1CPWD型环空压力测量系统

实用标准文案
CPWD型环空压力测量系统
苏义脑，盛利民，邓乐，汪海阁，张晓丽，窦修荣，王家进等
( 中国石油集团钻井工程技术研究院，100097)
CPWD型环空压力测量系统是由中国石油集团钻井工程技术研究院自主研发的随钻井底
环空压力测量工具，由CGMWD、PMS和数据连接器组成。

CGMWD和 PMS已作为独立的工具多次应用于钻井施工作业，并取得了良好的应用效果； CPWD系统正在进行室内调试，即将进行
现场综合性能实验。

CPWD系统能够为欠平衡井钻井工程设计与施工提供基础数据，识别不正
常的井下情况以及时提出补救方法，防止井下复杂情况和事故发生，指导高难度井的
施工，从而加速我国高温高压井和大位移井的开发。

1CPWD型环空压力测量系统总体结构
CPWD型环空压力测量系统 ( 以下简称为CPWD系统 )
由 CGMWD型随钻测量工具 ( 以下简称为 CGMWD工具 ) 、PMS 型存储式环空压力测量工具 ( 以下简称为 PMS工具 ) 和数据
连接器组成，总体结构可见图1。

CGMWD和PMS为可单
独使用的工具。

1.1 PMS 工具井壁
PMS 工具由压力传感器组件、信号检测电路、数据
存储电路、电池和上数据连接器组成，所有的部件均配CGMWD 地面部分地面处理系统
正脉冲发生器
驱动器短节
置在一根61/ 2〃的短钻铤中。

压力传感器组件感知环空压力及温度的变化并将其
转换为电信号，信号检测电路通过放大、滤波、 AD转换、
标度变换等环节将该信号转换为表示所测压力及温度大
小的数字信号，数据存储电路将该信号储存在井下存储
器中供数据回放用。

同时，当数据连接器接收到CGMWD
工具的命令后，会将当时的环空压力及温度测量值发送
至 CGMWD工具。

图 2 为基本组装完毕的PMS工具外貌图，包括工具环空
的两大部件：钻铤及仪器短节。

将仪器短节插入钻铤内
部相应位置，用高强度螺柱将其固定在钻铤内壁，然后
装配压力传感器组件及信号接口组件，即完成了工具的
整体组装工作。

1.2 CGMWD工具
CGMWD工具包含井下工具及地面系统两部分：
1.井下工具
由下数据连接器、定向短节、电池短节、驱动器短
节和正脉冲发生器组成，所有的部件均配置在一根
分
部
下电池筒短节
井
D
W
M
G
C 定向仪短节
数据连接器总成
统
系
量电池电路及测控制系统总成
力
压压力传感器组件
S
M
P 钻头
1
6 / 2〃的无磁钻铤中。

井下工具通过数据连接器向 PMS工具发送控制命令并接收 PMS工具的测量数据，所接收的数据随同定向短节的测量参数 ( 井斜、方位和工具面 ) 经驱动器短节编码并驱动后，由正脉冲发生器产生相应的泥浆脉冲信号。

图2钻铤及仪器短节图3无磁钻铤及CGMWD仪器串
2.地面处理系统
地面处理系统由地面传感器 ( 压力传感器、深度传感器、泵冲传感器等 ) 、仪器房、信号处理前端箱、工业控制计算机外围设备和相关软件组成。

地面传感器感知泥浆脉冲信号并将其转换为电信号，信号处理前端箱对其进行相应的处理后送
至工业控制计算机，由后者进行滤波、解码以还原井下测量信号，并通过数字和曲线的方式将测量
结果显示在屏幕上，同时配套的应用软件对测量结果进行分析和处理，为现场工程师提供相应的建
议。

