CN103982175A - 全程环空压力测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种钻井全过程环空压力测量的方法及装置，实现开、停泵状态下参数测量功能，智能检测钻井作业过程中的最大波动压力、静动态稳定压力和柱内外压差变化等重要数据，并适时上传地面系统供综合分析，预防井下复杂情况和事故，指导安全快速钻完井作业，降低作业风险和钻井成本。

Description

全程环空压力测量方法及装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻完井作业的一种全程环空压力测量方法及装置，用于钻井全过程的井眼环空压力实时检测，以指导安全进行钻井施工，降低作业风险，预防井下复杂情况和事故，确保安全快速钻完井作业。

背景技术

钻井作业包括起下钻、钻进、接单根、循环、划眼等作业，在钻井作业过程中，有多种因素会导致井下压力变化，如钻柱上下活动速度、开停泵作业、排量变化、钻柱转速、机械钻速、井眼净化情况、井眼环空几何尺寸、井眼轨迹、钻井液流变性能、岩屑大小和密度等。在工程实践中，要避免因操作和施工参数不当而造成井下压力波动超出允许范围，防止由此引起的井下复杂情况和事故，如快速起下钻引起的抽吸和激动压力、停泵引起的井底压力快速减小，以及开泵和划眼造成的压力波动。

在大位移钻井作业中，由于稳斜段长，且井斜角大，随着钻井进尺的增加，环空沿程流动压耗增加，垂深增加缓慢，从而导致钻井液当量循环密度(ECD)增加明显；同时大位移井存在严重偏心环空和螺旋流，以及井眼净化问题突出，容易引起ECD超过允许值。此外，在高温高压深井、海上深水钻井、小井眼钻井、复杂地层窄密度窗口钻井，以及欠平衡钻井作业都需要精确实时地监测钻井全过程环空压力及变化情况，及时上传重要数据，指导施工决策和安全钻完井作业；也利于钻井事后分析，为以后的钻井设计和施工参数制定提供参考。

全过程中监测钻井环空压力数据量大，目前MWD/LWD数据传输速率还很低，因此迫切需要一种既可满足全程环空压力监测需求，又需智能检测出抽吸、激动压力等重要参数，并适时上传的一种全程环空压力测量方法和装置，为安全钻井施工作业提供指导。

发明内容

鉴于此，为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供涉及钻井全过程环空压力测量的技术方案，实现开、停泵状态下参数测量功能，智能检测钻井作业过程中的最大波动压力、静动态稳定压力和柱内外压差变化等重要数据，并适时上传地面系统供综合分析，预防井下复杂情况和事故，指导安全快速钻完井作业，降低作业风险和钻井成本。

具体的，本发明提供一种用于实现钻井全过程的环空压力测量装置，其特征在于，包括PWD(Pressure While Drilling)工具、仪器连续供电设备、开停泵检测判断部件、以及MWD(Measurement While Drilling)数据通讯工具，所述PWD工具上装有柱内和环空压力传感器，用于测量钻柱内外的钻井液流体压力、监测钻井液循环状态和钻头压降，所述PWD上还装有轴向加速度传感器，用于检测钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离，在接钻杆坐卡等暂停钻柱上下运动时，利用环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力，当起下钻、钻进等钻柱运动时，测量环空压力，利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间的移动距离及钻柱上下运动过程中钻柱相对移动距离，对应的钻柱运动环空压力，根据上述信息，计算钻柱上下运动位置对应的静止环空压力及由于钻柱上下运动所产生的环空压力波动，并求出最大环空压力波动。

所述仪器连续供电设备包括电池和涡轮发电机，在起下钻等停止钻井液循环时，井下工具采用电池供电，循环钻井液时由涡轮发电机供电。

所述开停泵检测判断部件实时监测所述环空压力及其变化过程，记录最大开泵环空压力点，最大开泵环空压力，实时测量在钻进过程中环空及柱内压力，监测钻头压降及环空循环压耗变化情况，判断钻头压降(柱内压力与环空压力之差)、环空循环压耗(开泵与停泵时的环空压力差)是否偏移正常趋势，并通过MWD数据通讯工具上传到地面系统，并且，实时监测停泵过程环空压力及其变化，记录停泵最小环空压力和稳定环空压力，开泵后通过MWD数据通讯工具上传到地面系统。

