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井下工況知之甚少?NOV沿鉆柱測量工具助你一臂之力

井下工況知之甚少?NOV沿鉆柱測量工具助你一臂之力

監測井下工況對鉆井安全至關重要,但是傳統測量方法僅能評估鉆頭附近的井況,且排量過低或無排量時,信號無法傳回地面。NOV的ASM沿鉆柱測量工具,完美解決了上述難題,有利于實現安全鉆井。

作者 | Sanna Zainoune等
編譯 | 白小明

一家大型油氣公司在挪威北海開發一個新油田的過程中,肩負著一項復雜的任務。該油田最初發現于1975年,該油田包含一個油藏和幾個層位較深、構造復雜的高壓氣藏和凝析氣藏,當時認為開發的難度太大。油藏需要采用大位移水平井開發,而氣藏和凝析氣藏需要采用定向井開發。鉆井時壓力窗口較窄,而且存在嚴重的漏失和井涌風險。

為了支持油田開發,國民油井華高公司(NOV)提供了實時測量服務,傳感器按固定間隔嵌入到鉆柱上,下入井中采集數據。NOV公司的BlackStream沿鉆柱測量(ASM)工具以高頻(256 Hz)測量溫度、環空壓力、旋轉和三軸振動數據。數據通過IntelliServ高速有線鉆桿遙測網絡傳輸到地面。無論有無液體流動,該工具均可沿井筒以高頻實時測量環空壓力。

這是北海地區首次成功采集到如此大量的擴展數據,且將這些數據實時應用到了作業中。至此,作業人員便能夠更清楚地了解沿套管或裸眼井的壓力分布和流體流動狀態,這些信息對做出關鍵決策至關重要。

沿鉆柱測量服務

自20世紀90年代以來,油氣公司便一直使用井下環空壓力隨鉆測量(PWD)工具,以幫助監測并將泥漿密度以及等效循環密度(ECD)維持在安全極限范圍之內。這些工具通常安放在井底鉆具組合(BHA)上,作為隨鉆測量/隨鉆測井(MWD/LWD)工具的一部分。因此,這類工具僅能評估鉆頭附近的井眼狀況,并不能評估井眼其它位置處的工況。此外,MWD/LWD工具是依靠泥漿流動來作業的,在排量過低或者沒有排量的情況下,信號無法傳輸到地面。因而井隊無法在起下鉆、接單根以及井塌或井漏期間探測到井下的復雜工況。因此,各公司一直依靠水力參數模型來評估沿整個井筒的工況,盡管這些數學模擬從本質上有一定的局限性。

NOV有線鉆桿(WDP)出現后,可以使用分布式傳感器,沿鉆柱測量多個點的溫度、環空壓力、旋轉和三軸振動數據。WDP高速遙測網絡通常包括以下組成部分:

1.井下短節,用于與第三方MWD/LWD以及旋轉導向系統工具建立連接,實現與BHA相應組件的雙向通信;
2.有線鉆柱組件,包括鉆桿、鉆鋌、震擊器等,數據信號以高達56000bps(比典型的泥漿脈沖遙測的帶寬大四個數量級)的傳輸速率沿整個鉆柱傳輸;
3.DataLinks(信號放大器),屬于井下網絡電子短節,沿鉆柱轉發、過濾以及放大信號;
4.頂驅數據旋轉接頭,用于連接鉆柱和頂驅;
5.地面網絡控制器,連接鉆柱網絡與地面系統的接口。

NOV公司的BlackStream ASM工具集成在有線鉆桿網絡中,并按固定間隔嵌入在鉆柱內,從而可以提供沿井筒鉆井環境的完整視圖。該設計基于DataLinks,信號放大器短節經過修改后,包含環空壓力測量傳感器,以及動態參數和溫度測量傳感器。該工具由電池供電,并且沒有排量限制,獨立地采集并將數據傳回地面。

分布式傳感器測得的數據,通過有線鉆桿提供的高速遙測網絡傳輸到地面的井隊數據采集系統(DAQ)。隨后,將這些信息與區塊位置、排量等地面數據以及實時MWD/LWD地層評價數據結合在一起,即可獲得沿裸眼井或套管井的環空壓力趨勢的詳細數據,從而可以及時精確地優化鉆井參數、鉆井液性能以及鉆具組合。