图 3 为基本组装完毕的 CGMWD工具外貌图，包括两大部件：无磁钻铤及仪器串。

将仪器串插入
无磁钻铤并锁紧 ( 既可在室内也可在井口完成 ) ，即完成了工具的整体组装工作。

CPWD系统在下井前，既可在室内 ( 必须具备上扣设备 ) 也可在井口将两个工具对接。

在完成系统配置后即可下井进行测量，当泥浆泵启动后，地面即可显示对应井深处的环空压力和温度等参数。

2CPWD系统的性能指标
2.1 PMS 工具性能指标：
基本工作条件
1)适用钻头尺寸： 81/ 2″ 95/ 8″
2)工具外径： 61/ 2″
3)最大工作井深： 5000m
4)最大工作压力： 100MPa
5)最高工作温度： 150℃
2
6)最大冲击： 10000m/s (0.2ms ， 1/2sin)
7)最大振动： 200m/s 2(10 200Hz)
8)连续工作时间： 500h
9)采样间隔： 1 点 /min.
基本测量参数
1)环空压力：测量范围 0 100Mpa，测量精度≤± 1%FS
2)环空温度：测量范围 -50 +160℃，测量精度≤± 1%FS
2.2 CGMWD工具性能指标：
基本工作条件
1)最大工作压力： 140MPa；
2)最高工作温度： 125℃；
3)最大冲击： 5000m/s2(0.2ms ， 1/2sin) ；
4)最大振动： 200m/s2(5 200Hz) ；
5)最大含砂量： 1%；
6)最大狗腿度： 10 /30m( 旋转 ) ， 20 /30m( 滑动 ) ；
7)最大钻头压降：不限。

基本测量参数
1)方位角：测量范围： 0 360°
测量精度：井斜角≥ 6°时± 1°井斜
角 3 6°时± 2.5 °井斜
角 0 3°时± 3°
2)井斜角：测量范围： 0 180°
测量精度：±0.15 °
3)工具面角：测量范围： 0 360°
测量精度：井斜角≥ 6°时± 1.5 °井
斜角 3 6°时± 2.5 °井
斜角 0 3°时± 3°
4)温度：测量范围： 0 150℃
测量精度：± 2.5 ℃
3 PMS 和 CGPWD工具现场实验
3.1 PMS 工具现场实验
1.第一次下井实验
实验时间： 2004 年 12 月 30 日 2005 年 1 月 3 日；
实验井队：大港油田钻井三公司50526 钻井队；
实验井位：冀东高尚堡22-26 井；
钻具结构：从下至上分别为钻头、转换接头1、转换接头2、PMS工具、转换接头3、其它钻具，环空压力测量点距钻头端面约为 1.6m；
实验目的： PMS工具综合性能实验。

主要考察仪器能否在恶劣的钻井过程中可靠工作以及能否
正常实时检测环空压力等参数。

所测量的数据均保存在存储器中、待工具取出地面后回放至计算机中，
供进一步处理和分析。

实验过程：测量仪器完整地进行了一个钻头进程的随钻实验。

在井下连续工作的101h 中，钻头纯钻进时间为70h；从 3311.06m 处开始到 3494.61m 处结束钻进，实钻进尺183.6m。

实验结果：仪器取出井口后，外观一切正常，但无法与地面计算机进行通讯，因而也无法了解
仪器的工作情况。

因故障原因无法确认，故决定将仪器运回实验室后再进行处理。

-20020406080100120
A
B
C
D
环空压力 (MPa)环空温度(℃)
图 4第一次下井实验储存的随钻测量数据度也在逐渐上升；
4)C 点和 D 点表明正常打钻中的接单根过程。

故障处理：在实验室对仪器进行拆
解后，发现仪器内部的电池引出线 ( 负极 ) 从根部断开；更换电池后仪器一切正常。

通过对仪器存储器进行数据分析，发现
仪器正常工作时间约为18h，其中包括下钻、钻井液循环以及16.44m 的钻进过程，随后仪器因断电而停止工作。

数据分析：图 4 为根据本次实验所存
储的随钻环空压力和环空温度采样数
据而绘制的测井曲线 ( 纵轴为时间轴 ) 。

从
该图能明显地看到下钻、开泵循环、
钻进以及接单根时的环空压力和温度相
应的变化情况。

1) A点表明仪器已从地面下入井
口；
2)随后压力和温度随着下入深度的
增加而不断增大，直至井底 (B 点 ) 环空温
度达到最大值 (102 ℃ ) ；
3)开泵循环后，环空温度逐渐下
降；此后随着钻井深度的增加，环空温
实验结论：尽管出现了因电池引线断开的故障，但无论从机械结构还是实验数据分析，PMS 工
具此次的综合性能实验是基本成功的；尽管还需在装配工艺上继续做工作，但仪器在恶劣的钻井环
境下正常工作的能力是不容质疑的。