本发明还提供一种用于实现钻井全过程的环空压力测量方法，其特征在于，利用PWD工具上装有的柱内和环空压力传感器，测量钻柱内外的钻井液流体压力、监测钻井液循环状态和钻头压降，利用PWD上装有的轴向加速度传感器，检测钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离，并且，在接钻杆坐卡等暂停钻柱上下运动时，利用环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力，当起下钻、钻进等钻柱运动时，测量环空压力，利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间的移动距离及钻柱上下运动过程中钻柱相对移动距离，对应的钻柱运动环空压力，然后，根据上述信息，计算钻柱上下运动位置对应的静止环空压力及由于钻柱上下运动所产生的环空压力波动，并求出最大环空压力波动。

在起下钻等停止钻井液循环时，采用电池对井下工具供电，循环钻井液时由涡轮发电机供电，并根据钻井工况选择上传停止钻井液循环和循环时的井下压力监测重要参数，从而实现钻井全过程环空压力监测。

本发明还提供一种用于测量钻柱轴向静止及运动的方法，其特征在于，利用轴向加速度传感器测量轴向加速度，通过滤波求出钻柱轴向运动速度和加速度，进而判断钻柱是否处于静止状态，并且，计算出钻柱轴向移动距离，从而实现钻柱轴向静止及运动的测量。

本发明还提供一种用于测量钻柱上下运动产生抽吸环空压力波动的方法，其特征在于包括，测量钻柱轴向静止及运动时环空压力步骤，计算钻柱轴向移动距离及对应静止压力及运动产生的环空压力波动及最大环空压力波动步骤，其中，利用PWD上装有的轴向加速度传感器，检测钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离，并且，在接钻杆坐卡等暂停钻柱上下运动时，利用环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力，当起下钻、钻进等钻柱运动时，测量环空压力，利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间的移动距离及钻柱上下运动过程中钻柱相对移动距离，对应的钻柱运动环空压力，然后，根据上述信息，计算钻柱上下运动位置对应的静止环空压力及由于钻柱上下运动所产生的环空压力波动，并求出最大环空压力波动。

本发明还提供一种最大开泵环空压力监测方法，其特征在于，包括开泵过程的判断步骤，及最大环空压力检测步骤，其中，在开泵循环时，排量由小变大到稳定，钻井液从静止到流动，该过程产生环空压力波动，并存在一个最大环空压力点，实时监测所述环空压力及其变化过程，记录最大开泵环空压力点，最大开泵环空压力，从而实现对最大开泵环空压力监测。

本发明还提供一种正常钻进环空及柱内压力测量方法，其特征在于，包括钻头压降及环空循环压耗变化情况监测步骤，及自动选择重要变化数据上传步骤，其中，实时测量在钻进过程中环空及柱内压力，监测钻头压降及环空循环压耗变化情况，判断钻头压降(柱内压力与环空压力之差)、环空循环压耗(开泵与停泵时的环空压力差)是否偏移正常趋势，并上传到地面系统。

本发明还提供一种停泵环空压力监测方法，包括停泵过程的判断步骤及井下停泵环空压力及稳定环空压力检测步骤，其中，实时监测停泵过程环空压力及其变化，记录停泵最小环空压力和稳定环空压力，开泵后上传到地面系统。

在本发明中，井下工具基本配置包括：正脉冲发生器、涡轮发电机、驱动短节、电池筒短节、定向仪短节、下数据连接器、上数据连接器、电池及电路、轴向运动传感器、数据回放接口、环空压力传感器、柱内压力传感器等。

在本发明中，PWD(Pressure While Drilling)工具上装有柱内和环空压力传感器，用于测量钻柱内外的钻井液流体压力、监测钻井液循环状态和钻头压降，PWD上还装有轴向加速度传感器，用于检测钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离。接钻杆坐卡等暂停钻柱上下运动时，利用环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力；当起下钻、钻进等钻柱运动时，测量环空压力；利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间的移动距离及钻柱上下运动过程中钻柱相对移动距离，对应的钻柱运动环空压力，根据上述信息，计算钻柱上下运动位置对应的静止环空压力及由于钻柱上下运动所产生的环空压力波动，并求出最大环空压力波动。

