近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)及其小型化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

韋海瑞，朱芝同*，吳 川，邵玉濤，趙洪波，劉 廣，賈 煒，董 巍，張化民，賈明浩，薛倩冰

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083）

0 引言

在油氣資源勘探開發(fā)過程中，近鉆頭測量系統(tǒng)是實(shí)時(shí)獲取近鉆頭區(qū)域數(shù)據(jù)的重要手段，它是利用近鉆頭地質(zhì)參數(shù)、工程參數(shù)測量和隨鉆控制技術(shù)手段來指導(dǎo)鉆頭一直沿著設(shè)計(jì)軌跡或者“甜點(diǎn)區(qū)”鉆進(jìn)，從而提高油氣層鉆遇率，減少鉆井成本［1］。近鉆頭測量系統(tǒng)是綜合了鉆井、測井、信號采集、自動(dòng)控制、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等多學(xué)科的一種高新技術(shù)，在石油天然氣定向鉆井中必不可少。然而在地質(zhì)鉆探領(lǐng)域，多為小口徑取心鉆進(jìn)，限制了近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展和公益性地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目的不斷實(shí)施，小口徑油氣鉆井和地質(zhì)勘探孔越來越多（口徑多在152.4 mm以下），尤其是小口徑定向井、水平井鉆進(jìn)，工程人員需要獲取近鉆頭處的鉆壓、扭矩、振動(dòng)、壓力、溫度等工程參數(shù)以及頂角、方位等軌跡參數(shù)，及時(shí)掌握鉆具的實(shí)際工作狀態(tài)與鉆孔軌跡，確保鉆具與鉆進(jìn)過程安全可控［2-4］。隨著微納電子技術(shù)的飛速發(fā)展和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）智能傳感器產(chǎn)品的不斷完善，使得小口徑井下近鉆頭測量系統(tǒng)的研發(fā)成為可能?；诖耍疚膶@頭隨鉆測量系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及工作原理進(jìn)行了分析總結(jié)，并提出了小口徑近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)，以期給相關(guān)從業(yè)者提供借鑒。

1 近鉆頭測量系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外研究井下近鉆頭測量系統(tǒng)時(shí)間早于國內(nèi)，而且發(fā)展速度很快，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。以近鉆頭測量為特征的近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)是21世紀(jì)石油鉆井領(lǐng)域的一項(xiàng)重大創(chuàng)新技術(shù)，美國、英國、澳大利亞、挪威等國家采用該技術(shù)完成的鉆井?dāng)?shù)量逐步增多，鉆井周期逐步縮短，鉆井成本顯著下降。

20世紀(jì)90年代初，史密斯公司（Smith International）提出了近鉆頭測量概念，并申請了專利，該方案主要包括近鉆頭傳感器模塊、控制模塊2部分，2個(gè)模塊均包含一個(gè)內(nèi)置環(huán)狀天線的收發(fā)器。傳感器模塊位于動(dòng)力鉆具下方近鉆頭處，負(fù)責(zé)采集井下數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)調(diào)制為電磁信號加載至發(fā)射天線，位于動(dòng)力鉆具上方的控制模塊對該電磁信號進(jìn)行接收解調(diào)，從而獲取傳感器采集的原始數(shù)據(jù)，通過隨鉆測量系統(tǒng)（MWD）再將數(shù)據(jù)傳輸至地表［5］。1993年，斯倫貝謝公司（Schlumberger）研發(fā)了一套無線傳輸系統(tǒng)，分別在鉆頭附近鉆鋌及上部鉆鋌安裝了環(huán)狀天線收發(fā)組件，用于收發(fā)近鉆頭數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)沒有將數(shù)據(jù)直接發(fā)給隨鉆測量系統(tǒng)，而是新增了一個(gè)聲波收發(fā)裝置將數(shù)據(jù)傳輸至地面。進(jìn)入21世紀(jì)以來，大型油服公司也相繼開發(fā)并完善了近鉆頭測量系統(tǒng)，貝克休斯公司、斯倫貝謝、哈利伯頓為主要技術(shù)擁有公司，生產(chǎn)8種產(chǎn)品約20個(gè)系列，可測量參數(shù)30多項(xiàng)，基本上能夠滿足各種井型的需要，但是對外僅提供技術(shù)服務(wù)，不出售測量設(shè)備，且服務(wù)價(jià)格十分昂貴。其中代表性的測量系統(tǒng)有［6］：

