井筒微芯片示踪器的深度定位研究

朱祖扬， 刘江涛， 杨明清,赵金海,4， 张 卫

(1页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室 2中国石化石油工程技术研究院 3中石化石油工程技术服务有限公司 4中石化休斯顿研究开发中心)

0 引言

随着华为、谷歌等国内外信息技术公司加入到石油勘探开发领域，表明一场以人工智能引起的石油革命已经到来。智能钻井技术[1- 3]是近年来兴起的一项钻井技术，主要以智能芯片替代人脑识别和解决井下钻井故障，从而实现自动化作业，其带来的好处是可以减轻人员劳动强度，缩短建井周期，提高钻井效率。井筒微芯片示踪器[4- 5](以下简称“示踪器”)是智能钻井技术的一个代表，其外形是球状，直径只有几个毫米，主要功能是在钻井过程中测量全井筒的温度和压力，及时发现井筒高温高压异常，防止井涌井漏等钻井事故的发生。与传统的随钻测量仪器相比，其优势在于智能化和小型化，在现场使用时，不需要人员全程跟踪钻井过程，只需要投一次球就可以测全整个井筒的温度和压力，不但降低了人工成本，而且提高了随钻测量效率[6- 11]。

示踪器已经在多口井中进行了现场试验，获得了一批有价值的随钻测量数据，既有常规油井的温度和压力数据，又有非常规(页岩气、煤层气)气井的温度数据。由于这些数据只有时间信息，而没有井深信息，因此不容易准确评价不同井深的温度和压力状况。针对这个问题，很多人开展了示踪器的深度定位方法研究。杨明清[12- 13]提出了利用时间分配法和速度定位法来计算示踪器在井下的深度，曾义金[14]提出了利用磁信号定位示踪器深度的方法，朱祖扬[15]提出了利用分布式随钻测量短节来定位示踪器深度的方法，其中后两种方法成本很高，施工难度较大。本文研究了时间分配法和速度定位法的特点，并在此基础上提出了速度解算法，利用这三种方法对现场试验数据进行了处理，均获得了示踪器的井深信息，从而为准确评价不同井深的温度和压力状况奠定了理论基础。

1 示踪器的深度定位原理

示踪器通过钻柱水眼连续投放(10个示踪器，时间间隔10 s)到循环的钻井液中，从钻头水眼进入井筒，随钻井液循环从环空上行返至地面，经过缓冲罐后到达振动筛，在振动筛处被捕获。在循环过程中，示踪器连续采集井筒中的温度和压力，获得井筒温度和压力分布剖面。因钻头水眼的直径非常小，为确保示踪器顺利通过水眼进入环空段进行测量，示踪器样机为直径7.5 mm的小球，其密度约1.50 g/cm3，耐温可达100 ℃，耐压可达70 MPa。

示踪器在井筒中有三种运动状态。第一，示踪器的密度大于钻井液的密度，示踪器自身有一个下沉速度，当钻井液静止时，示踪器会沉入井底，当钻井液流速大于示踪器的下沉速度时，示踪器会漂浮在钻井液里随循环钻井液返回地面。第二，示踪器的密度大于钻井液的密度，但是钻井液的黏度很大，示踪器会裹在钻井液里随循环钻井液返回地面。第三，示踪器的密度小于或等于钻井液的密度，无论钻井液是何种运动状态，示踪器会一直浮在钻井液里随循环钻井液返回地面。第一种运动状态，示踪器的深度定位很复杂，需要准确掌握井筒物理参数、钻井液参数和示踪器参数，这些输入参数高达十几个，利用这些输入参数计算出不同井段的钻井液的流速和示踪器的下沉速度，如果有一个输入参数掌握不准确，都会对计算结果产生巨大的偏差。第二种和第三种运动状态，示踪器的运动速度基本等于钻井液的运动速度，示踪器的深度定位相对简单。

2 几种深度定位方法

示踪器在井筒中的第一种运动状态在绝大多数井中都存在，第二种和第三种运动状态在超深井中存在，但示踪器在超深井中的应用情况不多，因此本文主要考虑第一种运动状态的示踪器深度定位方法研究。主要有三种深度定位方法，第一种是时间分配法，第二种是速度定位法，在这两种方法的基础上，提出了速度解算法，主要思想是把示踪器下沉速度的计算归为一元多次方程的求解，最大程度地降低由于输入参数不准而导致的计算偏差，如表1。

2.1 时间分配法

示踪器在环空段运动时，其运动速度与环空面积成反比，按照每个井段的环空面积及相应的井段长度对示踪器上返时间进行分配。根据示踪器在该井段内的上返移动距离，最终获取示踪器在该井段的深度位置，从而实现定位示踪器深度的目的。这种定位方法需要提取各井段的物理参数，包括内径、外径和高度，以及钻井液的排量。

