钻井工程中随钻地层压力监测技术的应用
精细控压钻井技术创新及应用探讨
精细控压钻井技术创新及应用探讨摘要：精细控压钻井技术在复杂地层中的应用能有效提升钻井质量和安全性。
本文主要是从精细控压钻井技术的意义出发，分析其原理和涉及到的设备，探讨创新的方向及应用，努力提升精细控压钻井水平。
关键词：钻井;压力控制;回压随着油气资源开发深入，逐步向复杂压力地层和深部开发，增加了作业难度，高效低成本的开发就成为当前研究的重点。
在高压、高温的特殊地层中极容易出现溢漏坍塌等情况，钻井施工过程中可能遇到窄窗口和溢漏同存的复杂情况，这就需要创新钻井技术来解决这些难题，主要从精细控压钻井工艺、工况模拟装置和系统评价方法、欠平衡控压钻井工艺以及控压钻井方法方面加大研究。
1精细控压钻井技术意义精细控压钻井技术是国外较先进的前沿钻井技术，在复杂井下情况、压力敏感地层的钻探过程中发挥良好作用，国内西部复杂超深井中普遍存在容易漏失和坍塌薄弱地层、长井段同一壓力系统、窄密度地层层情况，东部油田深海油藏和枯竭油气层钻井中都有很好的应用，这就要求国内从业人员和研究人员加大研究力度，从实际出发，组建创新团队来公关相关技术难题。
2精细控压钻井技术分析控制压力钻井是对钻井工艺进行改善和优化，通过特殊工艺和地面设备来增加井口回压，对井筒环空压力剖面进行精准控制，以此来保证井底压力的可控性。
井底压力保持稳定的原则是控制回压，可通过可能侵入地层流体的性质以及井筒内进入地层流体的量来调整，如果地层酸性气体较多或是较大产气量的情况，可对回压进行适当调整，针对性提升施加压力。
在窄窗口地层中，通过回压控制钻井时，钻井液当量循环密度影符合以下规律：P l>ph> pp> Pe> Pe其p。
为地层坍塌压力当量密度;中、pe、为环空循环压耗、流体柱压力折算得到的当量密度;ph为井口施加回压、环空循环压耗以及液体柱压力和折算得到的当量密度;pp、p1分别为地层漏失压力当量密度和孔隙压力当量密度。
配套的装备是保证实施精细控压钻井的基础，也是工艺实施的关键，以哈里伯顿的精细MPD系统为例，其控压钻井关键装备包括旋转控制装置、回压控制系统、数据采集传递接收系统以及压力闭环控制系统。
随钻测量
这种系统有几个优点：
（1）数据传输速度快，载波信息量大；
（2）受泥浆介质和水泵特性的影响小，即使在提下钻过程中也能检测数据。
(1)电传导(硬导线系统)
(2)电磁发射；
(3)地震(声)波；
(4)钻井液压力脉冲。
直到1960年，这些遥测系统的研究主要是为了随钻测井。定向井的日益增加，特别是花费高昂的近海地区，刺激了人们去开发既能处理定向测量数据又能处理地层评价数据的随钻测量系统。由于在海上平台中利用传统测量工具费用很高，人们不久就认识到使用定向随钻测量仪器更具有商业潜力。起初的MWD系统就只提供定向数据，紧接着就有了可以附加测量钻井参数和地层数据的另外—些工具。尽管有关其它3种遥测方法的研究还在继续着，但迄今为止却只有这些依靠钻井液压力脉冲的MWD系统在技术上和经济上是成熟的。
第二节
信号发射器和地面的信号接收、处理设备一起构成了钻井液压力脉冲式MWD信号传输系统。现有的钻井液脉冲传输系统的主要区别是采用哪种处理方法来传送数据。目前使用的钻井液压力脉冲式MWD主要采用三种方式在井底将数据编码、信号传输和在地面上译码，这三种钻井液脉冲传输方式井内仪器执行元件控制。
(1)坚固可靠的传感器，可在钻进动态条件下在钻头处或钻头附近测量需要的数据；
(2)将资料传送到地面的方法简单有效；
(3)可以方便地在任何钻机上安装并操作的系统，对正常钻进作业影响不大；
