DRILOG 隨鉆測井系統(tǒng)中定向探管的測量質量分析*

王 興 姜天杰 尚 捷

(中海油田服務股份有限公司油田技術研究院 北京 101149)

0 引 言

隨著海上油氣田勘探開發(fā)的進一步深入，各種復雜地質構造對鉆井提出了更高要求，大斜度井、水平井和多分支井鉆井已經(jīng)成為油氣田開發(fā)的常規(guī)方法［1］。在定向井、水平井和大位移井中進行測井，常規(guī)電纜測井儀器很難下放到目的層，并且風險大，亟需隨鉆測井儀器來作業(yè)。隨鉆測井是在鉆井液侵入地層之前或侵入很淺時，實時監(jiān)測井下溫度、壓力、鉆井工具的井斜角、方位角和工具面角等井眼軌跡參數(shù)［2］。隨鉆測井能更加真實地反映原狀地層的地質特征，可以提高地層評價的準確性。隨鉆測井在鉆井的同時完成測井作業(yè)，節(jié)省了測井成本［3］。中海油田服務股份有限公司自主研發(fā)的DRILOG 隨鉆測井系統(tǒng)和Welleader 旋轉導向鉆井系統(tǒng)已經(jīng)完成了多井次陸地和海上油田的實鉆試驗及生產(chǎn)井的作業(yè)，各項功能指標滿足現(xiàn)場作業(yè)要求［4］。

1 DRILOG 隨鉆測井系統(tǒng)簡介

DRILOG 隨鉆測井系統(tǒng)如圖1 所示，主要由以下七部分組成:脈沖器、定向探管、井下儀器總線控制器、鉆柱振動模塊、自然伽馬測井儀、電磁波電阻率測井儀和IDEAS 地面系統(tǒng)。

圖1 DRILOG 隨鉆測井系統(tǒng)組成

DRILOG 隨鉆測井系統(tǒng)采用的是渦輪發(fā)電式的脈沖器，可以根據(jù)定向探管的指令信號，產(chǎn)生泥漿脈沖。脈沖器利用泥漿流動使線圈在旋轉的磁場中切割磁力線，產(chǎn)生的電能供給定向探管。井下儀器總線控制器給整個儀器串提供井下供電，管理井下儀器總線，實現(xiàn)自然伽馬測井儀、電磁波電阻率測井儀、隨鉆中子測井儀、隨鉆密度測井儀、隨鉆聲波測井儀和隨鉆測壓儀器的掛接［5］。自然伽馬測井儀通過測量地層中放射性元素產(chǎn)生的自然伽馬射線強度，來進行地層的巖性識別和估算泥質含量。綜合對比多口井的井下伽馬測井資料，就可以了解某油田區(qū)塊的地下地質面貌(層厚、巖性的縱向和橫向變化)，進一步研究地下構造、巖相和斷層等，進行地層對比。電磁波電阻率測井儀通過不同頻率和收發(fā)天線的組合，可獲取不同測量深度的地層電阻率曲線。IDEAS 地面系統(tǒng)用于隨鉆測井儀器和地面?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)采集、處理、存儲、顯示和測井出圖［6］。

在鉆井過程中，定向探管可以連續(xù)測量鉆頭附近的井斜角、方位角和工具面角等井眼姿態(tài)參數(shù)，井下儀器總線控制器獲取隨鉆測井數(shù)據(jù)。然后將測量數(shù)據(jù)進行存儲，最后根據(jù)一定的編碼規(guī)則對測量數(shù)據(jù)進行泥漿脈沖編碼和驅動脈沖器工作。脈沖器產(chǎn)生的泥漿脈沖信號，通過鉆柱與井壁(或套管)之間的環(huán)空泥漿通道被傳輸?shù)降孛婧?，由IDEAS 地面系統(tǒng)對泥漿脈沖編碼信號進行實時采集、濾波、波形識別、解碼和解析處理，實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測井眼軌跡。

根據(jù)DRILOG 定向探管提供的實時地質參數(shù)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場工程師能夠隨時監(jiān)控地層的變化情況，對可能出現(xiàn)的地層變化作出準確的判斷。在大斜度井和水平井鉆井中，進行地質導向，能準確地控制井眼軌跡穿行于儲集層中有利于產(chǎn)油的最佳位置，有效地避開油/水界面，可以大幅度地提高單井產(chǎn)量和儲集層采收率。

定向探管主要由主控電路MCM、電源管理電路PWR 和定向測量數(shù)據(jù)處理電路DMP 組成。MCM 主要完成MWD 井眼姿態(tài)參數(shù)獲取、LWD 測量數(shù)據(jù)脈沖編碼和驅動脈沖器等功能。PWR 主要完成電源管理功能，根據(jù)鉆井工況可以切換供電模式。DMP 主要通過加速度計和三軸磁通門傳感器完成井斜角、高邊工具面角、磁性工具面角、方位角和地磁傾角等參數(shù)的測量、解算和輸出。PWR 模塊產(chǎn)生的電源給MCM、DMP、加速度計及磁通門供電。DMP 解算后的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳給上位機MCM。磁通門及加速度計的測量信號傳給DMP，DMP模塊實現(xiàn)信號的調理、AD 采集、解算及數(shù)據(jù)存儲。

