常 楊，郭修成，李永釗，匡 濤

中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

0 引言

針對(duì)一些復(fù)雜區(qū)塊和復(fù)雜井，僅僅依靠地面的工程參數(shù)，很難達(dá)到預(yù)期的效果。調(diào)查統(tǒng)計(jì)，復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)的非生產(chǎn)時(shí)間占所有時(shí)間的20%[1]，井下事故處理費(fèi)用占鉆井總費(fèi)用的15%[2]。鉆井過程中由于缺少井底鉆頭處扭矩、鉆壓等實(shí)際參數(shù)，無法分析掌握井下真實(shí)工作動(dòng)態(tài)、避免事故復(fù)雜發(fā)生、減少非生產(chǎn)時(shí)間、實(shí)現(xiàn)科學(xué)化鉆井。

在國(guó)外，斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯研發(fā)相應(yīng)集地面和井下工程參數(shù)測(cè)量、實(shí)時(shí)模型優(yōu)化與監(jiān)測(cè)、參數(shù)優(yōu)化、遠(yuǎn)程支持等系統(tǒng)模塊，降險(xiǎn)提速效果顯著，國(guó)外部分油田已形成標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)模式。

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜情況發(fā)生時(shí)，了解哪些井下參數(shù)可以進(jìn)行識(shí)別，并重點(diǎn)對(duì)鉆井風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)隨鉆工程參數(shù)的變化進(jìn)行分析研究，達(dá)到地面—井下工程參數(shù)一體化測(cè)量處理分析，意在實(shí)現(xiàn)提前預(yù)防應(yīng)對(duì)復(fù)雜問題的目的，為科學(xué)鉆井提供數(shù)據(jù)支撐。

1 井下參數(shù)獲取方式

通過一種井下隨鉆測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)，測(cè)量短節(jié)獲取近鉆頭位置鉆具參數(shù)變化信號(hào)，信號(hào)源通過處理板塊，經(jīng)放大、電壓偏移、濾波、再次放大處理后，輸出信號(hào)到主控模塊。由主控模塊進(jìn)行AD數(shù)值處理，并經(jīng)過一定的比例、溫漂調(diào)整、修正系數(shù)等最終計(jì)算出測(cè)量值。該短節(jié)可采集扭矩、鉆壓、內(nèi)外環(huán)空壓力、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)及溫度等參數(shù)，并通過近距離無線通信方式(近場(chǎng)磁通信)將數(shù)據(jù)傳輸給儀器串里的接收裝置進(jìn)行存儲(chǔ)，并按照事先優(yōu)化的邏輯發(fā)送給MWD主控短節(jié)，從而將數(shù)據(jù)通過鉆井液脈沖發(fā)送到地面。通過軟件平臺(tái)，進(jìn)行地面—井下參數(shù)的實(shí)時(shí)對(duì)比分析。

2 井下參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

當(dāng)井下實(shí)時(shí)診斷鉆井風(fēng)險(xiǎn)，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特征參數(shù)為兩個(gè)集合，即鉆井力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)因素集和鉆井風(fēng)險(xiǎn)征兆集[3]。通過模型計(jì)算，把井下各種力轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的井下參數(shù)，分析風(fēng)險(xiǎn)前或風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)地面—井下儀器測(cè)量的表征參數(shù)變化作出判斷，來實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防。

2.1 滑動(dòng)托壓

施工過程中，由于井眼軌跡、井眼清潔、濾餅虛厚、鉆具結(jié)構(gòu)的影響[4]，導(dǎo)致鉆壓無法有效地施加鉆頭處，都加到了鉆具或扶正器位置，地面鉆壓一直增加，井下鉆壓不變或減小，形成托壓狀態(tài)，地面扭矩不變，井下扭矩會(huì)隨著鉆壓突然的釋放而迅速變大，最終導(dǎo)致反扣、遇阻或遇卡等復(fù)雜發(fā)生。

2.2 氣侵、井漏、井噴

氣侵或井漏發(fā)生時(shí)，隨著機(jī)械鉆速增加，井下泵壓、排量會(huì)出現(xiàn)變化。外環(huán)空壓力會(huì)出現(xiàn)降低或升高現(xiàn)象，井底實(shí)測(cè)的ECD(鉆井液的當(dāng)量循環(huán)密度)出現(xiàn)波動(dòng)，壓差越來越大。隨著地溫梯度變化，井底溫度也會(huì)出現(xiàn)變化，誘發(fā)出井噴風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重危害人身、設(shè)備、環(huán)境安全，分析井下參數(shù)變化帶來的影響，有利于預(yù)防故障復(fù)雜發(fā)生，減少損失提高效益[5]。目前，研究者對(duì)于鉆井氣侵的檢測(cè)已形成了一部分研究成果[6-10]。