(4)成本合理，并能给作业者带来效益。
为开发满足这些要求的系统，人们作过多次尝试。主要问题是井下和地面之间的遥测传输系统。从1930年到1960年，人们研究了4种不同的遥测系统：
钻井新技术及发展方向分析
钻井新技术及发展方向分析1 钻井技术新进展1.1石油钻机钻机是实现钻井目的最直接的装备,也直接关系到钻井技术进步。
近年来,国外石油钻机能力不断增强,自动化配套进一步完善,使钻机具备更健康、安全、环保的功能,并朝着不断满足石油工程需要的方向发展。
主要进展有:(1) 采用模块化结构设计,套装式井架,减少钻机的占地面积,提高钻机移运性能,降低搬家安装费用。
(2) 高性能的“机、电、液”一体化技术促进石油钻机的功能进一步完善。
(3) 采用套管和钻杆自动传送、自动排放、铁钻工和自动送钻等自动化工具,提高钻机的智能化水平,为提高劳动生产率创造条件。
1.2随钻测量技术1.2.1随钻测量与随钻测井技术21 世纪以来, 随钻测量(MWD) 和随钻测井(LWD) 技术处于强势发展之中,系列不断完善,其测量参数已逐步增加到近20种钻井工程和地层参数,仪器距离钻头越来越近。
与前几年的技术相比,目前,近钻头传感器离钻头只有0.5～2 m 的距离,可靠性高,稳定性强,可更好地评价油、气、水层,实时提供决策信息,有助于避免井下复杂情况的发生,引导井眼沿着最佳轨迹穿过油气层。
由于该技术的市场价值大,世界范围内有几十家公司参与市场竞争,其中斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯3 家公司处于领先地位。
1.2.2电磁波传输式随钻测量技术为适应气体钻井、泡沫钻井和控压钻井等新技术快速发展的需要,电磁波传输MWD(elect romagnetic MWD tool s ,EM MWD) 技术研究与应用已有很大进展,测量深度已经达到41420 km。
1.2.3随钻井底环空压力测量技术为适应欠平衡钻井监测井筒与储层之间负压差的需要,哈里伯顿、斯伦贝谢和威德福等公司研制出了随钻井底环空压力测量仪（annular pressure measurement while drilling, APWD) ,在钻井过程中可以实时测量井底环空压力,通过MWD 或EMMWD 实时将数据传送到地面,指导欠平衡钻井作业。
随钻测井及地质导向钻井技术
泥浆
立管压力
叶片连续转动，波形连续变化
时间
二、随钻测量技术
随钻测井及地质导向钻井技术
报告提纲
一、地质导向钻井技术概述 二、随钻测量技术 三、LWD地质导向仪器 四、地质导向技术应用实例 五、结论与认识
一、地质导向钻井技术概述
按照预先设计的井眼轨道钻井。
任务是对钻井设计井眼轨道负责，使
实钻轨迹尽量靠近设计轨道，以保证
现
几何导向
井眼准确钻入设计靶区。（由于地质
（2）井口设备：进行随钻测量时, 必须要用电缆把探管送至井下, 并通 过电缆给井下仪器供电, 同时把井下探管测量到的那些数据信息输送到地面 计算机。另外, 随钻测量时井下采用动力钻具, 循环泥浆。因此, 井口设备 完成两个功能: I.电缆密封；Ⅱ.保证泥浆正常循环。
二、随钻测量技术
2、MWD技术
MWD（Measurement While Drilling）无线随钻测量仪，是对 定向井、水平井井眼轨迹随钻监测并指导完成井眼轨迹控制的测量 仪器。 MWD无线随钻测量仪器在油田勘探开发各个阶段中，为高难 度定向井、水平井、大位移井、分支井提供高精度导向测量。同时 由于实时无电缆传输的优势，满足了滑动钻井和旋转钻井的要求， 为各种井型提供高效率的井下工程及地质数据传输，从而大幅度地 提高钻井效率和降低整体钻井成本。并为后续多地质参数的测量提 供了挂接条件和数据结构平台，使随钻测井进而实现地质导向成为 可能。
