泵送式井下测压微球的研制与试验

庞 平， 李枝林,， 夏文鹤

(1中石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院 2欠平衡与气体钻井试验基地 3国家能源高含硫气藏开采研发中心 4西南石油大学石油与天然气工程学院)

深井、超深井、复杂井地质情况较为复杂，作业困难加大，各类钻井事故时有发生，引发钻井安全问题。因此，掌握井底压力数据对钻井井控安全非常重要。目前，井下压力监测仪器主要有井下压力计和随钻井下环空压力监测仪(PWD)。井下压力计的测量原理是将仪器与钻具一同入井，实测与存储井下压力数据，并在起钻后取出压力计来读取数据，该测量方式大幅延长了测量时间，使得控制措施严重滞后于钻进，大幅增加了作业风险[1-2]；与井下压力计不同，PWD则可实时测量和传输井下压力数据，但成本高昂[3-4]，无法实现低成本服务。因此，要降低作业成本，又要确保钻井作业安全，亟需研究一种新的井下压力测量技术。

一、井下测压微球的测量方法

井下测压微球(图1)的外径小于10 mm，能够自由通过钻头水眼、内防喷等工具。测量方法[5]是：在停泵接单根时，从井口钻具内投入井下测压微球，连接钻具后，泵送微球随钻井液循环一周，在地面返出时进行回收，并读取测量数据，利用软件将数据用曲线方式进行展示，方便了解井下环空压力和温度信息。井下测压微球不能实现实时监测，但可为下步钻井的压力控制和理论压力推算提供依据。

图1 井下测压微球的内部结构图

二、井下测压微球的结构设计

钛合金外壳内装有锂锰纽扣电池，电池的负极连接到单片机背面的负电极上，单片机被焊接到电路板上，方形单片机旁边焊接有数据读写电极并连接到单片机的脚部，电路板另一面中心粘接有压力芯片，压力芯片的根引出线通过金丝线焊接到电路板的相应焊盘上，由单片机提供0.5 mA恒流源为压力芯片供电，压力芯片的2个信号输出电极连接到单片机的AD.0(+)和AD.1(-)采集引脚，方形压力芯旁边焊接有3只封装外围电容，电路板外正电极环被粘接到钛合金外壳上，压力芯片和钛合金外壳的空间用凝胶或硅橡胶填充，以隔离钻井液，起到保护压力芯片的作用，纽扣电池的正极外壳与钛合金外壳之间有橡胶密封圈，并相互扣接在一起。

三、井下测压微球的电路设计

1.压力温度信号调理放大电路设计

测量井筒压力和温度的信号转换过程中，金属桥式电路组成的惠斯通电桥，把桥式引起的电阻改变量转换为电压变化量。由于测量的桥式量微弱，造成传感器测得的电压信号也非常微弱(在几微伏和几十毫伏之间)，且波动范围较大，存在共模干扰成分，因此，须在压力、温度传感器后端接上信号放大调理电路，对传感器采集到的信号放大，同时滤掉共模干扰成分，从而釆集到准确的电压信号。但是若只采用一个普通的前置放大器，则不能满足在抗共模干扰能力、时间稳定性、温度稳定性和增益精度等指标要求。为了提高共模抑制比、差分放大线性度和稳定性，本系统釆用单电源仪表放大器和单电源运算放大器组成两级放大电路(图2)。

图2 信号调理放大电路

2.供电电路设计

供电电路采用电池供电方式。利用井下专用的耐高温，高容量的锂电池(单节3.7 V，3 000 mA·h)进行单电源供电。由于本设计中单片机及各模块的工作电压均为3.3 V，故选用LG33作为电源调理芯片，为系统提供稳定的3.3 V电压(图3)。

图3 供电电路

3.数据存储电路设计

根据实际钻井液循环一周的情况计算所需数据存储量，环空压力和温度的A/D转化结果为16 bit(2字节)二进制数据，加上记录时间和校验位的2个字节，则在每次采集时共需要存储4个字节的数据，按照井下平均1 s保存一次采集数据的要求，则可以在井下存储1 165.08 h的数据。

(1)

4.井下测压微球的研制

研制的井下测压微球满足以下参数：微球直径小于10 mm、抗压105 MPa、耐温125℃、存储大于1 000个数据、具备时钟功能。

四、井下测压微球试验

井下测压微球试验在川庆模拟井广试1井进行。井下测压微球密度2.3 kg/m3。钻井液密度1.2 kg/m3，环空流体流速>0.6 m/s，以保证钻井液在正常循环过程中能将微球带出地面，实验记录见表1。

表1 实验记录表

(1)横坐标为测试点标号，每2 s一个测试点，共计2 300个测试点，约76 min，与操作过程相符。

(2)微球入井后有明显的压力升高和降低过程，该过程约为7 min，即入井工作时间(一个测试循环300～510号测试点)时间约为7 min。如图4、图5所示。为平衡微球测量仪内外压力，测量仪内部加载基础压力10 MPa，测量压力值为与基础压力比值。拆开测量仪后，基础压力消减。

图4 井下测压微球压力测试数据

图5 井下测压微球温度测试数据

(3) 下移时间(300～380号测试点)约为2.6 min，下移速度：2.7 m/s(表2)。

(4) 上移时间(380～510号测试点)约为4.3 min，与温度变化规律基本一致。上移速度：1.65 m/s(表3)。

表2 钻具内微球下移速度实测值与理论值对比表

表3 环空微球上返速度实测值与理论值对比表

五、结论与建议

(1)泵送式井下测压微球内部构件设计合理，微球外径小于10 mm，可顺利通过钻头水眼，初步实现井下压力测量。

(2)模拟井试验表明：泵送式井下测压微球测量数据完整；微球的测量数据与上位机配套软件对接正常；微球实测的数据未能与井深对齐，速度值与理论计算有一定偏差，偏差原因有待进一步研究。

(3)泵送式井下测压微球无法通过螺杆、MWD等测量仪器，目前大多数井难以适应，建议研究井下实时激发短节，微球预先安放在短节上，根据需要激发微球到井下环空和地面；因测压微球密度大、体积小，建议在不同性能的钻井液、不同井型条件下开展现场试验，提高回收利用率。