監測井眼清潔度

沿鉆柱環空分布的壓力傳感器,能夠實時監測沿井筒介質的流動,這些介質可以是液體,如堵漏劑和高粘,或鉆屑,詳見以下討論。

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圖1 ASM累計時間記錄曲線

圖1的累計時間記錄曲線顯示了2015年10月,在挪威北海油田一口復雜井水平段鉆進過程中,沿鉆柱幾個位置測量的地面參數和ECD數據。一段時間內排量保持不變,觀察到機械鉆速(ROP)有所下降。ROP最初在累計時間為44.0小時時,短時間內有所下降;從44.4小時開始持續緩慢下降。ROP從約25米/小時下降到小于10米/小時,破碎并進入環空的巖屑量也相應減少了。

該圖顯示,大約在44.45小時機械鉆速開始減小后,MWD/LWD ECD(紅線)值開始快速下降。出現這種情況的原因很好理解,因為測量ECD的傳感器位于BHA內,可以快速響應環空中巖屑量的變化。分布式傳感器可以觀察到環空壓力的下降,大約在44.5小時從整個鉆具最下面的工具ASM 1(綠色曲線)開始,緊接著鉆柱內的其他工具按順序也觀察到了這一現象;ASM 2(藍色曲線)在44.9小時, ASM 3(品紅色曲線)在45.05小時,最上面的傳感器ASM 4(黑色曲線)在45.1小時觀察到了環空壓力的下降。

鉆柱傳感器不是同時而是分階段地測量到巖屑量的減小。

“由于數據增量非常龐大,因此,在使用這種系統進行實時分析時,以智能化的方式顯示這些信息是非常重要的?!?/span>

沿鉆柱分布的傳感器對評估井眼清潔性和環空流體性質也有很大的幫助。

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圖2 接單根期間沿鉆柱環空壓力歷史數據曲線

圖2顯示了接單根期間沿鉆柱環空壓力歷史數據曲線,整體作業工況為小井斜段鉆進,日期為2016年2月。

08:30,打完立柱,降低轉速,全排量劃眼一個單根。沿鉆柱所有的傳感器均檢測到了ECD值瞬間減小。離地面最近的測量工具(ASM3_Ann_EMW,黑色曲線)觀察到的ECD值下降最多。

08:40-08:55,接單根期間由于沒有排量,MWD/LWD工具沒有傳輸數據。因此,BlackStream ASM工具作為了主要的信息來源,觀察到等效泥漿密度(EMW)有所減小。這對應于泥漿從流動向靜止的狀態過渡,伴隨著巖屑向下沉降,鉆柱不運動所以摩擦力消失。08:50-08:55,所有傳感器均顯示EMW處于穩定狀態,該數據可以解釋為等效靜態密度(ESD),該值有助于確認實際的井下泥漿密度,評估井溫對流體的影響并確認流變模型,該值也可以作為井漏或井涌的早期指示。

大約在08:55,排量逐步提高。沿鉆柱測量工具檢測到了快速而短暫的EMW激動,這是由于流體從靜態向流動狀態過渡造成的,即泥漿破膠效應。

在鉆小井斜、較大尺寸井眼時,上述接單根期間的EMW數據剖面很常用。

當使用分布式傳感器和有線鉆桿遙測技術時,采集到的井下數據大量增加,這有利于客戶更好地做出決策,并提高了鉆井團隊的認知水平。然而,增加的數據量太大也增大了實時分析的難度。為了充分利用實時沿鉆柱測量工具傳輸來的信息,需要密切關注發送的數據以及這些數據如何與實時作業相關聯。采用該系統時,以智能化方式顯示這些信息顯得尤為重要。因此,NOV采用了一種改進的方法,使用熱圖(圖3)的形式將沿鉆柱采集到的EMW數據進行可視化顯示。

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圖3 熱圖

圖3:熱圖顯示了與圖2所示的相同工況,即接單根時沿鉆柱測量的EMW數據。熱圖實時更新,最新數據顯示在右側。測量深度顯示在左側,采用直觀的色標顯示等效流體密度(EFD)。這樣可以簡單快速地理解沿井筒的環空壓力分布情況。

沿鉆柱測量工具能夠實時顯示井眼清潔情況,并調整ROP、RPM和排量等參數。此外,這套工具可以根據單口井的具體情況,而不是常規經驗做法,來設定接單根和循環鉆井液的時間。通過熱圖查看沿鉆柱測量的EMW數據,觀察者能夠快速地理解大量復雜的數據。

結論

在該油田使用分布式環空壓力測量工具,提高了對整個裸眼井段的井下工況和實時水力參數的理解。高速、實時的等效泥漿密度數據,對于提高項目的安全性和業績成果十分重要。這套工具可以幫助現場及陸上的鉆井作業人員在做出更準確的決策。

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白礬
石油圈認證作者
畢業于中國石油大學(華東),油氣井工程碩士,長期聚焦國內外石油行業前沿技術裝備信息,具有數十萬字技術文獻翻譯經驗。
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