電磁波傳輸存儲(chǔ)式測井系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用

劉 俊

(中國石化西南石油工程有限公司測井分公司 四川 成都 610100)

0 引 言

在超深的大斜度井、水平井和小井眼多分支井中，以及井壁嚴(yán)重失穩(wěn)等復(fù)雜情況下，電纜測井甚至水平井測井技術(shù)往往無能為力。電磁波傳輸存儲(chǔ)式測井是近年發(fā)展起來的新技術(shù)。該技術(shù)通過電磁波將井下部分測井?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到地面以監(jiān)控下井儀器的工作狀態(tài)，同時(shí)將主要的測井?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在下井儀器存儲(chǔ)器中從而完成測井施工。儀器串連接在鉆具底部，通過起下鉆具輸送儀器，不需要測井絞車和電纜配合作業(yè)，起下過程中能夠開泵以及旋轉(zhuǎn)鉆具，避免了水平井濕接頭工藝因電纜的存在而導(dǎo)致的復(fù)雜情況。通過在四川地區(qū)部分井的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，該技術(shù)一定程度上提高了復(fù)雜井的施工能力，但同時(shí)也還存在一些問題需要進(jìn)一步改進(jìn)。

1 測井原理和儀器結(jié)構(gòu)

1.1 地面系統(tǒng)工作原理

1.1.1 系統(tǒng)簡介［1］

SEMLS-1000 電磁波傳輸存儲(chǔ)式測井地面系統(tǒng)(以下簡稱SEMLS-1000 地面)是根據(jù)油田需求開發(fā)的便攜式測井地面系統(tǒng)，是一種鉆具輸送無電纜存儲(chǔ)式測井系統(tǒng)，配合相應(yīng)的下井儀器完成井況條件惡劣的大斜度井和長位移水平井測井作業(yè)。

地面接收處理機(jī)箱通過采集兩個(gè)接收地矛間的電磁波信號(hào)，解碼出相應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)信息，顯示在計(jì)算機(jī)桌面上，同時(shí)將系統(tǒng)狀態(tài)信息發(fā)送到司鉆顯示器。當(dāng)下井儀器有遇阻遇卡狀態(tài)時(shí)，通過聲光報(bào)警來提醒司鉆。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)五個(gè)功能，即電磁波信號(hào)的接收和解碼;實(shí)時(shí)深度數(shù)據(jù)的采集及處理;為車間刻度和測井?dāng)?shù)據(jù)讀取提供所需的通訊接口和工作電源輸出;具有司鉆顯示、通訊、監(jiān)控和報(bào)警的功能;具有地面系統(tǒng)與井臺(tái)工作區(qū)音頻通信功能。

1.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)機(jī)柜從下往上依次安裝UPS 電源、打印機(jī)、SEMLS-1540 地面接口箱、工控機(jī)、KVM 組件。其中SEMLS-1540 是地面接口箱，采集和處理傳感器信號(hào)，并將處理后的信號(hào)通過串口發(fā)送到工控機(jī);采集和處理電磁波信號(hào)，并將處理后的信號(hào)通過USB 口發(fā)送到工控機(jī)。工控機(jī)為系統(tǒng)綜合控制、實(shí)時(shí)深度跟蹤與測后處理數(shù)據(jù)的中心。

1.1.3 深度測量原理

電磁波傳輸存儲(chǔ)式測井系統(tǒng)中的深度測量要求地面儀器采集的井深數(shù)據(jù)始終要與井隊(duì)下鉆(下測)、起鉆(上測)、“等待”三種基本狀態(tài)時(shí)下井儀器最下端的位置保持一致。深度測量是通過對下井儀器和所有已下鉆鉆具的測量長度累積得到的，鉆柱之間的測量通過記錄鉆井鋼繩絞車碼盤輸出的脈沖來實(shí)現(xiàn)。井隊(duì)提供的準(zhǔn)確的下鉆鉆具組合表就是做為實(shí)時(shí)深度跟蹤以及誤差對比和校正處理的依據(jù)。實(shí)時(shí)采集得到的井深數(shù)據(jù)通過軟件記錄和修正，為后期深度匹配和處理提供準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。