二、随钻测量技术
1、有线随钻测量技术
探管工作原理
探管坐标系及参数定义 井斜角（INC）：井眼轴线上任一点的井眼切线方向线，与通过该点的重 力线之间的夹角。
G2 INCarctg X
GY2
GZ
地层孔隙压力检测预测技术
异常地层孔隙压力定量确定技术
樊洪海
2006 年11月17日
二、异常高压的形成机制与分类
1、不平衡压实作用
①沉积速率；②孔隙空间减小速率；③地层渗透率的大小；④流体排出情况; 平衡压实形成正常压力，平衡压实形成异常高压。
快速沉积是造成不平衡压实的主要原因之一，由于沉积速率过快，造成沉积颗粒排列不规则(没有足够的时间)，排水能力减弱，继续增加的上覆沉积载荷部分由孔隙流体承担，形成异常高压，同时造成地层的欠压实。
原始加载曲线关系卸载曲线关系沉积压实过程力学关系
3. 存在的问题：
◆dc的求法:钻头磨损（牙齿磨损、轴承磨损）、水力因素等影响不易消除；
◆正常趋势确定：非直线
◆Eaton指数确定
◆仅限于泥岩使用
正常压实地层：式中：Δt: h 处的时差，us/m.
Δt 0: 地表时差，us/m.
c —系数。
若将上式在半对数坐标(Δt 为对数、h 为常规坐标),则Δt 与h 成直线。
在非正常压实地层：Δt 偏离(大于)正常趋势线，意味着高压地层。
2．算法：
c 、确定正常趋势线（选泥岩声波时差）
d 、定性判断异常高压
e 、定量计算。
ch
e t t −Δ=Δ0。
斯伦贝谢水平井随钻测井地质导向技术介绍
?proVISION 随钻核磁共 振
?sonicVISION 随钻声波
?seismicVISION 随钻地
震
geoVISION 侧向电阻率
? 适用于高导电性泥浆环境 ? 提供包括钻头，环形电极以及3 个方位聚焦纽扣电极的电阻率 ? 高分辨率侧向测井减小了邻层的影响 ? 钻头电阻率提供实时下套管和取心点的选择 ? 三个方位纽扣电极提供三种深度的微电阻率随钻成像，可解决复
10 5/8” Bit Size
9 7/8”-8 ? ” Bit Sizes
6 ? ”-5 3/4” Bit Sizes
26”-17 ? ”Bit Sizes
14 ? ”- 12 ?” Bit Sizes
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碳酸岩）评价, 裂缝宽度和渗透性评估Stoneley
?快速横波用于分析岩石机械特性
?随钻测井技术_Scope 系列
?EcoScope 多功能随钻测井
?StethoScope 随钻地层压力测 量
? PeriScope15 随钻方位性地层边界测量
?MicroScope 微电阻率成像
EcoScope – 多功能随钻测井
?钻井优化技术_旋转导向系统
更平滑的轨迹，更规则的井眼，更快的速度
PowerDrive Xtra
第一代旋转导向系统 全程全部旋转 累积进尺超过一千万 英尺
PowerDrive X5
同样原理
提高工具可靠性与 钻井表现，增加近 钻头井斜、伽玛
26”-17 ? ”Bit Sizes
LWD技术简介
2.2 LWD技术简介随钻测井（LWD——Logging While Drilling）是在随钻测量（MWD——Measurement While Drilling）基础上发展起来的、用于解决水平井和多分枝井地层评价及钻井地质导向而发展起来的一项新兴的测井综合应用技术。
