張 平 劉 劍

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所)

0 引 言

在鉆井作業(yè)中，環(huán)空壓力和鉆柱內(nèi)壓力是影響鉆井作業(yè)安全的重要參數(shù)，也是控壓鉆井中必不可少的技術(shù)參數(shù)。目前國內(nèi)環(huán)空壓力和鉆柱內(nèi)壓力通常通過理論計(jì)算得到，由于井筒內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)的復(fù)雜性，建立模型時(shí)為了簡化計(jì)算而采用的條件與實(shí)際情況存在較大差異，導(dǎo)致計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與真實(shí)值之間的誤差較大。由于地層壓力預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，往往導(dǎo)致鉆井液漏失、地層流體侵入、井壁坍塌、壓差卡鉆及井眼不清潔等井下復(fù)雜情況發(fā)生，嚴(yán)重威脅鉆井安全[1]。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)資料，設(shè)計(jì)研制一種隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量短節(jié)，它是通過傳感器直接測(cè)量井下環(huán)空壓力和鉆柱內(nèi)壓力，傳感器在井下隨鉆測(cè)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，因此比其他傳統(tǒng)地面測(cè)量能更早地發(fā)現(xiàn)異常變化，可避免溢流、井涌、井漏等復(fù)雜情況的發(fā)生。

1 隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量短節(jié)的設(shè)計(jì)

參照國內(nèi)外相關(guān)資料，為滿足井下復(fù)雜的使用環(huán)境，壓力測(cè)量短節(jié)的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

壓力測(cè)量范圍0～105 MPa；壓力測(cè)量精度(%F.S)0.5；工作溫度-25～150℃；抗振動(dòng)要求20 gn(rms 30～300 Hz隨機(jī))，30 gn(50～300 Hz正弦)；抗沖擊能力1 000 gn/0.5 ms；連續(xù)工作時(shí)間大于200 h；通信模式RS-485。

為滿足井下壓力測(cè)量高精度采樣要求，同時(shí)考慮到以后可能增加其他工程參數(shù)測(cè)量接口，要求電路設(shè)計(jì)做到硬件可擴(kuò)展性強(qiáng)，選用集成度高的AD單片機(jī)作為主控單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)等功能[2]。

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路按功能由電源和壓力信號(hào)測(cè)量、采集、存儲(chǔ)及通信三部分組成。電路原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件電路原理框圖

電路基本工作原理：電源調(diào)理電路負(fù)責(zé)為傳感器和各部分電路供電，傳感器激勵(lì)電路為壓力傳感器提供恒壓源激勵(lì)電壓，輸出的電壓信號(hào)經(jīng)放大器放大和后級(jí)電路濾波處理后，通過單片機(jī)內(nèi)部集成的AD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。單片機(jī)通過SPI接口完成對(duì)存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀取操作[3]；通過I2C接口完成對(duì)時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘對(duì)時(shí)和時(shí)間讀取工作；通過UART接口完成對(duì)RS-485總線井下儀器之間的通信接口和儀器取出地面后的數(shù)據(jù)讀取和擦除工作，數(shù)字可控開關(guān)控制對(duì)傳感器和采集處理電路的供電，在AD完成一次采集后關(guān)斷供電，進(jìn)入定時(shí)休眠狀態(tài)，降低電路功耗。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件由主程序、子程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成[4]。主程序完成系統(tǒng)初始化和參數(shù)設(shè)置，調(diào)用各子程序函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和通信；子程序主要包括ADC數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀寫子程序、通信子程序、時(shí)鐘設(shè)置子程序、看門狗監(jiān)控程序；中斷服務(wù)程序根據(jù)中斷類型和工作模式調(diào)用不同的中斷子程序。

