基于pwd的井底环空压力测量系统

基于pwd的井底环空压力测量系统

在钻头附近附近的井筒环空压力是影响钻头操作安全的重要参数，也是控制压钻头的重要参数。目前国内钻井作业中的井底压力通常通过理论计算得到,由于井筒流动(特别是存在多相流时)的复杂性,建立模型时为了简化计算而采用的“边界条件”与实际情况存在较大差异,因此,计算得到数据与真实值之间的误差较大。而随钻压力测量系统PWD(PressureWhileDrilling)是通过传感器直接测量近钻头处的各种参数,并通过泥浆脉冲实时传输到地面,测量误差取决于传感器的精度。PWD使用的流体压力传感器精度可达0.1%,分辨力0.08,与理论计算相比,精度大幅提高,并增加了近钻头处的钻压、扭矩、环空温度及钻柱内的压力等参数测量。1发电机控制模块PWD系统分为井下测量短节和地面解码系统。PWD系统工作时,安装在钻头后方的测量短节完成测量任务,并将测量数据编码后以压力脉冲的方式传送至地面立管。立管压力传感器检测到压力脉冲后由解码系统解码,得到近钻头处的测量数据。井下测量短节内部集成了发电机模块、传感器模块、数据采集与处理模块、脉冲发生器模块。发电机模块依靠钻柱内钻井液流动提供动力,将机械能转换为电能,为井下测量系统及脉冲发生器供电。为了保证井下计算机和脉冲发生器得到足够的电能,对发电机模块设定了工作门限,当钻井液排量达到一定值时,发电机模块才能对外提供电能。发电机模块也是PWD产生压耗的主要部分,随着钻井液排量的增加,PWD产生的压耗也逐渐增大。以水作为循环介质对PWD压耗进行测试,结果如图1所示。图1中“低压”曲线为脉冲发生器未工作时的压耗曲线,“高压”曲线为脉冲发生器工作时,立管压力处于脉冲高压时的压降曲线。PWD测量短节所用传感器有压力传感器、温度传感器、应变传感器。压力传感器与温度传感器探头直接与钻井液连通,确保测量值为真实的井底参数。应变传感器通过粘合剂与测量短节本体固定,测量钻压和扭矩产生的应变。数据采集与处理模块按照一定顺序采集传感器输出的0~5V电压,按照一定的编码规则转换为由0和1组成的二进制数据。2背景数据编辑PWD工作时,首先通过各个传感器将钻压、扭矩、温度、环空压力和钻柱内压力等物理信号,转换为电压信号。采集电路板将传感器输出信号缩放到0~5V的范围以内。数字电路板按照一定的时序采集各个传感器的电压值,将电压值按照编码规则转换为由0和1表示的二进制数,并按二进制数据产生一组幅值为0~5V方波信号。此方波信号为脉冲发生器的输入信号,在脉冲发生器的作用下,将在立管中产生一系列的压力脉冲,压力脉冲频率与脉冲发生器的输入方波信号相同。使用泥浆压力脉冲通信的方式数据传输速率低,因此按需求对采集数据编组,不同数据编组中的数据量不同。为了使地面计算机与井下计算机的时钟同步,需要在数据中加入同步头(如图2所示)。同步头是数据编组中不可能出现的特殊数据编组,当地面解码系统接收到同步头时,进行时钟同步。当数据编组中的脉冲信号识别错误时,在下一个同步头信号时进行纠正。地面解码系统首先由压力传感器监测立管压力变化,当检测到脉冲信号时开始执行解码程序。当解码后的数据为同步头时,解码程序按照同步头脉冲校对时钟信号,之后按顺序依次对钻压、扭矩、温度、环空压力及钻柱内压力值进行解码。3数据处理及测量数据为验证PWD的工作能力与工作效果,在对PWD进行多次地面试验后,2011年10月在华北油田某井进行现场试验。该井为生产井,设计井身结构为:一开Ø343mm×143m;二开Ø216mm×2570m。在钻至2000m时更换钻头起钻,进行PWD试验。试验中钻具组合为:Ø216mmPDC钻头+螺杆172DN+浮阀+接头+随钻PWD短节+接头+存储式PWD+无磁159DNC+扶正器+5根钻铤165DC+接头+18根加重钻杆+钻杆+方钻杆。工程参数:钻压40kN;转速60r/min;缸径170mm;泵速100次/min;排量31L/s;泵压17MPa。钻井液参数:密度1.18g/cm3;漏斗黏度48s;滤失量3.2mL;滤饼厚度0.5mm;10s静切力2Pa;10min静切力12Pa;pH值为7;黏度计读数uf0663为4;uf066300为36;uf066600为56。PWD入井工作68h,累计进尺557m。钻进过程中PWD工作正常,部分测量数据如图3所示。从图3看出,环空压力与管内压力具有相同的变化趋势,几乎恒定的压力差值(大约8MPa)。在钻具组合底部,能产生压降的工具主要为:PWD:3MPa;螺杆钻具:3.5MPa;钻头:1.5MPa。测量所得的环空压力与管内压力的压力差与计算数值基本符合。钻进过程中使用转盘和螺杆复合钻进,PWD检测到的扭矩值非常小。在钻进过程中,钻台悬重表指针在40kN上下波动,井底钻压测量值波动较大,与实际工况相符。温度值随着井深的增加而逐渐增大,在2164m处大约64℃,在2364m处约为70℃。井深增加200m,温度增加了6℃,与当地地温梯度基本相同。为了检验PWD测量数据的准确性,在第2次下钻进行顶通过程中,钻具组合中加入存储式压力测量短节。存储式压力测量短节使用电池组作为供电电源,将测量数据存储在内置存储器中,等仪器出井时使用计算机与仪器通讯,取出仪器内的存储数据。存储式压力测量短节的优点在于即使泥浆泵停泵时,仍然可以进行数据测量任务,同样也可用于泡沫钻井及空气钻井过程中的测量任务,缺点是不能得到实时的测量数据。第2次PWD下井后钻进13m,顶通完成后取钻。当PWD到达井口位置时再次进行循环测试,PWD功能完好,信号清晰。将存储式压力测量短节取出后进行数据回放,并与PWD测量数据进行对比,曲线图如图4所示。由图4看出,PWD与存储式测压短节测量数据基本一致,有微小误差为传感器系统误差和测量环境所致。存储式测压短节测量点时间间隔为5s(根据需要设定),可以记录整个下钻、循环钻进、起钻过程中环空压力、管内压力及环空温度的变化趋势,而PWD只有在开泵循环时才能进行测量任务。4增加了钻压、扭矩参数(1)研究开发的随钻测压工具(PWD)可以实现在钻进过程中实时测量井底近钻头处钻压、扭矩、温度、环空压力及钻柱内压力等参数,并将测量参数通过钻井液压力脉冲实时传送到地面。与国内其他同类PWD相比,测量参数在压力和温度基础上增加了钻压和扭矩参数。在尺寸方面PWD总长3.2m,外径171.45mm,防磨带直径190.5mm,便于运输与安装,可以在Ø215.9mm及以上井眼中应用。(2)钻井液压力脉冲幅值关系到解码数据质量,钻井液的性能及井筒深度对压力脉冲幅值的影响很大。在试验中发现在同样排量下,钻井液的黏度越大,立管中的压力脉冲幅值越小。这是由于钻井液黏度影响发