劉振東， 明玉廣， 王傳富， 李公讓

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000)

井漏一直是困擾國(guó)內(nèi)外石油勘探開發(fā)的重大工程技術(shù)難題，處理井漏的關(guān)鍵要素之一是確定漏層位置。國(guó)外目前應(yīng)用較為廣泛的判定漏層位置的方法是溫度與噪聲法，其他的漏層測(cè)量技術(shù)，包括熱線測(cè)井、壓力變頻器測(cè)井技術(shù)等也正在研發(fā)中[1]。國(guó)內(nèi)采用的測(cè)量方法及儀器主要有井溫法、聲波測(cè)量法、渦輪流量計(jì)法、噪聲法、傳感器測(cè)量法和電磁式測(cè)量?jī)x、溫度式測(cè)量?jī)x等[1-6]。從目前的應(yīng)用情況看，這些方法都存在一定不足，如井溫法測(cè)量精度受熱傳導(dǎo)速度慢的影響，當(dāng)漏失量較小時(shí)溫度變化不明顯，不能精確判定漏層位置，只能確定大致范圍；聲波測(cè)量法具有多解性，且容易將不規(guī)則井段、沒有漏失的裂縫及含氣的層段誤判為漏層；噪聲法易受儀器與井壁摩擦噪聲的影響[7]。這些儀器大多數(shù)都采用電纜下入井眼的方式，在復(fù)雜漏失情況下，儀器的使用會(huì)受到較大限制[8-9]。因此，筆者針對(duì)測(cè)量?jī)x下入井眼的方式和單一方法測(cè)量準(zhǔn)確性受限的問題，研制了用于確定漏層位置的測(cè)量?jī)x器，利用短節(jié)將測(cè)量?jī)x接在鉆具上，隨鉆具下入井眼，在漏失過程中對(duì)溫度、壓力和流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，綜合分析判斷漏層位置，解決了在復(fù)雜井眼環(huán)境下儀器無(wú)法用電纜下入井眼等一系列問題，且提高了測(cè)量漏失位置的精度。

1 鉆井液漏失位置測(cè)量?jī)x測(cè)量原理

1.1 測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)及工作原理

鉆井液漏失位置測(cè)量?jī)x由短節(jié)和測(cè)量桿件組成，短節(jié)用于連接鉆具，測(cè)量桿件可固定在短節(jié)內(nèi)，用于測(cè)量和存儲(chǔ)壓力、流量和溫度數(shù)據(jù)。

使用測(cè)量?jī)x時(shí)，首先接通電源開機(jī)，儀器控制系統(tǒng)即開始采集壓力、流量和溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器硬盤上；然后將測(cè)量桿件旋轉(zhuǎn)接入外接短節(jié)之中，為不影響鉆井作業(yè)，將短節(jié)安裝在MWD上近鉆頭位置，隨鉆具組合下入井中。當(dāng)發(fā)生鉆井液漏失后，采用起鉆的方式(慢檔勻速起出鉆具)對(duì)全井眼進(jìn)行測(cè)量，采集壓力、流量和溫度3種參數(shù)(待鉆具內(nèi)鉆井液通過水眼與環(huán)空內(nèi)鉆井液達(dá)到平衡后，測(cè)定鉆具內(nèi)鉆井液的壓力、流量和溫度)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)x起出井眼后，利用測(cè)控系統(tǒng)的交互功能，讀取所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)；然后利用配套軟件對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放處理，形成溫度、流量和壓力相對(duì)于同一時(shí)間坐標(biāo)的3條曲線。在曲線上找到各自的異常點(diǎn)，如果3條曲線在同一時(shí)間點(diǎn)附近都出現(xiàn)異常，則該點(diǎn)極有可能為漏失點(diǎn)，最后可通過錄井參數(shù)確定對(duì)應(yīng)的井深，從而確定漏失位置。

1.2 溫度、流量、壓力參數(shù)測(cè)量原理

鉆井液漏失位置測(cè)量?jī)x含有測(cè)量溫度、流量和壓力的3種傳感器，在測(cè)量過程中，實(shí)現(xiàn)溫度、流量和壓力參數(shù)的測(cè)量、信號(hào)的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

