中石化江钻石油机械有限公司 刘畅 邵增元 吴蔚娓 湖北 武汉 430223
摘要：精细化钻井和薄油层开发、一趟钻等，其在钻井时都需要精确的井下工程参数作为支撑，而地面参数的不准确和滞后性限制了这些技术的发展；再者，随着大数据分析和人工智能在钻井工程领域的应用，实时的井下工程参数在建立精确数据模型和事故预警及反向指导井下工具设计和优化BHA组合将上发挥更加明显的作用。
关键词：井下工程参数测量；智能钻井；钻井优化。
2020年8月哈里伯顿公司推出了一款带传感器的感知PDC钻头--Cerebro Force，为业界首款直接从钻头上获取钻压、扭矩和弯矩等井下工程参数的商用产品。该技术弥补了先前钻铤式井下工程参数测量仪不能获取钻头位置真实振动的劣势，进一步提高对井下环境及钻头工况的了解，使工程参数测量的可用性和实用性上升了一个新高度。
井下工程参数测量经过数十年的发展，在测量仪器和方法上已经较完备，近年来，井下工程参数测量在精细化钻井、无风险钻井和钻井优化方面重新受到重视。旋转导向技术、钻井远程专家系统、智能钻井都迫切需要准确和完备的井底工程参数作为支撑，因此开展井下工程参数测量的研究是极为重要的[1~3]。
1.井下工程参数的测量概述
井下工程参数测量对象为井底的实际钻压、扭矩、振动、转速、内外环空压力和温度。相比地面测量，井下测量解决了数据滞后性和偏差性等问题。如在水平井中，钻头钻柱在井筒中的运动并非线性，存在较大的钻头滑移、钻柱涡动等现象，地面测得的钻压与实际偏差较大[4]。
从数据传输方式上，井下工程参数测量可分为随钻式和存储式两种。受目前MWD传输速率的限制，大部分为存储式，起钻后读取数据。随着高速MWD和有线钻杆的发展，随钻式将成为主流，实时数据闭环才能最大程的在应用层面发挥指导钻井施工的作用。
3.国外研究新进展
随着美国页岩气开发对长水平段和精细化钻井的需求，井下工程参数测量得以在钻井过程中发挥效能。国外油服公司已发展了完备的井下工程参数测量系统，建立了井下数据库和远程专家辅助系统，发展了成熟的分析软件，并应用时下先进的人工智能深度学习和大数据分析，对井下数据进行深度挖掘和研究，深化钻井优化，为智能化钻井打下基础。
3.1 哈里伯顿Cerebro Force内置传感器钻头
哈里伯顿公司将测量传感器和钻头合二为一，推出Cerebro Force内置传感器钻头，可测量钻头处井底钻压、扭矩、弯曲度、振动和转速。其最大的优势是将传感器集成于钻头内，先前的做法是将传感器置于专门的测量短节，一般放置于钻头或螺杆钻具上方，或以独立测量模块形式放置在钻头流道内。这样就带来两个问题：①传感器位置不接近钻头，和井底数据偏差较大；②测量短节一般长度0.8m-1.5m，若置于钻头上部，影响定向钻井效果。这也是短节式井下工程参数测量仪未能大规模应用的主要原因。
该钻头打破常规，消除了这些不利因素，其主要优势是：①传感器内置于钻头，直接测量井底岩石界面处的钻压、扭矩和弯曲度参数，数据准确；②不影响定向性能，无需测量短节，不影响钻头到螺杆弯点或到旋转导向工具推靠块的距离，与其他井下钻具的兼容性好，不改变BHA结构；③自带芯片在井下计算出钻头机械比能(MSE)、旋转半径和频率、粘滑严重程度及扭转振动；④能够识别几种常见的钻头运动模式，横向振动、扭转和粘滑。
3.2 NOV公司BlackBox系列井下工程参数测量工具
2019年NOV公司发布了第二代BlackBox钻井黑匣子井下工程参数记录仪，该仪器是一款体积小巧的钻井动态测量单元，可放置在钻柱或钻头流道内，记录井下三轴振动、转速和温度，用于起钻后分析。其特点是：①体积小设计紧凑，可以灵活地放置在井底钻具组合或钻柱中，可安置于尺寸范围4.75- 9.5英寸的短节中；②采用陀螺仪转速传感器，提供更加精准的转速测量。
4. 国内研究新进展