每个井段环空内外径和高度分别是d1、D1、h1，d2、D2、h2，dn、Dn和hn，钻井液排量是Q。示踪器到达井底的时间是ta，返回地面的时间是tb。在各个井段钻井液的上返速度vn由式(1)得到，钻井液在各个井段的运行时间tn由式(2)得到。示踪器自井底返回地面的总运行时间为tl=tb-ta，根据钻井液的运行时间tn对tl进行分配，得到示踪器在各个井段的运行时间tn′，如式(3)，其中n为总的井段数。

(1)

表1 深度定位方法比较

(2)

(3)

(4)

示踪器在各个井段的运行距离s可以由式(4)计算得到，t是示踪器从井底开始上返的时间，最终得到示踪器在井下的深度为H=h1+h2+…+hn-s。这种方法的物理意义是示踪器在各个井段的上返时间和钻井液在各个井段的上返时间成正比，作为一个特例，当钻井液总的上返时间和示踪器自井底返回地面的时间相等时，则示踪器在各个井段的上返时间就等于钻井液的上返时间，那么示踪器在各个井段的上返速度就等于钻井液的上返速度，当示踪器的密度和钻井液的密度相当时，这种情况有可能发生。

2.2 速度定位法

示踪器随钻井液的流动而运动，按照井筒环空内外径尺寸将全井分段，根据钻井液流量和井筒物理参数得到各井段钻井液的上返速度和示踪器下沉速度，并由此得到各个井段示踪器的实际上返速度。再根据示踪器返回地面的时间得到示踪器的运动位移，从而获取示踪器在各个井段的深度位置，实现定位示踪器深度的目的。这种定位方法需要提取各井段的物理参数，包括内径、外径和高度，钻井液的密度、排量和黏度,示踪器的密度和直径等参数。

与上面一种方法相比，多了4个参数，分别是示踪器的密度ρs和直径ds，钻井液的密度ρd和黏度μe。在各个井段钻井液的上返速度vn由式(1)得到，示踪器在环空内的下沉速度vd由式(5)得到，示踪器在各井段的实际上返速度Vn由式(6)得到。

(5)

Vn=vn-vd

(6)

(7)

2.3 速度解算法

按照井筒环空的内外径尺寸将全井分段，根据钻井液流量和井筒物理参数得到各井段钻井液的上返速度，通过一元多次方程计算出示踪器下沉速度，并由此得到各个井段示踪器的实际上返速度。再根据示踪器返回地面的时间得到示踪器的运动位移，获取示踪器在各个井段的深度位置，从而实现定位示踪器深度的目的。这种定位方法需要提取各井段的物理参数，包括内径、外径、高度以及钻井液排量，而不需要提取钻井液的密度、黏度以及示踪器的密度和直径等相关参数。

(8)

示踪器在各个井段的运行距离s可由式(7)计算得到，t是示踪器从井底开始上返的时间，最终得到示踪器在井下的深度为H=h1+h2+…+hn-s。这种方法的物理意义是示踪器在环空内的下沉速度vd是一个复杂的参数，不仅与示踪器自身的物理参数相关，还与钻井液的物理参数(密度、黏度、流变性)相关，在实际工程应用中，这些参数是很难准确得到的，通过求解一元多次方程(8)，在不需要输入复杂的钻井液的物理参数的前提条件下，同样能够准确得到示踪器在环空内的下沉速度。

3 现场试验数据处理

本文对两口井的现场试验数据进行了处理。这两口井差别较大，井1是浅井，井深较小，钻井液密度较低，井底温度较低，示踪器在环空内的上返时间较短；井2是深井，井深较大，钻井液密度较高，井底温度较高，示踪器在环空内的上返时间较长。

3.1 井1试验数据处理

这口井的钻井深度是661 m，井斜角38°，钻井液密度1 050 kg/m3，钻井液排量30 L/s，技术套管内径244.5 mm，套管深度51 m，裸眼井段直径215.9 mm，裸眼井段长度610 m，钻杆外径127.0 mm。示踪器在井1中记录的温度曲线(原始数据)如图1所示。

图1 示踪器在井1中记录的温度曲线

示踪器到达井底的时间是150 s，返回地面的时间是700 s，井底温度39 ℃，钻井液出口温度31 ℃，由于示踪器每秒采样一个温度点，以及温度采样精度不是很高，因此对150～700 s时间段的温度数据进行了曲线插值处理，得到了相应的插值数据，后面的温度曲线均指的是该插值数据。