（1）貝克休斯公司（Baker Hughes）的NaviGator系統(tǒng)，測井儀器位于鉆頭后1～4 m，可以測量井斜、電阻率、方位、伽馬射線等參數(shù)。

（2）斯倫貝謝公司的EcoScope多功能隨鉆測量系統(tǒng)，可以測量多種近鉆頭參數(shù)，主要包括伽馬射線、電阻率、密度、孔隙度、環(huán)空壓力、井徑、振動(dòng)等參數(shù)。

（3）哈利伯頓公司（Halliburton）的ABI系統(tǒng)，可測量近鉆頭處的井斜、伽馬、電阻率等參數(shù)。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

與國外相比，國內(nèi)在近鉆頭測量系統(tǒng)方面的研究起步較晚，目前尚無成熟的產(chǎn)品使用。1994年，中國石油勘探開發(fā)研究院對該技術(shù)開展了技術(shù)探索與儲(chǔ)備工作，1999年進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)研制出一套帶近鉆頭傳感器的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)CGDS-1，該系統(tǒng)可以測量井斜、電阻率、伽馬等參數(shù)，總體達(dá)到了國外20世紀(jì)90年代的水平［1］。2007-2010年，大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院成功研制了DQNBMS-1近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向測井系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多參數(shù)測量、測點(diǎn)距離近（部分參數(shù)小于1 m）、測量精度高等特點(diǎn)，顯著提高了油層砂巖鉆遇率，為水平井尤其是薄差油層水平井開發(fā)提供了技術(shù)保障［7］。2012年，勝利偉業(yè)石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司研制成功了MWD近鉆頭無線地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)，測量儀器距離鉆頭2.8 m，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制后通過無線電磁波方式傳輸給螺桿鉆具上部的無線短傳接收系統(tǒng)，解調(diào)后即可獲得近鉆頭數(shù)據(jù)參數(shù)［5］。2012-2014年，長城鉆探工程公司在已有隨鉆測井系統(tǒng)（LWD）基礎(chǔ)上成功研制了GW-NB近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)，儀器總長度僅1 m，直接與鉆頭連接，儀器測量零長僅為0.5 m，這種設(shè)計(jì)大大降低了儀器維修成本和縮短了儀器維保時(shí)間。近年來，北京六合偉業(yè)與西部鉆探工程院共同開發(fā)了XZ-NBMS型隨鉆近鉆頭測量系統(tǒng)，近鉆頭測量參數(shù)有井斜和動(dòng)態(tài)方位伽馬成像，采用電磁波無線短傳系統(tǒng)，測量精度高、傳輸穩(wěn)定。儀器外徑目前有?172、?133.4、?105 mm等規(guī)格，針對小型化應(yīng)用需求，目前正致力于小口徑測量系統(tǒng)的研發(fā)［8］。2019年渤海鉆探定向井公司自主研發(fā)BH-NWD近鉆頭方位伽馬測量系統(tǒng)，和傳統(tǒng)伽馬測量儀相比零長短，能更早探測到地層巖性的變化，并且具有上伽馬和下伽馬2條伽馬曲線，水平井儲(chǔ)層鉆遇率均達(dá)到93%以上，目前已在華北油田、山西煤層氣田、四川頁巖氣田等多個(gè)油氣田成功完成20余口水平井的隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向測量作業(yè)［9］。近年來，中國石油大學(xué)、東北石油大學(xué)、山東大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)等高校也相繼開展了近鉆頭測量與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究，研究工作內(nèi)容都是側(cè)重系統(tǒng)模型的仿真分析及地面模擬實(shí)驗(yàn)，未能真正用于實(shí)際生產(chǎn)中，后續(xù)還需要對該系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。

