隨鉆測量信息傳輸方式的發(fā)展現(xiàn)狀綜述研究

閆宏亮 石文龍 李 琳

(西安石油大學(xué)陜西省鉆機控制技術(shù)重點實驗室，西安 710065)

隨鉆測量(measurement while drilling，MWD)，是指在鉆井過程中對諸如井斜角、方位角和工具面角等井下參數(shù)進(jìn)行實時測量，再將測量信息及時上傳至地面，然后加以分析處理的過程。通過對井下測量信息的分析，可及時有效地進(jìn)行地層綜合評價，對鉆井軌跡及時糾偏，完善鉆進(jìn)過程。信息傳輸技術(shù)是隨鉆測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對隨鉆測量技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

1 有線信息傳輸方式

有線信息傳輸方式通常包括電纜傳輸方式、鉆桿傳輸方式和光纖傳輸方式。

1.1 電纜傳輸方式

電纜傳輸通過在鉆桿內(nèi)部放入電纜的方式來進(jìn)行，電纜傳輸方法具體可分為感應(yīng)法和硬連接法。由于井下作業(yè)環(huán)境特殊，該方式中的電導(dǎo)線一般選擇鎧裝電纜。

目前，感應(yīng)法傳輸已成功實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，典型的產(chǎn)品如美國智能服務(wù)公司研發(fā)的鉆桿遙測儀。BP公司在試驗井中取得成功應(yīng)用，其最高傳輸速度可達(dá)2 Mbit/s。但感應(yīng)法傳輸并未廣泛推廣應(yīng)用，而硬連接法傳輸也未成功實現(xiàn)商用。國內(nèi)近年來的單芯電纜傳輸發(fā)展取得了一些成果。聶泳培等人發(fā)明了專利單芯電纜測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸系統(tǒng)［1］，可應(yīng)用于直徑28 mm以上的測井儀器中，傳輸距離大于5 000 m，井下單元可耐高溫125℃，傳輸速度可達(dá)到8 Mbit/s。

電纜傳輸方式的優(yōu)點是傳輸速度高，可實現(xiàn)井下和地面之間的雙向信息傳遞，傳輸距離遠(yuǎn)，無需鉆井液，同時可由地面直接向井下傳感器供電，無需井底額外提供;其缺點是制作工藝復(fù)雜，成本較高，鉆進(jìn)過程常受影響，電氣連接件的耐磨性、抗腐蝕性有待提高。

1.2 鉆桿傳輸方式

采用鉆桿傳輸方式將連續(xù)導(dǎo)體附在鉆桿內(nèi)部使其成為鉆桿的一部分［2］。鉆桿頂部放置絕緣環(huán)，傳感器安裝在鉆鋌內(nèi)，鉆桿和地面設(shè)備通過滑環(huán)相連接，再通過鎧裝電纜將鉆鋌與鉆桿下端連接起來，從而實現(xiàn)井下信息的傳輸。

該傳輸方式的鉆桿接頭是核心部分，傳輸方式包括感應(yīng)法、濕接頭法、霍爾效應(yīng)傳感器法等。由美國格蘭特普里德庫公司(Grant Predeco)研制的感應(yīng)接頭遙測鉆桿系統(tǒng)，傳輸速度可達(dá)1 Mbit/s。由美國能源署資助，格蘭特普里德庫公司和諾瓦工程公司(Novatek)合作開發(fā)的智能鉆桿傳送系統(tǒng)［3］，以非接觸感應(yīng)方式傳輸鉆桿接頭之間的信息，傳輸速度高達(dá)2 Mbit/s。法國石油研究院(IFP)成功研制出適用于1 000 m淺井的電鉆桿。而我國在這方面的研究仍處于起步階段，尚無成品出現(xiàn)。

鉆桿傳輸方式的優(yōu)點是傳輸速度高，傳輸深度大，無需鉆井液，可實現(xiàn)井下和地面之間的雙向通訊;其缺點是開發(fā)成本高，接頭處信號傳輸可靠性差，向井下供電困難。

1.3 光纖傳輸方式

光纖傳輸方式是將具有簡單保護(hù)層的光纖下入到井眼中進(jìn)行的信息傳輸，可實現(xiàn)井下和地面之間的雙向信息傳輸。美國圣地亞國家實驗室(Sandia National Lab)成功研制出適用于MWD的光纖遙測系統(tǒng)，信息傳輸速度約為1 Mbit/s。光纖傳輸?shù)膬?yōu)點是傳輸速度高，無需鉆井液;缺點是信號衰減較大，穩(wěn)定性差，成本過高。

