鉆頭測井儀的研制與應用

謝濤+姚文彬+王曉鵬+鄧月+李紅星

【摘 要】本文介紹了中海油田服務股份有限公司自主研發(fā)的隨鉆近鉆頭測井儀的工作原理、系統(tǒng)結構及關鍵技術。通過現(xiàn)場實鉆試驗測試表明，隨鉆近鉆頭測井儀的通過性能和數(shù)據(jù)測量精度均能夠滿足現(xiàn)場作業(yè)要求，有較好市場應用前景。

【關鍵字】隨鉆測量；近鉆頭；井斜；方位伽馬

中圖分類號： TE927 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0034-002

Development and Application of Drill Tool

XIE Tao1 YAO Wen-bin2 WANG Xiao-peng1 DENG Yue2 LI Hong-xing2

（1.Bohai Petroleum Research Institute， Tianjin Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.， Tianjin 300459， China；

2.Oilfield Technology Group， China Oilfield Services Co.， Ltd.， Langfang 065201， Hebei， China）

【Abstract】This paper introduces the working principle， system structure and key technologies of the LWD drill independently developed by China Oilfield Services Limited. The field drilling test shows that the drilling performance and data measurement accuracy of the near-by-drilling tool can meet the requirements of on-site operation and has a good market prospect.

【Key words】Measurement while drilling； Near bit； Well inclination； Azimuth gamma

0 引言

由中海油田服務股份有限公司研發(fā)的隨鉆近鉆頭測井儀是一種具有較大應用前景和經(jīng)濟效益的新型隨鉆測井儀器。該儀器具備近鉆頭井斜測量、近鉆頭方位伽馬測量、跨馬達無線傳輸，可無縫接入公司的Drilog？誖隨鉆測井系統(tǒng)。在高造斜井段作業(yè)時，隨鉆近鉆頭測井儀配接高造斜率馬達能更好地實時監(jiān)控鉆頭走向，方位伽馬測量能夠提供實時地質(zhì)導向數(shù)據(jù)，避免“出層”。和旋轉導向相比，隨鉆近鉆頭測井儀配接馬達的作業(yè)模式有著非常好的價格優(yōu)勢。在當前油價低迷的大環(huán)境下，隨鉆近鉆頭測井儀在非常規(guī)、低效井、短半徑油田高造斜段等方面都有較好的應用前景[1-2]。

本文中介紹了隨鉆近鉆頭測井儀器的工作原理、結構及關鍵技術，并結合近鉆頭測斜組合通過性和實際測斜數(shù)據(jù)精度兩個方面的現(xiàn)場試驗進行效果評價。

1 隨鉆近鉆頭測井儀

傳統(tǒng)的隨鉆測井儀器（MWD）由于測點與鉆頭距離較遠，在薄油層或者復雜地層中使用時，當發(fā)現(xiàn)測點數(shù)據(jù)異常的時候，鉆頭已經(jīng)穿出地層很遠。而回調(diào)的過程會增加作業(yè)的成本、時間和作業(yè)難度，從而鉆遇率較低。

中海油田服務股份有限公司自主研發(fā)的隨鉆近鉆頭測井儀位于鉆頭和馬達之間，測點距鉆頭距離只有0.35米，可以在鉆進過程中實時采集并存儲近鉆頭井斜、方位伽馬、溫度等數(shù)據(jù)，大大提高作業(yè)效率。同時可根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)情況，配置儀器選擇必要的實時數(shù)據(jù)，利用無線跨傳通訊的方式，把數(shù)據(jù)傳遞位于馬達上方的接收短節(jié)，接收短節(jié)接收并解碼后，交給MWD模塊進行編碼，最終將近鉆頭測量數(shù)據(jù)上傳到地面。系統(tǒng)組合示意圖如圖1。

1.1 儀器組成

隨鉆近鉆頭測井儀由測量短節(jié)和接收短節(jié)組成，其中測量短節(jié)主要功能有測量近鉆頭井斜、方位伽馬和溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給接收短節(jié)，儀器總長約800mm。井斜測量選用MEMS三軸加速度計，具有尺寸小、重量輕、功耗低、可靠性高、抗沖擊振動性能強等優(yōu)點。方位伽馬測量選用高頻響的磁通門和NaI晶體伽馬探測器，測量8/16扇區(qū)，實時上傳上下左右伽馬數(shù)據(jù)，可以分辨地層邊界信息，如果穿出地層，能夠確定穿出方向。