2.第二次下井实验
实验时间： 2005 年 7 月 17 日 2005 年 7 月 22 日；
实验井队：华北油田钻井一公司50196 队；
实验井位：吐哈油田三潭湖马14 井(探井)；
钻具结构：从下至上分别为钻头、转换接头1、回压阀、 PMS工具、转换接头2、其它钻具，环
空压力测量点距钻头端面约为 1.55m；
实验目的1：PMS工具综合性能实验。

继续考察仪器能否在恶劣的钻井过程中可靠工作以及能否
正常实时检测环空压力等参数。

实验目的2：验证泥浆和空气混合钻井液的欠平衡能力。

( 工程上对此类钻井液能否达到欠平衡
的效果尚有争议，故希望通过PMS工具的实际检测数据来进行判断。

) 实验过程：测量仪器完整地进
行了一个钻头进程的随钻测量。

在井下连续工作的125h 中，从 1883m处开始到2150m处结束钻进，实钻进尺267m。

实验结果：仪器取出井口后，外观一切正常，硬件和软件均能正常工作。

测量结果见数据分析。

010203040506001020304050 01884
1000
1934
2000
3000
1984
4000
2034
5000
2084
6000
7000
2134
环空压力 (MPa)环空温度 ( ℃)环空压力 (MPa)环空温度 ( ℃)图 5第二次下井实验储存的随钻测量数据(按时间 )图 6第二次下井实验存储的随钻测量数据(按井深 )
010********
环空压力 (MPa)环空温度 ( ℃)图 7第二次下井实验中接单根时的随钻测井曲线(按时间 )
0102030405060 1660
数据分析 1 图 5 为根据本次实验所存储的随钻采样数据而绘制的测井
曲线 ( 纵轴为时间轴) 。

从该图可观察到125h 中环空压力和温度的变化情况。

数据分析 2图6为根据本次实验所整理的随钻采样数据而绘制的测井
曲线 ( 纵轴为井深轴) 。

从该图可观察到267m 进尺中环空压力和温度的变化情况。

当所有钻井设备正常后 ( 大约从1922m 开始 ) ，钻进时环空压力的平均值约为 16.05MPa ，最小值约为13.53MPa，最大值约为 17.71MPa。

数据分析3图7 为根据井深1979m处接单根时的随钻采样数据而绘制的测井曲线 ( 纵轴为时间轴) 。

从该图
1670
1680
1690
1700
环空压力 (MPa)环空温度 ( ℃)图 8第二次下井实验中憋井实验的随钻测井曲线(按时间 )可观察到泥浆空气混合钻井接单根时
环空压力的变化非常缓慢 ( 接单根时间约为 40min.) ，这与纯泥浆钻井接单根时环空压力急速下降有很大的不同。

数据分析 4 图 8 为根据憋压实验时的随钻采样数据而绘制的测井曲线
( 纵轴为时间轴 ) 。

从该图可观察到憋压实验时环空压力测量值为32MPa，为2000m井深时在正常钻井工况中不可能
实用标准文案获得的环空压力测量值。

0.50.60.70.80.9 1.0 1.1 1.2
1883
1933
1983
)
m
(
深
井
2033
2083
2133
当量循环密度 (g/cm3)
图 9第二次下井实验的随钻当量循环密度测井曲线( 泵压从 13MPa降至 3MPa)并提高了机械钻速。

3.2CGMWD工具现场实验
数据分析 5：图⒐为根据按随钻环
空压力采样数据计算出的当量循环密
度值而绘制的测井曲线( 纵轴为井深轴) 。

从该图可观察到267m进尺中当量循环密度的变化情况。

当所有钻井设备正常后 ( 大约从 1922m开始 ) ，钻进时当
量循环密度的平均值约为0.77g/cm
3
，最小值约为0.67g/cm
3
，最大值约为0.86g/cm
3。

实验结论 1 从所获取的随钻环空压力和温度曲线看，PMS工具此次的综合性能实验是非常成功的。

实验结论 2 从所获取的当量循环密
度曲线看，此次泥浆空气混合钻井液
配方并没有达到预期的欠平衡目标 ( 设计的当量循环密度为 0.68g/cm 3) 。

但它
确实大幅度地降低了当量循环密度( 从1.01g/cm 3降至0.77g/cm 3) 和机械损耗
1.正脉冲发生器应用
滤波后信号正脉冲发生器2003 年2005 年在各油田50 余口井
得到了应用。

