隨鉆儀器在大斜度定向井上的提速技術(shù)研究

張晶（大慶鉆探工程公司鉆井二公司）

1 概述

大慶油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，水平井和大斜度定向井逐年增多。隨鉆測(cè)量?jī)x器是保障定向井和水平井順利施工的主要設(shè)備之一[1-3]。目前，大慶油田在大斜度定向井上主要采用常規(guī)的無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱MWD）進(jìn)行定向鉆進(jìn)。大慶油田的大斜度定向井存在著靶點(diǎn)多、全程定向、地層硬度不一、造斜難度大、水平位移大和穩(wěn)斜段長(zhǎng)等施工難點(diǎn)，施工過(guò)程中容易出現(xiàn)泥包和卡鉆等復(fù)雜事故。而且大斜度定性井的整體投資相對(duì)較低，鉆井液含砂量高性能相對(duì)較差，導(dǎo)致常規(guī)MWD 在井下施工過(guò)程中容易因砂卡、儀器脫鍵等故障問(wèn)題而頻繁起下鉆檢修，不但影響建井周期，還增加了單井成本[4-7]。

為了解決大斜度定向井建井周期長(zhǎng)，井下復(fù)雜多的問(wèn)題，近年來(lái)大慶油田逐步開(kāi)始使用電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱EM-MWD）進(jìn)行該類井型的施工作業(yè)。EM-MWD 沒(méi)有井下活動(dòng)部件，依靠地層作為傳播媒介進(jìn)行信號(hào)上傳，在結(jié)構(gòu)和信號(hào)傳輸原理上與MWD 有本質(zhì)區(qū)別（MWD 井下易損部件多，依靠鉆井液進(jìn)行信號(hào)上傳），可以在高含砂、高密度以及添加大量堵漏材料的鉆井液體系中進(jìn)行隨鉆測(cè)量[8-9]。此外，EM-MWD 不需要井口安裝、循環(huán)測(cè)試，停泵接單根時(shí)的靜態(tài)測(cè)量也不需要循環(huán)等待，使測(cè)量的井斜、方位和工具面等數(shù)據(jù)更為及時(shí)準(zhǔn)確。

2 EM-MWD 技術(shù)原理及改進(jìn)研究

2.1 EM-MWD 技術(shù)原理

EM-MWD 主要由井下儀器和地面系統(tǒng)兩部分組成，EM-MWD 的工作原理如圖1 所示。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，首先將EM-MWD 按鉆具組合設(shè)計(jì)接在鉆柱中，下入井內(nèi)，鋰電池組對(duì)井下參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)供電，其中井斜方位模塊測(cè)量的參數(shù)通過(guò)各自數(shù)據(jù)采集通道發(fā)送給中控模塊，中控模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后發(fā)送給發(fā)射模塊，發(fā)射模塊以信源編碼和信道編碼的復(fù)合編碼方式把信號(hào)加載到低頻電磁波上由發(fā)射天線經(jīng)傳輸信道傳送到地表，地面采集裝置通過(guò)離井口一定距離的插入地下的地面接收天線以及連在鉆桿上的上電極天線接收電磁波信號(hào)，并將接收后的信號(hào)發(fā)送給信號(hào)處理裝置進(jìn)行模擬濾波、放大、A/D 轉(zhuǎn)換后發(fā)送給地面計(jì)算機(jī)，濾波解碼軟件進(jìn)行數(shù)字濾波和信源、信道復(fù)合解碼后發(fā)送給測(cè)量數(shù)據(jù)分析軟件實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)[10-11]。

圖1 電磁波儀器原理圖

2.2 EM-MWD 改進(jìn)研究

EM-MWD 前期已經(jīng)在大慶油田的常規(guī)調(diào)整井上進(jìn)行了大范圍應(yīng)用。但現(xiàn)有EM-MWD 在大斜度井上應(yīng)用仍然面臨著三方面難點(diǎn)：水平位移大，電磁波地面接收困難；施工時(shí)間長(zhǎng)，電池供電不足；地面電磁干擾大。因此需要針對(duì)性的對(duì)EM-MWD進(jìn)行改進(jìn)完善。

1）井下供電效率的優(yōu)化。在采用雙鋰電池結(jié)構(gòu)的同時(shí)還設(shè)計(jì)了鋰電池組電量監(jiān)測(cè)電路，實(shí)時(shí)對(duì)鋰電池組剩余電量進(jìn)行檢測(cè)，電量數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)一起向地面進(jìn)行發(fā)送，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路各部分電流分配，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各電路模塊工作情況的獨(dú)立監(jiān)測(cè)，提高了鋰電池組的使用壽命和井下儀器的可靠性。

2）儀器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。為了提高發(fā)射能力和發(fā)射效率，對(duì)鋰電池組的位置進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2 所示。將電池模塊的安裝位置調(diào)整到中部，使用通訊線同時(shí)對(duì)上部組件和下部組件分別供電，該種供電方式一方面可以提高電磁波功率信號(hào)的輸出效率，另一方面有利于EM-MWD 的整體通訊實(shí)施。此外，采用供電模塊直接對(duì)上端發(fā)射器供電的方式，還可以避免以往因功率線纜穿過(guò)傳感頭而產(chǎn)生的大量電磁干擾，從而降低了儀器本身對(duì)信號(hào)的干擾，提高了信號(hào)傳輸精度。