1.2.1 流量

流量測(cè)量是通過聲波流量計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用超聲波在順流和逆流中傳播存在時(shí)間差的原理，在距離固定的位置上，相對(duì)安放2個(gè)換能器(要求既能發(fā)射超聲波，也能接收超聲波)，通過微控制器控制其同時(shí)發(fā)射和接收，2路信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換、鑒相和濾波之后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，最后控制器從A/D轉(zhuǎn)換器里讀取相位差值。同時(shí)，微控制器也用于測(cè)試超聲波的傳播時(shí)間[7-8]。

聲波測(cè)量原理數(shù)學(xué)模型如圖1所示。圖1中，G1和G2是換能器；c為超聲波在液體中的傳播速度，m/s；v為液體的流速，m/s；L為2個(gè)換能器之間的距離，m；t1，t2分別為聲波在順流和逆流中的傳播時(shí)間，s。

圖1 聲波測(cè)量原理模型Fig.1 Prototype of acoustic measurement model

由圖1可知：

(1)

(2)

因?yàn)閏?v，由式(1)和式(2)可得：

(3)

式中：Δt為時(shí)差，s。

已知換能器間的距離L和超聲波的傳播速度c，則流速v與時(shí)差Δt成正比，由此可計(jì)算流速。

當(dāng)橫截面積一定時(shí)，流量Q跟流速v成一定的函數(shù)關(guān)系，這個(gè)函數(shù)關(guān)系可通過標(biāo)定得到。該函數(shù)關(guān)系的表達(dá)式為：

Q=f(v)

(4)

式中：Q為流量，m3/h。

1.2.2 溫度

溫度測(cè)量是利用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的。鉆井液在井內(nèi)受地層溫度的影響形成一定的溫度梯度。發(fā)生漏失后，鉆井液液柱的地溫梯度曲線就會(huì)在漏失處出現(xiàn)異常，據(jù)此即可找到漏失點(diǎn)[9-10]。

溫度傳感器采用Pt1000鉑金電阻，其電阻值隨溫度變化而變化。給該電阻提供恒定微弱電流(電流不能大于1 mA，否則，會(huì)由于電阻本身功耗而升溫，導(dǎo)致測(cè)量產(chǎn)生誤差)，外界溫度變化引起傳感器電阻值變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器兩端的電壓隨之變化，通過檢測(cè)電壓的變化可以達(dá)到測(cè)溫的目的。

1.2.3 壓力

壓力傳感器內(nèi)部為電橋結(jié)構(gòu)，給傳感器輸入端供電，當(dāng)外界壓力變化時(shí)，傳感器輸出端的電壓隨之變化，從而得出被測(cè)環(huán)境壓力值，同時(shí)要進(jìn)行刻度和溫度的補(bǔ)償，其方法與常規(guī)壓力傳感器測(cè)量方法基本相同[9-10]。

2 測(cè)量?jī)x關(guān)鍵技術(shù)

2.1 測(cè)量桿件

鉆井液漏失位置測(cè)量?jī)x的測(cè)量桿件由引導(dǎo)頭、扶正器、高溫電池、測(cè)控電子短節(jié)、導(dǎo)流管組件、壓力傳感器和溫度傳感器組成(見圖2)。其中，高溫電池對(duì)測(cè)控電子線路供電；測(cè)控電子短節(jié)完成信號(hào)采集緩存、數(shù)據(jù)交互等功能；導(dǎo)流管組件主要用于鉆井液的引入和流出，對(duì)鉆井液流量進(jìn)行測(cè)量；壓力傳感器、溫度傳感器測(cè)量流體的壓力和溫度。短節(jié)的外徑為158.8 mm，測(cè)量桿件的外徑為38.0 mm，適用于φ215.9 mm等常規(guī)井眼。測(cè)量?jī)x壓力測(cè)量范圍為0～60 MPa，溫度測(cè)量范圍為0～150 ℃，電池工作時(shí)間≥72 h。

圖2 測(cè)量桿件的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagram of the measuring elements1.扶正器；2.測(cè)控電子短節(jié)；3.壓力傳感器；4.溫度傳感器；5.導(dǎo)流管組件；6.旋轉(zhuǎn)接頭

2.2 控制系統(tǒng)