2005 年 5 只脉冲发生器共进行了20 余口井的应
用：平均每只脉冲发生器下 4 口井；平均无故障累计
工作时间约为400h；无故障最长累计工作时间约为
550h 以上；最大测量深度2700m。

2.CGMWD工具系统功能实验
实验时间： 2003 年 12 月 9 日 30 日；实
验井队：大港油田 50526 井队；
实验井位：冀东油田 LB1-19-16 井；实
验井段： 2315 2993m；
实验简况：下钻 8 次，入井时间 363h，工作时间 257h，纯钻进时间 244h，累计进尺 678m；
实验结果：系统工作性能良好，达到产品级水平。

图 10 为 CGMWD现场采集和滤波后的泥浆脉冲信号
的对比曲线。

表 1 显示了 CGMWD工具的实验测点与井队测点的对现场采集实际信号
图 10 CGMWD现场采集和滤波后的泥浆脉冲信号
表 1实验测点与井队测点的对比
实验测点对比点井深 (m)27552765
井斜( ) 1.98 2.00
方位( )225.10220.34
实用标准文案
比结果。

4CPWD系统的功能和作用
通过应用CPWD系统监测井底钻井液液柱压力，可识别不正常的井下情况并及时提出补救方法，
有助于防止井下复杂情况和事故发生。

将 CPWD系统应用于欠平衡钻井时，能够监测井底环空压力与温度，避免钻井液侵入地层引起储层
伤害；同时可优化充气钻井作业中充气量，提高对钻井液密度设计和井口回压设计的控制精度。

应用 CPWD系统实时测量的井底压力值，可将当量循环密度 (ECD)和当量静态密度 (ESD)控制在预定
的窗口内，以防止井漏和保持井眼稳定。

另外可利用井底压力数据评价泥浆流动、钻柱旋转等因
素对 ECD的影响，以及进行地层稳定实验评价。

准确的井底压力测量数据能更有效地缩短钻井周期，
简化井身结构。

CPWD系统的功能和作用具体为：
1)可及早监测到溢流，从而实现快速关井，并可将地层流体侵入量和套管鞋处压力梯度减至最小，
从而减少井控时间；
2)当振动筛上无钻屑返出时，通过井底压力测量即可知环空中的固相是否仍处于悬浮状态，或是否能安全起钻，从而可避免无效循环时间；
3)为了更快地破胶，开泵前先转动钻柱，这样将减少井眼伤害的可能性，节约钻井时间；
4)利用井底压力数据，可计算井下动力钻具上产生的实际压降值，有利于更好地利用井下马达，减
少泥浆马达的滞动和磨损；
5)可准确监测起下钻过程中的环空动态压力，保障安全、高速起下钻；
6)利用井底压力数据，可以优化井眼净化效果，提高井眼净化效率；
7)可以优化泥浆密度和流变性，随时了解泥浆调整效果，确保井下安全。

8)井底压力监测用于欠平衡钻井作业，可避免钻井液侵人地层引起储层伤害。

优化充气钻井作业中
充气量，降低充气成本。

9)高质量的监测数据能提高人们对出现井下复杂物理过程的认识，同时在对过去水力模型验证
的基础上，了解不同因素对 ECD和 ESD的影响程度，从而有利于建立更为精确的水力模型，并用于设
计高难度井。

5 CPWD系统应用前景浅析
随着欠平衡钻井技术的发展，对 CPWD系统的需求会越来越迫切，其发展趋势正朝着多参数的测
量发展，为此CPWD系统将在如下几方面继续开展工作：
1)进一步提高系统在宽温环境下井下环空压力的测量精度、稳定性和分辨率；
2)增加井下柱内压力和温度的测量功能；
3)增加井下钻压和扭矩的测量功能；
4)增加井下振动的测量功能；
5)增加井下测量数据在空气钻井中的无线传输功能。

通过上述措施， CPWD系统性能将得到进一步的加强，功能将得到进一步的扩展，它的应用无
疑会加速我国高温高压井和大位移井的开发进程。

( 苏义脑中国工程院院士，中国石油集团钻井工程技术研究院副院长，兼任中国石油天然
气集团公司钻井工程重点实验室主任、中国石油学会工程专业委员会钻井工作部钻井基
础理论学组组长、北京振动工程学会理事长。

)。