SEMLS-1000 測井地面系統(tǒng)的深度跟蹤是通過絞車傳感器感應(yīng)鉆機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，利用滾筒參數(shù)、大繩參數(shù)參與計(jì)算、校正系數(shù)參與微調(diào)的處理方式，并結(jié)合大鉤負(fù)荷傳感器的輕、重載狀態(tài)判斷來實(shí)現(xiàn)深度準(zhǔn)確跟蹤的。深度板原理框圖如圖1 所示。

圖1 深度板工作原理框圖

1.1.4 電磁波信號(hào)的接收和解碼原理

電磁波信號(hào)的接收和解碼是SEMLS -1000 地面系統(tǒng)的重要功能。在測井作業(yè)過程中井下發(fā)射機(jī)主控單元發(fā)射垂直激勵(lì)的電磁信號(hào)，經(jīng)地層傳輸至地面，地面最佳接收方式為水平電位接收，即井筒和徑向分布的某參考點(diǎn)之間的水平電位差。實(shí)際接收設(shè)備包括地矛(作為參考電極)、線纜以及井筒的連接器等。線纜將參考電極與井筒之間接收的信號(hào)輸入到SEMLS -1540 地面接口箱，機(jī)箱內(nèi)電路通過對這些信號(hào)的放大、濾波及信號(hào)的解調(diào)解碼，最終將得到的數(shù)據(jù)送入SEMLS-1000 系統(tǒng)深度跟蹤軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，并將張力、伸縮、儀器狀態(tài)等信息送入司鉆顯示器進(jìn)行顯示，方便現(xiàn)場操作人員實(shí)時(shí)了解井下儀器狀況。接收井下發(fā)射電磁波信號(hào)的流程框圖如圖2 所示。

圖2 接收井下發(fā)射電磁波信號(hào)的流程框圖

1.2 下井儀器工作原理

下井儀器包括主控發(fā)射單元和其他測井儀器兩部分，之間主要通過CAN 總線建立通訊并傳輸數(shù)據(jù)。

1.2.1 SEMLS-1040 發(fā)射機(jī)主控單元工作原理［2］

SEMLS-1040 發(fā)射機(jī)主控單元主要包括功放電路和主控采集電路兩大部分。原理圖如圖3 所示。

圖3 發(fā)射機(jī)主控單元原理框圖

功放電路將來自主控采集電路的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、載波調(diào)制、功率放大，以電磁波形式經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射，地層為傳輸介質(zhì)，通過地面接收機(jī)恢復(fù)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)向地面人員提供井下儀器的受力、遇阻以及工作狀態(tài)。

主控采集電路完成對井下儀器受力、井溫、泥漿電阻率、井下壓力信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，以及完成中子、密度脈沖計(jì)數(shù)和存儲(chǔ)功能，通過CAN 總線通訊對其它下井儀的測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行傳輸并存儲(chǔ)，測井前與地面配接通過CAN 總線通訊完成存儲(chǔ)間隔、授時(shí)、壓力門限、工作延遲時(shí)間等設(shè)置功能，測井結(jié)束，通過CAN 總線通訊或USB通訊完成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取。

1.2.2 其他測井儀器的工作原理

用于測量地層物性及工程參數(shù)的測井儀器主要包括SEMLS-1070 伽馬連斜短節(jié)、SEMLS-1080 雙側(cè)向短節(jié)、SEMLS-1050 補(bǔ)償中子短節(jié)等，測井項(xiàng)目根據(jù)工區(qū)需要確定。輔助測量短接包括電池節(jié)、硬電極、底部伸縮短接等。由于測井儀器的工作原理與常規(guī)的儀器相當(dāng)，下面僅對三種儀器和一種輔助測量短接進(jìn)行簡要描述。

