随钻井斜监测预警系统研究.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷第 3期 石 油机械 CHI NA PE TROLE UM MACHI NERY ． 一 新产品开发 随钻 井斜监测预警 系统研 究 于小 波杨超 大 庆 钻探 工 程 公 司钻 井 工程 技 术研 究 院 摘 要 针 对 目前 油 田所 用 的测 斜仪 已不 能 完全 满 足 深 井钻 井工 艺 要 求 的问题 ，研 制 了随 钻 井 斜监测预警 系统。该系统包括井斜测量工具和地面接收仪器 2大部分 ，可根据不 同井深的井斜角 度要求进行随钻监测，对井斜角度起到预警作用。该 系统 中的井斜测量工具为机械液压 式结构 ， 结构简单，适用性强，可降低测斜强度，提高测斜的工作效率 ，缩短钻 井周期。试验及应用表 明， 该系统能够实现随钻测斜，耐高温且安全可靠，对 降低 测斜工作强度 、提高井身质量和 降低钻井 成 本等 有着 十分 显著 的效果 。 关键词机械测斜 随钻监测 井斜测量预警 0 引 言 目前随钻测斜技术 中，应用较为广泛的是电子 单点测斜仪和照相单点测斜仪 J ，这 2种测斜仪均 存在一定缺陷 ，如操作复杂 ，测量井斜时间长，耐 温最高只能承受 1 2 0。 c，不能随钻测量 ，在易斜区 块如需频繁测量井斜时增加作业周期 和作业风险。 机械式无线随钻测斜技术 工艺操作简单 ，不受 井底温度和井深影响 ，因此在直井 ，特别是在深井 和超深井 中应用前景广阔。 国外在机械式无线随钻测斜技术方面的研究从 2 0世纪 6 0年代末就开始，7 0年代末 已商业化 ，并 开始在现场推广应用。我同 1 9 8 6年地质矿产部华东 石油地质局 就 已经 完成 了 自调式 机 械式 测斜 仪 的设 计 ；胜利石油管理局钻井工艺研究院从 2 0 0 3年开始 研究机械式无线随钻测斜技术 ，并于 2 0 0 4年研制成 功机械式无线随钻测斜仪，目前已在现场推广应用。 针对 目前所用 的测斜仪已不能完全满足深井钻 井工艺要求 的问题 ，大庆钻井 工程技术研究 院于 2 0 0 7年开始研究并开发出随钻井斜监测预警系统 。 试验及应用表明 ，该系统能够实现随钻测斜 ，耐温 高且安全可靠 ，对降低测斜工作强度 、提高井身质 量和降低钻井成本等有着十分显著的效果 。 1 随钻 井斜监 测预警 系统研发 随钻井斜监测预警系统包括井斜测量工具和地 面接收仪器 2大部分 ，可根据不 同井深 的不同井斜 角度要求进行随钻监测 ，对井斜角度起到预警作用。 1 ． 1 井斜 测 量工 具 1 ． 1 ． 1 结 构 井斜测量工具主要包括脉冲发生 器、脉冲头、 重锤 、阶梯环和本体等零部件 ，结构如图 1 所示。 图 1 井 斜 测 量 工具 结 构 示 意 图 1 一 上接头 ；2 ～ 脉冲发生器 ；3 一 活塞杆 ；4 一悬挂 ；5 一重锤 ；6 一油缸 ；7 一阶梯环 ；8 一 弹簧 ；9 ～ 本体。 1 ． 1 ． 2 工作 原理 井斜测量工具是基于重锤在重力作用下处于铅 垂状态的原理 ，当井斜时重锤与测斜装置中心线之 间的夹角 即为井斜角。当阶梯环受弹簧作用上行 ， 将重锤卡在阶梯环上 ，不同井斜重锤卡在阶梯环的 位置不同 ，使阶梯环上行距离不同，推动相应体积 的液压油到 上油 缸使脉 冲头上行 ，当打开钻井泵 时，脉冲头在钻井液作用下向下运动 ，经过不同数 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 3期 量的节流环产生脉冲波 ，通过脉冲波的数量来推断 井斜的大小。 由于大庆油田内部井深多在 1 2 0 0 m左右 ，要 求井斜角度控制在 3 。 以内，所 以 目前 阶梯环环槽 设计井斜角度范围为0～1 。 、1～ 3 。 、3 。 以上 ，在设 计 中，当井斜角度在 0～1 。 时 ，脉冲头将经过 3个 节流环 ，产生具有 3个波峰的脉冲波形 ，如图 2所 示 。当井斜角度在 13 。 之间时 ，脉 冲头将 经过 2 个节流环，产生具有 2个波峰的脉冲波形 ，如图 3 所示。当井斜 角度在 3 。 以上时 ，脉冲头经过一个 节流环 ，产 生具有一个波 峰 的脉冲波形 ，如图 4 所 示 。 图2井斜 角度在 0～1 。 脉冲波形 图 22 3 6 5{ 4 7 8 9 2 1 8 I 2 8 l 48 1 】 2 0 8 2 2 8 2 4 8 【11』 Iiq ／ s 图3 井斜 角度在 1～ 3 。 脉冲波形图 1 个 波 岬 r 0 ．。j 鳓篮 ； ，．， I。’ ’] lIt I iJ ／ s 图4井斜角度在 3 。 以上脉冲波形 图 脉冲波的接收由地面接收仪器来完成 ，测量人 员可以通过地面接收仪器直观监测井斜信息，1 个 波峰波形代表井斜超标；2个波峰波形代表井斜接 近井斜角度要求 ，起到预警作用 ，应采取措施进行 纠斜 、降斜 ；3个波峰波形代表井斜最小 ，可正常 钻进 。 