礦用EM-MWD絕緣短節(jié)關(guān)鍵參數(shù)分析及研制

邵　春，徐　林，王林鋼

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.山東黃金地質(zhì)礦產(chǎn)勘查有限公司，山東 萊州 261400)

礦用EM-MWD絕緣短節(jié)關(guān)鍵參數(shù)分析及研制

邵春1，徐林1，王林鋼2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.山東黃金地質(zhì)礦產(chǎn)勘查有限公司，山東 萊州 261400)

摘要：絕緣短節(jié)是電磁波隨鉆測(cè)量(EM-MWD)的重要組件，在設(shè)計(jì)加工絕緣短節(jié)時(shí)，既要考慮絕緣短節(jié)長(zhǎng)度與絕緣性，又要考慮絕緣短節(jié)的機(jī)械性能。應(yīng)用ANSYS仿真分析絕緣短節(jié)關(guān)鍵參數(shù)(長(zhǎng)度、電阻)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸?guī)律，由分析可知，一般絕緣短節(jié)長(zhǎng)度取0.5m、電阻達(dá)到數(shù)百歐姆即可滿足電磁波隨鉆測(cè)量的要求?；诖?，研制一種長(zhǎng)度為0.5m、電阻大于8MΩ的礦用絕緣短節(jié)，其機(jī)械性能接近鉆桿，野外試驗(yàn)結(jié)果表明，該絕緣短節(jié)能用于工程實(shí)際。

關(guān)鍵詞：電磁波隨鉆測(cè)量；絕緣短節(jié)；參數(shù)分析；研制

隨鉆測(cè)量(MWD)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)孔眼軌跡，是定向鉆孔的重要技術(shù)支撐[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)無(wú)線隨鉆測(cè)量有兩種：泥漿脈沖隨鉆測(cè)量與電磁波隨鉆測(cè)量。泥漿脈沖隨鉆測(cè)量依靠泥漿壓力脈沖傳輸數(shù)據(jù)，其主要應(yīng)用在液體泥漿鉆井中，且排量不能過(guò)小。而EM-MWD不受泥漿介質(zhì)與排量大小的限制，傳輸深度可達(dá)3500m[4-6]。而地礦鉆探施工多為小排量鉆進(jìn)，鉆孔垂深一般小于3000m，在地礦鉆探中，EM-MWD具有良好的應(yīng)用前景。

國(guó)外早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了EM-MWD商業(yè)化應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)EM-MWD系統(tǒng)還處在研發(fā)與試驗(yàn)階段，研制能滿足工程應(yīng)用的絕緣短節(jié)是其中一大關(guān)鍵技術(shù)難題。國(guó)外研制的絕緣短節(jié)整體采用非金屬材料，目前已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際鉆探作業(yè)中，但購(gòu)買費(fèi)用昂貴。而國(guó)內(nèi)非金屬材料的機(jī)械性能無(wú)法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，絕緣短節(jié)研制還處于試驗(yàn)研究階段[7]。設(shè)計(jì)加工絕緣短節(jié)，除了要具有鉆桿一樣的機(jī)械性能以傳遞鉆壓、拉力和扭矩，還要有合理的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度過(guò)短不利于信號(hào)傳輸，過(guò)長(zhǎng)增加加工難度與成本，此外還應(yīng)有一定的絕緣性?；诘氐V常用鉆具規(guī)格，應(yīng)用ANSYS對(duì)EM-MWD信號(hào)傳輸進(jìn)行有限元仿真分析，研究絕緣短節(jié)長(zhǎng)度與電阻對(duì)EM-MWD信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸?guī)律，得出絕緣短節(jié)最小長(zhǎng)度及最小電阻?；诖耍兄埔环N結(jié)構(gòu)合理，能用于地礦鉆探的絕緣短節(jié)。