1.2.2.1 伽馬連斜短節(jié)

SEMLS-1070 伽馬連斜短節(jié)是SEMLS -1000 電磁波傳輸存儲(chǔ)式測井系統(tǒng)中的一個(gè)短節(jié)，主要完成自然伽馬和井斜方位的測量，為電池短節(jié)B 的計(jì)時(shí)電路提供+5 V 電源，具備關(guān)閉自身±12 V 電路電源和雙側(cè)向短節(jié)工作電源的功能。該短節(jié)和電池短節(jié)B 一起作為雙側(cè)向短節(jié)的上A2 電極。

連斜測量部分采用的是固態(tài)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，以三個(gè)重力加速度計(jì)和三個(gè)磁通門傳感器建立儀器的三維測量坐標(biāo)系。通過測量三個(gè)重力加速度計(jì)和三個(gè)磁通門傳感器的輸出值，可以計(jì)算出井眼的傾斜角、方位角和相對方位角。

1.2.2.2 雙側(cè)向短節(jié)［3］

SEMLS-1080 雙側(cè)向短節(jié)用于完成深、淺側(cè)向電阻率的測量，是一種聚焦式的電法測井儀器。在測井時(shí)，儀器可以測量深側(cè)向(LLD)和淺側(cè)向(LLS)兩條曲線。該儀器采用兩種工作模式同時(shí)工作，深側(cè)向工作頻率采用70 Hz，探測深度較深，用于測量原狀帶地層的電阻率值;淺側(cè)向工作頻率采用280 Hz，探測深度較淺，用于測量侵入帶地層的電阻率值。

1.2.2.3 補(bǔ)償中子短節(jié)［4］

SEMLS-1050 補(bǔ)償中子測井儀為了減少井眼套管泥餅對測量的影響，下井儀將兩個(gè)靈敏度不同的3He 探測器，布置在離中子源距離不同的位置上，用它們的兩個(gè)計(jì)數(shù)率的比值來反映地層孔隙度的大小，提高了測量精度。

1.2.2.4 底部伸縮短接

SEMLS-1100 底部伸縮短接連接在儀器串的底部，其彈簧連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電位器運(yùn)動(dòng)，測量儀器遇阻時(shí)上部施加的壓力，該伸縮信號(hào)通過電磁波發(fā)送到地面，便于操作工程師觀察和判斷，及時(shí)提示司鉆操作，避免儀器承受過大的壓力而受損，提高了施工的安全性。

2 測井施工和資料采集

2.1 × ×-33-2 井與× ×-33-8 井的測井施工

2014 年3 月23 日XN312 測井隊(duì)完成了川西某工區(qū)× ×-33-2 井的測井施工。該井位于四川德陽地區(qū)，井深3 040 m，垂深2 827m，造斜點(diǎn)1 900 m，最大井斜35.5°。2014 年3 月29 日XN312 測井隊(duì)完成了川西某工區(qū)××-33-8 井的測井施工。該井位于川西德陽地區(qū)，井深2 963 m，垂深2 580 m，造斜點(diǎn)1 160 m，最大井斜35.9°。

施工過程大致如下:首先安裝連接井口絞車深度傳感器和鉤載懸重傳感器，連接電磁波信號(hào)接收點(diǎn)，在地面對儀器串的主要短節(jié)進(jìn)行供電檢查，然后在井口將儀器串連接到鉆具底部，連接儀器的過程中再對儀器串進(jìn)行總體通訊檢查，工作正常后下鉆試驗(yàn)。

現(xiàn)場調(diào)整完畢后開始正式鉆具輸送儀器下放測井，測井速度6 m/min，到達(dá)井底后繼續(xù)上提測井。上提儀器到達(dá)井口開始讀取數(shù)據(jù)，回放出圖，資料驗(yàn)收合格，完成施工。