圖2 井下儀器優(yōu)化

將EM-MWD 各模塊的連接方式均改為旋轉(zhuǎn)插頭方式，在對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行上扣連接的同時(shí)即可完成電氣及通信線路的連接，使連接方式大幅度簡(jiǎn)化。此外，在儀器串的下部預(yù)留通訊端口和供電端口，方便在下井前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作。預(yù)留的端口還可以掛接伽馬、電阻率等其他測(cè)量模塊，為后續(xù)增加測(cè)量參數(shù)提供了條件。通過(guò)對(duì)EM-MWD 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化優(yōu)化后，所有連接單元都是以螺紋+旋轉(zhuǎn)插頭座的連接形式存在，大幅度提高了安裝和拆卸的便利程度，使現(xiàn)場(chǎng)更換鋰電池組的操作更為便利，當(dāng)其他模塊出現(xiàn)故障時(shí)，也能及時(shí)進(jìn)行替換和維修。

3）鋰電池組供電方式的優(yōu)化。使用無(wú)線發(fā)射原理研制了井下高效供電智能開(kāi)關(guān)，如圖3 所示。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)EM-MWD 供電系統(tǒng)的即時(shí)開(kāi)關(guān)控制，使儀器在井下使用及出井時(shí)可以及時(shí)斷電，將電池的使用效率由50%提高到90%以上，大幅度提高了儀器的井下使用時(shí)間，并可以推廣到其他隨鉆儀器中應(yīng)用。

圖3 井下高效供電智能開(kāi)關(guān)

4）發(fā)射功率的優(yōu)化。研制了單發(fā)單收的近端地層電阻測(cè)量電路，通過(guò)高精度運(yùn)放芯片將輸出的電流和電壓進(jìn)行精確采集，在一定時(shí)間內(nèi)取平均值后進(jìn)行地層電阻的計(jì)算，地層電阻曲線的趨勢(shì)與測(cè)井電阻率相對(duì)比，可以更好的分析地層電阻率對(duì)信號(hào)發(fā)射的影響，并通過(guò)對(duì)發(fā)射功率的調(diào)整，進(jìn)一步提高發(fā)射效率[12-13]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.1 單井應(yīng)用實(shí)例

改進(jìn)后的EM-MWD 在北-斜X 井進(jìn)行了隨鉆測(cè)量技術(shù)服務(wù)。北-斜X 井井深2 200 m，井斜65.43°，水平位移1 200 m，該井設(shè)計(jì)方位67°，EM-MWD 二開(kāi)下入， 二開(kāi)的鉆具組合為φ215.90 mm 鉆頭×0.29 m+φ172.00 mm 螺桿×7.91 m（1.5°） +φ165.00 mm 轉(zhuǎn)換接頭×0.50 m+φ172.00 mm EM-MWD×8.92 m+φ127.00 mm 加重鉆桿×9.37 m+φ127.00 mm 鉆桿×363.77 m。

由于該井方位橫穿大廣高速，EM-MWD 無(wú)法跨越大廣高速進(jìn)行布線，故使用了Y 型增強(qiáng)型地面接線方式和雙電池的大功率發(fā)射。全井段隨鉆測(cè)量無(wú)故障，上傳速率達(dá)到了10 Bit/s，地面解碼率高達(dá)97.3%。比同區(qū)塊使用MWD 施工的定向井節(jié)約純鉆時(shí)長(zhǎng)27 h?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的EM-MWD 能夠?qū)崟r(shí)、快速的為定向工程師提供精確有效的井下工程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了大斜度定向井提速、降本的目標(biāo)，在施工中得到了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的一致好評(píng)。

3.2 整體應(yīng)用情況

2020 年EM-MWD 在大慶油田的頭臺(tái)地區(qū)和杏區(qū)共進(jìn)行了12 口大斜度定向井隨鉆服務(wù)。EM-MWD 與常規(guī)MWD 的平均單井施工時(shí)間對(duì)比情況見(jiàn)表1。由表1 數(shù)據(jù)可知，由于EM-MWD 現(xiàn)場(chǎng)安裝使用方便、測(cè)試時(shí)間短，工作效率高，平均單井的現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間可縮短24.6 h。以30D 鉆機(jī)日費(fèi)8.75 萬(wàn)元計(jì)算，單井鉆機(jī)日費(fèi)即可節(jié)約8.97 萬(wàn)元，12 口井僅鉆機(jī)日費(fèi)就可以節(jié)約107 萬(wàn)元以上。

表1 平均單井現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)間對(duì)比 單位：h

4 結(jié)論及建議

1）大慶大斜度井使用的常規(guī)MWD 為下坐鍵結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中易發(fā)生砂卡、儀器脫鍵等故障問(wèn)題，在影響建井周期的同時(shí)還增加了單井成本。

2）通過(guò)對(duì)現(xiàn)有EM-MWD 進(jìn)行供電效率、儀器結(jié)構(gòu)、供電方式和發(fā)射功率優(yōu)化，使其滿足了大斜度定向井的施工要求。

3） 在12 口井的應(yīng)用中，改進(jìn)后的EM-MWD取得了良好的提速效果，平均單井的現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間縮短了24.6 h，有效降低了鉆井成本，為保障大慶油田高效開(kāi)發(fā)提供了有效的技術(shù)支撐。