随钻测井和随钻测量都是在钻井过程中同步进行的测量活动，实施随钻测井和随钻测量时都必须将测量工具装在接近钻柱底部的钻铤内，。
不同的是随钻测量主要测量井斜、井斜方位、井下扭矩、钻头承重等钻井工程参数，辅以测量自然伽马、电阻率等地球物理信息，用以导向钻井；而随钻测井则以测量钻过地层的地球物理信息为主，可以在钻井的同时获得电阻率、密度、中子、声波时差、井径、自然伽马等电缆测井所能提供的测井资料。
与MWD相比，LWD能提供更多、更丰富的地层信息。
2.2.1 L WD系统组成及工作方式随钻测井系统一般由井下仪器和井场信息处理系统两大部分组成。
前导模拟软件是井场信息处理系统的核心；井下仪器提供实时测量数据。
前导模拟软件完成大斜度井和水平井钻井设计、实时解释和现场决策，指导钻井施工。
随钻测井系统有实时数据传输方式和井下数据存储方式两种工作方式。
1）实时数据传输方式：将随钻测井仪在钻进时测量得到的信息实时传至驱动器，驱动器驱动脉冲发生器将这些信息采用特定的方式编码后传至地表压力传感器，地面信息处理与解码系统再将其转化为软件界面上可供显示或打印的数字化、图形化格式，为客户提供最终产品。
2）井下数据存储方式：将随钻测井仪器起下钻或钻进时采集到的信息存储于仪器的存储器内，待仪器的数据下载接口起至转盘面上约1.5米处，通过数据下载线将其传输到地表计算机内供处理、显示，一般可以在30min内提交处理好的数据磁盘并打印成图。
2.2.2 L WD主要功能及优点主要功能：测量井斜、方位、工具面等井眼几何参数。
随钻地质测井：采用实时和记忆方式同时进行地层参数的测量-- 电阻率、伽马、岩石密度、中子孔隙度。
电磁波无线随钻测量技术在石油钻井中的应用
电磁波无线随钻测量技术在石油钻井中的应用Ji Yuping【摘要】电磁波随钻测量技术(EMWD)具有不受循环钻井液限制,传输效率高,实时数据传输的优点,可以及时指导钻井工程.通过分析电磁波随钻测量系统SEMWD-2000B的原理及管柱结构,介绍了电磁波随钻测量技术在宝塔采油厂8160平1水平井的应用情况.结果表明,电磁波无线随钻测量技术与常规脉冲式随钻测量系统相比,具有适用范围广,对现场施工有更强的适用性和更高的生产效率.【期刊名称】《中国煤炭地质》【年(卷),期】2018(030)012【总页数】5页(P91-95)【关键词】电磁波无线随钻测量技术;石油钻井;测斜数据;测井曲线【作者】Ji Yuping【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】P631.8;TE2430 引言随着钻井工程技术水平的不断发展，欠平衡井、气体钻井和泡沫钻井等一系列工艺技术的推广使用，钻井工程对随钻测量技术的要求也在不断增高，目前国内外多采用两种随钻测量技术：泥浆脉冲随钻测量系统和电磁波随钻测量系统。
泥浆脉冲式随钻测量系统的基本工作原理是地面传感器根据事先的编码好的脉冲设计产生脉冲信号，脉冲信号高低变化引发钻井液压力的同步变化，传感器根据钻井液压力的变化解码得到井下测量参数。
因而，泥浆脉冲随钻测量系统在液体钻井液中工作稳定性较高，但对钻井液的依赖性强，对钻井液性能、泥浆泵等要求较高，且系统信号传输速率低，脉冲阀易损坏，在进行全测量时需要停泵静止钻具，数据不具有实时性等问题，大大增加了钻井工作成本及井下风险[1-5]。
20世纪80年代电磁波无线随钻测量技术(EMWD)得以推广，目前国外有Halliburton、Weatherford、Schlumberg-er 等拥有电磁波无线随钻测量技术，国内中国石油勘探开发研究院、延长油田、中国电子科技集团公司22研究所等也都对电磁波无线随钻技术进行研究。