2.2 兩口井測井施工過程的主要特點(diǎn)

2.2.1 測井資料質(zhì)量

從兩口井的測井資料看，GR 自然伽馬、AC 聲波時(shí)差、DLL 雙側(cè)向、DEV/DAZ 連斜方位測井曲線質(zhì)量優(yōu)秀，SP 自然電位數(shù)據(jù)干擾較大，× ×-33-2 井CAL 井徑斜井段測值偏小，× ×-33-8 井正常，在直井段CAL 數(shù)據(jù)正常，CAL 曲線質(zhì)量合格，SP 曲線參考。

將× ×-33-2 井的主要測井曲線與上部電纜測井資料進(jìn)行對比分析。深淺側(cè)向電阻率、井斜方位曲線對比見圖4，自然伽馬、聲波時(shí)差曲線對比見圖5。由對比圖可以看出，GR、AC、DLL、DAZ/DEV 測井資料與電纜測井曲線有很好的一致性。DLL、DAZ/DEV 測井曲線與電纜測井曲線基本重合，但GR 和AC 曲線鋸齒狀統(tǒng)計(jì)起伏較大，經(jīng)過5 點(diǎn)濾波之后AC 曲線正常，GR 曲線雖然有一定改善，還存在這種現(xiàn)象。

圖4 深淺側(cè)向電阻率、井斜方位曲線對比

圖5 自然伽馬、聲波時(shí)差曲線對比

2.2.2 測井施工及資料質(zhì)量問題分析

當(dāng)儀器遇阻遇卡時(shí)，通過伸縮與張力信號(hào)，可以判斷遇卡的狀態(tài)，但是由于電磁波信號(hào)幅度等多方面的影響造成軟件解碼錯(cuò)誤，信號(hào)易出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象，報(bào)錯(cuò)頻繁時(shí)容易使施工人員視覺疲勞，且影響對井下情況的判斷，產(chǎn)生施工風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，電磁波傳輸距離有限，在目前的條件下，井深大于3000 m 時(shí)傳輸較困難。

CAL 數(shù)據(jù)與電纜測井資料存在差異。返回基地清洗儀器后，對四臂井徑進(jìn)行檢查。四臂井徑為機(jī)械結(jié)構(gòu)，四條臂相互獨(dú)立，上提下放測井過程中，井徑臂處于打開狀態(tài)，泥漿內(nèi)泥沙會(huì)對機(jī)械構(gòu)造靈敏性造成影響。井徑臂張開角度和推靠力量較大，下鉆過程中可能受損變形導(dǎo)致測量誤差。斜井段由于儀器重力的壓迫導(dǎo)致井眼底邊方向的井徑腿不能完全打開，造成井徑測量值比實(shí)際小。對于井徑儀器存在的問題，廠家已經(jīng)進(jìn)行了改進(jìn)。

自然電位測井曲線由于測量比較電極為井下鉆具，處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，受到較大干擾。這是目前存儲(chǔ)式測井較大的問題，如何有效地解決還有待探討。

3 下一步儀器設(shè)計(jì)和施工的改進(jìn)思路

3.1 增加有效傳輸距離

目前井下電磁波信號(hào)在川西地區(qū)中淺地層的傳輸距離不能超過3 000 m，這種傳輸距離的瓶頸嚴(yán)重影響了技術(shù)的發(fā)展與推廣。就傳輸介質(zhì)的影響而言，地層電阻率越低，有效傳輸距離越近，因此我們不宜在地層水電阻率很低的工區(qū)開展測井施工;就通用的傳輸技術(shù)而言，在一定的井下地層環(huán)境中增加電磁波傳輸距離的手段有兩個(gè)方面。

