地层压力随钻测量原理样机研制

地层压力随钻测量原理样机研制郑俊华;钱德儒;王磊;宗艳波;王强【摘要】地层压力是钻井工程所需的重要参数.随钻测量地层压力精度高,根据该数据可提高钻井效率,降低钻井风险.通过三维可视化虚拟设计及插装式液压元件集成设计等方法,解决了高输出压力微型液压系统研发等关键技术,研制了地层压力随钻测量原理样机.建立了井下环境模拟实验装置,通过对比实验装置预设值与测量短节测量值,验证了样机测量原理的正确性.在模拟井内考察了原理样机整机工作稳定性,从指令下发、仪器启动、探头坐封到抽吸流体等一系列动作准确无误,样机各功能短节匹配合理.原理样机的研制成功为工程样机的研发奠定了技术基础.%Formation pressures are key parameters in drilling engineering.With high accuracy, MWD formation pressures can be used to enhance drilling efficiency and minimize drilling risk.By using 3D visual virtual design and integral design of plug-and-play hydraulic elements, key techniques have been developed for miniature hydraulic systems with high output pressures.In fact, prototypes for MWD of formation pressures have been developed.In addition, testing apparatus for simulation of downhole environments have been constructed.By comparing pre-set values with measured values in measuring subs, accuracy of such prototypes can be verified.Reliability of such prototypes have been reviewed in the simulation well as well.Test results show these prototypes can perform a series of actions, from order issuing, instrument start-up, seating of sensors to suction of relevant fluids, accurately.At the same time, various functional subs cooperated well with each other.Successful development of suchprototypes may provide reliable foundation for research and development of engineering prototypes in future.【期刊名称】《特种油气藏》【年(卷),期】2017(024)002【总页数】5页(P170-174)【关键词】地层压力;随钻测量;原理样机;测量短节;液压系统;电源短节;信号传输模块【作者】郑俊华;钱德儒;王磊;宗艳波;王强【作者单位】中国石化石油工程技术研究院,北京 100101;中国石化石油工程技术研究院,北京 100101;中国石化石油工程技术研究院,北京 100101;中国石化石油工程技术研究院,北京 100101;中国航天科技集团公司烽火机械厂,四川成都 611130【正文语种】中文【中图分类】TE928随着油田的深入开发，地层压力异常现象频繁出现。

