泵送式井下測(cè)壓微球的研制與試驗(yàn)

龐 平， 李枝林,， 夏文鶴

(1中石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院 2欠平衡與氣體鉆井試驗(yàn)基地 3國(guó)家能源高含硫氣藏開(kāi)采研發(fā)中心 4西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院)

深井、超深井、復(fù)雜井地質(zhì)情況較為復(fù)雜，作業(yè)困難加大，各類(lèi)鉆井事故時(shí)有發(fā)生，引發(fā)鉆井安全問(wèn)題。因此，掌握井底壓力數(shù)據(jù)對(duì)鉆井井控安全非常重要。目前，井下壓力監(jiān)測(cè)儀器主要有井下壓力計(jì)和隨鉆井下環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)儀(PWD)。井下壓力計(jì)的測(cè)量原理是將儀器與鉆具一同入井，實(shí)測(cè)與存儲(chǔ)井下壓力數(shù)據(jù)，并在起鉆后取出壓力計(jì)來(lái)讀取數(shù)據(jù)，該測(cè)量方式大幅延長(zhǎng)了測(cè)量時(shí)間，使得控制措施嚴(yán)重滯后于鉆進(jìn)，大幅增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)[1-2]；與井下壓力計(jì)不同，PWD則可實(shí)時(shí)測(cè)量和傳輸井下壓力數(shù)據(jù)，但成本高昂[3-4]，無(wú)法實(shí)現(xiàn)低成本服務(wù)。因此，要降低作業(yè)成本，又要確保鉆井作業(yè)安全，亟需研究一種新的井下壓力測(cè)量技術(shù)。

一、井下測(cè)壓微球的測(cè)量方法

井下測(cè)壓微球(圖1)的外徑小于10 mm，能夠自由通過(guò)鉆頭水眼、內(nèi)防噴等工具。測(cè)量方法[5]是：在停泵接單根時(shí)，從井口鉆具內(nèi)投入井下測(cè)壓微球，連接鉆具后，泵送微球隨鉆井液循環(huán)一周，在地面返出時(shí)進(jìn)行回收，并讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，利用軟件將數(shù)據(jù)用曲線(xiàn)方式進(jìn)行展示，方便了解井下環(huán)空壓力和溫度信息。井下測(cè)壓微球不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但可為下步鉆井的壓力控制和理論壓力推算提供依據(jù)。

圖1 井下測(cè)壓微球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

二、井下測(cè)壓微球的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鈦合金外殼內(nèi)裝有鋰錳紐扣電池，電池的負(fù)極連接到單片機(jī)背面的負(fù)電極上，單片機(jī)被焊接到電路板上，方形單片機(jī)旁邊焊接有數(shù)據(jù)讀寫(xiě)電極并連接到單片機(jī)的腳部，電路板另一面中心粘接有壓力芯片，壓力芯片的根引出線(xiàn)通過(guò)金絲線(xiàn)焊接到電路板的相應(yīng)焊盤(pán)上，由單片機(jī)提供0.5 mA恒流源為壓力芯片供電，壓力芯片的2個(gè)信號(hào)輸出電極連接到單片機(jī)的AD.0(+)和AD.1(-)采集引腳，方形壓力芯旁邊焊接有3只封裝外圍電容，電路板外正電極環(huán)被粘接到鈦合金外殼上，壓力芯片和鈦合金外殼的空間用凝膠或硅橡膠填充，以隔離鉆井液，起到保護(hù)壓力芯片的作用，紐扣電池的正極外殼與鈦合金外殼之間有橡膠密封圈，并相互扣接在一起。

三、井下測(cè)壓微球的電路設(shè)計(jì)

1.壓力溫度信號(hào)調(diào)理放大電路設(shè)計(jì)

測(cè)量井筒壓力和溫度的信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，金屬橋式電路組成的惠斯通電橋，把橋式引起的電阻改變量轉(zhuǎn)換為電壓變化量。由于測(cè)量的橋式量微弱，造成傳感器測(cè)得的電壓信號(hào)也非常微弱(在幾微伏和幾十毫伏之間)，且波動(dòng)范圍較大，存在共模干擾成分，因此，須在壓力、溫度傳感器后端接上信號(hào)放大調(diào)理電路，對(duì)傳感器采集到的信號(hào)放大，同時(shí)濾掉共模干擾成分，從而釆集到準(zhǔn)確的電壓信號(hào)。但是若只采用一個(gè)普通的前置放大器，則不能滿(mǎn)足在抗共模干擾能力、時(shí)間穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性和增益精度等指標(biāo)要求。為了提高共模抑制比、差分放大線(xiàn)性度和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)釆用單電源儀表放大器和單電源運(yùn)算放大器組成兩級(jí)放大電路(圖2)。