2 近鉆頭測量系統(tǒng)工作原理、結(jié)構(gòu)組成與無線傳輸方式

2.1 測量原理與系統(tǒng)組成

近鉆頭測量系統(tǒng)由近鉆頭測量短節(jié)和近鉆頭接收短節(jié)2部分組成（見圖1），二者之間通過無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行信號傳輸，傳輸方式主要有泥漿脈沖傳輸、電磁波傳輸和聲波傳輸。近鉆頭測量短節(jié)與鉆頭連接，主要由傳感器、發(fā)射天線、控制電路、電池組等組成。控制電路是為了獲取地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)等井下數(shù)據(jù)，然后做出處理并將信號傳輸給發(fā)射天線，發(fā)射天線將信號以電磁波形式發(fā)射給接收天線。近鉆頭接收短節(jié)位于螺桿鉆具上方，主要由接收天線、控制電路、電源電路、存儲(chǔ)器等組成，負(fù)責(zé)接收發(fā)射天線傳輸過來的信號，然后將信號進(jìn)行處理存儲(chǔ)。在近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)中，接收短節(jié)還能與MWD系統(tǒng)進(jìn)行通訊，通過MWD系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上返給地面。

圖1 近鉆頭測量系統(tǒng)組成示意Fig.1 System composition diagram

2.2 電磁波傳輸系統(tǒng)工作原理

聲波和電磁波在近鉆頭無線短傳通訊系統(tǒng)方面都有應(yīng)用，與聲波短傳不同，電磁波因其傳輸信號頻帶更寬、所需功率更低且不易受到井下噪聲干擾，加之電磁波短傳技術(shù)非常成熟，因此在近鉆頭測量無線短傳通信系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛。

電磁波短傳無線通信系統(tǒng)主要由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、電磁信道3大部分組成（見圖2），其中發(fā)送設(shè)備由傳感器、信號調(diào)制器、功率放大器和發(fā)射天線組成，接收設(shè)備由接收天線、信號放大器、濾波器和信號解調(diào)器組成，電磁信道一般由鉆具、裸露的井壁和它們之間的鉆井液及周圍的地層共同組成。

圖2 電磁波無線短傳通信系統(tǒng)組成示意Fig.2 Schematic diagram of the electromagnetic short wireless communication system

電磁波無線短傳技術(shù)是利用甚低頻/低頻電磁波進(jìn)行信號遠(yuǎn)程傳輸?shù)募夹g(shù)。電磁波短傳無線通信系統(tǒng)工作原理為：井下傳感器采集的數(shù)據(jù)基本上為數(shù)字信息，調(diào)制電路需要將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)樵谕ㄐ判诺纻鬏數(shù)哪骋活l率的模擬信號，該模擬信號經(jīng)功率放大后由發(fā)射天線發(fā)射至由鉆井液、鉆柱及井下環(huán)空構(gòu)成的電磁信道中。依據(jù)電磁感應(yīng)電流場基本原理，接收天線在交變的磁場作用下將感應(yīng)到的電磁信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大濾波，然后進(jìn)行信號解調(diào)即可獲取近鉆頭傳感器的原始數(shù)據(jù)信息，最終實(shí)現(xiàn)近鉆頭數(shù)據(jù)信息的無線短距離傳輸。

