一種下座鍵式近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

陳友學(xué) 趙新全 張翰釗 凡 剛

（①中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所；②中國(guó)石油渤海鉆探管具與井控技術(shù)服務(wù)分公司；③中石化經(jīng)緯有限公司華東測(cè)控分公司）

0 引言

近鉆頭測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)今用于油氣井鉆探的一項(xiàng)高端技術(shù)，對(duì)提高鉆井時(shí)效與勘探開發(fā)總體效益具有重要意義。相較于傳統(tǒng)的“MWD+方位伽馬”方式的地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)，近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量鉆頭附近地質(zhì)信息，根據(jù)地層變化情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)錄井地質(zhì)及鉆時(shí)等相關(guān)資料，可及時(shí)、準(zhǔn)確地指導(dǎo)井眼軌跡調(diào)整，從而提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的鉆遇率。該系統(tǒng)也使得超薄油層及復(fù)雜油氣層的開發(fā)成為可能，有利于油層的充分利用，同時(shí)縮短了尋找油氣層及決策油井軌跡的時(shí)間，有利于縮短鉆井周期，提高鉆井時(shí)效，降低鉆井成本[1-7]，較好地滿足井場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用需求。

目前國(guó)內(nèi)外主流的近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)，其井下系統(tǒng)大多采用上懸掛連接方式，采用渦輪發(fā)電機(jī)供電，其優(yōu)點(diǎn)是MWD 井下系統(tǒng)不受電池容量限制，持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)該連接方式不易產(chǎn)生由于脫鍵導(dǎo)致的無法定向作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；其缺點(diǎn)是組成結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的專業(yè)技術(shù)水平要求較高，現(xiàn)場(chǎng)使用及維護(hù)成本較高，且如果在鉆井作業(yè)中遇地層坍塌掩埋鉆具的情況時(shí)，將導(dǎo)致整串儀器無法打撈，進(jìn)而給施工單位造成較大的財(cái)產(chǎn)損失。為此，研發(fā)了一種下座鍵式近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用下座鍵式連接方式，由電池組供電，其主要優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有技術(shù)成熟，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，現(xiàn)場(chǎng)操作便捷，使用及維護(hù)成本較低，且具備遇井下地層坍塌掩埋儀器時(shí)可脫鍵打撈功能，極大降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

本文主要從下座鍵式近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方法及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1 下座鍵式近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)工作原理

1.1 下座鍵式連接方式基本結(jié)構(gòu)原理

主流的近鉆頭測(cè)量井下系統(tǒng)大多采用上懸掛連接方式，連接較為穩(wěn)固，在定向鉆井作業(yè)中不易產(chǎn)生脫鍵，但在鉆進(jìn)中遇地層坍塌掩埋鉆具的情況時(shí)，將導(dǎo)致整串儀器無法打撈，在影響鉆井施工進(jìn)度的同時(shí)，也給作業(yè)方帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，改進(jìn)原井下系統(tǒng)的上懸掛連接方式，采用下座鍵式的連接方式，即將近鉆頭接收短節(jié)接入鉆井液脈沖井下系統(tǒng)中，井下系統(tǒng)頂端為金屬打撈頭，下端為引鞋短節(jié)，施工時(shí)將井下儀器串吊裝落入座鍵短節(jié)中即可。井下儀器串與座鍵短節(jié)之間依靠鍵槽方式連接固定，該連接方式的測(cè)量系統(tǒng)在一定拉力下可與座鍵短節(jié)脫離，使得井下定向儀器遇地層坍塌被掩埋時(shí)易于脫鍵打撈。但在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中，當(dāng)儀器傾角大于90°時(shí)，該隨鉆測(cè)量系統(tǒng)易發(fā)生脫鍵的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致無法檢測(cè)到井下發(fā)送的鉆井液脈沖信號(hào)，為此在該近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)中的引鞋與座鍵短節(jié)連接處采用了防脫設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在座鍵短節(jié)上設(shè)計(jì)加工了一個(gè)帶密封面的M 16 螺紋孔，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)將井下儀器吊裝入座后，用防脫螺釘通過座鍵及循環(huán)套過孔，頂緊引鞋短節(jié)上的防脫凹槽，以防止脈沖器脫鍵。當(dāng)鉆進(jìn)中遇地層坍塌情況需要打撈井下儀器時(shí)，防脫螺釘小端的圓柱頭在一定拉力下可自行剪斷，即可進(jìn)行井下儀器的打撈。

圖1 下座鍵式連接方式結(jié)構(gòu)示意

1.2 下座鍵式近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng)信息傳輸原理

下座鍵式近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的信息傳輸主要基于電磁波無線傳輸和鉆井液脈沖傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。近鉆頭發(fā)射與接收采用了電磁波無線傳輸技術(shù)，其原理為近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)將測(cè)量的地質(zhì)參數(shù)信息通過上下絕緣偶極發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁波，經(jīng)由螺桿、鉆鋌、鉆井介質(zhì)（鉆井液）、地層等構(gòu)成的信息通道傳輸至近鉆頭接收短節(jié)進(jìn)行處理和解碼，從而獲得近鉆頭測(cè)量參數(shù)信息。

電磁波無線傳輸技術(shù)有以下主要特點(diǎn)：一是信息以電磁波的形式傳輸，受鉆井介質(zhì)影響小；二是儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)傳輸率選擇限制少，傳輸率選擇更靈活；三是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便；四是易于實(shí)現(xiàn)雙向通信[8]。MWD 系統(tǒng)采用鉆井液脈沖傳輸技術(shù)，MWD 主控單元根據(jù)井下系統(tǒng)入井前設(shè)置的工作序列及井下工作狀態(tài)，將MWD 測(cè)量數(shù)據(jù)以及近鉆頭測(cè)量數(shù)據(jù)以鉆井液壓力波的形式發(fā)送至地面。