圖2 信號(hào)調(diào)理放大電路

2.供電電路設(shè)計(jì)

供電電路采用電池供電方式。利用井下專(zhuān)用的耐高溫，高容量的鋰電池(單節(jié)3.7 V，3 000 mA·h)進(jìn)行單電源供電。由于本設(shè)計(jì)中單片機(jī)及各模塊的工作電壓均為3.3 V，故選用LG33作為電源調(diào)理芯片，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V電壓(圖3)。

圖3 供電電路

3.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際鉆井液循環(huán)一周的情況計(jì)算所需數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，環(huán)空壓力和溫度的A/D轉(zhuǎn)化結(jié)果為16 bit(2字節(jié))二進(jìn)制數(shù)據(jù)，加上記錄時(shí)間和校驗(yàn)位的2個(gè)字節(jié)，則在每次采集時(shí)共需要存儲(chǔ)4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，按照井下平均1 s保存一次采集數(shù)據(jù)的要求，則可以在井下存儲(chǔ)1 165.08 h的數(shù)據(jù)。

(1)

4.井下測(cè)壓微球的研制

研制的井下測(cè)壓微球滿(mǎn)足以下參數(shù)：微球直徑小于10 mm、抗壓105 MPa、耐溫125℃、存儲(chǔ)大于1 000個(gè)數(shù)據(jù)、具備時(shí)鐘功能。

四、井下測(cè)壓微球試驗(yàn)

井下測(cè)壓微球試驗(yàn)在川慶模擬井廣試1井進(jìn)行。井下測(cè)壓微球密度2.3 kg/m3。鉆井液密度1.2 kg/m3，環(huán)空流體流速>0.6 m/s，以保證鉆井液在正常循環(huán)過(guò)程中能將微球帶出地面，實(shí)驗(yàn)記錄見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)記錄表

(1)橫坐標(biāo)為測(cè)試點(diǎn)標(biāo)號(hào)，每2 s一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，共計(jì)2 300個(gè)測(cè)試點(diǎn)，約76 min，與操作過(guò)程相符。

(2)微球入井后有明顯的壓力升高和降低過(guò)程，該過(guò)程約為7 min，即入井工作時(shí)間(一個(gè)測(cè)試循環(huán)300～510號(hào)測(cè)試點(diǎn))時(shí)間約為7 min。如圖4、圖5所示。為平衡微球測(cè)量?jī)x內(nèi)外壓力，測(cè)量?jī)x內(nèi)部加載基礎(chǔ)壓力10 MPa，測(cè)量壓力值為與基礎(chǔ)壓力比值。拆開(kāi)測(cè)量?jī)x后，基礎(chǔ)壓力消減。

圖4 井下測(cè)壓微球壓力測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 井下測(cè)壓微球溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

(3) 下移時(shí)間(300～380號(hào)測(cè)試點(diǎn))約為2.6 min，下移速度：2.7 m/s(表2)。

(4) 上移時(shí)間(380～510號(hào)測(cè)試點(diǎn))約為4.3 min，與溫度變化規(guī)律基本一致。上移速度：1.65 m/s(表3)。

表2 鉆具內(nèi)微球下移速度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比表

表3 環(huán)空微球上返速度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比表

五、結(jié)論與建議

(1)泵送式井下測(cè)壓微球內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)合理，微球外徑小于10 mm，可順利通過(guò)鉆頭水眼，初步實(shí)現(xiàn)井下壓力測(cè)量。

(2)模擬井試驗(yàn)表明：泵送式井下測(cè)壓微球測(cè)量數(shù)據(jù)完整；微球的測(cè)量數(shù)據(jù)與上位機(jī)配套軟件對(duì)接正常；微球?qū)崪y(cè)的數(shù)據(jù)未能與井深對(duì)齊，速度值與理論計(jì)算有一定偏差，偏差原因有待進(jìn)一步研究。

(3)泵送式井下測(cè)壓微球無(wú)法通過(guò)螺桿、MWD等測(cè)量?jī)x器，目前大多數(shù)井難以適應(yīng)，建議研究井下實(shí)時(shí)激發(fā)短節(jié)，微球預(yù)先安放在短節(jié)上，根據(jù)需要激發(fā)微球到井下環(huán)空和地面；因測(cè)壓微球密度大、體積小，建議在不同性能的鉆井液、不同井型條件下開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提高回收利用率。