2 無線信息傳輸方式

無線信息傳輸方式通常包括電磁傳輸、聲波傳輸和鉆井液脈沖傳輸方式。

2.1 電磁傳輸方式

電磁傳輸方式的工作原理是:首先由井下傳感器對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后由發(fā)射器以電磁波形式向外發(fā)送數(shù)據(jù)，通過傳輸通道到達(dá)地面，地面接收設(shè)備檢測接收到的信息，經(jīng)過解碼分析處理后得到井下實時測量信息。

電磁傳輸方式雖已實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，但并未普遍推廣。由俄羅斯沙瑪拉地平線公司生產(chǎn)的ZTS系列電磁隨鉆測量系統(tǒng)(EM-MWD)，最大測量深度可達(dá)5 000 m，技術(shù)較為成熟，該產(chǎn)品堪稱電磁傳輸商業(yè)應(yīng)用的先進(jìn)代表。此外，較成熟產(chǎn)品還有斯倫貝謝(Schlumberger)公司的E-Pulse系列電磁傳輸系統(tǒng)［4］，哈里伯頓斯佩里森(Halliburton Sperry-Sun)公司的 EM-MWD 系統(tǒng)［5］，威德福(Weatherford)公司開發(fā)的trend setTMMWD系統(tǒng)等。在國內(nèi)，中石油勘探開發(fā)研究院研制的NBLOG-1型測量短節(jié)，可用于近鉆頭井斜角、底層電阻率和自然伽馬的測量。與國外相比，國內(nèi)的研究水平相距甚遠(yuǎn)。

電磁傳輸?shù)膬?yōu)點是適用范圍廣，傳輸過程不受鉆井液含氣率等影響，裝置簡便易行，信息傳輸速度較高，可實現(xiàn)井下和地面之間的雙向通信;缺點是信號衰減嚴(yán)重，只適用于淺井作業(yè)，易受干擾，且相關(guān)測量參數(shù)較少。

2.2 聲波傳輸方式

聲波傳輸方式的工作原理是:利用聲波作為載體，測量井下參數(shù)，將處理后的參數(shù)送到井下聲波信號發(fā)射系統(tǒng)，發(fā)出的聲波信號沿鉆柱傳輸?shù)降孛?，地面接收設(shè)備接收信息，經(jīng)解碼分析后獲得井下測量信息。

Drumheller等人對聲波傳輸?shù)幕A(chǔ)理論作了研究。Halliburton公司開發(fā)了無纜聲波遙傳系統(tǒng)ATS(acoustic telemetry system)，但技術(shù)還不成熟，仍在試驗完善中，尚未投入商業(yè)化應(yīng)用。此外，貝克休斯(Baker Hughes INTEQ)公司研制出聲波參數(shù)隨鉆測量系統(tǒng)APX(acoustic properties explorer)系統(tǒng)，斯倫貝謝公司研制出sonic vision系統(tǒng)。美國圣地亞國家實驗室也進(jìn)行了相關(guān)研究，但尚未投入實踐應(yīng)用。在國內(nèi)，中國石油天然氣股份有限公司已申請了近鉆頭隨鉆測量聲波短距離傳輸方法和傳輸裝置的專利［6］。此外還有部分理論研究，但總體上仍處于起步研究階段。

聲波傳輸方式的優(yōu)點是無需鉆井液，傳輸速度高，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，成本較低;缺點是傳輸能力易受環(huán)境和鉆井作業(yè)中的噪聲干擾，信號衰減明顯。

2.3 鉆井液脈沖傳輸方式

鉆井液脈沖傳輸方式分為鉆井液負(fù)脈沖、鉆井液正脈沖和鉆井液連續(xù)波傳輸方式。

2.3.1 鉆井液負(fù)脈沖傳輸方式

負(fù)脈沖發(fā)生器在驅(qū)動電路的控制下，可以改變泄流閥的位置。當(dāng)泄流閥關(guān)閉時，立管壓力不變;當(dāng)泄流閥開啟時，鉆井液從鉆柱中經(jīng)泄流閥和泄流孔流向環(huán)空，使立管壓力下降，從而引起節(jié)流反應(yīng)，形成鉆井液壓力脈沖。地面設(shè)備檢測到立管的壓力變化，經(jīng)解碼可得到井下測量信息。

由美國Teleco公司研制、英國Geolink公司生產(chǎn)的orienteer MWD無線隨鉆測量儀采用了負(fù)脈沖傳輸方式。負(fù)脈沖發(fā)生器信號相對穩(wěn)定可靠，但其存在污染，傳輸速度低，能量損耗大，會使井壁受到較嚴(yán)重的腐蝕，且鉆井工藝復(fù)雜，現(xiàn)已逐漸淘汰。

