随钻压力测量技术的研究与应用

孙在 西安石油大学，陕西 西安

随钻压力测量技术的研究与应用

孙在 西安石油大学，陕西 西安

随着现代钻井技术的发展，如何确保井下安全及提高钻井效率成为目前钻井技术的一大趋势，PWD（随钻压力测量工具）工具的出现无疑为现代钻井技术锦上添花，解决了困扰多年的钻井技术发展瓶颈。使用该工具无论是在目前已熟知的勘探开发区内进行环保型开采（平衡或欠平衡钻井），还是在一些边缘区块或某些特征性油气藏（如裂缝、高压气层等）进行开采，对钻井作业都能够起到积极作用。本文主要是通过对随钻压力测量技术的研究，实时掌握井下压力状态并分析其变化规律，将其应用于井下安全控制，特别应用在隐蔽、高压、高含硫等复杂油气藏钻井，预防重大钻井事故的发生，同时为控制压力钻井提供依据。

PWD；随钻压力；欠平衡；裂缝；高压气层

随钻压力测井技术(PWD)是随钻测井(LWD)的一项主要功能,国内关于这方面的研究目前尚处于起步阶段，仍属于前沿技术。在许多大斜度定向井和水平井中，钻井成功的关键是保持钻井液密度和当量循环密度在地层流体压力、坍塌压力和破裂压力的安全作业极限内，尤其是欠平衡井钻井作业。大多数钻井作业停工是由于井眼问题引起的，井眼问题包含循环漏失、地层流体侵入，井眼坍塌、压差卡钻以及井眼不清洁等。随钻环空压力测量PWD工具则实现了对井底压力的实时录取，给予钻井作业者提供井下复杂情况的及时预警，从而实现了快速、高效、安全的钻井作业目的，同时降低了钻井作业成本及钻井作业的风险。

1.PWD传感器基本原理及应用

1.1 PWD传感器基本原理

随钻压力传感器PWD主要由通讯端口、电子元件、压力传感器、温度传感器和井眼环空压力检测端口构成，如图1所示。压力传感器主要是检测钻杆内和井眼环空的压力。温度传感器主要是检测传感器的工作环境温度。通讯口主要是进行数据的读取和通讯。电子元件主要是控制测量数据的采样、处理和存储。井眼环空压力检测端口是为了使传感器内的压力传感器能检测井眼环空压力。

图1 PWD传感器的基本构成

施工过程中，传感器内部的压力传感器、温度传感器通过压力检测端口随时检测钻具内部、井眼环空的工作压力（地层压力）和传感器工作环境温度（地层温度），电子线路控制所有数据的采集、处理和存储，所有测量数据可以通过数据通讯口由MWD向地面实时传输，从而实现实时温度、地层压力测井。存储的数据可以在传感器出井后在地读取，以利用详细的压力、温度测井数据对地层进行更准确的分析。