鉆井液漏失位置測(cè)量?jī)x的控制系統(tǒng)包括CPU控制子系統(tǒng)、超聲波發(fā)射及接收子系統(tǒng)、信號(hào)處理采集子系統(tǒng)、壓力和溫度采集子系統(tǒng)與井下供電子系統(tǒng)等5部分，主要功能是控制超聲波的發(fā)射及接收，控制A/D數(shù)據(jù)的采集，讀取超聲波的傳播時(shí)間，存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和井下儀器工作的設(shè)置。測(cè)量?jī)x控制系統(tǒng)的總體框圖見圖3。

由于儀器空間有限，過線資源緊張，且信號(hào)的頻率較高，造成板內(nèi)走線復(fù)雜。2塊板間過線多，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲干擾，從而影響流量信號(hào)的采集，特別是降低了模擬電路的小信號(hào)和ADC的轉(zhuǎn)換精度，造成系統(tǒng)整體性能降低。所以，該系統(tǒng)內(nèi)部板間數(shù)據(jù)傳輸采用串行總線接口方式。串行總線電平采用抗干擾能力更強(qiáng)的CMOS電平，但由于邏輯器件多采用TTL電平工作，所以串行命令總線收發(fā)兩端都要加電平轉(zhuǎn)換電路。壓力、溫度參數(shù)的轉(zhuǎn)換采用16位的A/D轉(zhuǎn)換器。

圖3 控制系統(tǒng)總體框圖Fig.3 General block diagram of the control system for the measuring instrument

2.3 導(dǎo)流管組件

換能器放置于導(dǎo)流管中，鉆井液經(jīng)過導(dǎo)流管，這一過程中換能器接受超聲波信號(hào)，根據(jù)時(shí)間判斷流量。考慮到聲波信號(hào)在鉆井液中會(huì)有衰減，因此，選用了2只大功率換能器。該換能器采用全鋼設(shè)計(jì)，不存在機(jī)械可動(dòng)部件，在提高使用壽命的同時(shí)也可消除環(huán)境變化的影響，提高了流量的測(cè)試精度。換能器安裝形式與存儲(chǔ)式超聲流量計(jì)相同，上、下?lián)Q能器中心頻率為1 MHz。2個(gè)換能器均安裝在錐形安裝頭上，以減小鉆井液的流動(dòng)阻力，減少紊流，提高測(cè)試精度。2個(gè)換能器發(fā)射面之間的距離為300 mm。導(dǎo)流管下端連接有扶正器，以保證中心流速的準(zhǔn)確測(cè)試。

2.4 壓力傳感器

壓力參數(shù)在漏層判定過程中至關(guān)重要，相比溫度和流量，能更好地實(shí)現(xiàn)短節(jié)內(nèi)和環(huán)空中的內(nèi)外壓力平衡，其數(shù)據(jù)的真實(shí)性更高，而且更加靈敏，因此，要確保壓力數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和精確性。同時(shí)，為滿足較大井深條件下的正常工作，壓力使用范圍的選取也非常重要。因此，選取了硅鈦藍(lán)寶石傳感器作為壓力測(cè)量?jī)x器，其使用范圍是0～80 MPa，精度為0.05% FS，具有較高的精度，可檢測(cè)到壓力的較小變化，適合在井下使用。

2.5 數(shù)據(jù)交互軟件

數(shù)據(jù)交互軟件分為井下儀器軟件和計(jì)算機(jī)軟件2部分。井下儀器軟件用于按照計(jì)算機(jī)軟件設(shè)置的要求，完成流量、壓力和溫度參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、通訊及其他控制；計(jì)算機(jī)軟件用于井下儀器采集時(shí)間、工作方式等參數(shù)的設(shè)置，并完成數(shù)據(jù)的通訊、曲線繪制、報(bào)表解釋及相關(guān)的保存、打印等任務(wù)。由于井下儀器采集數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)法獲得深度信息，僅能記錄相關(guān)的時(shí)間參數(shù)，因此，計(jì)算機(jī)軟件需要根據(jù)井下數(shù)據(jù)的時(shí)間信息和地面記錄的深度與時(shí)間的關(guān)系，給井下儀器的采集數(shù)據(jù)補(bǔ)充深度記錄值。

2.5.1 井下儀器軟件功能設(shè)計(jì)