3 小型化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析及實(shí)現(xiàn)建議

與傳統(tǒng)石油鉆井相比，小口徑鉆進(jìn)技術(shù)所需鉆井設(shè)備小而少，消耗的材料、燃料、專用管材少，井場占地面積小，有助于降低勘探成本和提高經(jīng)濟(jì)效益，在石油鉆井中，國外小口徑尺寸定義已經(jīng)縮小到? 98.4 mm甚至更小的?82.6 mm，國內(nèi)小口徑尺寸主要為?152.4 mm和?120.7 mm。我國小口徑定向鉆具還沒有成熟的尺寸系列，小口徑近鉆頭測量系統(tǒng)開發(fā)也處于初步研究階段，本文通過?96 mm口徑近鉆頭測量系統(tǒng)（見圖3），重點(diǎn)分析電磁波無線傳輸技術(shù)、井下自發(fā)電技術(shù)及MEMS傳感器技術(shù)在小型化設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)建議。

圖3 ?96 mm口徑近鉆頭測量系統(tǒng)方案示意Fig.3 Schematic diagram of the“H”size near-bit measuring system

3.1 電磁波無線傳輸技術(shù)

電磁波無線傳輸不需要鉆井液作為信號載體，對欠平衡鉆井工藝有更好的適應(yīng)性，但隨著地層介質(zhì)對信號的吸收，石油鉆井中其應(yīng)用深度受到很大限制，一般不超過3000 m［10］。與石油鉆井不同，地質(zhì)鉆探尤其是小口徑深部地質(zhì)鉆探多數(shù)為火山巖或者變質(zhì)巖地層，地層電阻率較大，電磁波信號衰減小，載波頻率選擇范圍更廣，這對信號傳輸是有利的，同時(shí)由于井眼尺寸的減小，收發(fā)線圈結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)變小，會(huì)降低信息的傳輸距離和效率。解決方案可從以下3方面著手，一是對發(fā)射天線進(jìn)行改進(jìn)研究，在尺寸及發(fā)射距離之間尋找最佳點(diǎn)，以滿足小口徑近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)要求，比如Scientific Drilling International公司的EM-MWD產(chǎn)品，其工作原理是從地表經(jīng)鉆桿下入電纜，并將電纜與發(fā)射端對接形成延伸發(fā)射天線，從而提高信號傳輸深度，傳輸距離可達(dá)4000 m，且傳輸速度也較為快速。二是對在電磁波微弱信號處理技術(shù)進(jìn)行研究［11-13］，從而在減少天線尺寸的同時(shí)減少信號的失真程度，最大程度的提高發(fā)射距離。三是可采用信號中繼站技術(shù)（見圖4），在鉆柱上設(shè)置分布式的信號中繼站，上一級中繼站接收到信號后對信號進(jìn)行解調(diào)及重新調(diào)制，從而達(dá)到信號修正的目的［14-16］，隨后將調(diào)制過的信號重新發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)利用“信號接力”技術(shù)將井下信號有效高速地傳遞到地表。

圖4 信號中繼站實(shí)現(xiàn)方案Fig.4 Structure block diagram of the signal relay station

3.2 小直徑渦輪發(fā)電技術(shù)

在深井甚至超深井近鉆頭測量過程中，采用鋰電池對測量儀器供電已經(jīng)不能滿足井下高溫高壓環(huán)境要求，受電池容量限制，儀器持續(xù)工作時(shí)間也會(huì)受到限制，采用鉆井液動(dòng)力驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電是一種有效的供電方式。渦輪發(fā)電機(jī)主要由渦輪機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)2部分構(gòu)成，圖5所示為一種旋轉(zhuǎn)磁極式渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其工作原理是鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動(dòng)安裝有永磁體的外殼轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)定子軸上裝有線圈繞組，線圈切割磁力線從而產(chǎn)生交流電?？紤]其小型化設(shè)計(jì)，需要對其結(jié)構(gòu)緊湊性和工作高效性提出更高要求，主要有發(fā)電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、渦輪結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其精密制造等［17-20］。

圖5 渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic diagram of the turbine generator structure