2.3 鉆具疲勞

當(dāng)鉆柱發(fā)生縱向振動(dòng)或徑向振動(dòng)時(shí)，鉆具振動(dòng)頻率近似其固有頻率時(shí)，其振幅加強(qiáng)、交變應(yīng)力增大，而隨著階數(shù)的增多，振動(dòng)波越來越密集，強(qiáng)度越來越大。轉(zhuǎn)速雖然增加但機(jī)械鉆速反而會(huì)降低，鉆具受損，使用壽命降低。嚴(yán)重地導(dǎo)致黏扣、鉆具疲勞、鉆具斷裂、隨鉆儀器故障等復(fù)雜情況發(fā)生[11]。

3 現(xiàn)場(chǎng)井下參數(shù)分析

2021年5月井下隨鉆工程參數(shù)測(cè)量?jī)x在X井上部?311.1 mm井眼進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該井段設(shè)計(jì)軌道為斜井段，PDC鉆頭定向不穩(wěn)且繞障造成的托壓現(xiàn)象嚴(yán)重。由于上部層位較多且復(fù)雜，存在局部圈閉壓力，導(dǎo)致復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)頻發(fā)。通過井下隨鉆工程參數(shù)測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)井斜、方位、井下鉆壓、扭矩、鉆柱內(nèi)壓力、環(huán)空壓力、軸向振動(dòng)、徑向振動(dòng)等參數(shù)的隨鉆測(cè)量和監(jiān)測(cè)，進(jìn)而探知鉆具在井下真實(shí)的工作狀態(tài)，完成井眼清潔監(jiān)測(cè)和井下風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，從而降低井下故障風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率。

3.1 托壓狀態(tài)下的鉆壓監(jiān)測(cè)分析

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：X井造斜后的穩(wěn)斜井段，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析常態(tài)鉆進(jìn)時(shí)，地面—井下鉆壓變化基本保持一致，且能真實(shí)有效地傳遞到鉆頭處。但長(zhǎng)時(shí)間的裸眼段施工，井眼清潔不及時(shí)，會(huì)有大量的巖屑堆積在井眼不規(guī)則處。隨著井深的增加，需要定向調(diào)整軌跡，巖屑上返不及時(shí)，井下摩擦阻力慢慢增大，形成托壓趨勢(shì)，地面與井下鉆壓監(jiān)測(cè)曲線就會(huì)出現(xiàn)明顯偏朝向兩個(gè)方向，或地面鉆壓增加井下鉆壓無變化，直到加壓過程中，扭矩突然增大，鉆壓開始回壓，表明鉆壓傳遞效率發(fā)生變化。通過軟件測(cè)算分析，提前預(yù)判，采取措施，合理優(yōu)化鉆壓參數(shù)，就可以有效避免托壓帶來的鉆具疲勞引發(fā)的井下復(fù)雜事故發(fā)生見圖1。

圖1 X井地面—井下鉆壓趨勢(shì)變化

正常的井下工作狀態(tài)，井下鉆壓與地面鉆壓值保持一定的數(shù)值區(qū)間，呈現(xiàn)均勻變化。保持鉆壓平穩(wěn)鉆進(jìn)，即可達(dá)到動(dòng)力鉆具的最大使用效果。隨著井深增加和井身軌跡變化，井眼摩阻逐漸增大，地面鉆壓與井下鉆壓差值也會(huì)呈現(xiàn)增大變化，但整體變化趨勢(shì)合理，且上提下放無反應(yīng)，即可反饋井下真實(shí)的鉆壓狀況。通過地面與井下鉆壓對(duì)比，結(jié)合鉆時(shí)、振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)托壓狀態(tài)下，井下振動(dòng)、扭矩值也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，所以通過井下數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，推算復(fù)合鉆進(jìn)和滑動(dòng)鉆進(jìn)下合理鉆壓范圍，優(yōu)化施工參數(shù)，從而達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。

3.2 扭矩監(jiān)測(cè)分析

扭矩與鉆壓測(cè)量原理基本相同，所以井下至地面上傳的參數(shù)趨勢(shì)也相近，可以還原井下真實(shí)的工作狀態(tài)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析常態(tài)鉆進(jìn)時(shí)，井下扭矩值隨著鉆柱往上延伸，受摩擦力等因素影響，扭矩值到地面最大，數(shù)值變化比鉆壓更明顯見圖2。

圖2 X井地面—井下井下扭矩趨勢(shì)變化

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：PDC鉆頭井下運(yùn)動(dòng)的真實(shí)特征表現(xiàn)為托壓發(fā)生時(shí)，扭矩先趨于穩(wěn)定，隨著鉆壓釋放，井下扭矩瞬間上升，對(duì)井下鉆具安全使用急劇危害性。而合理的鉆壓，能形成有效破巖，地面—井下扭矩呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)性變化。

