李連慶

（長城鉆探工程公司工程技術(shù)研究院，遼寧盤錦124010）①

用于遼河潛山的隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)探頭研究

李連慶

（長城鉆探工程公司工程技術(shù)研究院，遼寧盤錦124010）①

隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)作為重要的隨鉆工具，在特殊井和欠平衡鉆井過程中起著非常重要的作用。探頭作為系統(tǒng)的重要組成部分，對整個測量系統(tǒng)工作可靠性與數(shù)據(jù)的精確性起著重要的作用，探頭伸出和壓入地層是一個探頭的受壓過程，其強度直接關(guān)系著系統(tǒng)的有效性。對探頭結(jié)構(gòu)和強度進行研究和計算，得到探頭在工作過程中的應力分布和變形情況，對優(yōu)化設(shè)計探頭機構(gòu)和保證井下作業(yè)安全具有指導意義。

隨鉆測量；探頭；遼河潛山；地層

在復雜地況鉆井過程中，特別是窄密度窗口鉆井過程中由于不能準確地取得地層壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)常會造成井漏、井壁坍塌及壓差卡鉆等井下復雜情況發(fā)生，導致鉆井周期延長及鉆井成本的大量增加。

國內(nèi)外多家鉆井技術(shù)服務公司及科研機構(gòu)針對以上問題進行了研究，有針對性地研制出了相關(guān)系統(tǒng)并進行了現(xiàn)場試驗和現(xiàn)場應用。國外的Schlum-berger公司的StethoScope，Halliburton公司的Geo-Tap，Baker Hughes公司的Tes Trak，Weather-ford公司的Compact MFT等均是具有不同結(jié)構(gòu)及擴展功能的隨鉆地層壓力測量儀器，已經(jīng)作為常規(guī)的鉆井工具用于常規(guī)鉆井和復雜鉆井過程中并取得了較好應用效果［1］。目前在國內(nèi)，大慶鉆探公司研制出了SDC-I型隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)，并在SDC-I型的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進研制出了SDC-Ⅱ型隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)成功在大慶油區(qū)進行了多次現(xiàn)場試驗，取得了大慶油區(qū)真實的地層壓力、溫度等數(shù)據(jù)，對大慶油區(qū)的后續(xù)開發(fā)和鉆井提速都起到了一定的指導作用［2-3］。

目前，研制的隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)在鉆井過程中可實時測量地層壓力、溫度等數(shù)據(jù)并以脈沖信號的方式傳輸至地面，通過地面儀器實時接收、解碼、分析脈沖信號，有助于及時了解所鉆地層的情況，從而優(yōu)化鉆井液密度和當量循環(huán)密度以適應當前所鉆地層，避免井漏、井噴、油氣進入環(huán)空和鉆井液侵入地層等復雜情況的發(fā)生，以達到確保鉆井安全，提高鉆井速度，節(jié)約鉆井成本，提高經(jīng)濟效益的目的。還可以通過識別地層流體早期識別油氣層，對計算儲量及解釋油氣藏類型都有著重要的作用。

1　探頭結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示的探頭作為隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)的重要部件，其強度及安全性不僅關(guān)系到整個系統(tǒng)功能可靠性，同時也關(guān)系到鉆井安全，探頭在推靠過程中與井壁發(fā)生擠壓，通過泥餅并最終進入井壁地層。探頭的強度是隨鉆測量地層壓力能否成功的關(guān)鍵。國內(nèi)外相關(guān)報道顯示，探頭與所測地層井壁的有效密封，能夠保證井下環(huán)空與測量系統(tǒng)和地層井壁所建立的密閉空間的充分隔離，從而保證隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)能夠準確地反映所測地層壓力、溫度等的真實狀況。

圖1　探頭結(jié)構(gòu)

隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)由于受井下環(huán)空、系統(tǒng)內(nèi)部泥漿通道和井下液壓動力系統(tǒng)功率的限制，導致探頭推靠組件的輸出功率和探頭結(jié)構(gòu)的尺寸受到限制。推靠組件推靠力過小，將會導致探頭不能穿透泥餅或者不能夠完全穿透泥餅，使探頭不能夠完全接觸井壁地層而導致密封失效。反之，推靠組件推靠力過大，則要求隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)的探頭和推靠組件具有較高的強度，確保探頭和推靠組件在鉆進和測量過程中的安全性和可靠性。

探頭系統(tǒng)由2個液壓缸雙向推靠組件和探頭及密封組件組成，如圖2所示。為防止因探頭組件伸出時推靠井壁和鉆井液循環(huán)時鉆桿振動導致的探頭位置偏斜，影響測壓效果，過大的變形甚至會對鉆井安全產(chǎn)生影響，因此在探頭兩側(cè)對稱添加液壓推靠組件，提高探頭的強度與可靠性。采用這種雙液壓缸輔助直推結(jié)構(gòu)能夠保證系統(tǒng)在測量過程中，系統(tǒng)主體始終與井壁地層保持近似相對靜止狀態(tài)，降低了對系統(tǒng)本體的機械強度要求，不破壞井壁泥餅的密封作用，有利于保證測量結(jié)果的真實性。在鉆井過程中振動、沖擊載荷大，要求整套系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)具有較高的強度，所以除密封件采用橡膠材料外，整個探頭均使用42Cr Mo材料，同時對加工完成的部件進行了熱處理，使這種材料在具有高強度和韌性的同時，有較高的疲勞極限和抗多次沖擊的能力。

圖2　探頭系統(tǒng)