地层压力随钻测量技术可实时测量地层压力数据，掌握复杂断块油藏多元注采情况下地层压力异常状况，实现复杂地层压力条件下调整井优快钻井。

为验证地层压力随钻测量原理的正确性与适用性，研制了原理样机[1-3]，并进行了室内评价。

地层压力随钻测量原理样机由测量短节、电源短节、信号传输模块、地面信号处理模块等部分组成。

测量短节可测量地层压力、环空压力、管柱压力、井底温度等参数。

测量数据通过信号传输模块实时上传地面，信号传输采用电磁波传输方式，数据传输速率高，满足测量短节大容量数据传输要求。

地面信号处理模块接收电磁信号并分析处理，还原井下测量数据。

电源短节采用高温电池组向测量短节供电，与井下涡轮发电相比，可在停泵模式下测量地层压力，井内压力无波动，对地层压力测量干扰小[4-5]。

原理样机技术参数如下。

(1) 规格参数。

仪器外径为Ø178 mm，长度为10 m。

(2) 测量参数。

地层压力、环空压力、管柱压力测量范围为0～100 MPa，测量精度为±0.1 MPa；温度传感器测量范围为-25～150 ℃，测量精度为±1 ℃。

(3) 工作参数。

耐压不小于100 MPa；耐温为125 ℃；抗扭不小于30 kN·m，抗压不小于100 kN，抗拉不小于200 kN。

2.1 机电液一体化测量短节2.1.1 系统组成机电液一体化测量短节融合机械、电子、液压3种技术[6-9]，是原理样机关键功能短节。

机电液一体化测量短节主要由液压系统、电气控制模块、数据采集模块、测量探头、地层流体抽吸模块等部分组成(图1)。

2.1.2 测量原理地层压力测试原理见图2。

钻进过程中，井下仪器实时监测环空压力phydr1。

钻进至目的层后，测量短节接收地面启动指令开始工作。

电机驱动液压系统将探头推靠至井壁形成密封。

由于探头端部密封垫被挤压变形，其腔体内压力微增至pdd，说明探头与井壁密封良好。

地层流体测试模块通过探头抽吸一定体积地层流体，在测量短节与地层之间建立起压力联系。

抽吸完成后地层流体测试模块腔体压力降低至最低点pfu。

在压差作用下地层流体通过探头向测试腔体内流动，形成压力逐渐恢复的过程。

当测试腔体内压力与地层压力平衡时地层流体停止流动，此时测试腔体内的压力pstop就是地层压力。

数据采集模块实时记录测试腔体内压力变化。

测试结束后，液压系统驱动探头复位，与井壁解封。

测试腔体与环空再次连通，其内部压力由地层压力pstop增长为环空压力phydr2(phydr1=phydr2)。

2.1.3 主要工作系统(1) 液压系统。

微型液压系统是测量短节核心模块，起到驱动探头坐封、抽吸地层流体的作用。

为保证探头密封效果与抽吸能力，对液压系统输出压力有较高要求。

以使用最少的液压元件及管线，实现探头推靠、抽吸流体等基本测量动作为目标设计了液压系统，达到小体积输出高压力的目的[10-17]。

液压系统主要由电机、微型液压泵、微型溢流阀、微型电磁阀等部件组成(图3)。

微型液压系统在井下主要包含3个工序：①探头推靠。

仪器接收到地面下传指令后启动液压系统，电机带动液压泵开始运转，电磁阀6处于左位，电磁阀7打开，电磁阀5关闭，高压油将探头与推靠臂从仪器内推出，探头与井壁形成密封。

②抽吸流体。

电磁阀7关闭，电磁阀5打开，高压流体进入地层流体抽吸腔，推动抽吸活塞抽吸地层流体。

电磁阀5可控制仪器多次抽吸地层流体。

③探头复位。

地层压力恢复平衡后，电磁阀6处于右位，电磁阀5和7打开，高压流体进入探头、推靠臂及抽吸活塞复位腔，地层流体经探头排至环空，准备下一次测量。

(2) 电控系统。

电控系统主要由电机控制板、数据采集板、电源及电源监测模块等组成。

电机控制板、数据采集板与信号传输模块采用RS485通讯协议，信号传输模块为主控节点，数据采集板和电机控制板为从节点。

数据采集板和电机控制板之间采用CAN总线通讯，实现指令传递和数据交互。

信号传输模块负责下传地面控制指令与上传测量数据。

电机控制板控制200 W电机转速及电磁阀开闭逻辑。

数据采集板根据信号传输模块中转的地面下传指令进行地层压力等数据采集、存储和管理，并向液压系统发送启动命令。

数据采集板存储容量为256 M，满足大量测量数据存储要求[18-20]。

2.2 电源短节电源短节由本体、抗压筒、电池组、电池组骨架、电气接口等部分组成(图4)。

电源短节向测量短节供电，为液压系统提供48 V电压电源，为其他电子模块提供24 V电压控制电源。

其中48 V电压电源放电电流为6 A，24 V电压控制电源放电电流为4 A。

电源短节可向测量短节提供测量120个点的电量。

供电单元由高温锂电池组成，与井下涡轮发电相比，机械结构简单，输出电压及电流波动小，有利于测量短节液压及电子系统稳定工作，也可停泵测量地层压力，避免钻井液循环引起的压力波动影响地层压力测量。

电池组内设计了防短路、防反向充电电路，提高了工作安全性。

2.3 信号双向传输模块信号双向传输模块由钻杆天线、绝缘耦合组件、发射机、电源等部分组成(图5)。

该模块具有下发控制指令及上传测量数据2种功能。

通过开停泥浆泵形成的压力波动组合，井下仪器检测环空压力与管柱压力变化，将数据发送给信号传输模块，经分析、计算形成控制指令，启动测量短节。

仪器测量的井下参数多，为更准确地描述地层压力测试曲线，通过信号传输模块上传至地面的数据量较大。

使用电磁波传输数据，最高速率可达到12 bit/s，满足大容量数据传输要求[21]。

3.1 测量短节测试为验证测量短节功能，设计了井下环境模拟实验装置，由模拟井筒、地层压力、环空压力、地层岩心及井底温度模拟模块等部分组成(图6)。

该装置可模拟70 MPa的地层压力、环空压力及125 ℃井底温度。

在模拟井筒外侧壁上设计了地层岩心模拟模块，其内有可更换的岩心，模拟不同岩性与渗透率的地层。

该模块一端与地层压力模拟模块相连，另一端连接模拟井筒内壁，在模拟地层压力作用下，流体介质可以通过岩心向模拟井筒内渗透，模拟地层流体渗流过程[22-24]。

实验时将测量短节密封进模拟井筒，探头伸出后坐封在地层岩心模拟模块一端，进行地层压力测试实验。

将模拟实验装置环空压力设置为9.5 MPa，地层压力设置为8.5 MPa，选用渗透率为320×10-3μm2的岩心。

实验过程中，测量短节测得环空压力为10.0 MPa，地层压力为9.0 MPa，测试曲线如图7所示。

由图7可知：测试过程中形成了压力降及压力恢复的过程，压力平衡后恢复至地层压力，通过对比模拟实验装置预设值与测量短节实测值，测量数据具有较高准确度。

该曲线特征与图2所示理想测试曲线主要特征一致，说明样机测量原理正确[25-35]。