第一是從發(fā)射功率方面考慮。發(fā)射信號(hào)的功率越高，發(fā)射電流越大，在遠(yuǎn)端接收的信號(hào)會(huì)越強(qiáng)，在接收信號(hào)達(dá)到一定的強(qiáng)度則能夠避免干擾源的影響，有效地傳輸數(shù)據(jù)。就目前的儀器結(jié)構(gòu)而言，電池節(jié)不只是供給測量、控制電路還要供給發(fā)射電路，過高的功率將導(dǎo)致儀器工作時(shí)間偏短。下一步需要為發(fā)射電路配置大容量獨(dú)立電源，而且在發(fā)射電源變?nèi)醯臅r(shí)候能夠及時(shí)接通主電源以確保發(fā)射正常。

其次是增加發(fā)射中繼短接以延伸傳輸距離，這是一種有效的手段，但儀器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。在當(dāng)前有效傳輸距離以內(nèi)連接中繼，其作用是接收有效信號(hào)并放大處理，再次發(fā)射，將發(fā)射往上延伸，整體傳輸距離可以按照中繼的個(gè)數(shù)成倍數(shù)增加。

3.2 抑制自然電位曲線的干擾和自然伽馬曲線的統(tǒng)計(jì)起伏

SP 自然電位采集的是測量電極與比較電極之間的電位差，測量受到測量電極和比較電極的影響。要求測量電極連線接觸良好，電極與泥漿耦合良好，比較電極電位穩(wěn)定，不易受到外部干擾。由于比較電極為儀器串上部的鉆具，測量過程中鉆具處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其電位受到較大干擾。下一步需要研究干擾源的規(guī)律，設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波電路濾除干擾信號(hào)，同時(shí)選取更為合理的參考點(diǎn)，增加信號(hào)的穩(wěn)定性。

自然伽馬曲線的統(tǒng)計(jì)起伏偏大主要由于探測晶體與光電倍增管耦合不良或者晶體性能不良(潮解等)所致，進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)檢查可以解決，我們將在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 減少儀器串偏心對井徑的影響

井徑信號(hào)在斜度段和水平段偏小是在× × -33 -2井出現(xiàn)的。儀器在經(jīng)過改進(jìn)后減小了推靠力量從而減小井徑臂受損的幾率，在容易受到泥砂影響的位置注油潤滑防護(hù)，有效地阻止了巖屑泥沙的進(jìn)入使得井徑臂能夠有效地張開。同時(shí)在井徑儀器的上下兩側(cè)安裝大尺寸的扶正器(比鉆頭約小1 寸)以使儀器串居中，很大程度上減小了偏心的影響，也提高了測量精度。

4 結(jié) 論

1)電磁波傳輸存儲(chǔ)式測井系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路清晰，工作穩(wěn)定。電磁波傳輸技術(shù)利用電磁波作為介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)，與水平井濕接頭相比，不需要測井絞車和電纜配合作業(yè)，起下鉆過程中能夠開泵以及旋轉(zhuǎn)鉆具，有效避免了濕接頭工藝因電纜的存在而導(dǎo)致的復(fù)雜情況，減少了濕接頭對接產(chǎn)生的各種問題，提高了測井施工時(shí)效和安全性，提高了復(fù)雜井的施工能力。

2)在四川地區(qū)部分井的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)還存在一些瓶頸，主要是電磁波有效傳輸距離不足的問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)才能推廣應(yīng)用。

［1］新鄉(xiāng)22 所.SEMLS-1000 電磁波傳輸存儲(chǔ)式測井地面系統(tǒng)操作維修手冊.2013 年(資料)

［2］新鄉(xiāng)22 所.SEMLS-1040 發(fā)射機(jī)主控單元使用維修說明書.2013 年(資料)

［3］新鄉(xiāng)22 所. SEMLS -1080 雙側(cè)向短節(jié)使用維修說明書.2013 年(資料)

［4］新鄉(xiāng)22 所.SEMLS-1050 補(bǔ)償中子短節(jié)使用維修說明書.2013 年(資料)