在起下钻等停止钻井液循环时，井下工具采用电池供电，循环钻井液时由涡轮发电机供电，并根据钻井工况选择上传停止钻井液循环和循环时的井下压力监测重要参数，从而实现钻井全过程环空压力监测，为钻井作业提供依据，确保压力波动在安全窗口内，避免出现井下复杂情况和事故，降低钻井作业风险，快速顺利钻达目的层。

发明的效果

钻井过程中，起下钻、开停泵等作业容易引起井下压力波动，当压力波动范围超过允许值时，易引发井涌、井漏和井壁坍塌井下复杂情况，甚至导致井喷和卡钻等井下事故。根据本发明提供的全过程井下环空压力测量解决方案，可有效监测井下环空压力及其波动情况，并根据作业工况适时上传监测到的重要井下压力参数，为钻井作业施工人员规范钻井操作及确定合理的钻井参数提供指导，避免井下复杂情况和事故，更好地指导安全快速钻完井作业，达到降低作业风险和钻井成本的目的。

附图说明

图1为环空压力测量系统示意图。

图2为环空压力测量方法流程图。

具体实施方式

下面通过参照附图对本发明实施方式作出详细描述以对本发明进行说明。

图1为环空压力测量系统示意图。

如图1所示，井下工具基本配置包括：正脉冲发生器1、涡轮发电机2、驱动短节3、电池筒短节4、定向仪短节5、下数据连接器6、上数据连接器7、电池及电路8、轴向运动传感器9、数据回放接口10、环空压力传感器11、柱内压力传感器12等。

为了实现随钻环空压力测量PWD(Pressure While Drilling)，PWD工具上装有柱内和环空压力传感器，用于测量钻柱内外的钻井液流体压力、监测钻井液循环状态和钻头压降；PWD上还装有轴向加速度传感器，用于检测钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离。接钻杆坐卡等暂停钻柱上下运动时，利用环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力P_as；当起下钻、钻进等钻柱运动时，测量环空压力P_am；利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间的移动距离ΔL及钻柱上下运动过程中钻柱相对移动距离ΔL_i，对应的钻柱运动环空压力P_ami；根据上述信息，计算钻柱上下运动位置对应的静止环空压力P_ai及由于钻柱上下运动所产生的环空压力波动ΔP_ai，并求出最大环空压力波动ΔP_aMax。

在起下钻等停止钻井液循环时，井下工具采用电池供电，循环钻井液时由涡轮发电机供电，并根据钻井工况选择上传停止钻井液循环和循环时的井下压力监测重要参数，从而实现钻井全过程环空压力监测，为钻井作业提供依据，确保压力波动在安全窗口内，避免出现井下复杂情况和事故，降低钻井作业风险，快速顺利钻达目的层。

图2为环空压力测量方法流程图。

如图2所示，本发明测量方法和步骤如下：

1.地面设置PWD工作参数，包括仪器延时启动时间、压力和轴向加速度采样时间。

PWD延时启动时间根据下钻前准备工作时间、下钻速度及开始测量深度确定。

压力采样时间根据PWD井下工作时间、存储器大小及对监测压力要求综合考虑。通常采样间隔为1～60秒/点。为了监测快速压力波动情况，典型采样间隔为1秒/点。

轴向加速度采样间隔为0.001～0.1秒/点。

2.测量环空压力、柱内压力、轴向加速度及温度参数，井下存储测量结果。

3.对测量到的轴向加速度进行滤波，求出钻柱轴向运动加速度a_x。

4.利用轴向运动加速度a_x及其持续时间判断钻具轴向是否处于静止状态。

如果|a_x|<ε(ε为钻具静止加速度判断阈值，比如0.001g或0.01g)，且持续时间t≥τ(τ为钻具静止时间判断阈值，比如15秒)，则判断钻柱处于轴向静止状态(如起下钻接立柱及钻井接单根过程中钻具坐卡时)；一旦|a_x|≥10ε，则判断钻柱开始轴向运动(如接完钻具后的上提下放作业)。

5.求钻柱轴向运动速度和距离。

利用运动加速度a_x一次积分可求得轴向运动速度v_x,但实际测量到的运动加速度信号a_m中总是包含误差信号a_e(为直流误差信号和噪声干扰信号之和)，即a_m＝a_x+a_e。所以，实际积分结果为式(1)所示，其中v_x为希望获取的轴向运动速度实际信号，而v_e为希望去除的轴向运动速度误差信号。

