随钻当量密度测量方法及装置技术领域
本发明基于申请日为2014年5月29日，申请号为2014102338597，
发明名称为“随钻当量密度测量方法及装置”的发明专利申请的分案申请。
涉及石油、天然气钻井作业中随钻当量密度监测方法及装置，用于实时获
取钻井期间井下当量钻井液密度，指导窄密度窗口钻井、大位移井和欠平
衡井等作业施工，达到安全快速钻井和有效保护储层的目的。
背景技术
随着油气勘探开发不断向深层发展，钻井作业面临的地质条件和地层
压力系统更为复杂，喷漏同层、上喷下漏等复杂地层条件下的窄密度窗口
安全钻井问题突出，井下复杂情况和事故频繁，已成为制约深层油气开发
的技术瓶颈。解决复杂地层条件下窄密度窗口钻井问题的有效技术途径是
实施精细控压钻井作业，因此应实时监测钻井液当量密度，使其控制在允
许范围内，以确保钻井安全。
在大位移和水平井钻井作业中，随着大斜度井段的钻进，环空沿程损
耗不断增加，而垂深增加缓慢，甚至不增加或减少(如井斜角≥90°井段)，
从而导致钻井液当量循环密度(ECD)逐步增加，尤其是在小井眼大斜度
长位移井段钻井后期，当量循环密度的控制尤为重要，它是能否安全钻达
设计完钻井深的一个关键因素。
对于欠平衡钻井作业，实时监测钻井液当量密度，使其低于地层孔隙
密度并维持在合理的压差范围内，可有效地保护储层，减少降低钻井液对
油气层的伤害，提高油气采收率，对油气勘探开发具有重要意义。此外，
随钻实时监测钻井液当量密度及其变化，还可有助于及时了解井眼清洁、
地层流体侵入以及钻井液漏失等情况，为指导下步钻井作业提供帮助。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供涉及井下随钻实时监测钻井液当量密
度的技术方案，自动跟踪钻进过程中钻井液当量密度及其变化情况，为窄
密度窗口钻井、大位移井和欠平衡井等作业施工提供施工指导，预防井下
复杂情况和事故，达到安全快速钻井作业和保护油气储层等目的。
具体来说，本发明提供了一种随钻当量密度测量装置，包括PWD
(PressureWhileDrilling)参数测量工具、MWD数据通讯工具，其特征
在于，所述PWD工具上分别装有钻柱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、监测开停泵情况和检测地面下传信号，PWD
上还装有轴向加速度传感器，用于测量钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向
移动距离，应用井下实时跟踪深度和测斜数据计算压力传感器位置垂直深
度，进而求得当量钻井液密度，PWD通过上下数据连接器同MWD
(MeasurementWhileDrilling)通讯连接，MWD用于随钻测量定向参数
和上传井下测量参数。
本发明还提供一种随钻当量密度测量方法，其特征在于，包括在井下
存储器中设置已钻井眼轨迹基本参数、待钻井眼深度校验点、不同地层深
度允许当量密度范围、压力传感器及定向参数传感器位置、压力和轴向加
速度传感器采样时间等参数步骤；下钻到井底后钻柱处于暂停运动状态，
地面向井下发送信息后开始钻进，初始化速度及轴向位移后，利用加速度
传感器进行钻柱轴向运动距离(深度)跟踪步骤；应用井下实时跟踪深度
和测斜数据计算压力传感器位置垂直深度，进而求得当量钻井液密度步骤，
其中，若当量密度超出允许范围或偏离正常变化趋势时，通过MWD及时
上传到地面系统，并进行预警显示，否则间隔一定时间上传当量钻井液密
度；当钻达预定深度校验点时(通常设为钻进接单根深度)时，暂停钻柱
运动进行测斜，测斜上传到地面系统确认后，向井下发送信息并恢复钻钻
进作业，继续钻进深度跟踪和随钻当量密度监测直到结束钻进作业。
本发明还提供一种用于测量钻柱轴向运动距离的测量方法，其特征在
于，利用轴向加速度传感器测量轴向加速度，然后对测量轴向加速度进行
滤波，以滤除叠加于其中的直流误差信号和噪声干扰信号，求得钻进时有
效的钻柱轴向运动加速度，对有效运动加速度一次积分可求得轴向运动速
度；再对计算出的轴向运动速度进行滤波，以滤除叠加于其中的直流误差
信号和噪声干扰信号，求得钻进时有效的钻柱轴向运动速度，对有效运动
速度一次积分可求得轴向移动距离，由此实现钻柱轴向移动距离的测量。
本发明还提供一种井下获取完整测斜数据的方法，其特征在于，通过
井下预设深度校验点，到预定深度时，暂停钻柱运动测斜并上传测量结果，
地面确认后下发信息，从而井下可获得测量点深度数据。
本发明还提供一种随钻当量密度测量方法，其特征在于，包括随钻深
度跟踪步骤和当量密度计算步骤，即
获取测量点深度数据、获取钻进时的位移增量、测量压力传感器与井