2.3.2 鉆井液正脈沖傳輸方式

正脈沖發(fā)生器在驅(qū)動電路的控制下，改變針閥的位置。當(dāng)針閥位置上升時，會使立管壓力上升;當(dāng)針閥位置下降時，會使立管壓力下降。通過改變針閥和小孔的相對位置，可引起節(jié)流反應(yīng)，形成鉆井液壓力脈沖。地面設(shè)備檢測到立管壓力的變化，經(jīng)譯碼后獲得井下信息。

目前，已推出鉆井液正脈沖隨鉆測量系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用產(chǎn)品。在國外，有Halliburton公司的HSDI(high-speed directional survey)系統(tǒng)，即新一代探路者M(jìn)WD系統(tǒng)［2］;斯倫貝謝安納聚爾(Schlumberger Anadrill)公司生產(chǎn)的slim 1 MWD儀器，目前已經(jīng)升級到第三代slim MWD tool［7］，可測量更多參數(shù);Halliburton Sperry-Sun公司的sperry-sun型正脈沖無線隨鉆測量DWD系統(tǒng)，是最先進(jìn)的無線隨鉆測量系統(tǒng)之一。APS公司已獲得專利的旋轉(zhuǎn)脈沖發(fā)生器是業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的泥漿正脈沖傳輸器，可在不同比重的泥漿中和不同的井內(nèi)條件下使用，適用的泥漿比重范圍廣，能最大程度地降低阻塞幾率。圖1所示為APS旋轉(zhuǎn)脈沖發(fā)生器。在國內(nèi)，中國石油勘探開發(fā)研究院研制的新型正脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)CGMWD，是中國無線隨鉆測量的一個里程碑。大港油田的HM—MWD系統(tǒng)是國內(nèi)首套由井下渦輪發(fā)電機供電的正脈沖無線隨鉆測斜儀器;北京海藍(lán)科技開發(fā)有限責(zé)任公司2000年研制成功的YST-48X測斜儀，是首次大規(guī)模推廣應(yīng)用的國產(chǎn)無線隨鉆測斜儀。

正脈沖發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，性能穩(wěn)定可靠的特點，應(yīng)用廣泛，但其傳輸速度不高，難以滿足日益增長的鉆井作業(yè)需求。

圖1 APS旋轉(zhuǎn)脈沖發(fā)生器

2.3.3 鉆井液連續(xù)波傳輸方式

連續(xù)波脈沖器的節(jié)流閥由具有相同葉片數(shù)的定子和轉(zhuǎn)子組成。在電機驅(qū)動下，轉(zhuǎn)子對應(yīng)定子的位置不斷發(fā)生改變，使泥漿流通面積發(fā)生變化，由此引起節(jié)流反而形成鉆井液連續(xù)壓力脈沖;然后將井下測量信息調(diào)制在鉆井液脈沖信號上，沿鉆柱方向上傳，由地面設(shè)備檢測脈沖信號，通過解碼結(jié)果分析了解井下實時工況。

目前僅國外幾家公司擁有此類產(chǎn)品，且技術(shù)上嚴(yán)格壟斷，產(chǎn)品只租不售。Schlumberger Anadrill公司的旋轉(zhuǎn)閥式連續(xù)波信號發(fā)生器(power pulseTM)，以24 Hz的頻率發(fā)送信號，數(shù)據(jù)傳輸速度為6～16 bit/s，可連續(xù)監(jiān)測井斜角、方位角等，并通過其自有專利——零間隙調(diào)節(jié)器提高信噪比，最大限度地改善傳輸質(zhì)量［8］。圖2所示為power pulse隨鉆遙測系統(tǒng)工作原理。Baker Hughes公司的擺動剪切閥式連續(xù)波信號發(fā)生器(axcelerateTM)［9］能夠為數(shù)據(jù)密集型鉆井作業(yè)提供豐富的井下信息，以便用戶做出合理決策，提高機械鉆速，其傳輸速度最高可達(dá)40 bit/s，目前正在進(jìn)行現(xiàn)場試驗完善。

圖2 power pulse隨鉆遙測系統(tǒng)工作原理

國內(nèi)關(guān)于連續(xù)波脈沖器的研究尚處于起步階段。蘇義腦等人研究了連續(xù)波信號處理方法，為中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院申請了連續(xù)波壓力脈沖發(fā)生器新型實用專利［10］，該專利數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)10 bit/s。邊海龍為中石油(集團)公司申請了隨鉆測量連續(xù)波信號發(fā)生器［11］。劉修善等人對鉆井液脈沖信號在鉆井液中的傳輸規(guī)律、傳播速度等作了研究［12］。房軍等人建立了隨鉆測量閥控式液壓信號發(fā)生器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并對信號產(chǎn)生原理進(jìn)行了分析［13］。沈躍等人對井下鉆井液發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究，為井下信號發(fā)生器電能的供應(yīng)提供了技術(shù)支持，提出了井下數(shù)據(jù)的調(diào)制方法［14-15］。