斯倫貝謝、貝克休斯、哈利伯頓、俄羅斯SAGOR公司的井下渦輪發(fā)電機(jī)技術(shù)成熟，國內(nèi)也有數(shù)家科研單位研發(fā)了多種型號的井下渦輪發(fā)電機(jī)，但多數(shù)是針對井下大功率（≥200 W）儀器研制的，驅(qū)動(dòng)鉆井液排量較大，且其外徑多在100 mm以上，不適用于小口徑［21-22］。圖6為俄羅斯SG072（左）和SG074（右）型號渦輪發(fā)電機(jī)，其中SG074型渦輪發(fā)電機(jī)渦輪直徑為89 mm，外殼直徑為80 mm，功率為30～550 W，所需鉆井液排量7～20 L/s，滿足一般地質(zhì)鉆探小口徑的尺寸需求，有望用于小口徑近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)供電。

圖6 俄羅斯SAGOR公司SG型泥漿渦輪發(fā)電機(jī)Fig.6 Type SG mud turbine generator from SAGOR,Russia

3.3 MEMS傳感器技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米級，是一個(gè)集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械機(jī)構(gòu)、微電源、信號處理及控制電路、接口及通信等于一體的獨(dú)立的智能系統(tǒng)［20］，其結(jié)構(gòu)組成見圖7。

圖7 MEMS傳感器基本構(gòu)成Fig.7 Basic structure of the MEMS sensor

MEMS傳感器憑借其體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、靈敏度高、易于集成等優(yōu)勢，正在逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器，常見的MEMS傳感器有壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、陀螺傳感器等。由于MEMS傳感器具有極小的尺寸和高集成度的特性，能有效適應(yīng)井下狹小的安裝環(huán)境，且MEMS傳感器具有良好的抗振動(dòng)、抗沖擊能力，近年來該類傳感器在井下工具中也獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，斯倫貝謝公司率先將MEMS陀螺傳感器應(yīng)用于隨鉆測量工具，西安交通大學(xué)針對礦井的環(huán)境需求采用了新的設(shè)計(jì)思路研制了大量程的高溫高壓傳感器，該傳感器的外尺寸僅為4000 μm×4000 μm×525 μm。重慶大學(xué)為了降低MEMES傳感器在井下環(huán)境的誤差，提出了角差補(bǔ)償安裝法。中科院地質(zhì)與地球物理研究所開展了基于MEMS加速度計(jì)的近鉆頭動(dòng)態(tài)井斜測量系統(tǒng)研究，測量單元將5個(gè)MEMS加速度計(jì)集成于獨(dú)立的一個(gè)短節(jié)上，在動(dòng)態(tài)情況下測量精度達(dá)到了0.5°［23］。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）等也開展了基于MEMS傳感器的井眼軌跡測量系統(tǒng)的誤差校正研究，能夠滿足實(shí)際井下鉆探工藝的精度需求［24-25］。

4 結(jié)論與建議

（1）近鉆頭隨鉆測量及無線短傳技術(shù)在石油鉆井領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，國內(nèi)在井下近鉆頭測量系統(tǒng)的研究已趨于成熟，但在測量精度、應(yīng)用深度、可靠穩(wěn)定性等方面，與國外還存在差距。

（2）小口徑近鉆頭測量系統(tǒng)處于初步研究階段，針對小口徑鉆進(jìn)近鉆頭測量系統(tǒng)應(yīng)用需求，目前小型化設(shè)計(jì)急需攻克的關(guān)鍵技術(shù)包括小尺寸電磁波天線設(shè)計(jì)及信號處理技術(shù)、小直徑渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、井下小型傳感器及測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相關(guān)技術(shù)。近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)研發(fā)涉及技術(shù)領(lǐng)域廣泛，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要發(fā)揮科研院所、高校和企業(yè)各自優(yōu)勢，強(qiáng)化“產(chǎn)學(xué)研用”深度融合，在關(guān)鍵技術(shù)和“卡脖子”難題上取得突破，共同推動(dòng)智能化鉆井技術(shù)發(fā)展。