河南豫中地质勘察工程公司于2017年从中国电子科技集团公司22研究所引入SEMWD-2000B，该产品性能稳定、操作简单，大幅度提高了钻遇率及生产效率，为石油钻井工程事业做出巨大贡献。
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钻井工程中随钻地层压力监测技术的应
用
摘要：随着渤海油田勘探向古近系和古潜山探井数量越来越多，油气藏埋藏
越来越深。
通过已钻井证实，渤海油田古近系存在地层超压井超过三分之一。
通
过对已钻地层超压井统计，多口井由于预测地层压力与实钻地层压力存在偏差，
导致井漏、井涌等工程复杂情况发生，从而导致钻井工期延长，油层污染，甚至
单井报废等严重后果，不仅影响勘探进程，而且造成了极大的经济损失。
前人利
用两级串联筛选超压分类方法，将渤海油田古近系超压分为单纯欠压实型、欠压
实主导型、生烃主导型和流体传导型４类，并分析了古近系超压分布特征，指导
区域地层压力预测工作。
但是随着勘探的深入，发现钻前地层压力的预测基于地
震和邻井录测井资料，受资料的精度等多因素影响，单凭经验或已钻井资料预测
地层超压的精度和准确度不够，无法为现场钻井作业提供精准指导。
因此，地层
压力的随钻监测对钻井过程指导意义重大。
关键词：钻井工程；随钻地层；压力监测技术
引言
地层压力确定关系到油气钻探过程中钻井液密度的选择及井身结构设计，在
实践中，因地层压力预测不准确而引发井下事故，因井身结构及钻进设备不适应
地层高压而影响工程作业的情形时有发生。
川西地区深层油井平均井深较大，井
眼地质情况复杂，异常高压，且地层裂隙多，断裂发育，易发生破碎坍塌，井喷、井涌、卡钻等井下事故出现频繁。
为此，必须采取恰当的技术加强随钻地层压力
监测，为预测异常地层压力及加强钻井液密度设计提供科学指导。
1地层压力
钻井钻至储集层后，砂岩骨架局部被破坏，可能产生裂缝，使储集层抗剪强
度降低，更容易出砂。
而储气库需在短时间内大排量高速开采，地层压力下降导
致岩石所承载的应力增大，超过岩石抗拉强度时，岩石骨架会被破坏而引起出砂，导致水平井调峰能力降低。
2地层异常压力成因及分布规律
通过对邻区１５口邻井的钻前地震层速度、随钻压力、钻后声波时差等资料
进行分析，结合泥岩声波速度与密度交会图板法，得到了该区域的地层超压成因
和纵向分布规律。
从泥岩声波速度与密度交会图上分析，认为由欠压实形成的异
常压力与正常压力均落入加载曲线上，而由其他成因形成的超压则位于加载曲线
之外。
将地层压力系数、声波速度、地化录井的Ｐｇ（热解产油气潜量）三个参
数建立纵向随深度变化图，发现旅大Ｍ构造东二上段地层，泥岩声波速度正常压
实趋势，地层压力为常压；东二下段泥岩声波速度开始降低，地层压力缓慢升高；东三段之后泥岩声波速度未发生明显变化，但是地层压力明显升高，此时对应的
地化录井Ｐｇ值明显上升，结合泥岩声波速度与密度交会图，证明东三段及以下
地层超压原因主要由泥岩生烃引起。
通过分析发现，研究区垂向上地层异常压力
成因具复合成因特点，从上到下由欠压实主导转变为生烃作用主导，并且研究区
异常压力发育在垂向上具有一致性，东二上段及以上地层为正常压力，东二下段
地层为欠压实主导，深度从３０００ｍ开始，属于地层压力过渡段，地层压力系
数介于１．０～１．２之间，东三段地层为生烃主导型，地层深度从３３００ｍ
开始，属于快速起压段，地层压力系数由１．２快速上升至１．４左右。
3随钻地层压力监测
3.1Sigma监测法
该方法主要根据岩石破碎程度及钻速进行地层压力随钻监测，且通常不考虑