1EM-MWD工作機(jī)理

EM-MWD采用絕緣短節(jié)將鉆柱分隔成上下兩段，通過(guò)在上部鉆柱和下部鉆柱之間施加激勵(lì)源，形成以地層、鉆柱和鉆井液為傳輸介質(zhì)的信號(hào)傳輸通道，從而以電磁波為載體將孔底采集的信息傳到地面。地面信號(hào)接收裝置采集鉆柱(或井架)與接地電極之間的電勢(shì)差，經(jīng)過(guò)處理獲取所需信息，信號(hào)傳輸模型見(jiàn)圖1。

圖1EM-MWD信號(hào)傳輸模型

2絕緣短節(jié)關(guān)鍵參數(shù)分析

絕緣短節(jié)研制不僅需要設(shè)計(jì)合理的長(zhǎng)度，而且要有一定的絕緣性。本文應(yīng)用ANSYS建立EM-MWD信號(hào)傳輸仿真模型，分析絕緣短節(jié)長(zhǎng)度和電阻對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸?guī)律，為絕緣短節(jié)研制提供理論依據(jù)。

2.1仿真模型建立

為了便于有限元模型的建立，做如下簡(jiǎn)化：(井眼為直井，井眼軸線與鉆柱軸線重合；(地層為均質(zhì)地層；(鉆柱全部為鉆桿。由于簡(jiǎn)化模型關(guān)于井眼軸線具有對(duì)稱性，故選用平面對(duì)稱模型進(jìn)行信號(hào)傳輸分析。模型相關(guān)參數(shù)如下：鉆桿外徑73mm、壁厚9.19mm、鉆桿電阻率2×10-7Ω·m；地層圓周半徑2000m、地層深度2500m、井深2300m、下部鉆柱長(zhǎng)5m；激勵(lì)源信號(hào)發(fā)射功率5W、發(fā)射頻率2.5Hz；其他參數(shù)(地層電阻率、鉆井液電阻率、絕緣短節(jié)長(zhǎng)度和電阻)根據(jù)模型需要設(shè)定。

圖2為仿真模型地層電位云圖，此模型地層電阻率25Ω·m、鉆井液電阻率10Ω·m、絕緣短節(jié)長(zhǎng)度1m、絕緣短節(jié)電阻10MΩ。由圖2可知，以鉆柱為中心，地面電位隨著與鉆柱之間水平距離增加而逐步降低。

2.2絕緣短節(jié)長(zhǎng)度分析

在分析絕緣短節(jié)長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憰r(shí)，設(shè)定絕緣短節(jié)電阻10MΩ，圖3為地層電阻率分別為25Ω·m和200Ω·m時(shí)絕緣短節(jié)長(zhǎng)度與地面接收電壓的關(guān)系，分析時(shí)考慮了不同鉆井液電阻率的情況。其中，縱坐標(biāo)表示地面接收電壓分貝值(以下若無(wú)特別說(shuō)明接收電壓均以分貝值表示)，即U(dBV)=20log(ΔU0)，ΔU0為鉆柱頂端與地面接收電極之間的電位差，地面接收電極與鉆柱水平距離50m。

圖2仿真模型地層電位云圖

圖3絕緣短節(jié)長(zhǎng)度與地面接收電壓的關(guān)系

由圖3(a)可以看出，絕緣短節(jié)越長(zhǎng)，地面接收電壓越大，但當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到一定值后地面接收電壓不再明顯變化。當(dāng)鉆井液電阻率為1Ω·m、0.1Ω·m和0.01Ω·m時(shí)，絕緣短節(jié)長(zhǎng)度分別達(dá)到0.25m、0.6m 和0.9m時(shí)地面接收電壓接近最大值。由圖3(b)可以得出類似結(jié)論，當(dāng)鉆井液電阻率為20Ω·m、1Ω·m和0.1Ω·m時(shí)，絕緣短節(jié)長(zhǎng)度分別達(dá)到0.2m、0.5m 和0.8m時(shí)地面接收電壓接近最大值。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)，地層電阻率越大，鉆井液電阻率越小，地面接收電壓達(dá)到最大值對(duì)應(yīng)的絕緣短節(jié)越長(zhǎng)。這是由于在高阻地層和低阻鉆井液條件下，當(dāng)絕緣短節(jié)過(guò)短時(shí)，在其附近易形成局部渦流，導(dǎo)致激勵(lì)源有效發(fā)射功率降低，地面接收電壓減小。而地礦鉆探中使用的鉆井液電阻率一般大于0.1Ω·m，且EM-MWD適用地層電阻率為1～200Ω·m[8-9]。因此，在工程實(shí)際中一般可以取絕緣短節(jié)長(zhǎng)度0.5m，既能避免絕緣短節(jié)過(guò)短導(dǎo)致地面接收電壓偏低，又不至于絕緣短節(jié)過(guò)長(zhǎng)而徒增加工難度和費(fèi)用。