1.2 PWD传感器的应用[1]

地层漏失（LOT）测试及地层完整性测试（FIT）。

根据测量的压力值，监视井眼清洁状况和井壁坍塌情况，进行卡钻前预警。

监测钻井过程中井眼内泥浆携砂情况，协助进行泥浆参数的优化。

通过PWD井底记录的数据来分析井下复杂情况（诸如地层破裂）发生的原因。

1.3 PWD传感器的应用环境

高成本钻井环境；

复杂地层（裂缝、高压气层）钻井环境；

近平衡或欠平衡钻井环境（配合精确控压钻井系统则效果更佳）。

2.PWD主要应用模式及现场操作

2.1 PWD主要应用模式

PWD随钻压力测井主要有以下几种模式[1]：

1）最小关泵环空压力（Mini mum Pump-off Annular Pressure）；

2）最大关泵环空压力（Maxi mum Pump-off Annular Pressure）；

3）平均关泵环空压力（Average Pumps-off Annular Pressure）；

4）钻柱内部压力（PWD Internal Pressure）；

5）井眼环空压力（PWD Annular Pressure）；

6）泥浆当量循环密度（ECD）及泥浆当量密度（EMW）；

7）钻井过程中钻具的状态（包括起下钻、循环等）；

通常最小关泵环空压力反应的是钻柱上提或起钻时对地层造成的抽吸（Swab Pressure）压力；最大关泵环空压力反应的是下放钻柱或下钻时对地层造成的激动压力（Surge Pressure）；平均关泵环空压力所反应的是近似于静态时的泥浆液柱压力（也即静液柱压力）；钻柱内部压力和井眼环空压力所反应的是动态及静态状况下钻柱内部及井眼环空内的压力；泥浆当量循环密度（ECD）及泥浆当量密度（EMW）则是根据所测的环空压力及井深算出的泥浆密度值。

2.2 PWD现场操作

为了解井底压力情况，我们首先需要按照操作程序对PWD进行一个下井前的可信度测试，包括PWD传感器的类型、PIC（通讯协议）版本号、传感器内部环空压力及温度等测试。待测试显示正常后，我们按照既定的参数进行设置，如采样率、延迟时间、PWD传感器尺寸等参数。此外，为方便现场施工人员的监测与分析，我们还要设定一组传输序列，将井底压力的参数按照施工者的意图传输至地面，以方便解释与应用，在现场中通常以如下窗口进行实时监测：见图2。

图2 PWD实时监测窗口

3.PWD随钻压力测量传感器的解释与应用

在实时压力测量监测过程中，PWD随钻压力测量传感器为我们提供了多种参数以帮助现场施工，如：配合钻时曲线（ROP）、大勾高度及井深参数可以了解当前的钻具或钻井状态；应用钻柱内部压力（PWD Internal Pressure）及井眼环空压力（PWD Annular Pressure）曲线可以解释当前的钻进状态（钻进、循环或短起下等）及钻具状态（起下钻、短起、接立柱或单根等）；而使用泥浆当量循环密度（ECD）及泥浆当量密度（EMW）、最小关泵环空压力（Minimum Pump-off Annular Pressure）及最大关泵环空压力（Maximum Pump-off Annular Pressure）参数可以知道当前井下可能发生复杂情况，如井涌、井漏、气侵、地层流体侵入等等，同时如果配合钻压、扭矩参数还可以分析马达性能及优化钻井参数；在复杂区块通过PWD压力参数还有利于地质师准确把握当地的地层压力特征及油藏特点，总之在钻进过程中使用PWD随钻压力传感器将有利于现场的施工及判断井下复杂情况，进而优化钻井参数，提高钻井效率并保障井下安全以达到安全生产目的。

4.PWD随钻压力传感器的应用实例及分析

为了充分发挥随钻压力测量技术在实际钻井过程中的优势，我们有针对性进行了多口井的实验，从这些试验中我们不仅达到了预期目的，同时还获得了宝贵的经验，尤其在储层方面的认识有了新的突破。以下几个方面就是在不同的生产井中实践所得出的结论：

4.1 井眼清洁（携砂能力）判断

图3所反应的是钻具刚下到井底时的钻井状态及调整泥浆比重后钻井状态，图中可以看出，钻具刚开始建立循环通路时泥浆比重为1.64g/cm3左右,但是循环一段时间后泥浆比重逐渐在下降并达到一定值1.63g/cm3左右，出现这种情况主要是泥浆携砂能力较低而导致泥浆中岩屑下沉（从悬停状态转为下沉状态），进而泥浆比重变低。于是在当天20:00左右要求井队处理泥浆，从图中可以看出处理完泥浆后泥浆的比重逐渐增大（1.66g/cm3左右），而后泥浆比重又开始降低至另一定值（1.64g/cm3左右），这种情况表明，由于处理后的泥浆携砂能力提高，导致井底岩屑被带出，进而导致泥浆比重增大，随着岩屑的不断带出泥浆的比重也开始下降，当循环到一定程度，井底岩屑不断被带出后泥浆比重趋于一定值。

