李 軍， 張金凱， 任 凱， 張 濤， 姜海龍， 王 超

(1中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院·北京 2山東科瑞井控系統(tǒng)設(shè)備制造有限公司 3北京信息科技大學(xué))

鉆井過程中井下氣侵工況的檢測(cè)主要在地面進(jìn)行，利用地面錄井?dāng)?shù)據(jù)，泥漿池液面高度變化以及井口流量變化等來判斷是否發(fā)生氣侵工況。這些方法存在判別時(shí)間滯后問題，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下氣侵工況。井下隨鉆測(cè)量技術(shù)的發(fā)展為實(shí)時(shí)判斷井下氣侵提供了重要信息。挪威工業(yè)科技研究院開發(fā)了eDrilling系統(tǒng)[1-2]，Petrobras公司開發(fā)了PWD系統(tǒng)[3-4]，均可獲得鉆井過程中井下壓力信號(hào)。Mallary[5]，JM.Speers[6]，David Hargreaves[7]等人對(duì)井下工況解釋進(jìn)行了相關(guān)研究，應(yīng)用水力學(xué)模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)井眼清潔問題進(jìn)行判斷。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)氣侵工況的研究主要通過數(shù)值模擬，如李相方[8]、孫寶江[9]、卓魯斌[10]等研究了氣侵時(shí)井筒壓力特征。中石油鉆井院[11]、川慶鉆探[12]、中國(guó)石油大學(xué)(北京)[13]等多家單位都進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，成功研制了PWD工具，但目前還著重于如何準(zhǔn)確獲得井下信息，對(duì)井下氣侵工況發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)特征研究很少，為研究井下壓力信號(hào)波動(dòng)特征與鉆井氣侵工況的關(guān)系，本文通過建立鉆井復(fù)雜工況實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行氣侵實(shí)驗(yàn)，并從時(shí)域和頻域上分析壓力信號(hào)波動(dòng)特征，為井下氣侵工況判別提供依據(jù)。

一、鉆井氣侵工況模擬實(shí)驗(yàn)裝置

鉆井復(fù)雜工況實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置的主體部分為長(zhǎng)達(dá)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(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)，P4代表模擬井筒流體入口，L1、L2、L3代表三個(gè)漏失閥門位置，Q1、Q2、Q3代表氣侵閥門位置。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

二、氣侵工況室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

氣侵工況實(shí)驗(yàn)是在井筒內(nèi)流體正常循環(huán)的過程中，通過氣侵點(diǎn)控制閥門開關(guān)控制氮?dú)馄康獨(dú)廨敵觯邏簹怏w侵入井筒，以此來模擬鉆井過程中井下發(fā)生的氣侵工況。實(shí)驗(yàn)過程中，排量為3.6 L/s，氣瓶壓力設(shè)置為0.3～0.4 MPa。對(duì)于氣侵實(shí)驗(yàn)，分別打開氣侵點(diǎn)閥門Q1、Q2、Q3，使氣體沖入井筒內(nèi)，氣侵實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄如圖2所示。

圖2 氣侵實(shí)驗(yàn)原始測(cè)量數(shù)據(jù)

三、壓力信號(hào)波動(dòng)特征分析

氣侵發(fā)生時(shí)，井筒中的流體流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生局部突變，勢(shì)必造成測(cè)量點(diǎn)的壓力信號(hào)波動(dòng)，產(chǎn)生不同頻率成分的波動(dòng)壓力信號(hào)，通過壓力信號(hào)概率密度分析、頻譜分析、小波分析以及相關(guān)性分析來提取壓力信號(hào)波動(dòng)特征，并判別氣侵工況。

1. 概率密度分析

對(duì)測(cè)量信號(hào)P1和P2進(jìn)行概率密度分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由氣侵前后測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2處壓力概率密度對(duì)比分析可得，井筒流體正常循環(huán)流動(dòng)，測(cè)點(diǎn)壓力信號(hào)分布集中、穩(wěn)定，表征正常鉆井過程中的井底壓力信號(hào)特征；節(jié)流閥處注入高壓氣體時(shí)，測(cè)點(diǎn)處壓力信號(hào)產(chǎn)生明顯波動(dòng)，波動(dòng)幅度較大，幅值中心向右偏移，均值變大，且測(cè)量壓力信號(hào)分布范圍明顯變大。

2. 頻譜分析

根據(jù)信號(hào)分析原理編程分別計(jì)算氣侵前和氣侵過程中壓力信號(hào)的頻譜，氣侵前后測(cè)點(diǎn)壓力信號(hào)的頻譜分析對(duì)比，如圖5、圖6所示。