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。儀器開始工作后，首先進(jìn)行ADC、中斷、波特率等功能設(shè)置，然后從存儲(chǔ)器中讀取預(yù)置的參數(shù)，進(jìn)入等待中斷狀態(tài)。根據(jù)中斷類型和工作模式，調(diào)用不同的子程序處理。存儲(chǔ)采用整頁存儲(chǔ)模式，記錄滿一頁的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器，不滿一頁存入單片機(jī)緩存中[5]。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能夠測(cè)量環(huán)空壓力及鉆柱內(nèi)壓力，需要安裝兩個(gè)壓力傳感器來分別測(cè)量環(huán)空鉆井液壓力及鉆柱內(nèi)鉆井液壓力[6]。該儀器分為兩部分：硬件電路部分，包括電路板及壓力傳感器，位于儀器上部；鉆井液壓力引流部分，位于儀器下部。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。儀器下井工作時(shí)，通過外鉆井液通道將環(huán)空鉆井液壓力傳遞給外壓力傳感器，通過內(nèi)鉆井液通道將鉆柱內(nèi)鉆井液壓力傳遞給內(nèi)壓力傳感器[7]。為滿足強(qiáng)度、耐腐蝕性、環(huán)境溫度的要求以及使用方便，儀器的不同部位采用不同的材料：連接接頭等處采用鈹銅；電路骨架采用鋁合金材料加工而成；外管及壓力上座應(yīng)用鈦合金棒加工；為減輕重量，調(diào)整桿亦采用鈦合金棒，選用氟橡膠壓制的O形密封圈，可以滿足耐腐蝕及耐高溫的要求。

圖3 結(jié)構(gòu)示意圖

2 隨鉆環(huán)空壓力的實(shí)時(shí)上傳

為了實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，需要將壓力測(cè)量短節(jié)掛接到MWD系統(tǒng)上?，F(xiàn)場(chǎng)將壓力測(cè)量短節(jié)掛接到SEMWD-2000電磁波傳輸井下系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。系統(tǒng)地面連接測(cè)試框圖如圖4所示。

壓力測(cè)量短節(jié)在現(xiàn)場(chǎng)使用的工作模式有兩種。

一是地面工作模式。壓力測(cè)量短節(jié)由地面系統(tǒng)供電，通過RS-485總線與地面計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量短節(jié)傳感器的標(biāo)定及數(shù)據(jù)采樣速率、存儲(chǔ)時(shí)間間隔等參數(shù)的設(shè)置，并進(jìn)行短節(jié)時(shí)鐘與地面計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的校準(zhǔn)；在作業(yè)完成后，完成地面計(jì)算機(jī)讀取短節(jié)內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的時(shí)間與深度的關(guān)系，建立起壓力測(cè)量數(shù)據(jù)與深度的關(guān)系。

二是井下工作模式。將壓力測(cè)量短節(jié)與SEMWD-2000電磁波傳輸井下系統(tǒng)連接，與MWD系統(tǒng)通過氣動(dòng)絞車起吊入井，儀器入井后將按初始設(shè)置參數(shù)，完成壓力數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，并通過RS-485總線把壓力數(shù)據(jù)發(fā)送給SEMWD-2000電磁波傳輸井下系統(tǒng)，通過MWD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。

圖4 系統(tǒng)地面連接測(cè)試框圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 在鉆井液循環(huán)介質(zhì)中的應(yīng)用

2015年12月壓力測(cè)量短節(jié)配接SEMWD-2000電磁波傳輸井下系統(tǒng)在內(nèi)蒙古杭錦旗進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在JPH井儀器從二開401 m入井，鉆至井深2 584 m結(jié)束，應(yīng)用過程中發(fā)生了嚴(yán)重井漏情況。

正常鉆進(jìn)未發(fā)生井漏時(shí)的環(huán)空壓力與鉆柱內(nèi)壓力變化曲線如圖5所示。儀器在井深430 m正常鉆進(jìn)過程中的鉆井液泵壓約為9.5 MPa，鉆井液密度為1.03 g/cm3，排量32 L/s，漏斗粘度27 s，API失水8 mL，泥餅厚度0.3 mm，pH值8.5，動(dòng)切力2 Pa，10 s靜切力0.5 Pa，含沙量0.5%，測(cè)量的環(huán)空壓力值為4.22 MPa，鉆柱壓力值為11.27 MPa，鉆具底部產(chǎn)生的壓降約為2.5 MPa，測(cè)量的環(huán)空壓力值與理論值4.5 MPa、鉆柱壓力值與理論值14 MPa基本相符合。由于使用轉(zhuǎn)盤和螺桿復(fù)合鉆進(jìn)，鉆進(jìn)速度較快，同時(shí)由于鉆井液泵上水較差，水龍帶抖動(dòng)比較厲害，導(dǎo)致測(cè)量鉆柱壓力波動(dòng)比較大，這與實(shí)際工況也比較相符。