1.2 無線跨傳

無線跨轉通訊模塊使用超低頻的頻率，實現(xiàn)近鉆頭測量短節(jié)測量數(shù)據(jù)到馬達上方接收短節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸功能。地層通訊主要采用了偶極子天線結構，采用甚低頻頻段調(diào)制數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在井眼中的無線電磁信號傳輸。利用了甚低頻信號在地層中可以傳導的特性完成電磁波通訊。信號的傳遞效果主要受地層電阻率和泥漿電阻率影響。低頻信號經(jīng)過地層傳遞后，會大幅度衰減，當遇到高阻地層或高鹽度泥漿等惡劣條件都會產(chǎn)生高約-100dB的信號衰減。系統(tǒng)采用高靈敏度運算放大器收集和放大信號，然后通過數(shù)據(jù)卷積和頻域放大的方法，提取有效信號。

微弱信號主要受大地噪聲和工頻噪聲干擾。干擾解決主要依靠模擬濾波器和數(shù)字濾波器完成，但是微弱信號受到噪聲干擾，依舊會產(chǎn)生大量誤碼信息，我們采用了前向糾錯編碼解決這個問題，通訊系統(tǒng)采用了BCH編碼，糾錯能力為可以糾正每21比特之中的3個任意誤碼。

1.3 方位伽馬

以往的自然伽馬儀器，接收到的是圓周的伽馬強度數(shù)據(jù)，沒有方向特性，無法據(jù)此來正確判斷和修正軌跡。而隨鉆近鉆頭測井儀使用的伽馬探管，在某個方向開窗，其余方向使用合金包裹，確保晶體只能接收到某個方向的伽馬輻射，這就是方位伽馬。把圓周分為若干的扇區(qū)，最常用的就是上下左右，在實際作業(yè)中，主要關注上伽馬和下伽馬。將上下伽馬不同的變化趨勢結合起來，就可以判斷軌跡是從上還是從下穿出了，那么定向井工程師就可以正確地采取措施，引導鉆進軌跡重新回到油氣層中[5]。endprint

方位伽馬儀器的設計難點在于保證方位和扇區(qū)計數(shù)的準確性，這兩點至關重要，如果方位信息錯誤，就會引起定位錯誤，無法準確返回儲集層。

2 現(xiàn)場試驗及效果評價

實鉆試驗于2016年8月在天津塘沽海能發(fā)工程技術中心東沽某井進行，該井窗口套管外徑為9-5/8″，內(nèi)徑8.681″，窗口頂深386m，底深390.23m，窗口段測深390m，井斜16.33°，方位231.59°。該窗口進行過取芯試驗作業(yè)，取芯井段最后深度421.55m。

選用1.75°的高造斜率馬達，馬達入井間隙為1mm，與隨鉆近鉆頭測井儀組合進行試驗，鉆具組合為PDC+近鉆頭測量短節(jié)+SUB+MOTOR+DC+近鉆頭接收短節(jié)+UBHO+DC*2+F/J+JAR+HWDP*8。首先用1.75°彎角馬達滑動鉆進至486.3米，井斜41.40°，方位247.21°，平均狗腿度13.44-14.02°/30m，局部最大狗腿16.15°/30m。而后復合鉆進至526.5米，循環(huán)出井，接著下入陀螺測斜儀測量軌跡。試驗現(xiàn)場照片見圖2。

近鉆頭測斜試驗組合使用1.75°彎角馬達，過窗口時馬達高邊與開窗方向一致，可以順利通過。伽馬測量內(nèi)存數(shù)據(jù)正常，扇區(qū)測量功能正常。無線跨傳累計工作15個小時，數(shù)據(jù)發(fā)送1852幀，成功接收1760幀，接收成功率95%以上，成功接收數(shù)據(jù)幀基本無誤碼。隨鉆近鉆頭測井儀與陀螺測斜儀的井斜測量結果對比見圖3，可以看出兩者測量數(shù)據(jù)重合性較好。

圖4是井下無線通訊的狀態(tài)結果，1代表傳輸正確，0代表傳輸錯誤丟幀。隨鉆近鉆頭儀器在入井39小時，井下實鉆28.5小時，無線傳輸149673byte，實時鉆進時通訊正確率91.8%，下鉆時通訊正確率 93.4%，滿足現(xiàn)場應用要求。

3 結論和建議

隨鉆近鉆頭測井儀與高造斜率馬達配套使用，井下通過性良好，測斜數(shù)據(jù)與其它測斜數(shù)據(jù)基本吻合，跨馬達無線通訊性能良好，環(huán)境適應性及工程可靠性滿足現(xiàn)場應用要求。

【參考文獻】

[1]楊志堅，齊悅，吳黨輝，等.DQNBMS-1型近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)的研制與應用[J].石油鉆采工藝，2013（1）：48-50.

[2]朱博，孫衍，梁耀.一種用于近鉆頭測井儀的無線短傳系統(tǒng)設計[J].石油儀器，2016，2（2）：7-9.

[3]王銀生，楊錦舟，韓來聚，等.井下工程參數(shù)隨鉆測井儀的研制[J].石油儀器，2009，23（1）：35-36.endprint