DQPWD随钻环空压力测量仪器的研制

袁磊，马晓伟，于成龙，韩玉安

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

欠平衡钻井、精细控压钻井技术是解决深井中存在的高压、高渗地层和窄密度窗口安全钻进问题的最有效方法。但在欠平衡钻井、精细控压钻井过程中，通过常规钻井参数的变化并不能及时、准确地反映井下真实情况，会造成处理时机延误，导致出现钻井液漏失、地层流体侵入、压差卡钻等井下复杂情况[1]。而随钻测量环空压力仪器可实时测量井下环空压力和温度数据，得出钻井液的流变性、岩屑携带情况等信息，从而有效避免井下复杂情况和事故的发生，为欠平衡钻井、精细控压钻井等高难度井的施工作业提供有效技术手段[2]。

国外在1980年左右已经开始进行井下压力测量相关技术的研究，并在复杂井、高温高压井作业中取得了成功应用[3]。诸如Halliburton公司开发的RTPWD、Schlumberger公司开发的APWD随钻环空压力测量工具等都已进入了商业化应用阶段，可适应环境压力140MPa，温度150℃，测量精度较高，但产品价格和技术服务费用昂贵。而国内的研究起步较晚，还处于现场试验阶段，没有成熟的随钻压力测量产品。目前，西南石油大学研制的深水表层钻井环空压力监测装置，川庆钻采院研制的ZT-PWD随钻压力测量系统，克拉玛依钻井工艺研究院研制的欠平衡钻井井底数据釆集系统等均已开展井下试验[4-5]。

DQPWD随钻环空压力测量仪器是大庆钻井工程技术研究院独立自主研制的随钻井下测量装备，该仪器在泥浆脉冲信号上传、地面信号滤波解码技术上取得了创新突破，并进行了2口井的现场试验，取得了很好的效果。

1 技术分析

1.1 DQPWD随钻环空压力测量仪器的组成

DQPWD随钻环空压力测量仪器主要由井下测量传输仪器和地面解码系统2部分组成。井下测量传输仪器由压力测量模块、旋转连接件、中控模块、驱动模块、供电模块和脉冲发生器组成，如图1所示。供电模块利用内置锂电池组给各模块供电，中控模块接收压力测量模块发送的环空压力、温度数据，并给出动作指令，驱动模块接收中控模块指令控制脉冲发生器产生有规律的钻井液脉冲。

图1 井下测量传输仪器组成

地面解码系统由立管压力传感器、地面采集装置、滤波解码软件组成，负责对数据进行接收、解码分析处理和存储显示。

1.2 工作原理

根据不同的钻具组合来选择合适的位置，将井下仪器与钻具组合连接，并下入井下。钻进过程中循环钻井液，供电模块中的锂电池组给压力测量模块、中控模块和驱动模块供30V直流电，压力测量模块实时测量环空压力数据，并把数据发送给中控模块，中控模块将采集数据转换成组合编码方波信号发送给驱动模块，信号经过驱动模块转换成脉冲发生器的阀动作，以钻井液压力脉冲的形式将数据上传到地面。地面解码系统中的地面采集装置接收立管压力传感器采集的立压脉冲信号，经过滤波解码软件将信号解码还原成压力、温度数据，并实时存储，形成环空压力、温度曲线。

1.3 主要技术参数

（1）最大外径：172mm；

（2）总长：6062mm；

（3）压力测量范围：0～100MPa；

（4）压力测量精度：±0.1%FS；

（5）工作温度：150℃；

（6）工作压力：100MPa。

2 关键技术

2.1 井下测量数据上传技术

为了解决井下仪器采集数据的实时上传问题，进行了井下电子电路设计、井下中控模块嵌入式程序的开发。

井下电子电路主要包括中控模块电路、驱动模块电路的设计。驱动模块主要将中控模块发过来的数据信号转化成脉冲发生器阀动作的电脉冲信号。供电协议采用串联式整体供电模式。中控模块编程芯片优选C8051F530单片机，除了实现数据的接收、校验和发送外，还进行对数据进行组合码协议编码，发送给驱动模块。图2为中控模块嵌入式程序开发流程。

图2 中控模块嵌入式程序开发流程

2.2 地面信号接收分析技术

为了解决地面及时准确接收到井下上传的信号问题，进行了地面采集装置、解码滤波软件的研制。

地面采集装置包括模拟安全栅、开关量安全栅、信号放大，数据采集卡（A/D）等。主要是对泥浆脉冲信号进行处理，安全栅实现了干扰噪声信号的隔离，滤除干扰信号，经过信号放大后，经数据采集卡发送给滤波解码软件。滤波解码软件通过对采集的立压信号进行滤波处理，根据中控模块的组合码编码协议对上传的钻井液脉冲数据进行解码，从而实现井下环空压力、温度数据的显示及存储。

3 现场试验

DQPWD随钻环空压力测量仪器在大庆油田北2-丁6-556井、喇3-PS3317井成功进行了2口井的现场应用。仪器井下累计工作89h，累计随钻上传有效环空、温度数据191组。图3是喇3-PS3317井测量井段100～820m，随钻环空压力测量仪器测量数据曲线。在测试井段，环空压力最大为15.21MPa，环空温度最高为36.5℃。随着井深的增加，环空压力、温度曲线成增加趋势。

分析试验结果，DQPWD仪器系统在井下试验过程中工作正常，测试效果良好，测试数据完整，真实反映了井底压力和温度变化，为工程设计和施工方案的制定提供了科学依据，避免了井下复杂情况和事故。

4 结论

DQPWD随钻环空压力测量仪器设计合理，工作可靠性高，测量精度高，数据准确。该仪器在大庆油田北2-丁6-556井、喇3-PS3317井成功进行了现场试验，实现了随钻环空压力测量和实时上传，为钻井过程中井下压力控制作业提供有效数据，同时对于防止井下复杂情况与事故的发生具有明显的效果，为控压钻井、欠平衡钻井作业提供有力技术手段，具有广阔的市场前景。

图3 喇3-PS3317随钻环空压力、温度测量数据曲线

[1]蒋宏伟,周英操,赵庆,等.控压钻井关键技术研究[J].石油矿场机械，2012,41(1）:1-5.

[2]周英操，刘永贵，鹿志文.欠平衡钻井井底压力控制技术[J].石油钻采工艺,2007,29(2）:13-17.

[3]刘建立,陈会年,高炳堂.国外随钻地层压力测量系统及其应用[J].石油钻采工艺,2010,32(1）:94-98.

[4]王鹏，唐雪平，等.环空压力随钻测量系统研究[J].石油机械，2012,40（1）：29-32.

[5]刘阳.基于PWD技术深水表层井下复杂工况随钻监测[D].西南石油大学，2012.