岩性，受钻头及地层因素影响也较小。
对于常规地层，随井深增大其岩石强度随
之增加，而对于压力过渡带地层，随井深增大后岩石强度会偏离正常变化趋势并
出现降低的特征。
根据以上原理，通过构建正常地层压力下岩石强度变动趋势线，以进行随钻压力监测分析。
具体而言，在求出地层岩石总硬度、钻井液柱和地层
压力间的压差、钻时、井深对岩石强度的影响程度、岩屑对岩石强度的影响系数
等参数的基础上，进行地层压力当量钻井液密度计算。
以上两种方法中，前者主
要进行泥页岩地层压力预测，且测算过程和结果主要受到岩性及钻井参数较大影响；而后者并不受以上因素的影响，在具体应用时，必须根据预测精度要求选择
适用性强的监测技术。
3.2管线压力监测
在仿真过程中，部分油液管路会出现负压现象。
分析其流量走向可知，由于
支撑臂在作动过程中流量走向不稳定，导致过滤阀有杆腔侧部分油液通过单向阀
组20流入支撑臂管路部分。
负压会造成油液中气体析出，气泡的高速破裂及弹
性模量降低会引发过滤阀在探针筒中的异常抖动，加剧配合表面磨损。
此外，负
压意味着局部油液缺失，易造成过滤阀内配合表面快速磨损，最终演变为内泄漏
严重。
面对预期外的油液走向，可将单向阀组中单向阀(上侧)替换为预压力较小
的弹簧式单向阀，目的是保证即使在其他执行元件浮动时，过滤阀有杆腔侧油液
无法建立足够压力打开单向阀组。
系统中憋压现象会导致元件及其连通管路产生
严重泄漏，引发异常工况。
如图7预测试室15有杆腔侧回油管路被电磁换向阀
12隔断，导致油路压力局部上升直至活塞两侧作用力稳定，造成其活塞发生往复
抖动。
此外，反复憋压会大大降低元器件寿命，不利于液压系统长期服役，尤其
应用于极端井下环境。
针对憋压现象，本研究对FDT工作状态切换逻辑进行调整，不仅可以有效避免憋压现象，也精简井下操作逻辑，提高测井效率。
3.3dc指数法
该监测方法主要利用机械钻速受泥页岩压差的影响进行地层实际压力检测。
钻头直径、类型、水眼尺寸、磨损程度、钻速及钻压、钻井液类型等参数均影响
dc指数法的应用及监测结果，在测算过程中，必须充分重视以上参数取值。
应用
该方法进行地层压力监测的关键在于构建准确的地层压力变化趋势线。
在进入异
常压力地层前，选择连续正常沉积及压实泥岩地层对所计算出dc值进行回归分析，以得到压力趋势线所对应斜率和截距。
根据压实规律，dc值和地层压力实际
深度H之间呈指数关系。
在进行回归分析的过程中必须根据地层岩性、气体、岩
屑等情况综合判断地层压力，并通过趋势线适当平移以计算地层压力值，从而消
除非地层因素对计算结果的影响。
确定出地层压力变化趋势线后，可观察异常高
压地层所出现层位及所对应dc值偏离程度，通常情况下，dc值向左偏离趋势线
越远，则地层压力越高；dc值向右偏离趋势线越远，则地层压力越低。
在此基础上，可通过A.M.诺玛纳公式进行地层孔隙压力具体值的计算。
结束语
综上所述，本文所提出的dc指数法和Sigma监测法对于川西地区深层石油勘探开发过程中地层压力随钻监测均较为适用，可用于预测异常地层压力并进行钻井液密度设计。
结合预探井实钻数据进行了其地层压力预测和地层压力分布趋势规律的分析，预测结果与实钻情况吻合度高。
为保证预测结果精度，在计算地层压力时必须综合考虑钻井工程所在区块及邻井实钻资料，进行模型优选，并应加强对实钻过程的跟踪研究，不断修正待钻井段地层压力预测结果。
参考文献
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[5]陈明珠.基于立压测量的井底压力监测系统设计与应用[D].西南石油大学,2018.。