斜传感器间的间距，根据所获得的准确的深度数据、所述位移增量及所述
间距，求得环空压力测量点深度L，进一步利用测斜数据计算其对应垂直
深度H，根据随钻测量的环空压力Pa及其对应垂深H，计算出当量钻井液
密度ρe
ρ
e
=
P
a
g
H
]]>
式中g为重力加速度。
本发明还提供一种随钻当量密度上传方法，其特征在于，包括对所获
取的当量密度进行安全判断步骤及上传步骤，即
利用井下存储安全密度窗口数据表，查询允许的当量密度范围ρmin～
ρmax；
判断压力测量点垂直深度H处所计算的当量钻井液密度ρe是否对应
所述数据表所允许的密度范围ρmin～ρmax；
如果当量钻井液密度ρmin≤ρe≤ρmax，则间隔一定时间上传随钻当
量密度ρe，否则，MWD立即上传结果到地面系统，并进行预警提示。
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。
在本发明中，PWD(PressureWhileDrilling)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、监测开停泵情况和检
测地面下传信号；PWD上还装有轴向加速度传感器，用于测量钻柱轴向运
动情况及计算钻柱轴向移动距离；PWD通过上下数据连接器同MWD
(MeasurementWhileDrilling)通讯连接；MWD用于随钻测量定向参数
和上传井下测量参数。
在本发明中，下钻前，在井下存储器中设置已钻井眼轨迹基本参数、
待钻井眼深度校验点、不同地层深度允许当量密度范围、压力传感器及定
向参数传感器位置、压力和轴向加速度传感器采样时间等参数；下钻到井
底后钻柱处于暂停运动状态，地面向井下发送信息后开始钻进，初始化速
度及轴向位移后，利用加速传感器进行钻柱轴向运动距离(深度)跟踪；
应用井下实时跟踪深度和测斜数据计算压力传感器位置垂直深度，进而求
得当量钻井液密度；若当量密度超出允许范围或偏离正常变化趋势时，通
过MWD及时上传到地面系统，并进行预警显示，否则间隔一定时间上传
当量钻井液密度；当钻达预定深度校验点时(通常设为钻进接单根深度)
时，暂停钻柱运动进行测斜，测斜上传到地面系统确认后，向井下发送信
息并恢复钻钻进作业，继续钻进深度跟踪和随钻当量密度监测直到结束钻
进作业。
发明的效果
根据本发明所提出的井下随钻当量密度实时测量的技术方案，在钻井
过程中随钻测量环空压力，井下自动跟踪钻进深度及井眼轨迹，实时监测
钻井液当量密度及其变化，并判断当量密度是否处于允许安全窗口范围内，
可及时掌握井下压力控制、井眼净化及地层流体浸入等情况，有效地指导
钻井技术人员进行施工，预防井下复杂情况和事故，从而安全顺利钻达目
的层，实现储层保护等预期钻井目标。
附图说明
图1为环空压力测量系统示意图。
图2为随钻当量密度测量方法流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明作出详细说明。
图1为环空压力测量系统示意图。
如图1所示，井下工具为环空压力测量系统，基本配置包括：正脉冲
发生器1、涡轮发电机2、驱动短节3、电池筒短节4、定向仪短节5、下
数据连接器6、上数据连接器7、电池及电路8、轴向运动传感器9、数据
回放接口10、环空压力传感器11、柱内压力传感器12等。
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、监测开停泵情况和检测地面下传信号；PWD上还装有轴向加速
度传感器，用于测量钻柱轴向运动情况及计算钻柱轴向移动距离；PWD
通过上下数据连接器同MWD通讯连接；MWD用于随钻测量定向参数和
上传井下测量参数。
在下钻之前，在井下存储器中设置已钻井眼轨迹基本参数、待钻井眼
深度校验点、不同地层深度允许当量密度范围、压力传感器及定向参数传
感器位置、压力和轴向加速度传感器采样时间等参数；下钻到井底后钻柱
处于暂停运动状态，地面向井下发送信息后开始钻进，初始化速度及轴向
位移后，利用加速传感器进行钻柱轴向运动距离(深度)跟踪；应用井下
实时跟踪深度和测斜数据计算压力传感器位置垂直深度，进而求得当量钻
井液密度；若当量密度超出允许范围或偏离正常变化趋势时，通过MWD
及时上传到地面系统，并进行预警显示，否则间隔一定时间上传当量钻井
液密度；当钻达预定深度校验点时(通常设为钻进接单根深度)时，暂停
钻柱运动进行测斜，测斜上传到地面系统确认后，向井下发送信息并恢复
钻钻进作业，继续钻进深度跟踪和随钻当量密度监测直到结束钻进作业。
图2为随钻当量密度测量方法流程图。
如图2所示，本发明测量方法和步骤如下：