对温度曲线进行预处理，把时间当作井深来对待，如图2所示。

图2 井1预处理后的温度曲线

分别用时间分配法、速度定位法和速度解算法进行了示踪器深度定位计算，得到了井1的深度—温度曲线，如图3所示。

图3 井1的深度—温度曲线

时间分配法计算得到示踪器在下部井段的上返时间是491 s，上返“视”速度是1.24 m/s，在上部井段的上返时间是59 s，上返“视”速度是0.87 m/s。要指出的是，“视”速度并不一定等于示踪器的实际上返速度。速度定位法计算得到钻井液在下部井段的上返速度是1.25 m/s，在上部井段的上返速度是0.87 m/s，示踪器在环空内的下沉速度是0.17 m/s，由于下沉速度偏大，导致示踪器在各个井段内的实际上返速度偏低，使得在规定的时间内示踪器没能返回地面，从而导致在井深小于67 m的井段没有数据，这是不合理的。这种计算结果是由于对钻井液性能参数(黏度和流变性)估算不准造成的，由于影响示踪器下沉速度的井内物理参数很多，这种偏差会经常出现。速度解算法计算得到钻井液在下部井段的上返速度是1.25 m/s，在上部井段的上返速度是0.87 m/s，示踪器在环空内的下沉速度是0.01 m/s，从而得到示踪器在下部和上部井段内的实际上返速度是1.24 m/s和0.86 m/s。由于下沉速度很小，示踪器在各个井段内的实际上返速度近似等于钻井液的上返速度，因此示踪器的上返时间等于钻井液的上返时间。由于时间分配法和速度解算法得到的示踪器在各个井段内的上返速度差别不大，从而得到的深度—温度转换曲线也基本一致，这两种方法的计算结果是可靠的。

3.2 井2试验数据处理

这口井的钻井深度是2 440 m，井斜角67°，钻井液密度1 200 kg/m3，钻井液排量26 L/s，技术套管内径244.5 mm，套管深度351 m，裸眼井段直径215.9 mm，裸眼井段长度2 089 m，钻杆外径127.0 mm。示踪器在井2中记录的温度曲线(原始数据)如图4所示，示踪器到达井底的时间是1 200 s，返回地面的时间是4 200 s，井底温度60 ℃，钻井液出口温度53 ℃，由于示踪器每秒采样一个温度点，以及温度采样精度不是很高，因此对1 200～4 200 s时间段的温度数据进行了曲线插值处理，得到了相应的插值数据，后面的温度曲线均指的是该插值数据。对温度曲线进行预处理，如图5所示。

图4 示踪器在井2中记录的温度曲线

图5 预处理后的温度曲线

分别用时间分配法、速度定位法和速度解算法进行了示踪器深度定位计算，得到了井2的深度—温度曲线，如图6所示。时间分配法计算得到示踪器在下部井段的上返时间是2 418 s，上返“视”速度是0.86 m/s，在上部井段的上返时间是582 s，上返“视”速度是0.60 m/s。速度定位法计算得到钻井液在下部井段的上返速度是1.09 m/s，在上部井段的上返速度是0.76 m/s，示踪器在环空内的下沉速度是0.11 m/s，由于下沉速度偏低，导致示踪器在各个井段内的实际上返速度偏大，使得在规定的时间内示踪器提前返回地面，从而导致在井上200 m的距离也有数据，这是不合理的，这种计算结果是由于对钻井液性能参数(黏度和流变性)估算不准造成的。速度解算法计算得到，钻井液在下部井段的上返速度是1.09 m/s，在上部井段的上返速度是0.76 m/s，示踪器在环空内的下沉速度是0.20 m/s，从而得到示踪器在下部和上部井段内的实际上返速度是0.89 m/s和0.56 m/s。由于下沉速度较大，示踪器在各个井段内的实际上返速度要比钻井液的上返速度小，因此示踪器上返时间要大于钻井液的上返时间。由于时间分配法和速度解算法得到的示踪器在各个井段内的上返速度差别不大，从而得到的深度温度转换曲线也基本一致，这两种方法的计算结果是可靠的。

图6 井2的深度—温度曲线

4 结论

(1)示踪器的深度定位使用了时间信息、井筒物理参数、钻井液参数和示踪器参数等信息，通过计算钻井液在环空内的上返速度以及示踪器在环空内的下沉速度，得到示踪器在环空内的实际上返速度，从而实现示踪器深度定位的目的。

(2)时间分配法和速度解算法对井筒等参数的依赖性较低，而速度定位法则需要完全掌握井筒和钻井液等状况，否则不能正确定位示踪器的深度，因此在不能完全掌握井筒物理参数和钻井液参数的情况下，采用时间分配法和速度解算法获得示踪器的井深信息是可行的。

(3)现场试验数据处理结果表明，通过时间分配法和速度解算法获得了示踪器的井深信息，井深—温度曲线符合实际地质情况。为了检验示踪器的深度定位精度，需要继续开展示踪器的下井试验，进一步完善深度定位方法。