一种用于实现钻井全过程的环空压力测量方法
【技术领域】
[00011 本申请是基于申请日为2014年5月29日、申请号为2014102329418、发明名称为"全 程环空压力测量方法及装置"的发明专利申请的分案申请。涉及的是石油、天然气钻完井作 业的一种全程环空压力测量方法及装置，用于钻井全过程的井眼环空压力实时检测，以指 导安全进行钻井施工，降低作业风险，预防井下复杂情况和事故，确保安全快速钻完井作 业。
【背景技术】
[0002]钻井作业包括起下钻、钻进、接单根、循环、划眼等作业，在钻井作业过程中，有多 种因素会导致井下压力变化，如钻柱上下活动速度、开停栗作业、排量变化、钻柱转速、机械 钻速、井眼净化情况、井眼环空几何尺寸、井眼轨迹、钻井液流变性能、岩肩大小和密度等。 在工程实践中，要避免因操作和施工参数不当而造成井下压力波动超出允许范围，防止由 此引起的井下复杂情况和事故，如快速起下钻引起的抽吸和激动压力、停栗引起的井底压 力快速减小，以及开栗和划眼造成的压力波动。
[0003]在大位移钻井作业中，由于稳斜段长，且井斜角大，随着钻井进尺的增加，环空沿 程流动压耗增加，垂深增加缓慢，从而导致钻井液当量循环密度(ECD)增加明显；同时大位 移井存在严重偏心环空和螺旋流，以及井眼净化问题突出，容易引起ECD超过允许值。此外， 在高温高压深井、海上深水钻井、小井眼钻井、复杂地层窄密度窗口钻井，以及欠平衡钻井 作业都需要精确实时地监测钻井全过程环空压力及变化情况，及时上传重要数据，指导施 工决策和安全钻完井作业;也利于钻井事后分析，为以后的钻井设计和施工参数制定提供 参考。
[0004] 全过程中监测钻井环空压力数据量大，目前MWD/LWD数据传输速率还很低，因此迫 切需要一种既可满足全程环空压力监测需求，又需智能检测出抽吸、激动压力等重要参数， 并适时上传的一种全程环空压力测量方法和装置，为安全钻井施工作业提供指导。
【发明内容】
[0005] 鉴于此，为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供涉及钻井全过程环空压 力测量的技术方案，实现开、停栗状态下参数测量功能，智能检测钻井作业过程中的最大波 动压力、静动态稳定压力和柱内外压差变化等重要数据，并适时上传地面系统供综合分析， 预防井下复杂情况和事故，指导安全快速钻完井作业，降低作业风险和钻井成本。
[0006] 具体的，本发明采用了一种用于实现钻井全过程的环空压力测量装置，包括PWD (Pressure While Drilling)工具、仪器连续供电设备、开停栗检测判断部件、以及MWD (Measurement While Drilling)数据通讯工具，所述PWD工具上装有柱内和环空压力传感 器，用于测量钻柱内外的钻井液流体压力、监测钻井液循环状态和钻头压降，所述PWD上还 装有轴向加速度传感器，用于检测钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离，在接钻杆 坐卡等暂停钻柱上下运动时，利用环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力，当起下钻、 钻进等钻柱运动时，测量环空压力，利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间 的移动距离及钻柱上下运动过程中钻柱相对移动距离，对应的钻柱运动环空压力，根据上 述信息，计算钻柱上下运动位置对应的静止环空压力及由于钻柱上下运动所产生的环空压 力波动，并求出最大环空压力波动。
[0007] 所述仪器连续供电设备包括电池和涡轮发电机，在起下钻等停止钻井液循环时， 井下工具采用电池供电，循环钻井液时由涡轮发电机供电。
[0008] 所述开停栗检测判断部件实时监测所述环空压力及其变化过程，记录最大开栗环 空压力点，最大开栗环空压力，实时测量在钻进过程中环空及柱内压力，监测钻头压降及环 空循环压耗变化情况，判断钻头压降(柱内压力与环空压力之差）、环空循环压耗(开栗与停 栗时的环空压力差)是否偏移正常趋势，并通过MffD数据通讯工具上传到地面系统，并且，实 时监测停栗过程环空压力及其变化，记录停栗最小环空压力和稳定环空压力，开栗后通过 MffD数据通讯工具上传到地面系统。
[0009] 根据本发明的一个方面，本发明提供一种用于实现钻井全过程的环空压力测量方 法，其特征在于，利用PWD工具上装有的柱内和环空压力传感器，测量钻柱内外的钻井液流 体压力、监测钻井液循环状态和钻头压降，利用PWD上装有的轴向加速度传感器，检测钻柱 轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离，并且，在接钻杆坐卡等暂停钻柱上下运动时，利用 环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力，当起下钻、钻进等钻柱运动时，测量环空压 力，利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间的移动距离及钻柱上下运动过程 中钻柱相对移动距离，对应的钻柱运动环空压力，然后，根据上述信息，计算钻柱上下运动 位置对应的静止环空压力及由于钻柱上下运动所产生的环空压力波动，并求出最大环空压 力波动。