2.3絕緣短節(jié)電阻分析

在分析絕緣短節(jié)電阻對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憰r(shí)，設(shè)定絕緣短節(jié)長(zhǎng)度1m，鉆井液電阻率10Ω·m。圖4為不同地層電阻率條件下，絕緣短節(jié)電阻與地面接收電壓的關(guān)系。

由圖4可以看出，地面接收電壓隨絕緣短節(jié)電阻增大而增加，但增加速度逐漸變緩。當(dāng)?shù)貙与娮杪蕿?5Ω·m、50Ω·m和200Ω·m時(shí)，絕緣短節(jié)電阻分別達(dá)到35Ω、65Ω和100Ω時(shí)地面接收電壓接近最大值。因此，地層電阻率越高，地面接收電壓達(dá)到最大值對(duì)應(yīng)的絕緣短節(jié)電阻越大。這是由于在高阻地層條件下，當(dāng)絕緣短節(jié)電阻較小時(shí)，激勵(lì)源易通過(guò)絕緣短節(jié)形成電流回路而損耗部分功率，導(dǎo)致地面接收電壓減小。而EM-MWD適用地層電阻率一般不高于200Ω·m，則絕緣短節(jié)電阻達(dá)到數(shù)百歐姆即可滿足工程應(yīng)用要求。

圖4絕緣短節(jié)電阻與地面接收電壓的關(guān)系

3絕緣短節(jié)研制

本文研制一種礦用絕緣短節(jié)，其包括短節(jié)本體、保護(hù)接頭和扶正器，連接方式見(jiàn)圖5。

短節(jié)本體由一段無(wú)磁鋼材制成，長(zhǎng)度0.5m，外徑73mm。短節(jié)本體兩端螺紋表面、內(nèi)外表面及端面均加工柔性耐磨陶瓷絕緣層，其中螺紋表面絕緣層厚度為0.1～0.2mm，內(nèi)外表面及端面絕緣層厚度為0.3～0.5mm。該柔性耐磨陶瓷材料抗壓強(qiáng)度大于110MPa、剪切強(qiáng)度大于72MPa、絕緣強(qiáng)度大于70kV/mm、耐磨損為27mg；保護(hù)接頭安裝在短節(jié)本體兩端，且向螺紋連接處注入螺紋膠使密封良好，并使用2kN·m預(yù)緊力將保護(hù)接頭與短節(jié)本體緊固連接；扶正器安裝在保護(hù)接頭一端，使絕緣短節(jié)本體保持居中，避免短節(jié)本體外表面絕緣層與孔壁摩擦而破壞。

圖5絕緣短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6本絕緣短節(jié)在山東萊州SD-GOLD
鉆孔電磁波隨鉆測(cè)量試驗(yàn)

4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)自主研發(fā)了一套電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，并加工配套了的絕緣短節(jié)。本電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射功率5W，發(fā)射頻率2.5Hz。