2　探頭承受壓力值

由遼河潛山隨鉆測量壓力溫度數(shù)據(jù)抽樣統(tǒng)計分析（如表1），可得知遼河油田某油區(qū)的2 600 m及3 500 m地層的平均壓力、溫度。2 600 m井深時，井下環(huán)空平均溫度為64.93℃，井下環(huán)空靜液柱平均壓力為30.24 MPa，此時該深度地層的流體泡點壓力為15.93 MPa；井深3 500 m時，井下環(huán)空平均溫度為89℃、井下環(huán)空靜液柱平均壓力為40.71 MPa，此時該地層的流體泡點壓力為26.42 MPa。

表1　遼河潛山隨鉆測量壓力溫度抽樣統(tǒng)計

從上述及流體測試腔壓力變化曲線（如圖3）［4-6］，可以得出井深2 600、3 500 m時井下環(huán)空靜液柱壓力與鉆至地層的流體泡點壓力差值Δp約為14.3 MPa，即為了不影響測試精度，探頭推靠至井壁密封時，探頭與井壁形成的密閉空間與外界的壓差不應大于Δp＝14.3 MPa。

圖3　流體測試腔壓力變化曲線

則單位面積受力為

由極坐標方程整理得

式中：D為探頭外徑，m；d為探針外徑，m。

將探頭設(shè)計外徑55 mm和探針設(shè)計外徑14 mm代入上式得f≥44.09 k N，因此液壓系統(tǒng)向探頭提供的最小推靠力為44.09 k N。

由于隨鉆設(shè)備受鉆柱直徑與當前技術(shù)水平的限制，所以不能安裝與上述推靠力相匹配的井下發(fā)電系統(tǒng)和液壓輸出系統(tǒng)，目前能夠選用的液壓輸出系統(tǒng)的輸出壓力為15 MPa，因此其探頭最大推靠力由下式得出，即

將探頭設(shè)計外徑55 mm和探針設(shè)計外徑14 mm代入上式得f≤48.2 k N，因此液壓系統(tǒng)向探頭提供的最大推靠力為48.2 k N。

綜上所述，為保證隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)在遼河潛山地區(qū)工作的可靠性，其推靠力的取值范圍為44.09 k N≤f≤48.2 k N。

3　有限元校核

3.1 邊界條件建立

圖4　形變云圖

由上得出井下發(fā)電及液壓系統(tǒng)能夠提供的最大推靠力為48.2 k N，本文以177.8mm隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)液壓探頭作為研究對象，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。假設(shè)地層為均質(zhì)地層，在探頭推靠過程中探頭與地層接觸面受力分布相同，將探頭總成結(jié)構(gòu)簡化，建立探頭和支架幾何模型，將上述計算中取得壓力輸入計算軟件中，得出力學分析結(jié)果如圖4～5。

圖5　受力云圖

3.2 云圖分析

由圖4～5可以看出：在15 MPa液壓作用下，設(shè)計外徑55 mm的探頭其最大變形發(fā)生在探頭與液壓桿之間，最大的應力變形為0.4191 mm，其變形在許可范圍之內(nèi)，安全系數(shù)n＝1.74，能夠滿足實際工況下對工具安全性的要求，不會對測量工作造成影響。

4　結(jié)論

1） 探頭的強度應保證在系統(tǒng)測量過程中探頭能夠穿透泥餅并與地層形成密封，從而保證測量結(jié)果能夠真實地反映所測地層的壓力、溫度等關(guān)鍵參數(shù)。

2） 在井下高溫、高壓、井下環(huán)空有限以及保證鉆井安全的前提下，探頭具有最優(yōu)設(shè)計尺寸，其最優(yōu)設(shè)計尺寸能夠保證在現(xiàn)有電源及液壓系統(tǒng)下工作的可靠性。

3） 在后續(xù)的研究中，繼續(xù)改進探頭結(jié)構(gòu)，使其能夠具有更高的可靠性。

［1］ 周樹國.隨鉆地層壓力測量裝置的設(shè)計與仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011.

［2］ 楊利.新型隨鉆地層壓力測試工具［J］.國外油田工程，

2005，21（11）：20-23.

［3］ 李夢剛，萬長根，白彬珍.隨鉆壓力測量技術(shù)現(xiàn)狀及應用前景［J］.斷塊油氣田，2008，15（6）：123-126.

［4］ 馬建國.油氣井地層測試［M］.北京：石油工業(yè)出版社，

2006：99-105.

［5］ 何更生.油層物理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1993：

86-93.

［6］ 鄭俊華，，楊春國，陳小鋒，等.隨鉆地層壓力測量探頭推靠力研究［J］.石油機械，2011，39（7）：42-44.

［7］ Ward C D.Andreassen E.Pressure while drilling data improves reservoirdrillingperformance［R］.SPE 37588，1998.

Study on Formation Pressure Measurement System’s Probe for Liaohe Qianshan

LI Lianqing
（Engineering and Technology Research Institute，Greatwall Drilling Company，Panjin 124010，China）

The formation pressure measurement system is an important MWD tool，which plays a very important role in the drilling of special wells and underbalanced wells.Probe is one of the most important parts of the system，which could affect the reliability and accuracy of the measure-ment system.Probe extending and pressing into ground is a compression process，the strength of the probe is directly related with the effectiveness of the measurement system，we the structure and strength of the probe are studied，it will be helpful to get the stress distribution and deforma-tion when the probe is in work，and there will be guiding significance to optimizing the desig n andguarantee the safety in downhole operation.

measure while drilling；probe；Liaohe Qianshan；formation

TE921.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.024

1001-3482（2015）07-0094-04

①2014-01-25

李連慶（1969-），男，吉林東豐人，工程師，主要從事鉆井技術(shù)研究及鉆井監(jiān)督工作。