[0010] 在起下钻等停止钻井液循环时，采用电池对井下工具供电，循环钻井液时由涡轮 发电机供电，并根据钻井工况选择上传停止钻井液循环和循环时的井下压力监测重要参 数，从而实现钻井全过程环空压力监测。
[0011] 本发明还采用了一种用于测量钻柱轴向静止及运动的方法，利用轴向加速度传感 器测量轴向加速度，通过滤波求出钻柱轴向运动速度和加速度，进而判断钻柱是否处于静 止状态，并且，计算出钻柱轴向移动距离，从而实现钻柱轴向静止及运动的测量。
[0012] 本发明还采用了用于测量钻柱上下运动产生抽吸环空压力波动的方法，包括，测 量钻柱轴向静止及运动时环空压力步骤，计算钻柱轴向移动距离及对应静止压力及运动产 生的环空压力波动及最大环空压力波动步骤，其中，利用PWD上装有的轴向加速度传感器， 检测钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离，并且，在接钻杆坐卡等暂停钻柱上下运 动时，利用环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力，当起下钻、钻进等钻柱运动时，测 量环空压力，利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间的移动距离及钻柱上下 运动过程中钻柱相对移动距离，对应的钻柱运动环空压力，然后，根据上述信息，计算钻柱 上下运动位置对应的静止环空压力及由于钻柱上下运动所产生的环空压力波动，并求出最 大环空压力波动。
[0013] 本发明还采用了一种最大开栗环空压力监测方法，包括开栗过程的判断步骤，及 最大环空压力检测步骤，其中，在开栗循环时，排量由小变大到稳定，钻井液从静止到流动， 该过程产生环空压力波动，并存在一个最大环空压力点，实时监测所述环空压力及其变化 过程，记录最大开栗环空压力点，最大开栗环空压力，从而实现对最大开栗环空压力监测。
[0014] 本发明还采用了一种正常钻进环空及柱内压力测量方法，包括钻头压降及环空循 环压耗变化情况监测步骤，及自动选择重要变化数据上传步骤，其中，实时测量在钻进过程 中环空及柱内压力，监测钻头压降及环空循环压耗变化情况，判断钻头压降(柱内压力与环 空压力之差）、环空循环压耗(开栗与停栗时的环空压力差)是否偏移正常趋势，并上传到地 面系统。
[0015] 本发明还采用了一种停栗环空压力监测方法，包括停栗过程的判断步骤及井下停 栗环空压力及稳定环空压力检测步骤，其中，实时监测停栗过程环空压力及其变化，记录停 栗最小环空压力和稳定环空压力，开栗后上传到地面系统。
[0016] 在本发明中，井下工具基本配置包括:正脉冲发生器、涡轮发电机、驱动短节、电池 筒短节、定向仪短节、下数据连接器、上数据连接器、电池及电路、轴向运动传感器、数据回 放接口、环空压力传感器、柱内压力传感器等。
[0017] 在本发明中，PWD(Pressure While Drilling)工具上装有柱内和环空压力传感 器，用于测量钻柱内外的钻井液流体压力、监测钻井液循环状态和钻头压降，PWD上还装有 轴向加速度传感器，用于检测钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离。接钻杆坐卡等 暂停钻柱上下运动时，利用环空压力传感器测量钻柱轴向静止环空压力；当起下钻、钻进等 钻柱运动时，测量环空压力；利用轴向加速度传感器计算相近两次钻柱轴向静止间的移动 距离及钻柱上下运动过程中钻柱相对移动距离，对应的钻柱运动环空压力，根据上述信息， 计算钻柱上下运动位置对应的静止环空压力及由于钻柱上下运动所产生的环空压力波动， 并求出最大环空压力波动。
[0018] 在起下钻等停止钻井液循环时，井下工具采用电池供电，循环钻井液时由涡轮发 电机供电，并根据钻井工况选择上传停止钻井液循环和循环时的井下压力监测重要参数， 从而实现钻井全过程环空压力监测，为钻井作业提供依据，确保压力波动在安全窗口内，避 免出现井下复杂情况和事故，降低钻井作业风险，快速顺利钻达目的层。
[0019] 发明的效果
[0020] 钻井过程中，起下钻、开停栗等作业容易引起井下压力波动，当压力波动范围超过 允许值时，易引发井涌、井漏和井壁坍塌井下复杂情况，甚至导致井喷和卡钻等井下事故。 根据本发明提供的全过程井下环空压力测量解决方案，可有效监测井下环空压力及其波动 情况，并根据作业