2 軸向干擾分析方法

隨鉆測量要求測量模塊既能承受油氣井下巨大的振動沖擊，又能保證在信噪比極低的狀態(tài)下具有較高的姿態(tài)測量精度。由于鉆井中鉆桿旋轉，會引起儀器串帶轉，出現(xiàn)工具面角較快變化，并且井斜角隨著井深也有緩慢變化，因此要求測量模塊能適應多種復雜工況，具有較高的動態(tài)測量性能。

定向探管在井下的空間位置如圖2 所示。定義定向探管軸線方向為坐標系的Z 軸方向，X 軸和Y 軸方向在定向探管的橫截面上，并且X 軸和Y 軸方向互相垂直。Hx 表示定向探管X 軸方向上的磁場分量，Hy 表示定向探管Y 軸方向上的磁場分量。Hx 與Hy 兩分量的矢量和記為Hoxy，按照公式(1)計算。Hoxy 表示定向探管檢測到來自橫向方向上的磁場分量。如果存在套管等鄰井干擾，將會影響Hoxy 的數(shù)值。Hz 表示定向探管檢測到來自軸向的磁場分量。如果有來自上部鉆具或下部鉆具的磁干擾，將會影響Hz 的數(shù)值大小。

圖2 定向探管在井下的空間位置

采用短鉆鋌測量修正方法對定向探管的測量得到的重力場分量和磁場分量進行分析。首先，根據(jù)井口已知的真實磁場強度H0和當?shù)氐拇艃A角φ，以及重力加速度在X、Y、Z 三個坐標軸方向上的分量Gx、Gy、Gz，按照公式(2)、(3)、(4)計算出真實的鉆具軸向的磁場強度分量Hzc。其中INC 是井斜角，AZI 是方位角。

其次，利用(4)式計算得到的Hzc 和測量的磁場在X、Y 軸方向上的分量Hx、Hy，計算得到新的Htc。

再次，比較計算得到的Htc 和測量得到的磁場強度Ht。如果兩者差別較大，說明磁干擾來自儀器橫向。此時，無法進行數(shù)據(jù)修正。

最后，如果Htc 和Ht 吻合，說明磁干擾確實來自儀器軸向。此時，采用方位角校正方法。根據(jù)Hzc，按照公式(6)可計算出方位角AZIc，即采用修正后的方位角作為最終的方位角。

3 加速度計測量數(shù)據(jù)分析

考慮到油氣井下高溫、高壓、強振動等條件限制，定向探管中要使用耐高溫高壓、抗振動、精度高的加速度計和三軸磁通門傳感器。定向探管中安裝的加速度計主要敏感重力加速度在三個相互正交的敏感軸方向上的分量。在地球上的任何位置，重力加速度的方向總是垂直指向地心的。加速度計的測量原理如下:當沿加速度計敏感軸方向有加速度輸入時，傳感器內部的機電系統(tǒng)會產(chǎn)生正比于輸入加速度的一個平衡力，使得傳感器內部的敏感質量保持在平衡位置。相對于該平衡力，傳感器有一個與之正比的電壓輸出，對該電壓進行采集即可測定輸入加速度。

加速度計測得的Gz 為重力加速度在探管軸向的分量，Goxy 為重力加速度在定向探管的徑向分量，GT為重力加速度三分量的矢量和，其數(shù)值為所測到的當?shù)刂亓铀俣戎?，?jīng)過歸一化處理后，其數(shù)值為1。

在油田某井的二開井段使用DRILOG 定向探管，每鉆完一根立柱，停頂驅、坐卡、停泵、接好下一根立柱后，開泵至正常鉆進排量進行測斜，測得測斜點處GT、Goxy、Gz 隨著測深的變化趨勢如圖3 所示。測量的總重力場強度GT值始終為1 左右，定向探管徑向分量Goxy從993.69 m 測斜點處開始逐漸增大，到1 238.4 m 后開始保持相對穩(wěn)定，說明該井段井眼軌跡的井斜逐漸增加，保持增斜鉆進，達到一定井斜后開始穩(wěn)斜鉆進，與實際井眼趨勢相符。說明定向探管加速度計的測量質量較好。

