況和事故。

4 結論

DQPWD隨鉆環空壓力測量儀器設計合理，工作可靠性高，測量精度高，數據準確。該儀器在大慶油田北2-丁6-556井、喇3-PS3317井成功進行了現場試驗，實現了隨鉆環空壓力測量和實時上傳，為鉆井過程中井下壓力控制作業提供有效數據，同時對于防止井下復雜情況與事故的發生具有明顯的效果，為控壓鉆井、欠平衡鉆井作業提供有力技術手段，具有廣闊的市場前景。

圖3 喇3-PS3317隨鉆環空壓力、溫度測量數據曲線

[1]蔣宏偉,周英操,趙慶,等.控壓鉆井關鍵技術研究[J].石油礦場機械，2012,41(1）:1-5.

[2]周英操，劉永貴，鹿志文.欠平衡鉆井井底壓力控制技術[J].石油鉆采工藝,2007,29(2）:13-17.

[3]劉建立,陳會年,高炳堂.國外隨鉆地層壓力測量系統及其應用[J].石油鉆采工藝,2010,32(1）:94-98.

[4]王鵬，唐雪平，等.環空壓力隨鉆測量系統研究[J].石油機械，2012,40（1）：29-32.

[5]劉陽.基于PWD技術深水表層井下復雜工況隨鉆監測[D].西南石油大學，2012.