圖3 氣侵前后P1概率密度對(duì)比

圖4 氣侵前后P2概率密度對(duì)比

圖5 氣侵前后P1壓力信號(hào)頻譜分析 圖6 氣侵前后P2壓力信號(hào)頻譜分析

由圖5、圖6可看出，流體正常循環(huán)流動(dòng)，壓力信號(hào)頻域上平緩， 0～0.5 Hz之間沒有明確響應(yīng)。在氣侵點(diǎn)注入高壓氣體，信號(hào)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(dòng)頻率，產(chǎn)生許多低頻率信號(hào)成分。氣侵前后對(duì)比分析表明，氣侵發(fā)生時(shí)，信號(hào)產(chǎn)生明顯波動(dòng)，這種信號(hào)波動(dòng)特征體現(xiàn)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(xiàn)出來，可判別氣侵發(fā)生。

3. 小波分析

圖7為測(cè)點(diǎn)P1的小波分解結(jié)果。

圖7 壓力信號(hào)P1進(jìn)行Haar9小波分解

真實(shí)輪廓信號(hào)a9能反映流動(dòng)過程中信號(hào)的正常改變，壓力信號(hào)P1進(jìn)行Haar小波9級(jí)分解后，細(xì)節(jié)特征信號(hào)分解為d1～d9，反映原始信號(hào)的特征。由圖7小波分解結(jié)果可得，無(wú)氣體注入時(shí)，d9信號(hào)平穩(wěn)，波動(dòng)極?。欢l(fā)生氣侵時(shí)，d9信號(hào)波動(dòng)劇烈，因此采用Haar9階小波信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣侵時(shí)壓力波動(dòng)信號(hào)的有效識(shí)別。另外，對(duì)P1和P2點(diǎn)壓力信號(hào)進(jìn)行小波分解后的細(xì)節(jié)信號(hào)能識(shí)別實(shí)驗(yàn)條件發(fā)生改變的時(shí)間。

4. 相關(guān)性分析

本實(shí)驗(yàn)中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的壓力信號(hào)是同步測(cè)量的，通過作圖來反映穩(wěn)定流動(dòng)與氣侵發(fā)生后不同測(cè)量點(diǎn)處信號(hào)相關(guān)性，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，相關(guān)性分析如圖8所示。

圖8 P1和P2壓力信號(hào)相關(guān)性對(duì)比(左圖為氣侵前穩(wěn)定流，右圖為發(fā)生氣侵)

利用編程計(jì)算信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)時(shí)測(cè)量點(diǎn)1和測(cè)量點(diǎn)2處的壓力信號(hào)相關(guān)系數(shù)為0.007 1，發(fā)生氣侵后，兩個(gè)壓力信號(hào)的相關(guān)系數(shù)為0.956。由圖8可得，穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的壓力信號(hào)幅值相差不大，理論上壓力數(shù)值是相同的，但由于信號(hào)采集過程噪聲等影響，壓力采集數(shù)據(jù)存在一定范圍的浮動(dòng)，而氣侵發(fā)生時(shí)，即使測(cè)量信號(hào)受到電路噪聲的影響，但影響程度遠(yuǎn)不及氣侵，氣侵使兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處的壓力信號(hào)發(fā)生相似的變化，因此兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)相關(guān)性非常好。實(shí)驗(yàn)過程中其他氣侵點(diǎn)氣侵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出了同樣的結(jié)果。因此兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)相關(guān)性特征可識(shí)別氣侵的發(fā)生。

四、結(jié)論

(1)氣侵發(fā)生時(shí)，壓力信號(hào)波動(dòng)劇烈，壓力信號(hào)頻譜圖低頻段產(chǎn)生明顯的復(fù)雜頻率成分；小波多級(jí)分解得出d9頻段的細(xì)節(jié)信號(hào)可在時(shí)間上定位氣侵發(fā)生時(shí)刻。

(2)信號(hào)的相關(guān)性分析表明，氣侵發(fā)生時(shí)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力信號(hào)呈現(xiàn)很好的相關(guān)性。

(3)鉆井過程中壓力測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)可通過信號(hào)記錄反映出來，綜合多種信號(hào)波動(dòng)特征，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣侵工況的判別。

(4)通過對(duì)壓力信號(hào)波動(dòng)特征的分析及綜合判斷可有效反映井下工況。為更準(zhǔn)確反映井下工況，需對(duì)壓力信號(hào)做更全面的特征分析，進(jìn)行漏失、溢漏同存等復(fù)雜工況實(shí)驗(yàn)并研究信號(hào)響應(yīng)特征。