3.3 外環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)分析

通過前期威X區(qū)塊數(shù)據(jù)調(diào)研，?311 mm井段屬于多層系、多壓力系統(tǒng)油氣富集區(qū)，存在多套易漏、易氣侵地層，茅口、棲霞等地層含黃鐵礦、燧石結(jié)核，地層可鉆性差。在氣侵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、機(jī)械鉆速、降低儀器故障率等方面，存在較大提升空間。因理論計(jì)算的外環(huán)空壓力和實(shí)際ECD值與實(shí)際差別較大，不利于客觀評(píng)估循環(huán)壓力、地層壓力，因此通過井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)得相關(guān)真實(shí)井下數(shù)據(jù)，以此計(jì)算各井段的ECD真實(shí)數(shù)值。

威X井頁巖氣井外環(huán)空壓力變化：鉆進(jìn)至2 823.56 m，監(jiān)測(cè)到外環(huán)空壓力由54.3 MPa下降至53 MPa(壓力下降1.3 MPa)，判斷氣侵發(fā)生。隨后錄井監(jiān)測(cè)到出口流量增加(42.22%上漲至57.78%)，全烴上升，井隊(duì)隨即關(guān)井，見圖3。

圖3 地面—井下參數(shù)對(duì)比變化

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：井下外環(huán)空壓力開始下降時(shí)，與地面出口流量反應(yīng)時(shí)間間隔約5 min，與全烴反應(yīng)時(shí)間間隔大約7 min。氣侵井段從壓力變化到地面錄井發(fā)現(xiàn)，外環(huán)空壓力下降達(dá)1.3 MPa，充分驗(yàn)證了利用實(shí)測(cè)外環(huán)空壓力變化來進(jìn)行井控風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是可行的。

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)比理論計(jì)算與實(shí)測(cè)的外環(huán)空壓力，結(jié)合地面參數(shù)對(duì)比分析，還是能夠有效地反應(yīng)出井下氣體運(yùn)移狀態(tài)，經(jīng)過反復(fù)的驗(yàn)證井下數(shù)據(jù)反饋地層信息的準(zhǔn)確性，完善實(shí)時(shí)盯防氣侵、溢流井控風(fēng)險(xiǎn)模型，計(jì)算出氣侵嚴(yán)重時(shí)的真實(shí)ECD，可更精確地進(jìn)行密度優(yōu)化、排量調(diào)整、控壓設(shè)計(jì)等工作，以減少井漏、漏噴轉(zhuǎn)換等風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。

3.4 振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

正常施工過程中，井下振動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，隨著巖性、井深發(fā)生變化，振動(dòng)也會(huì)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。在斜井段鉆進(jìn)時(shí)，通過分析軟件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，可有效對(duì)井下有害振動(dòng)進(jìn)行識(shí)別和量化評(píng)估。巖性變化，導(dǎo)致鉆頭適應(yīng)性變差是誘發(fā)井下振動(dòng)變化的原因之一，通過地層識(shí)別，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，軟件分析，有效輔助鉆井操作，進(jìn)而采取有效措施規(guī)避，對(duì)提高鉆頭使用壽命，保護(hù)鉆具安全有重要意義。通過井下振動(dòng)監(jiān)測(cè)，結(jié)合地面—井下鉆壓變化，從而確定避免鉆柱共振事故的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)速閾值區(qū)間，實(shí)現(xiàn)鉆具故障風(fēng)險(xiǎn)管控。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：威X井須家河地層后期較前期振動(dòng)值波動(dòng)小，同等滑動(dòng)進(jìn)尺情況下，振動(dòng)小的后期地層造斜率明顯提升，可達(dá)到4°/30 m以上。振動(dòng)變化時(shí)，可對(duì)滑動(dòng)效果產(chǎn)生影響見圖4。

圖4 振動(dòng)數(shù)據(jù)變化

結(jié)合鉆時(shí)數(shù)據(jù)觀察，振動(dòng)數(shù)據(jù)變化，影響鉆時(shí)偏慢，表明鉆頭破巖效果降低。井下徑向振動(dòng)波動(dòng)明顯，如果長(zhǎng)時(shí)間不恢復(fù)，鉆具反復(fù)碰撞井壁，極易引起井壁不穩(wěn)。結(jié)合地面托壓、跳鉆和蹩鉆判斷，能有效反應(yīng)鉆具在井下的真實(shí)狀態(tài)。振動(dòng)值監(jiān)測(cè)正常范圍內(nèi)時(shí)，也可適當(dāng)提高鉆壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以提高機(jī)械鉆速。

4 結(jié)論

(1)利用環(huán)空壓力數(shù)據(jù)變化，建立井下風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別因子，可對(duì)井下發(fā)生氣侵進(jìn)行預(yù)判。

(2)實(shí)時(shí)鉆壓數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，可預(yù)判井下真實(shí)工作動(dòng)態(tài)，提高機(jī)械鉆速。利用橫、縱向振動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)井下工具工作狀態(tài)，識(shí)別鉆具疲勞風(fēng)險(xiǎn)。

(3)通過地面—井下數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析，為井下工具效果評(píng)價(jià)帶來有效技術(shù)措施，減少井下鉆井風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，參數(shù)測(cè)量與模型計(jì)算相互印證，逐漸形成地面—井下數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)性。