综合录井在钻井实时监控中的应用

综合录井在钻井实时监控中的应用

作者：张海龙

来源：《科学与技术》2014年第06期

摘 要：本文详细介绍利用综合录井计算机实时联机系统在钻井过程中地层压力、钻头工况和钻井事故实时监控的方法， 并给出了有关计算模型和步骤。该方法可以及时、准确地预报可能发生的井下复杂情况和钻井事故， 对快速、安全钻井具有十分重要意义。 主题词：录井曲线；录井仪；实时监视；地层压力；钻头指标；钻井事故

近几年随着综合录井设备和技术的不断发展， 已突破传统地质录井的观念， 正逐步拓宽服务范围。实践中， 人们也逐渐认识到了综合录井对钻井工程的重要作用。在复杂层段和新探区， 凭经验打井往往事故不断， 造成资金和时间的巨大浪费。而综合录井提供了丰富的地层信息和钻井工程信息， 不仅可对钻井工况及有关参数进行实时监控， 而且可及时预报可能出现的复杂情况和钻井事故， 从而为钻井工程技术人员的现场决策提供了可靠的实时资料。综合录井技术在钻井工程中显示出巨大的经济效益， 是科学钻井的重要标志。 1 钻头工况的实时监控

实时预测钻头在井底工作时牙齿和轴承的磨损情况， 可以确定合理的起钻时间， 防止钻头事故的发生。传统的钻头磨损计算方法建立在理论模型基础之上， 但由于理论模型不确定系数多， 加之地层因素的不确定性和钻头损坏的偶然性， 使得理论模型很难在现场应用。国外利用随钻测量（MWD） 的井下钻压和扭矩来判断钻头的磨损状况。现场实践表明， 地面钻压和地面扭矩的变化仍可较好地反映钻头的磨损情况。钻头轴承磨损后， 牙轮与轴承间产生晃动， 在地面上表现为扭矩的增大和波幅的增加。轴承严重磨损或牙轮卡死时， 扭矩波动幅度较大，钻柱产生蹩跳现象。通过监控扭矩、扭矩增量和波幅值可确定轴承的磨损情况， 出现扭矩异常时进行报警提示。当钻头牙齿脱落时， 扭矩会产生不连续的波动， 但其波动幅度小于牙轮损坏时的波动幅度。钻头泥包时， 正常钻压下钻头几乎无进尺， 扭矩有时增大但表现平稳。较小的扭矩波动是钻头破碎岩石时所产生的正常现象， 而且不同岩性的地层中产生的波动可能有所不同。采用计算机自动识别时的计算模型和步骤如下： 1.1 平均扭矩的计算

可以利用滚动平均方法确定某时间间隔内的平均扭矩：Me=Σm+ N - 1k = mM k+ M tN（1）；式中， Me 为平均扭矩； Mk 为当前点以前测点扭矩； Mt 为当前测点扭矩； N 为滚动点数； m 为计算平均扭矩的起始点。所采用的滚动点数与采样频率有关。实际应用时， 应使Me既能及时反映出扭矩的变化趋势， 又不至于出现因滚动点数太 少而产生频繁波动。

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1.2 波幅的计算。Mv=a bs （Mt - Me）Me×100%- M p （2）；式中， Mv 为相对波幅（ %） ， 若Mv< 0， 取Mv= 0； M p 为扭矩正常波动允许值（%） 。

1.3 扭矩增量的计算。Mc=Me- MsMs×100% （3）；式中， Mc 为相对扭矩增量； Ms 为钻头初始扭矩， 取新钻头开始正常工作一段时间内的均值。 1.4 波动频率的计算

单位时间内， 扭矩波幅超过一定值的测点数作为扭矩的波动频率。虽然它与数据采样频率有关， 但当采样频率一定时， 上述方法仍可反映出扭矩是连续波动还是偶尔波动。式（1） 、（2） 、（3） 中没有考虑钻压对扭矩的影响， 因此应采用无因次扭矩代入以上各式计算。对同一钻头， 无因次扭矩可近似表示为M= Mr /W （4）；式中， M 为无因次扭矩； Mr 为实测扭矩； W 为钻压。钻头牙齿的磨损情况可用扭矩与钻压的关系确定。钻头牙齿无磨损与磨损较小时， 扭矩随钻压的增大呈曲线形式增大；随着钻头牙齿的不断磨损， 扭矩与钻压的关系逐步趋于线性化。利用一般的扭矩方程M= aW+ bW 2， 实时判别系数b 的大小可及时了解钻头牙齿的磨损情况， 随着牙齿的不断磨损， 系数b 逐步趋向于零。 2 钻井事故的实时监控 2.1 卡钻的实时监控