1 ． 1 ． 3 主要技 术 参数 适用井眼尺寸 i2 1 5 ． 9 1 T i m； 工具尺寸 1 7 8 ml Y l 2 0 1 7 m m； 工具 质量 3 0 0 ． 4 1 k g ； 井斜预警范围 0～l 。 、1～ 3 。 、3 。 以上。 1 ． 2 地面接 收仪器 压 力 波动监 测仪 地面接收仪器 由压 力变送器 、压力 分析仪 和 P C机组成 。压力变送器 的压力传感器将钻井 液脉 冲信号转换成电信号 ，通过电缆或无线传输到压力 分析仪。压力分析仪接收到信号后 ，自动地进行数 模转换 、降噪和滤波等处理 ，脉冲波形可由 1 台热 敏微型打印机打印。 地面接收仪器组成如图 5所示。 丽 雨 面 蝼 压力传感器 皇 堕兰 i 塑 堡垦 歪 些堡 压力 分析仪 降噪 、滤 波处理 ，带微 型打印 机 图5地 面接收仪 器组成框 图 2 系统工艺流程及关键技 术 2 ． 1 工 艺流程 钻井作业施工 开钻前 ，为准确测得井斜信息 ， 需将井斜测量 工具直接连接在钻头上方 。当开泵 时，井斜测量工具中测斜机构 0 得的井斜信息传递 给控制机构 ，控制机构将井斜信息转换 为控 制信 息 ，控制脉冲发生器产生脉冲信号 ，脉冲信号通过 钻井液传递到地面 ，钻井液立管上 的传感 器检 测到压力脉冲信号并由地面接收仪器存储打印 ，并 根据脉冲信号的数量来分析判断出井斜范围，以采 取相应的防范措施 ，达到预警的 目的。 2 ． 2关 键技术 2 ． 2 ． 1 井斜信 号 的产生 与捕 捉 2 0 1 1年 第 3 9卷 第 3期 于小波等随钻井斜监 测预警 系统研 究 随钻井斜预警系统测得的井斜信息南设计的重 锤 、阶梯环及脉 冲发生器产生 ，工具 内部靠液压油 来传递定位井斜信息 。在地面可以通过压力波动监 测仪器对钻井液立管压力变化进行记录 ，从而获得 能够反映井斜信息的脉冲信号。 2 ． 2 ． 2 井斜 测量 工 具的稳 定 性 钻井过程中井下综合工况恶劣 ，机械式随钻测 斜工具的稳定性非常关键 。工具 内部有很多运动部 件 ，在工具内部设计充满液压油可以减轻各零件之 间的磨损 ，同时液压油还有减振 、阻尼的功能 ，这 样既保证 了工具正常工作 ，又延长 了其使用寿命 。 3 现场应用 在经过大量的地面调试和地面试验后 ，又多次 对井斜测量工具的稳定性 、寿命及阻尼单元进行 了 改进完善 ，于 2 0 0 8年 8月在大庆油 田采油八厂芳 1 6 87 0井 、太东 6 4 8 6井对 随钻井斜监测预警 系统进行 了应用 。2 0 1 0年 8月在海 拉尔霍 3一X 4 井也进行 了现场应用 ，现场应用数据波形如图 6和 图 7所示 。 从波形图中可以明显看出 ，判断井斜信息的脉 图 6 太 东 一8 6井现场 波形 图 图 7 海拉 尔霍 3一X 4井现 场 波 形 图 冲波形显示 ，测量井斜 范同与井 队 自测井斜相符 ， 证 明了随 钻井 斜监 测 预警 系统 的有 效性 ，能为 井 队 采取相应措施起到预警参考作用 ，应用效果 良好。 在现场应用过程 中，摸索和总结 出影 响脉冲波形显 示效果的关键因素为钻井泵排量控制 、工具内部阻 尼的合理匹配以及地面接收仪器采集频率等。现场 应用还为随钻井斜监测预警系统项 目今后的延伸开 展 奠定 了基 础 。 4 结 论 1 随钻井斜监 测预警 系统 中井斜测量工具 为机械液压式结构 ，结构简单 ，适用性强 ； 2 该 系统可随钻 测量井斜 ，在正 常钻井接 单根前停泵 、开泵即可测量 ，工艺简单 ； 3 随钻井斜监测预警系统可降低测斜强度 ， 提高测斜工作效率 ，缩短钻井周期 。 参考文献 [ 1 ] 桂德 洙 ．浅谈 钻井 测 斜 仪[ J ] ．石 油 钻 采 T 艺 ， 1 9 9 9．2 1 54 5～4 9 ． [ 2 ] 蔡 文军 ，王平 ，翟军 威 ，等 ．机械 式无线 随钻 测 斜 仪 及 其 应 用[ J ]．石 油 钻 探 技 术 ，2 0 0 5，3 3 1 3 94 0 ． [ 3 ] 马哲 ，杨锦舟 ，赵金 海 ．无 线 随钻测量 技术 的应 用现状与发展 趋势 [ J ]．石油钻探 技术 ，2 0 0 7 ，3 5 61 1 21 1 5 ． [ 4 ] 刘修善，苏义脑 ．泥浆脉 冲信号的传输速度研究 [ J ]． 石 油钻探技术 ，2 0 0 0 ，2 8 5 2 4～ 2 6 ． 第一作者简介 于小 波 ，高级工 程 师 ，生 于 1 9 7 5年 ， 1 9 9 8年毕业于黑龙江 商学 院机 械设计 与制 造专业 ，现从 事 钻井机械研究工作。地址 1 6 3 4 1 3 黑龙江省大庆市。电 话 0 4 5 9 4 8 9 3 6 7 4 。Em a i l y u x b 0 0 1 c n p c ． t o n i ． c n 。 收稿 日期 2 0 1 01 0 1 1 本文编辑赵连禄