$v_m\left(t\right)=\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}{a}_m\left(t\right)\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}{a}_x\left(t\right)+a_e\left(t\right)\mathrm{dt}=v_x\left(t\right)+v_e\left(t\right)---\left(1\right)$

将式(1)获取的轴向运动速度信号再次积分可求得轴向位移信号l_m，如式(2)所示，同样包含轴向运动位移误差信号l_e。

$l_m\left(t\right)=\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}{v}_m\left(t\right)\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}{v}_x\left(t\right)+v_e\left(t\right)\mathrm{dt}=l_x\left(t\right)+l_e\left(t\right)---\left(2\right)$

如果不能有效去除一次和二次积分中的误差信号，将无法准确获取两个相对钻柱静止点间的移动距离ΔL。可采用时域的、频域的或者时域与频域相结合的方法来消除误差信号。

6.计算钻柱轴向运动产生的环空压力波动。

设钻柱移动测得的环空压力为P_ami，其对应移动距离和轴向静止环空压力分别为ΔL_i和P_asi，当钻柱再次处于轴向静止状态时(判断条件同4)，相对上次轴向静止点的总移动距离为ΔL，上次和本次钻柱轴向静止测量环空压力分别为P_as1、P_as2。

钻柱轴向静止环空压力为

$P_{\mathrm{asi}}=P_{\mathrm{as}1}+\frac{\mathrm{\&Delta;}{L}_i}{\mathrm{\&Delta;L}}(P_{\mathrm{as}2}-P_{\mathrm{as}1})---\left(3\right)$

轴向运动引起的环空压力波动为

DP_ai＝P_ami-P_asi    (4)

7.求最大环空压力波动点并上传到地面系统。

通过逐点比较，求出最大环空压力波动点，当开泵时上传最大环空压力波动值。

8.监测最大开泵环空压力P_aOnMax，并上传到地面系统。

开泵循环时，排量由小变大到稳定，钻井液从静止到流动，逐渐破坏钻井液胶凝作用，该过程将产生环空压力波动，并存在一个最大环空压力点，它与开泵速度、排量大小及钻井液性能有关。

实时监测环空压力及其变化过程，记录最大开泵环空压力点，并上传到地面系统，防止开泵过猛而产生大的环空压力，引发井下复杂情况和事故。

9.在钻进过程中，实时测量环空及柱内压力，监测钻头压降及环空循环压耗变化情况，自动选择重要变化数据上传。

正常钻进时，排量相对稳定，一般机械钻速不高，环空及柱内压力变化较慢，实时测量环空及柱内压力，间隔传输监测压力数据。

当钻头压降(柱内压力与环空压力之差)、环空循环压耗(开泵与停泵时的环空压力差)偏移正常趋势时，及时上传数据到地面，供钻井施工人员分析判断井下工况，结合地面综合录井数据进行决策分析，采取果断措施，预防井下复杂情况。如钻头泥包、掉水眼、钻具刺漏、地层流体侵入和钻井液漏失等，它们会引起井下测量压力明显变化。

10.实时监测停泵过程环空压力及其变化，记录停泵最小环空压力P_aOffMin和稳定环空压力P_aOffStab，开泵后上传到地面系统，为井下压力控制和钻井水力学计算提供依据。

由此可见，根据本发明提供的钻井全过程环空压力测量解决方案，可以有效监测起下钻、开停泵过程、正常钻进、划眼和接单根过程的环空压力及其波动情况，并自动选择重要压力参数适时上传，为钻井作业人员分析判断井下情况、指导钻井作业操作及井下压力控制提供依据，预防井下复杂情况和事故，确保安全快速进行钻完井作业。

尽管以上参照附图以实施方式对本发明作出了详细说明，但是，它们仅仅是例示性的，本领域技术人员完全能够根据本发明教导而对其作出各种形式的替换或者变更，在不脱离本发明宗旨和精神的前提下，凡是对本发明作出的各种变更及修饰均视为本发明所涵盖的内容，均落入所附权利要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种用于实现钻井全过程的环空压力测量装置，其特征在于，包括PWD工具、仪器连续供电设备、开停泵检测判断部件、以及MWD数据通讯工具，所述PWD工具上装有柱内和环空压力传感器，用于测量钻柱内外的钻井液流体压力、监测钻井液循环状态和钻头压降，所述PWD上还装有轴向加速度传感器，用于检测钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离，在接钻杆坐卡等暂停钻柱上下运动时，利用环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力，当起下钻、钻进等钻柱运动时，测量环空压力，利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间的移动距离及钻柱上下运动过程中钻柱相对移动距离，对应的钻柱运动环空压力，根据上述信息，计算钻柱上下运动位置对应的静止环空压力及由于钻柱上下运动所产生的环空压力波动，并求出最大环空压力波动，

