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基于双向可控供电的随钻环空压力测量系统
吕海川, 艾维平, 盛利民, 邓乐     
中国石油集团钻井工程技术研究院
摘要: 随钻环空压力测量系统能够提供实时的井底压力数据,提高井底压力控制精度,防止井下复杂情况的发生,提高钻井时效。鉴于此,介绍了随钻环空压力测量系统的基本原理、系统硬件组成、压力传感器选型及标定结果,阐述了采用双向可控供电方式的信号测量与数据采集电路。现场试验情况表明:随钻环空压力测量系统的测量精度较高,钻进过程中测量数据实时传输可靠稳定。该系统可为控压钻井、欠平衡井、高温高压井和大位移井等钻井作业提供技术支持。
关键词: 环空压力     随钻测量     双向可控     供电     欠平衡钻井    
Development of Pressure Measurement-while-drilling System Based on Bidirectional Controllable Power Supply
Lü Haichuan, Ai Weiping, Sheng Limin, Deng Le     
CNPC Drilling Research Institute
Abstract: The PWD(pressure measurement-while-drilling) system can provide real-time bottom hole pressure data, improve the accuracy of bottom hole pressure control, prevent the occurrence of downhole complex conditions and improve the drilling time-effectiveness. The basic principle, system hardware components, pressure sensor selection and calibration results of the PWD system are introduced. The signal measurement and data acquisition circuit with bi-directional controllable power supply is described. The field test results show that the measurement accuracy of PWD system is high. The real-time transmission of measured data during drilling is reliable and stable. The developed PWD system can provided strong technical support for drilling operations such as MPD, underbalanced drilling, high temperature high pressure well drilling and extended reach well drilling.
Key words: annulus pressure    measurement while drilling    bidirectional controllable    power supply    underbalanced drilling    

0 引言

复杂井钻井成功的关键是保持钻井液当量循环密度(ECD)和当量静态密度(ESD)在地层流体压力、坍塌压力和破裂压力的安全作业极限内[1-3]。欠平衡钻井中欠压值的控制主要以计算为主,存在一定误差,无法对井底压力进行实时监测[4-5]。随钻环空压力测量系统(PWD)应用于欠平衡钻井时,能够监测井底环空压力与温度,避免钻井液侵入地层引起储层伤害;通过实时测量的井底压力值,可将ECD和ESD控制在预定的窗口内,防止井漏,保持井眼稳定[6]。另外,随钻环空压力测量系统可实时监测井底钻井液液柱压力,识别不正常的井下情况并及时提出补救方法。准确的井底压力测量数据能缩短钻井周期,优化充气钻井作业中的充气量,提高钻井液密度和井口回压设计的控制精度[7-9]。总之,随钻环空压力测量系统可指导控压钻井、欠平衡井、高温高压井和大位移井等高难度井的施工[10]

1 基本原理

随钻环空压力测量系统具有随钻测量和实时传输2项功能,可随钻测量环空与柱内的压力和温度、定向工程参数及自然伽马地质参数等,并实时上传至地面接收和数据处理系统,为钻井过程中井下压力控制和导向作业提供实时基础数据。

钻进过程中压力传感器组件感知环空压力及温度的变化并将其转换为电信号,信号检测电路通过放大、滤波、模数转换和标度变换等环节将该信号转换为表示所测压力及温度大小的数字信号,数据存储电路将该信号储存在井下存储器中,起钻后将储存的数据全部回放至地面计算机,并由数据分析软件进行处理以获得更全面和更精确的信息,应用于钻井施工、钻井设计和钻井研究;同时,当环空压力测量电路接收到MWD发出的命令后,会将当时环空压力及温度测量值发送至MWD,并将井斜、方位和地层自然伽马等参数以钻井液正脉冲方式实时发送至地面。解码数据经地面软件分析处理后,为地面工程师提供准确、实时的井底压力数据,使现场工程师能了解井底压力的实时测量值,以便及时采取相应的工艺措施。

2 系统硬件设计

图 1所示,PWD系统主要由压力及温度传感器、信号调理电路、模数转换器、高精度电压基准源、电子开关、数字信号控制器、存储器、接口及电源等组成。环空、柱内的压力传感器和温度传感器分别将环空、柱内压力以及温度转换为电信号,经过信号调理电路接入模数转换器转换成数字信号后被数字信号控制器读入,对采集的数据进一步处理后保存至存储器中。采用高精度电压基准源对压力传感器、信号调理电路和模数转换器供电,电压基准源精度直接影响压力传感器的输出,而模数转换参考电压又决定了最终的采集结果。

图 1 PWD系统硬件示意图 Fig.1 Schematic diagram of hardware of PWD system

2.1 传感器选型与标定

由于井下工况异常复杂,所以选择适用于井下高温、高压和强振等恶劣环境的传感器是提高随钻环空压力测量精度的关键。选择压力传感器时,应考虑以下几个方面:满量程输出、零点输出、非线性、迟滞、过载压力、供电电流、补偿温度和抗振动冲击等[11]。综合考虑各项技术指标,选用国产高精度应变式压力传感器,其压力测量范围0~140 MPa,并且自带-50~+150 ℃温度传感器。

随钻环空压力在全温度范围内的测量精度要求较高,考虑到电阻应变式压力传感器温度漂移较大,必须对其进行压力标定才能满足要求。采用E-DWT-H数字压力校准器对压力传感器从0~140 MPa进行标定,标定源精度为±0.02%FS。标定结果保存在计算机中,用来将传感器输出电信号转换成相应的物理量,同时根据环空温度对环空压力检测值进行温度补偿。具体的标定结果见表 1