卡钻是钻井作业过程中危害极大的钻井事故， 而井眼状况的恶化是造成卡钻的直接原因。综合录井计算机联机系统提供了实时的钻井参数和记录曲线， 使早期判断卡钻事故成为可能。钻进过程中， 当井眼净化不好、缩径、井壁坍塌或掉块时，扭矩增大， 泵压升高。因此， 可以通过对扭矩和立管压力的监控来判断井眼状况。同时， 接单根或活动钻具时， 监控钻柱提升和下放时的大钩负荷， 并与上一次接单根或活动钻具时的大钩负荷相比较， 如果产生异常（ 预示有卡钻的可能） ， 系统会自动报警。起下钻时， 通过对大钩负荷的连续监测， 可以预测钻具与井眼间的摩阻情况。起钻时， 大钩负荷应逐渐减小， 但若大钩负荷不减或增加， 则表示有遇阻现象， 应采取相应措施， 以防发生卡钻。同样可监视下钻时钻具的遇阻情况。利用计算机屏幕的实时监控曲线或打印机记录曲线， 对各种参数随时间的变化进行分析可预测卡钻的类型。

2.2 井涌、井漏及钻具刺漏的实时监控

通过对泥浆池体积、入口流量、出口流量、泵压和泵冲速的监测可实现对井涌井漏和钻具刺漏的实时监控。对于钻具初始刺漏或地层的渗透性漏失， 现场一般难于发觉， 但从计算机监控曲线上可明显看出。当上述参数稍微变化时， 计算机就能识别出来， 而且可报警提示， 从而预防事故的发生。 3 地层压力的实时监控

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地层压力的实时监控不仅有助于确定油气层， 而且可以预防高压地层流体进入井眼而导致的井喷事故。目前， 综合录井中常用的地层压力实时监测方法有dc 指数法和Sigma 法等， 在某些地区这些方法应用效果较好， 但由于地层情况千变万化， 并不是在所有地区都能取得满意的效果。综合录井系统提供了与地层压力和渗透性有关的若干参数， 包括钻时、d c 指数、Sigma 值、泥浆温度、泥浆电导率、泥浆池体积、泥浆密度和气测参数等。利用上述参数对地层压力进行综合监测可取得满意的效果。标准化钻时有利于消除人为操作因素的影响， 准确反映地层岩性和压力的变化情况； 泥浆池体积和泥浆密度的变化反映了地层流体进入井眼内或泥浆漏失的情况； 气测参数的变化可确定油气层的存在， 虽然有一定的滞后性， 但一般在进入油气层之前， 气测参数就能够反映出来； 泥浆温度， 电导率，气测参数中的烃组分、CO2 和H2 等参数可以确定地层流体的性质。对标准化钻时、dc 指数和Sigma 值应重点注意其变化趋势， 曲线逐渐发生变化是进入高压地层的前兆； 若曲线发生突变，则预示地层岩性发生了变化。用dc 指数法、Sigma 法或标准化钻时法可以确定地层压力的大小， 其它参数可以作为重要参考依据。对低渗、低压或非砂岩油气层， dc 指数和Sigma 值或许变化不明显， 但仍可从其它参数的变化中显示出来。需要特别注意的是， 不可忽视对浅层地层压力的监控， 因为许多地区存在高压浅气层， 易造成井喷失控。高压气层或高压含气水层对钻井工程构成潜在的危险， 发现气测异常时应给予足够的重视。在地下情况不了解的条件下， 现场发现油气显示时往往采取循环观察的做法是错误的。因为如果存在高压气层， 循环观察使气体加速流向井内， 并在上升过程中会迅速膨胀而造成井喷失控。在地层压力监控过程中， 由于钻头类型的变化对dc 指数和Sigma 值影响较大， 故对钻头类型的影响应及时加以修正，可在新钻头工作一段时间后用分段趋势线或校正系数对计算地层压力的值进行修正。地层压力的实时监控在现场取得了较好的效果， 不仅及时预报了地层压力的变化， 而且及早发现了油气层的存在。