2013年3月，使用該套儀器在山東萊州SD-GOLD鉆孔進(jìn)行電磁波隨鉆測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。下井前地面模擬試驗(yàn)正常，檢測(cè)絕緣短節(jié)電阻大于8MΩ。絕緣短節(jié)安裝在距離鉆頭2.3m位置，地面信號(hào)接收裝置兩端分別與鉆機(jī)繃?yán)K和接地電極連接，接地電極與鉆機(jī)之間距離為50m。試驗(yàn)過(guò)程中，地面接收信號(hào)正常，最終試驗(yàn)孔深1330m，垂深1300m，接收信號(hào)穩(wěn)定，電勢(shì)差大于1mV，說(shuō)明絕緣短節(jié)工作良好，未失效。起鉆后，觀察短節(jié)本體外表面絕緣層無(wú)明顯損傷，檢測(cè)絕緣短節(jié)電阻仍大于8MΩ，說(shuō)明本絕緣短節(jié)絕緣性能和機(jī)械性能良好，能夠滿足地礦工程應(yīng)用要求。

5結(jié)論

1)研制一種礦用絕緣短節(jié)，并進(jìn)行野外試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該絕緣短節(jié)能夠應(yīng)用于地礦鉆探。

2)絕緣短節(jié)長(zhǎng)度和電阻越大對(duì)信號(hào)傳輸越有利，地面接收電壓越大，但當(dāng)長(zhǎng)度和電阻增加到一定值后地面接收電壓不再有明顯變化。

3)工程應(yīng)用中，一般絕緣短節(jié)長(zhǎng)度取0.5m、電阻達(dá)到數(shù)百歐姆即可滿足電磁波隨鉆測(cè)量的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉科滿，王立雙，宋朝輝.CEM-1型電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2012，40(2)：11-14，92，98.

[2]叢皖平.煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)中的隨鉆測(cè)量技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè)，2009，18 (7)：102-104.

[3]陳剛，王小龍，汪凱斌，等.煤礦井下隨鉆方位伽馬儀器刻度及順煤層鉆進(jìn)模擬[J].中國(guó)礦業(yè)，2015，24(S1)：384-388.

[4]王榮璟，鄢泰寧，張濤.ZTS-172M電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)及其在勝利油田的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2005，24(S1)：33-36.

[5]劉修善，侯緒田，涂玉林，等.電磁隨鉆測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油鉆探技術(shù)，2006，34(5)：4-9.

[6]張東旭，白璟，謝意，等.電磁波接力傳輸隨鉆測(cè)量系統(tǒng)研制與應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2014，34(2)：76-80.

[7]盧春華，雷曉嵐，于小龍，等.Φ175mm電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的研制及試驗(yàn)研究[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2013，40(12)：63-67.

[8]王智鋒，亢武臣.E-LINK電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的分析及應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2011，39(6)：62-64.

[9]施斌全，亢武臣.E-link電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在煤層氣鉆井中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2010，38(2)：68-70.

Key parameters analysis and development of mining EM-MWD insulated gap

SHAO Chun1，XU Lin1，WANG Lin-gang2

(1.Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China；2.Shandong Gold Geology and Mineral Resources Co.，Ltd.，Laizhou 261400，China)

Abstract:Insulated gap is an important component of Electromagnetic Measurement While Drilling (EM-MWD).It is necessary to take not only the length and the insulation，but also the mechanical properties of insulated gap into account when designing and processing.Applying ANSYS，this article analyzes the rule of the influence of the key parameters of insulated gap on EM-MWD signal transmission.According to the analysis，the insulated gap can meet the EM-MWD requirements when the length of it is 0.5m and the resistance value reaches a few hundreds ohms.Based on this analysis，a mining insulated gap is developed，of which the length is 0.5m and the resistance value exceeds 8MΩ.Its mechanical properties are similar to those of drilling pipes.The result of field test shows that the mining insulated gap can be used in engineering practice.

Key words：electromagnetic measurement while drilling(EM-MWD)；insulated gap；parameters analysis；development

收稿日期：2015-11-10

作者簡(jiǎn)介：邵春(1972-)，男，河南信陽(yáng)人，博士，副教授，主要從事隨鉆測(cè)量技術(shù)研究。E-mail：shaochun_74@163.com。

中圖分類號(hào)：TD421

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)05-0160-04