表 1 不同温度时压力传感器标定结果 Table 1 The pressure sensor calibration results
标准压力/MPa 不同温度时的测试压力/MPa
28.8 ℃ 54.0 ℃ 78.4 ℃ 102.4 ℃ 126.5 ℃ 150.6 ℃
125 124.92 124.94 124.94 124.98 124.96 124.91
95 94.95 94.95 94.98 94.96 94.96 94.91
65 64.95 64.95 65.00 65.00 64.97 64.91
35 34.96 34.96 35.01 34.99 34.95 34.92
5 4.93 4.98 5.01 4.98 4.96 4.91
0 -0.06 -0.03 0.01 0.01 0.02 -0.08
20 19.93 19.95 19.98 19.97 19.94 19.91
50 49.91 49.91 49.95 49.98 49.94 49.91
80 79.91 79.91 79.95 79.96 79.92 79.90
110 109.92 109.93 109.94 110.00 109.93 109.89
140 139.94 139.96 139.97 139.99 139.93 139.88
0 -0.07 -0.03 0.04 -0.02 -0.06 0.04

2.2 双向供电控制电路

应变式压力传感器的零点漂移直接影响压力测量精度及灵敏度。为了消除零点漂移,进一步提高测量精度,采用多个电子开关对电压基准源进行切换控制,实现对压力传感器的双向供电。其目的是将传感器2次通电分别采集的测量数据由数字信号控制器进行数学运算,去除测量数据中的直流分量,以达到克服零点漂移,提高测量精度的目的。

双向供电控制电路如图 2所示,电压基准源ADR444的输出Vout经过由运放AD8607组成的滤波器后,分别接至2个呈反向状态的电子开关ADG819输入端S1和S2,其中SLECT为ADG819的控制信号。当SLECT为高电平时,Gexct+和Gexct-对压力传感器正向供电;当SLECT为低电平时,压力传感器则反向供电。信号调理电路的供电和模数转换器的参考电源与压力传感器供电同步切换,数字信号控制器控制SLECT状态切换,并对正、反向供电的传感器信号分别进行采集与处理。

图 2 双向供电控制电路 Fig.2 The bidirectional power supply control circuit

2.3 压力测量电路

随钻环空压力测量系统要求精度达到±0.1%FS,且采集最短时间间隔为1 s,这对测量电路要求较高。为了提高传感器输出信号的信噪比,在信号放大前对Vgin+和Vgin-进行滤波降噪处理。选择可编程增益放大器AD8556对滤波后的信号进行放大,将其调理成模数转换要求的信号。AD8556通过Digain引脚调节,可实现最大200倍的放大,简化了对高精度小信号放大电路的设计。信号采集电路选用Sigma-Delta型ADC芯片MCP3550。如图 3所示,MCP3550的参考电源Vref+和Vref-与压力传感供电电源同步切换,对正、反向供电的传感器信号分别进行采集,MCP3550的启动采集与转换结果均由数字信号控制器通过SPI线控制。其中CS为片选,SDO/RDY为数据输出,CLK为时钟。

图 3 压力测量电路 Fig.3 The pressure measurement circuit

3 现场试验情况

2015年8月12日至20日,随钻环空压力测量系统在玉门油田青2-76井进行了现场试验。该井为开发井,三开设计井深4 717 m,技术套管下深4 210 m,三开采用充气欠平衡钻井作业,采用先排气后测量的方法进行井下测量与传输。钻具组合为:ø165.0 mm M1355钻头+ø127.0 mm螺杆(1.25°)+ø127.0 mm箭形单流阀×2+ø159.0 mm扶正器+ø120.0 mm DRPWD+ø120.0 mm无磁短节+ø121.0 mm钻铤×3+ø101.6 mm加重钻杆×15+ø121.0 mm随钻+ø101.6 mm加重钻杆×3+ø101.6 mm钻杆+ø127.0 mm旋塞+ø127.0 mm箭形单流阀+ø101.6 mm钻杆×1。

试验井段4 443~4 580 m,总进尺157 m,仪器入井时间178.5 h,钻进时间81.0 h,钻井液密度1.126 g/cm3,仪器测得的最高温度96 ℃、最高压力49.8 MPa。整个钻进过程中仪器工作正常,部分测量数据见图 4。由图可知,环空压力与钻柱内压力具有相同变化趋势,两者之间的差值为3~5 MPa。由底部钻具组合可知,DRPWD的压降约3.0 MPa,钻头的压降约1.5 MPa,实际测量结果与计算数据很接近。此外,充气与不充气条件下井底压力差别较明显,起下钻过程特征清晰可见。

图 4 压力测量曲线 Fig.4 The pressure measurement curve

4 结论

(1) 随钻环空压力测量系统实现了井底环空压力、钻柱内压力以及温度等参数的精确测量与实时上传,经地面接收和数据处理,为钻井过程中井下压力控制和导向作业提供实时基础数据。

(2) 该系统可用于精细控压钻井、欠平衡钻井、高温高压井和大位移井钻井作业,可在减少井下复杂情况及事故、确保井眼稳定、提高生产时效、节约钻井费用和指导高难度井的施工等方面发挥积极作用,具有广阔的应用前景。

参考文献
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吕海川, 艾维平, 盛利民, 邓乐
Lü Haichuan, Ai Weiping, Sheng Limin, Deng Le
基于双向可控供电的随钻环空压力测量系统
Development of Pressure Measurement-while-drilling System Based on Bidirectional Controllable Power Supply
石油机械, 2018, 46(1): 7-10
China Petroleum Machinery, 2018, 46(1): 7-10.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.01.002

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收稿日期: 2017-11-02

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