相對于正脈沖器和負(fù)脈沖器，連續(xù)波脈沖器的傳輸速度有大幅度提高，但相對于其他傳輸方式仍有差距，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度較大。

3 各傳輸方式的性能對比

基于以上研究，逐一對比分析各種傳輸方式的特點。表1所示為各種隨鉆測量傳輸方式的主要特點。

表1 各種隨鉆測量信息傳輸方式的特點

有線信息傳輸方式的傳輸速度普遍很高，可實現(xiàn)井下和地面之間的雙向信息傳輸，無需鉆井液，并且電纜和鉆桿傳輸方式可由地面直接向井下傳感器供電，無需額外供電。但有線傳輸方式普遍開發(fā)成本以及對系統(tǒng)儀器硬件的要求較高，制造工藝相對復(fù)雜，并未大面積投入商用。鉆井液脈沖傳輸方式目前應(yīng)用廣泛，成本適中，性能可靠，制造工藝簡單。但和有線傳輸方式相比，鉆井液脈沖傳輸方式的傳輸速度過慢，在氣體鉆井和欠平衡鉆井應(yīng)用中受到限制。

4 結(jié)語

以上內(nèi)容綜合介紹了隨鉆測量信息傳輸方式的分類，分析了各方式的原理與特點。我們認(rèn)為在今后的研究中，隨鉆測量信息傳輸發(fā)展大致方向為:鉆桿傳輸方式需要重點解決鉆桿接頭之間的信息傳輸問題和無法長時間井下供電的問題，向智能鉆桿方向發(fā)展，同時需要盡力壓縮成本;電纜傳輸方式應(yīng)著重解決電接觸環(huán)的安裝位置，改善電纜入口裝置;電磁傳輸方式應(yīng)重點解決信號衰減和傳輸可靠性問題;聲波和光纖傳輸方式作為隨鉆測量的儲備技術(shù)，應(yīng)進(jìn)一步積極研究;而目前應(yīng)用較廣的鉆井液脈沖傳輸方式，則應(yīng)重點實現(xiàn)更高的信息傳輸速度。連續(xù)波傳輸方式將成為發(fā)展的重點，這對于形成自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品、滿足我國日益增長的鉆井作業(yè)需求、提高我國隨鉆測量技術(shù)都具有重要意義。

［1］聶泳培，郭翼義.單芯電纜測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸系統(tǒng):中國，CN101158284［P］.2008-04-09.

［2］劉新平，房軍，金有海.隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望［J］.測井技術(shù)，2008，32(3):250-253.

［3］Reeve M S，Macpherson J，Zaeper R，et al.High Speed Drill String Telemetry Network Enables New Real Time Drilling and Measurement Technologies［C］∥IADC/SPE Drilling Conference.2006.

［4］Schlumberger.E-Pulse［EB/OL］.［2015-03-01］.http:∥www.slb.com.

［5］Scott Wilhide，Jeremy Smith，Daniel Doebereiner，et al.First Rotary Steerable System Drilling with Dry Air is Used to Further Improve Low Cost Development of an Unconventional Gas Reservoir［G］.SPE135471，2010.

［6］中國石油天然氣股份有限公司.近鉆頭隨鉆測量聲波短距離傳輸方法和傳輸裝置:中國，CN103696760A［P］.2014-04-02.

［7］Schlumberger.SlimPulse Retrieveable MWD Service［EB/OL］.［2015-03-01］.http://www.slb.com.

［8］Schlumberger.PowerPulse MWD Telemetry System ［EB/OL］.［2015-03-01］.http://www.slb.com.

［9］Baker Hughes.Axcelerate High-Speed Mud-Pulse Telemetry［EB/OL］.［2015-03-01］.http://www.bakerhughes.com.

［10］蘇義腦，李林，石榮，等.連續(xù)波壓力脈沖發(fā)生器:中國，CN202832518U［P］.2013-03-27.

［11］邊海龍.一種隨鉆測量連續(xù)波信號發(fā)生器:中國，CN202832518U［P］.2013-03-27.

［12］劉修善，蘇義腦.泥漿脈沖信號的傳輸速度研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2000，28(5):24-26.

［13］房軍，蘇義腦.鉆測量閥控式液壓信號發(fā)生器動態(tài)數(shù)學(xué)模型［J］.石油機械，2004，32(6):26-28.

［14］沈躍，蘇義腦，李林，等.井下隨鉆測量渦輪發(fā)電機的設(shè)計與工作特性分析［J］.石油學(xué)報，2008，29(6):907-912.

［15］沈躍.基于鉆井液連續(xù)壓力波技術(shù)的井下隨鉆測量數(shù)據(jù)調(diào)制方法及裝置:中國，CN101949287A［P］.2011-01-19.