图3 井眼清洁判断

4.2 地层流体侵入监测

图4所反应的是当有地层流体侵入环空时的情形。从图中的实时随钻环空压力当量密度曲线（RT PWD Annular Eqv Mud Wt）看出，地层流体侵入前的泥浆当量密度为8.5ppg，但钻至当地时间18:00左右，环空内泥浆当量密度突然增大并持续增高，当量泥浆密度从8.5ppg增大至9.45ppg，此时通知井队停止钻进并开始循环监测，同时做好预防工作。循环至20:00左右，泥浆密度恢复至8.5ppg，此时又开始恢复钻进。出现这种情况的主要原因是由于有地层流体侵入时，地层中的岩屑也随着流体一并流入到环空，从而导致泥浆比重增大，经处理泥浆并慢慢循环后地层中流体所携带的岩屑被逐渐带出，泥浆比重也开始逐渐下降，当全部岩屑被带出后泥浆比重又降到一定值，恢复钻进后泥浆比重又逐渐恢复到初始状态。

图4 地层流体侵入监测

4.3 泥浆漏失监测

图5所反应的是地层被压漏的情况下所产生的情形。从该图可以看出，在下钻过程中由于钻柱的不断下入所产生的一系列波动曲线，这种波动曲线主要是由于下钻过程中的激动压力所造成。在当地时间15:15左右进行下滑眼操作，15:30左右环空当量泥浆密度突增至1.8g/cm3，而后迅速下降至1.66g/cm3左右，立管压力也开始下降，由于该情况的产生导致仪器信号出现短暂的丢失，实时录井数据也出现短暂丢失现象，此时LWD工程师及时通知井队及地质录井单位，采取措施控制排量，结合地质录井数据表明地层发生漏失现象，此时要求井队立即停止下滑眼操作，上提钻柱并降低排量，进行低排量循环观察以防井下严重事故发生。

图5 泥浆漏失监测

4.4 气侵监测

图6所反应的是发生气侵时所产生的情形。图中可以看出当钻至当地时间15:00附近，环空泥浆当量密度由原先的16.5ppg陡降至14.5ppg，此时LWD工程师立即通知井队及录井单位，要求井队做好相关防护措施，井队接到通知后立即关井并做低排量循环处理进行观察。后经录井监测发现有气泡返出，证实地层中有气体侵入环空。根据此次的经验我们得到在钻井过程中发生气侵时PWD所反馈到地面时的曲线形态，为今后钻井施工提供了一个宝贵的依据。

图6 气侵监测

5 结论与认识

1) 通过上述实例分析得知，在地质导向施工过程中使用PWD随钻压力测量传感器，有助于指导现场施工人员分析、判断井下发生异常情况并及时提出解决的方案，降低了钻井风险，同时也降低了非生产（NPT）钻井时间。

2) 在营451-平11井的一次施工中，从1891米～1919米进行滑动钻进时钻具发生倒转现象，PWD监测显示井底有严重阻塞现象，现场LWD工程师立即通知井队及定向工程师，进行循环并缓慢上提操作，经半个多小时的循环处理及上提下放操作后PWD显示正常，而后又恢复钻进，此次由于PWD的及时井底信息反馈避免了井下复杂事故的发生。

3) 在塔中区块，ZG21-H5是该区的一口生产开发井，而PWD也正是第一次在该区使用，从该区的PWD应用情况来看，PWD随钻压力测井不仅帮助钻井施工操作探索到了宝贵的施工经验，同样对该区储层及沉积环境特征也为客户解提供了重要线索，使客户对该区块储层特征也有了更深层次的认识。

4) PWD的应用不仅减少了井下仪器的风险，同时也降低了井下事故发生的频率，相对于井队而言，也起到了保护井下钻具的作用，降低了损失，提高了钻井效率，节约了钻井成本。

5) PWD在随钻地质导向过程中的成功应用，为现场施工人员又多增加了一双“眼睛”，为现代钻井技术又增添了一个亮点。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.033