所述仪器连续供电设备包括电池和涡轮发电机，在起下钻等停止钻井液循环时，井下工具采用电池供电，循环钻井液由涡轮发电机供电，

所述开停泵检测判断部件实时监测所述环空压力及其变化过程，记录最大开泵环空压力点，最大开泵环空压力，实时测量在钻进过程中环空及柱内压力，监测钻头压降及环空循环压耗变化情况，判断钻头压降、环空循环压耗是否偏移正常趋势，并通过MWD数据通讯工具上传到地面系统，并且，实时监测停泵过程环空压力及其变化，记录停泵最小环空压力和稳定环空压力，开泵后通过MWD数据通讯工具上传到地面系统。

2.一种用于实现钻井全过程的环空压力测量方法，其特征在于，利用PWD工具上装有的柱内和环空压力传感器，测量钻柱内外的钻井液流体压力、监测钻井液循环状态和钻头压降，利用PWD上装有的轴向加速度传感器，检测钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离，并且，在接钻杆坐卡等暂停钻柱上下运动时，利用环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力，当起下钻、钻进等钻柱运动时，测量环空压力，利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间的移动距离及钻柱上下运动过程中钻柱相对移动距离，对应的钻柱运动环空压力，然后，根据上述信息，计算钻柱上下运动位置对应的静止环空压力及由于钻柱上下运动所产生的环空压力波动，并求出最大环空压力波动，

在起下钻等停止钻井液循环时，采用电池对井下工具供电，循环钻井液由涡轮发电机供电，并根据钻井工况选择上传停止钻井液循环和循环时的井下压力监测重要参数，从而实现钻井全过程环空压力监测。

3.一种用于测量钻柱轴向静止及运动的方法，其特征在于，利用轴向加速度传感器测量轴向加速度，通过滤波求出钻柱轴向运动速度和加速度，进而判断钻柱是否处于静止状态，并且，计算出钻柱轴向移动距离，从而实现钻柱轴向静止及运动的测量。

4.一种用于测量钻柱上下运动产生抽吸环空压力波动的方法，其特征在于包括，测量钻柱轴向静止及运动时环空压力步骤，计算钻柱轴向移动距离及对应静止压力及运动产生的环空压力波动及最大环空压力波动步骤，其中，利用PWD上装有的轴向加速度传感器，检测钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离，并且，在接钻杆坐卡等暂停钻柱上下运动时，利用环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力，当起下钻、钻进等钻柱运动时，测量环空压力，利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间的移动距离及钻柱上下运动过程中钻柱相对移动距离，对应的钻柱运动环空压力，然后，根据上述信息，计算钻柱上下运动位置对应的静止环空压力及由于钻柱上下运动所产生的环空压力波动，并求出最大环空压力波动。

5.一种最大开泵环空压力监测方法，其特征在于，包括开泵过程的判断步骤，及最大环空压力检测步骤，其中，在开泵循环时，排量由小变大到稳定，钻井液从静止到流动，该过程产生环空压力波动，并存在一个最大环空压力点，实时监测所述环空压力及其变化过程，记录最大开泵环空压力点，最大开泵环空压力，从而实现对最大开泵环空压力监测。

6.一种正常钻进环空及柱内压力测量方法，其特征在于，包括钻头压降及环空循环压耗变化情况监测步骤，及自动选择重要变化数据上传步骤，其中，实时测量在钻进过程中环空及柱内压力，监测钻头压降及环空循环压耗变化情况，判断钻头压降、环空循环压耗是否偏移正常趋势，并上传到地面系统。

7.一种停泵环空压力监测方法，包括停泵过程的判断步骤及井下停泵环空压力及稳定环空压力检测步骤，其中，实时监测停泵过程环空压力及其变化，记录停泵最小环空压力和稳定环空压力，开泵后上传到地面系统。