中石油、中石化和石油类高校都对钻井工程参数测量进行了较为深入的研究，近年来，国内陆续推出了多种井下工程参数测量短节，大部分以存储式为主，下面介绍一种随钻式井下工程参数测量系统。
2018年中石化江钻石油机械有限公司研制了一套钻头工况在线监测仪，仪器包括近钻头发射短节和接收短节，分别测量近钻头的钻压、扭矩、转速、温度和三轴振动，以及远钻头的环空压力和内管压力。其特点是能够将井下数据实时上传，短节之间通过无线短传进行数据传输，并通过MWD将数据传输到地面系统。
近钻头短节作为测量系统由加速度传感器、钻压和扭矩传感器、电磁波发射天线、减振装置、控制电路、电池组等组成，通过电磁波把测量参数传至位于动力钻具上方的接收短节。接收短节由压力传感器、接收电路、测量和存储电路、传输电路、电池组等组成，同时可测量钻具内外环空压力。由MWD系统将测量数据整体打包，通过泥浆脉冲方式传输至地面。地面系统将信号解码、存储和显示，实时监测井下工作状态，并提示井下振动严重情况。
该仪器在河南南阳泌422井下井测试成功，使用时间117小时，仪器测量、监测和地面通讯、解码均正常，能够准确监测实时的近钻头工况数据，并实时显示井下振动情况。
5. 结束语
5.1 未来井下工程参数测量的主要应用
受制于整体技术水平限制，对井下工程参数测量的重视和迫切程度远低于井眼轨迹参数测量和地质参数测量。近年来，随着钻井智能化的不断深入，需要更精确的井下数据引导；井下大数据可还原井底真实工况，分析钻头的受力、运动情况，延长钻头使用时间和做有针对性的改良设计，分析钻柱的振动和弯曲，设计更加合理的钻具组合[5-6]。未来井下工程参数测量主要有以下两方面应用：
1、主动优化钻井参数，减少非生产时间
掌握真实的井下工程参数可以对钻井参数进行主动的优化管理。井下和地面数据联动分析，实时改善和管理钻井参数。在异常振动小的地层，可加大钻压提高进尺，反之则可减小钻压，可有效延长钻头使用时间，减少起下钻次数，提速提效。同时，实时监测井下工程参数能及时发现井下工具的异常状态和钻井过程中的各类复杂情况，提高钻井安全性。
2、井下数据库的建立，钻井优化系统的需要
利用人工智能的方法对海量井下工程参数进行分析，能够得到更加精确的工程-地质模型，随着井下数据高速传输、数字孪生等技术的不断发展，智能钻井将初见雏形，井下工程参数作为钻井作业中的底层基础数据，对其应用将不断深化。
5.2 国内井下工程参数测量展望
综合来看，国内井下工程参数测量与国外的主要差距主要有以下两个方面：
1、井下工程参数测量产品较单一，未成形系列化、有工程应用价值的系统服务。目前国内自主研发的井下工程参数测量短节，在测量和存储方面已较成熟，但在系统化和形成服务能力上较弱，如NOV公司的基于其BlackBox钻井黑匣子为基础，搭配井下数据高速传输系统等所推出的eVolve实时钻井智能化服务。
2、国内井下工程参数测量仪主要以短节形式存在，未能集成在钻头或钻柱上。短节放置在钻头上部会对造斜率产生影响，若离钻头较远则造成井底参数失真。因此，应发展小型化、集成式井下工程参数测量系统，不改变原有BHA结构。
参考文献：
[1] 沙林秀. 钻井参数优化技术的研究现状与发展趋势[J]. 石油机械, 2018,44(2),29-33
[2] 杨金华,等. 未来10年极具发展潜力的20项油气勘探开发新技术[J]. 石油科技论坛, 2019,38(1),38-48
[3] 李根生,宋先知,田守嶒. 智能钻井技术研究现状及发展趋势[J]. 石油钻探技术, 2020,48(1),1-7
[4] 马天寿,陈平,黄万志,等. 钻井井下工程参数测量仪研究进展[J]. 断块油气田, 2011,18(3)
[5] 杨金华,邱茂鑫, 郝宏娜, 等. 智能化——油气工业发展大趋势[J]. 石油科技论坛, 2016,6:
[6] 王敏生,光新军. 智能钻井技术现状与发展方向[J]. 石油学报,2020, 41(4):506-512.