圖5 鉆進(jìn)中未發(fā)生井漏時(shí)的環(huán)空壓力與鉆柱壓力曲線

鉆進(jìn)過程中發(fā)生井漏時(shí)環(huán)空壓力與鉆柱壓力變化曲線如圖6所示。鉆至井深2 555 m時(shí)，測(cè)量的鉆井液密度為1.1 g/cm3，漏斗粘度36 s，API失水10 mL，泥餅厚度0.3 mm，pH值10，動(dòng)切力2 Pa，10 s靜切力1 Pa，10 min靜切力2 Pa，含沙量0.3 %。此時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的井漏并失返，從環(huán)空壓力曲線來看，環(huán)空壓力持續(xù)下降，說明井下漏失非常嚴(yán)重，環(huán)空液面持續(xù)下降，為了避免發(fā)生井下事故，開始循環(huán)鉆井液配堵漏劑，泵入井內(nèi)26 m3鉆井液后液面才返出。

圖6 鉆進(jìn)中發(fā)生井漏時(shí)的環(huán)空壓力與鉆柱壓力曲線

3.2 在空氣鉆井中的應(yīng)用

2017年9月壓力測(cè)量短節(jié)配接SEMWD-2000電磁波傳輸井下系統(tǒng)在長慶油田TX井進(jìn)行了充氣鉆井應(yīng)用。儀器從井深639 m入井，鉆至井深1 204 m完鉆，鉆進(jìn)過程中采用欠平衡鉆井，以保證裸眼井段的循環(huán)當(dāng)量密度低于地層漏失壓力當(dāng)量密度，防止漏失井段發(fā)生垮塌。充氣鉆進(jìn)中的環(huán)空壓力與鉆柱壓力變化曲線如圖7所示。

圖7 充氣鉆進(jìn)過程中的環(huán)空壓力與鉆柱壓力曲線

充氣鉆井時(shí)現(xiàn)場(chǎng)鉆井參數(shù)如下：鉆井液密度小于1.04 g/cm3，鉆井液排量為30～35 L/s，氣排量為10～25 m3/min，轉(zhuǎn)速為50～70 r/min，鉆井液粘度為38～42 s，發(fā)泡劑加量為0.05%～0.15%。

根據(jù)理論計(jì)算的注氣量約20 m3/min，立管壓力為7 MPa，測(cè)量的環(huán)空壓力大小為6.5 MPa，鉆柱內(nèi)壓力為10 MPa，測(cè)量的環(huán)空壓力、鉆柱內(nèi)壓力與理論計(jì)算值基本一致。鉆進(jìn)過程中根據(jù)測(cè)量的環(huán)空壓力值，適時(shí)調(diào)整充氣鉆井參數(shù)與鉆井液性能參數(shù)，保證了鉆井液不發(fā)生漏失和地層垮塌現(xiàn)象，同時(shí)保證巖屑的有效攜帶，大幅度降低充氣成本。由于控制得當(dāng)，一趟鉆完成了漏失井段的欠平衡作業(yè)，未發(fā)生任何井下事故，提高了鉆井時(shí)效。

4 應(yīng)用效果與結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了隨鉆壓力測(cè)量短節(jié)的電氣和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)各種現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，其測(cè)量數(shù)據(jù)與各種井況均能較好吻合，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析能夠及時(shí)準(zhǔn)確判斷井下出現(xiàn)的各種情況，為鉆井作業(yè)提供參考。

隨鉆壓力測(cè)量短節(jié)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，有效解決了理論計(jì)算值存在的誤差偏大以及實(shí)時(shí)性差的問題。隨著油田深井、超深井，超長水平井等難度井?dāng)?shù)量的不斷增加，以及大量新探區(qū)的勘探開發(fā)，地層壓力不確定因素會(huì)嚴(yán)重制約鉆井效率，很多井下復(fù)雜情況的發(fā)生均是井下參數(shù)預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確所致。因此，隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，可以將錄井參數(shù)測(cè)量從地面延伸到井下，為錄井工程應(yīng)用提供更大的發(fā)展空間和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。