鉆井氣侵工況壓力信號波動特征實驗研究

李 軍， 張金凱， 任 凱， 張 濤， 姜海龍， 王 超

(1中國石油大學石油工程學院·北京 2山東科瑞井控系統設備制造有限公司 3北京信息科技大學)

鉆井過程中井下氣侵工況的檢測主要在地面進行，利用地面錄井數據，泥漿池液面高度變化以及井口流量變化等來判斷是否發生氣侵工況。這些方法存在判別時間滯后問題，難以及時發現井下氣侵工況。井下隨鉆測量技術的發展為實時判斷井下氣侵提供了重要信息。挪威工業科技研究院開發了eDrilling系統[1-2]，Petrobras公司開發了PWD系統[3-4]，均可獲得鉆井過程中井下壓力信號。Mallary[5]，JM.Speers[6]，David Hargreaves[7]等人對井下工況解釋進行了相關研究，應用水力學模型和實測數據對井眼清潔問題進行判斷。國內學者對氣侵工況的研究主要通過數值模擬，如李相方[8]、孫寶江[9]、卓魯斌[10]等研究了氣侵時井筒壓力特征。中石油鉆井院[11]、川慶鉆探[12]、中國石油大學(北京)[13]等多家單位都進行了多次現場試驗，成功研制了PWD工具，但目前還著重于如何準確獲得井下信息，對井下氣侵工況發生時對應測量信號的波動特征研究很少，為研究井下壓力信號波動特征與鉆井氣侵工況的關系，本文通過建立鉆井復雜工況實驗裝置，進行氣侵實驗，并從時域和頻域上分析壓力信號波動特征，為井下氣侵工況判別提供依據。

一、鉆井氣侵工況模擬實驗裝置

鉆井復雜工況實驗裝置示意圖如圖1所示，實驗裝置的主體部分為長達10 m的模擬井筒，能夠承受10 MPa的壓力，流體排量范圍1.67～8.3 L/s。圖1中，P1、P2、P3表示模擬井筒上三個壓力測量點，P4代表模擬井筒流體入口，L1、L2、L3代表三個漏失閥門位置，Q1、Q2、Q3代表氣侵閥門位置。

圖1 實驗裝置示意圖

二、氣侵工況室內實驗

氣侵工況實驗是在井筒內流體正常循環的過程中，通過氣侵點控制閥門開關控制氮氣瓶氮氣輸出，高壓氣體侵入井筒，以此來模擬鉆井過程中井下發生的氣侵工況。實驗過程中，排量為3.6 L/s，氣瓶壓力設置為0.3～0.4 MPa。對于氣侵實驗，分別打開氣侵點閥門Q1、Q2、Q3，使氣體沖入井筒內，氣侵實驗原始數據記錄如圖2所示。

圖2 氣侵實驗原始測量數據

三、壓力信號波動特征分析

氣侵發生時，井筒中的流體流動狀態發生局部突變，勢必造成測量點的壓力信號波動，產生不同頻率成分的波動壓力信號，通過壓力信號概率密度分析、頻譜分析、小波分析以及相關性分析來提取壓力信號波動特征，并判別氣侵工況。

1. 概率密度分析

對測量信號P1和P2進行概率密度分析，結果如圖3、圖4所示。

由氣侵前后測點1和測點2處壓力概率密度對比分析可得，井筒流體正常循環流動，測點壓力信號分布集中、穩定，表征正常鉆井過程中的井底壓力信號特征；節流閥處注入高壓氣體時，測點處壓力信號產生明顯波動，波動幅度較大，幅值中心向右偏移，均值變大，且測量壓力信號分布范圍明顯變大。

2. 頻譜分析

根據信號分析原理編程分別計算氣侵前和氣侵過程中壓力信號的頻譜，氣侵前后測點壓力信號的頻譜分析對比，如圖5、圖6所示。

圖3 氣侵前后P1概率密度對比

圖4 氣侵前后P2概率密度對比

圖5 氣侵前后P1壓力信號頻譜分析 圖6 氣侵前后P2壓力信號頻譜分析

由圖5、圖6可看出，流體正常循環流動，壓力信號頻域上平緩， 0～0.5 Hz之間沒有明確響應。在氣侵點注入高壓氣體，信號頻譜圖與正常工況頻譜圖明顯不同，0～0.5 Hz之間有明顯波動頻率，產生許多低頻率信號成分。氣侵前后對比分析表明，氣侵發生時，信號產生明顯波動，這種信號波動特征體現在頻譜低頻段，可被壓力傳感器采集到，且可通過頻譜分析展現出來，可判別氣侵發生。

3. 小波分析

圖7為測點P1的小波分解結果。

圖7 壓力信號P1進行Haar9小波分解

真實輪廓信號a9能反映流動過程中信號的正常改變，壓力信號P1進行Haar小波9級分解后，細節特征信號分解為d1～d9，反映原始信號的特征。由圖7小波分解結果可得，無氣體注入時，d9信號平穩，波動極小；而發生氣侵時，d9信號波動劇烈，因此采用Haar9階小波信號可實現對氣侵時壓力波動信號的有效識別。另外，對P1和P2點壓力信號進行小波分解后的細節信號能識別實驗條件發生改變的時間。

4. 相關性分析

本實驗中，各個測點處的壓力信號是同步測量的，通過作圖來反映穩定流動與氣侵發生后不同測量點處信號相關性，并計算相關系數，相關性分析如圖8所示。

圖8 P1和P2壓力信號相關性對比(左圖為氣侵前穩定流，右圖為發生氣侵)

利用編程計算信號的相關系數，穩定流動狀態時測量點1和測量點2處的壓力信號相關系數為0.007 1，發生氣侵后，兩個壓力信號的相關系數為0.956。由圖8可得，穩定流動時，兩個測量點的壓力信號幅值相差不大，理論上壓力數值是相同的，但由于信號采集過程噪聲等影響，壓力采集數據存在一定范圍的浮動，而氣侵發生時，即使測量信號受到電路噪聲的影響，但影響程度遠不及氣侵，氣侵使兩個測點處的壓力信號發生相似的變化，因此兩個測點的信號相關性非常好。實驗過程中其他氣侵點氣侵實驗數據分析得出了同樣的結果。因此兩個測點的信號相關性特征可識別氣侵的發生。

四、結論

(1)氣侵發生時，壓力信號波動劇烈，壓力信號頻譜圖低頻段產生明顯的復雜頻率成分；小波多級分解得出d9頻段的細節信號可在時間上定位氣侵發生時刻。

(2)信號的相關性分析表明，氣侵發生時兩個測點的壓力信號呈現很好的相關性。

(3)鉆井過程中壓力測量信號的波動可通過信號記錄反映出來，綜合多種信號波動特征，可實現對氣侵工況的判別。

(4)通過對壓力信號波動特征的分析及綜合判斷可有效反映井下工況。為更準確反映井下工況，需對壓力信號做更全面的特征分析，進行漏失、溢漏同存等復雜工況實驗并研究信號響應特征。