基于隨鉆工程參數(shù)測量數(shù)據(jù)的鉆井風(fēng)險識別試驗(yàn)

常 楊，郭修成，李永釗，匡 濤

中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

0 引言

針對一些復(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，復(fù)雜風(fēng)險的非生產(chǎn)時間占所有時間的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)工作動態(tài)、避免事故復(fù)雜發(fā)生、減少非生產(chǎn)時間、實(shí)現(xiàn)科學(xué)化鉆井。

在國外，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)測量、實(shí)時模型優(yōu)化與監(jiān)測、參數(shù)優(yōu)化、遠(yuǎn)程支持等系統(tǒng)模塊，降險提速效果顯著，國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)場復(fù)雜情況發(fā)生時，了解哪些井下參數(shù)可以進(jìn)行識別，并重點(diǎn)對鉆井風(fēng)險發(fā)生時隨鉆工程參數(shù)的變化進(jìn)行分析研究，達(dá)到地面—井下工程參數(shù)一體化測量處理分析，意在實(shí)現(xiàn)提前預(yù)防應(yīng)對復(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量儀器系統(tǒng)，測量短節(jié)獲取近鉆頭位置鉆具參數(shù)變化信號，信號源通過處理板塊，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)等最終計算出測量值。該短節(jié)可采集扭矩、鉆壓、內(nèi)外環(huán)空壓力、轉(zhuǎn)速、振動及溫度等參數(shù)，并通過近距離無線通信方式(近場磁通信)將數(shù)據(jù)傳輸給儀器串里的接收裝置進(jìn)行存儲，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，進(jìn)行地面—井下參數(shù)的實(shí)時對比分析。

2 井下參數(shù)風(fēng)險識別

當(dāng)井下實(shí)時診斷鉆井風(fēng)險，需實(shí)時監(jiān)測的特征參數(shù)為兩個集合，即鉆井力學(xué)風(fēng)險因素集和鉆井風(fēng)險征兆集[3]。通過模型計算，把井下各種力轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的井下參數(shù)，分析風(fēng)險前或風(fēng)險發(fā)生時地面—井下儀器測量的表征參數(shù)變化作出判斷，來實(shí)現(xiàn)風(fēng)險預(yù)防。

2.1 滑動托壓

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，隨著機(jī)械鉆速增加，井下泵壓、排量會出現(xiàn)變化。外環(huán)空壓力會出現(xiàn)降低或升高現(xiàn)象，井底實(shí)測的ECD(鉆井液的當(dāng)量循環(huán)密度)出現(xiàn)波動，壓差越來越大。隨著地溫梯度變化，井底溫度也會出現(xiàn)變化，誘發(fā)出井噴風(fēng)險，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，研究者對于鉆井氣侵的檢測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)生縱向振動或徑向振動時，鉆具振動頻率近似其固有頻率時，其振幅加強(qiáng)、交變應(yīng)力增大，而隨著階數(shù)的增多，振動波越來越密集，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)場井下參數(shù)分析

2021年5月井下隨鉆工程參數(shù)測量儀在X井上部?311.1 mm井眼進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，該井段設(shè)計軌道為斜井段，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)險頻發(fā)。通過井下隨鉆工程參數(shù)測量儀實(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、徑向振動等參數(shù)的隨鉆測量和監(jiān)測，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)測和井下風(fēng)險預(yù)測，從而降低井下故障風(fēng)險發(fā)生率。

3.1 托壓狀態(tài)下的鉆壓監(jiān)測分析

監(jiān)測結(jié)果表明：X井造斜后的穩(wěn)斜井段，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析常態(tài)鉆進(jìn)時，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。但長時間的裸眼段施工，井眼清潔不及時，會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，井下摩擦阻力慢慢增大，形成托壓趨勢，地面與井下鉆壓監(jiān)測曲線就會出現(xiàn)明顯偏朝向兩個方向，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呈現(xiàn)增大變化，但整體變化趨勢合理，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比，結(jié)合鉆時、振動，發(fā)現(xiàn)托壓狀態(tài)下，井下振動、扭矩值也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，所以通過井下數(shù)據(jù)的監(jiān)測，推算復(fù)合鉆進(jìn)和滑動鉆進(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)測分析

扭矩與鉆壓測量原理基本相同，所以井下至地面上傳的參數(shù)趨勢也相近，可以還原井下真實(shí)的工作狀態(tài)。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析常態(tài)鉆進(jìn)時，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—井下井下扭矩趨勢變化

監(jiān)測結(jié)果表明：PDC鉆頭井下運(yùn)動的真實(shí)特征表現(xiàn)為托壓發(fā)生時，扭矩先趨于穩(wěn)定，隨著鉆壓釋放，井下扭矩瞬間上升，對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)定趨勢性變化。

3.3 外環(huán)空壓力監(jiān)測分析

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，不利于客觀評估循環(huán)壓力、地層壓力，因此通過井下工程參數(shù)測量系統(tǒng)準(zhǔn)確測得相關(guān)真實(shí)井下數(shù)據(jù)，以此計算各井段的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)對比變化

監(jiān)測結(jié)果表明：井下外環(huán)空壓力開始下降時，與地面出口流量反應(yīng)時間間隔約5 min，與全烴反應(yīng)時間間隔大約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)測外環(huán)空壓力變化來進(jìn)行井控風(fēng)險預(yù)警是可行的。

通過實(shí)時監(jiān)測對比理論計算與實(shí)測的外環(huán)空壓力，結(jié)合地面參數(shù)對比分析，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)時盯防氣侵、溢流井控風(fēng)險模型，計算出氣侵嚴(yán)重時的真實(shí)ECD，可更精確地進(jìn)行密度優(yōu)化、排量調(diào)整、控壓設(shè)計等工作，以減少井漏、漏噴轉(zhuǎn)換等風(fēng)險發(fā)生。

3.4 振動監(jiān)測分析

正常施工過程中，井下振動相對平穩(wěn)，隨著巖性、井深發(fā)生變化，振動也會呈現(xiàn)增長趨勢。在斜井段鉆進(jìn)時，通過分析軟件和實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測，可有效對井下有害振動進(jìn)行識別和量化評估。巖性變化，導(dǎo)致鉆頭適應(yīng)性變差是誘發(fā)井下振動變化的原因之一，通過地層識別，數(shù)據(jù)監(jiān)測，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。通過井下振動監(jiān)測，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)險轉(zhuǎn)速閾值區(qū)間，實(shí)現(xiàn)鉆具故障風(fēng)險管控。

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

圖4 振動數(shù)據(jù)變化

結(jié)合鉆時數(shù)據(jù)觀察，振動數(shù)據(jù)變化，影響鉆時偏慢，表明鉆頭破巖效果降低。井下徑向振動波動明顯，如果長時間不恢復(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)。振動值監(jiān)測正常范圍內(nèi)時，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)險識別因子，可對井下發(fā)生氣侵進(jìn)行預(yù)判。

(2)實(shí)時鉆壓數(shù)據(jù)監(jiān)測，可預(yù)判井下真實(shí)工作動態(tài)，提高機(jī)械鉆速。利用橫、縱向振動數(shù)據(jù)監(jiān)測井下工具工作狀態(tài)，識別鉆具疲勞風(fēng)險。

(3)通過地面—井下數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，為井下工具效果評價帶來有效技術(shù)措施，減少井下鉆井風(fēng)險發(fā)生概率，參數(shù)測量與模型計算相互印證，逐漸形成地面—井下數(shù)據(jù)聯(lián)動性。