井下儀器軟件主要有2大功能：測(cè)試功能和數(shù)據(jù)通訊功能。井下儀器軟件的功能如圖4所示。

2.5.2 計(jì)算機(jī)軟件功能設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)軟件主要完成井下儀器參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)顯示及打印、報(bào)表生成及打印等功能，計(jì)算機(jī)軟件與用戶交互操作，把用戶的命令輸送給井下儀器，并把井下儀器送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、解釋、顯示及存儲(chǔ)，功能框圖見圖5。

圖4 井下儀器軟件功能Fig.4 Function of downhole instrument software

圖5 計(jì)算機(jī)軟件功能Fig.5 Software function of computer

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

鉆井液漏失位置測(cè)量?jī)x在營(yíng)96-斜1井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該井位于濟(jì)陽(yáng)坳陷東營(yíng)凹陷中央斷裂背斜構(gòu)造帶營(yíng)1大斷層上升盤營(yíng)斜96北區(qū)塊，完鉆井深2 712.00 m，垂深2 552.00 m，鉆探目的是滾動(dòng)勘探營(yíng)斜96北地區(qū)沙三中2砂體的含油氣情況。該儲(chǔ)層是一套滑塌濁積巖沉積，含油層系為沙三中下段，內(nèi)部發(fā)育斷層，且斷層較陡，鉆井過程中易出現(xiàn)憋漏、滲漏等情況。

在該井完鉆電測(cè)通井前，將鉆井液漏失位置測(cè)量?jī)x接入鉆具組合下入井內(nèi)，進(jìn)行通井作業(yè)。在下鉆、通井及起鉆過程中采集和存儲(chǔ)溫度、壓力和流量數(shù)據(jù)，取出該測(cè)量?jī)x后，對(duì)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖6。通常，測(cè)量?jī)x可接在近鉆頭位置，隨鉆頭進(jìn)行鉆井作業(yè)；在帶有井下儀器的情況下，可接在井下儀器上方位置，減少測(cè)量?jī)x對(duì)井下儀器的干擾。雖然從接入鉆具起，就已經(jīng)開始采集和存儲(chǔ)參數(shù)，但在漏失發(fā)生前的數(shù)據(jù)基本不具有參考價(jià)值，因此在分析數(shù)據(jù)時(shí)，可重點(diǎn)分析從漏失發(fā)生到起鉆至地面這段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖6 鉆井液漏失位置測(cè)量?jī)x在營(yíng)96-斜1井漏層的測(cè)量結(jié)果Fig.6 Measurement results of measuring instrument in the Well Y-96-X-1

從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，儀器在井下工作正常，可獲取溫度、流量及壓力數(shù)據(jù)。從圖6可以觀察到，在17:40處壓力及流量均出現(xiàn)較大幅度的變化，經(jīng)對(duì)比分析，認(rèn)為該處發(fā)生了憋漏地層的現(xiàn)象，該情況大約持續(xù)1 min左右，隨后漏失消失。結(jié)合錄井參數(shù)，分析認(rèn)為井深2 708.00 m(即17:40時(shí))處為憋漏發(fā)生點(diǎn)，這與地面工況反映的井深2 710.00 m處出現(xiàn)憋泵的情況基本相符。因此，該測(cè)試結(jié)果表明鉆井液漏失位置測(cè)量?jī)x具有較高的靈敏度和精度。

4 結(jié)論與建議

1) 根據(jù)超聲波時(shí)差法測(cè)定流量、傳感器法測(cè)定井溫和環(huán)空壓力，通過短節(jié)式構(gòu)造，研制了鉆井液漏失位置測(cè)量?jī)x，通過測(cè)量溫度、壓力和流量3種參數(shù)分析判斷漏失位置，可在一定程度上提高判定的準(zhǔn)確性。

2) 該測(cè)量?jī)x采用短節(jié)式構(gòu)造，可隨鉆具下入井眼，在漏失發(fā)生后即可測(cè)量漏層位置，節(jié)省了漏失后下入儀器再進(jìn)行測(cè)量判定的時(shí)間。

3) 該測(cè)量?jī)x為原理樣機(jī)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了測(cè)量判定漏層的目的，但也存在一些問題，如溫度、流量等數(shù)據(jù)的測(cè)量存在一定的滯后性，下一步還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠更加有效地發(fā)揮作用。

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