一、在井下仪器中设置PWD工作参数，主要包括以下数据：
1.仪器时间参数：仪器延时启动时间、压力和轴向加速度采样时间；
PWD延时启动时间根据下钻前准备工作时间、下钻速度及开始测量深
度确定。
压力采样时间根据PWD井下工作时间、存储器大小及对监测压力要
求综合考虑。通常采样间隔为1～60秒/点。为了监测快速压力波动情况，
典型采样间隔为1秒/点。
轴向加速度采样时间为0.001～0.1秒/点。
2.传感器位置：环压力传感器及定向参数传感器距钻头位置；
3.不同地层(垂深)安全密度窗口：起始深度、终止深度、最小密度、
最大密度；
4.已钻井眼测斜数据表：测深L、井斜角α、方位角![]()
5.待钻井眼深度校验点表：井深
二、仪器到达预定深度后暂停活动钻具，MWD测量定向参数并上传
到地面系统；
通常将钻完进尺接单根钻具坐卡时井斜传感器对应深度设为井斜测量
点，这样既节约时间，又确保获得较准确的测量结果。接完单根后，开泵
循环钻井液，MWD将测量数据上传到地面系统。
三、地面接收到测量的井斜角和方位角后，确认后向井下发送信号，
开始钻进作业；
地面成功接收上传数据后，向井下发送确认信号，开始钻进作业。
四、井下存储测斜结果(测深、井斜角、方位角)，初始化速度和轴
向位移增量；
井下收到确认信号后，存储井斜测量结果数据，并初始化钻具轴向移
动速度和轴向位移增量。
五、对测量轴向加速度进行滤波，求出钻柱轴向运动加速度ax；
对测量轴向加速度进行滤波，滤除叠加于其中的直流误差信号和噪声
干扰信号，求得钻进时有效的钻柱轴向运动加速度ax。
六、对有效运动加速度ax一次和二次积分可求轴向运动速度和钻柱移
动距离；
对有效运动加速度一次积分可求得轴向运动速度。
再对计算出的轴向运动速度进行滤波，以滤除叠加于其中的直流误差
信号和噪声干扰信号，求得钻进时有效的钻柱轴向运动速度，对有效运动
速度一次积分可求得轴向移动距离。
故利用运动加速度ax的一次和二次积分可求轴向运动速度和相对钻柱
静止点的移动距离ΔL。
ΔL＝∫∫ax
七、根据钻柱移动距离求出环空压力测量点深度L，并根据井下存储
测斜数据表计算其垂深H；
根据暂停钻具测斜时获得的准确深度、由轴向加速度求出钻进时的位
移增量及压力传感器与井斜传感器间的间距，可求环空压力测量点深度L，
进一步利用测斜数据计算其对应垂直深度H。
以最小曲率法为例，两井斜测量点间的垂深增量△H计算公式为：
ΔH＝LT(cosαi-1+cosαi)
L
T
=
180
π
L
i
-
L
i
-
1
γ
t
a
n
γ
2
]]>
γ＝arccos[cosαi-1cosαi+sinαi-1sinαicos(φi-φi-1)]
式中L、α、![]()
分别为测深/m、井斜角/°和方位角/°；γ为两测点间的
狗腿角/°；LT为圆弧的两切线段长度/m。
当两测点间为稳斜段时，ΔH＝(Li-Li-1)cosαi。
通过累计各测段垂深增量，并利用插值原理可求得环空压力测量点深
度L对应垂直深度H。
八、根据随钻测量的环空压力Pa及其对应垂深H计算当量钻井液密
度ρe
ρ
e
=
P
a
g
H
]]>
式中g为重力加速度。
九、根据井下存储安全密度窗口数据表，查询允许的密度范围ρmin～
ρmax；
根据井下存储安全密度窗口数据表，查询压力测量点垂直深度H对应
允许密度范围ρmin～ρmax。
十、如果当量钻井液密度ρmin≤ρe≤ρmax，则间隔一定时间上传随
钻当量密度ρe，否则，MWD立即上传结果到地面系统，并进行预警提示；
若计算当量钻井液密度ρe在安全密度范围内，即ρmin≤ρe≤ρmax，
则间隔一定时间上传随钻当量密度ρe；否则进行预警，MWD立即上传结
果到地面系统，为钻井作业施工人员及时分析和采取措施提供帮助，进而
防止井下复杂情况和事故发生。
十一、继续钻进作业，到上述步骤二。
在井下压力正常情况下，继续钻进作业，返回步骤二进行随钻当量密
度实时监测，指导工程作技术人员进行钻井作业。
综上，本发明提出了一种随钻当量钻井液密度测量解决方案，随钻测
量环空压力，井下自动跟踪钻进深度及井眼轨迹，实时监测钻井液当量密
度及其变化，并判断当量密度是否处于允许安全窗口范围内，能及时掌握
井下压力控制、井眼净化及地层流体浸入等情况，有效地指导钻井技术人
员进行施工，预防井下复杂情况和事故，从而安全顺利钻达目的层，实现
储层保护等预期钻井目标。
尽管以上参照附图以实施方式对本发明作出了详细说明，但是，它们
仅仅是例示性的，本领域技术人员完全能够根据本发明教导而对其作出各
种形式的替换或者变更，在不脱离本发明宗旨和精神的前提下，凡是对本
发明作出的各种变更及修饰均视为本发明所涵盖的内容，均落入所附权利
要求的范围之内。