圖3 測斜點處GT、Goxy、Gz 隨測深變化趨勢

4 磁通門測量數(shù)據(jù)分析

三軸磁通門傳感器主要敏感三個相互正交的敏感軸方向上的地球磁場強度。磁通門由激磁線圈、感應線圈和高導磁率鐵芯組成。激磁線圈繞在鐵芯上，供交變電流。感應線圈繞在激磁線圈外面，在其上會產(chǎn)生感應電動勢。鐵芯的導磁率極高，有很強的聚磁能作用［7］。鐵芯的橫截面積是S，激磁磁場強度是H，Hm是激磁磁場強度幅值，磁導率μ，感應線圈的匝數(shù)是N，激磁電源頻率是f。對于理想變壓器的數(shù)學模型，根據(jù)法拉第電磁感應定律可知，感應線圈上產(chǎn)生的感應電動勢的計算見公式(7)。

對于實際的變壓器，鐵芯是非線性的，磁導率μ 會發(fā)生變化，因此感應線圈上產(chǎn)生的感應電動勢的計算見公式(8)。

三軸磁通門傳感器的測量原理如下:對某一個軸來說，磁傳感器是由兩個同樣的核組成的一種裝置。這兩個核的主線圈纏繞方向相反，次級線圈纏繞著核和主線圈。每個核的激勵電流產(chǎn)生磁場。這些磁場強度相等，且方向相反。因此彼此抵消，并且在次級線圈中沒有電動勢效應。當把磁傳感器放置在敏感方向的外部磁場中時，不平衡狀態(tài)產(chǎn)生，并且在次級線圈中產(chǎn)生與外部磁場成正比的電動勢。通過采集次級線圈的電動勢即可測定該方向上的地球磁場強度。

磁通門傳感器測得的分量Hz 為地磁場強度在探管的軸向分量，Hoxy 為地磁場強度在探管的徑向分量，HT為磁場強度三分量的矢量和，其數(shù)值為所測到的當?shù)氐牡卮艌鰪姸?。在油田某井的二開井段，每鉆完一根立柱，開泵至正常鉆進排量進行測斜，測斜點處HT、Hoxy、Hz 隨測深變化趨勢如圖4 所示。該井段使用DRILOG 定向探管，測得磁感應強度HT 數(shù)值始終保持在0.562T(特斯拉)左右，和油井所在地的地磁場強度相符。徑向分量Hoxy 從993.69 m 測斜點處開始逐漸增大，到1 238.4 m 后開始保持相對穩(wěn)定，說明該井段井眼軌跡方位逐漸變化，到一定方位后開始穩(wěn)定。實際的井眼軌跡是開始造斜，然后穩(wěn)斜，因此，表現(xiàn)為方位開始變化后穩(wěn)方位。Hoxy 的變化趨勢與實際的井眼軌跡相符。油田所在地的地磁傾角為61.933°，在直井段或初始造斜時，井斜較小，地磁場強度的軸向分量Hz 大于徑向分量Hoxy，符合實際情況。說明定向探管三軸磁通門傳感器的測量質量較好。

圖4 測斜點處HT，HZ，HOXY隨測深變化趨勢

5 方位角測量數(shù)據(jù)分析

地面系統(tǒng)對泥漿脈沖信號實時解碼后，得到的方位角是R_AZI，內存中定向探管測得的方位角是M_AZI。根據(jù)油田某井二開井段的作業(yè)數(shù)據(jù)，繪出定向探管實時測得的方位角和內存數(shù)據(jù)分別隨著測深的變化趨勢如圖5 所示。由圖5 可知，地面系統(tǒng)實時解碼后得到的方位角R_AZI 和定向探管的內存數(shù)據(jù)M_AZI 基本保持一致，并且方位角隨測深變化不大，基本保持平穩(wěn)，符合實際井眼軌跡。

圖5 方位角AZI 隨測深變化趨勢

6 結 論

1)本文采用短鉆鋌測量修正方法，對DRILOG 隨鉆測井系統(tǒng)中定向探管的測量質量進行了分析，得到了方位角的校正計算公式。

2)采用軸向干擾分析方法，研究了定向探管內部的加速度計和三軸磁通門傳感器的空間布局，以及定向探管相對井眼的空間位置，有效地降低了探管的軸向和徑向干擾。

3)通過油田現(xiàn)場作業(yè)獲得的探管測量數(shù)據(jù)，分析了測斜點處加速度計和三軸磁通門傳感器各分量數(shù)值，研究了相對于井眼軌跡走勢的探管軸向和徑向分量數(shù)值及趨勢，表明探管中加速度計和磁通門的測量精度較高。

4)通過對比分析DRILOG 隨鉆測井系統(tǒng)實時解碼得到的方位角和定向探管內存中測得的方位角，表明DRILOG 定向探管的方位角測量精度較高。

5)中海油田服務股份有限公司自主研發(fā)的DRILOG隨鉆測井系統(tǒng)完成了多井次陸地和海上油田的生產(chǎn)井作業(yè)，定向探管測量精度較高，可以滿足現(xiàn)場作業(yè)的要求，該系統(tǒng)已經(jīng)達到了國際領先水平。

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