2 下座鍵式近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下座鍵式近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)包括地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)兩個(gè)部分，下面分別針對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2.1 地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)采用成熟的MWD 地面接收處理系統(tǒng)，主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、地面接收系統(tǒng)、司鉆顯示系統(tǒng)4 部分組成，其主要功能是完成鉆井液脈沖信號(hào)的采集、解碼、遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)顯示及后期數(shù)據(jù)出圖等功能。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要完成對(duì)各功能單元的配置、實(shí)時(shí)解碼及后期數(shù)據(jù)出圖等；傳感器系統(tǒng)包括立管壓力傳感器、大鉤負(fù)荷傳感器和絞車傳感器，其中立管壓力傳感器用于采集井底鉆井液脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的壓力編碼序列信號(hào)，大鉤負(fù)荷傳感器和絞車傳感器用于跟蹤鉆頭位置及計(jì)算井深；地面接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集通過立管壓力傳感器獲取的鉆井液脈沖信號(hào)，經(jīng)濾波處理后上傳至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行解碼數(shù)據(jù)恢復(fù)；司鉆顯示系統(tǒng)以有線方式連接立管壓力傳感器，將采集的立管壓力信號(hào)通過無線方式或有線方式與地面接收系統(tǒng)通信，并在顯示屏上顯示實(shí)時(shí)的工具面、井斜、方位及立管壓力等信息。

2.2 井下系統(tǒng)

井下系統(tǒng)主要包括近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)、近鉆頭接收短節(jié)、MWD 井下系統(tǒng)3 部分。井下系統(tǒng)主要完成井下系統(tǒng)電源管理、近鉆頭測(cè)量數(shù)據(jù)無線短傳、MWD數(shù)據(jù)采集處理，以及脈沖信號(hào)編碼、驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行等功能。井下系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 井下系統(tǒng)組成

2.2.1 近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)設(shè)計(jì)

近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)作為井下系統(tǒng)的核心部分，直接與鉆頭連接，其主要功能是通過重力加速計(jì)、磁通門、伽馬探頭等傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量鉆頭附近伽馬、電阻率等地質(zhì)參數(shù)，以及工具面、井斜等工程參數(shù)，通過電磁波無線短傳方式將測(cè)量的近鉆頭參數(shù)跨越螺桿傳輸至近鉆頭接收短節(jié)。

近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)設(shè)計(jì)為鉆鋌結(jié)構(gòu)形式，鉆鋌內(nèi)有獨(dú)立的電源模塊為其電路系統(tǒng)供電，主要完成鉆頭附近地質(zhì)參數(shù)的測(cè)量并發(fā)送，具備井斜、方位伽馬測(cè)量和無線短傳的功能。近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)組成如圖3所示。

圖3 近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)組成

電池單元采用3個(gè)鋰電池短節(jié)并聯(lián)的形式為系統(tǒng)供電。為確保定向井鉆進(jìn)施工時(shí)效，電池單元采用高能量密度的鋰電池，每次下鉆作業(yè)時(shí)長(zhǎng)可達(dá)200 h。方位伽馬單元設(shè)計(jì)為一個(gè)單獨(dú)的骨架，置入近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)鉆鋌內(nèi)，設(shè)計(jì)原理與隨鉆方位伽馬探管類似。設(shè)計(jì)中使用以碘化鈉為材料的伽馬探頭，晶體與光電倍增管采用一體化封裝，增強(qiáng)了探頭的抗震效果[9]。電源、測(cè)量及通信單元的電源模塊能夠輸出±5 V、+12 V的三路電源供系統(tǒng)使用；測(cè)量模塊采用低功耗、雙軸加速計(jì)（ADXL206）測(cè)量重力信號(hào)，采用雙軸高精度弱磁測(cè)量模塊（HJMAG804）測(cè)量磁信號(hào)；通信模塊采用由雙通道低壓、高速功率驅(qū)動(dòng)器（IR4427）組成的H橋發(fā)射信號(hào)。

近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)與接收短節(jié)采用單向通信方式，在測(cè)量發(fā)射短節(jié)與近鉆頭接收短節(jié)上各安裝一個(gè)絕緣天線，用于發(fā)射和接收信號(hào)。

由于使用鋰電池短節(jié)為近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)供電，電池的空間有限，因此在電路設(shè)計(jì)中處理器和運(yùn)算放大電路等關(guān)鍵器件的選擇上需符合低功耗設(shè)計(jì)要求。此外，由于近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)與鉆頭直接相連，鉆進(jìn)過程中震動(dòng)、沖擊較大，在設(shè)計(jì)中必須充分考慮儀器的抗震性和可靠性。

2.2.2 近鉆頭接收短節(jié)設(shè)計(jì)

近鉆頭接收短節(jié)與MWD 井下系統(tǒng)相連，接收近鉆頭測(cè)量短節(jié)發(fā)射的數(shù)據(jù)，并通過RS-485 總線方式將近鉆頭測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送至MWD井下系統(tǒng)主控單元。

近鉆頭接收短節(jié)設(shè)計(jì)為探管結(jié)構(gòu)形式，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)操作方便，且成本相對(duì)較低。接收短節(jié)采用RS-485總線接口，通信協(xié)議兼容MWD井下系統(tǒng)，能夠直接與MWD 井下各短節(jié)連接，同時(shí)可以利用MWD 井下系統(tǒng)電源進(jìn)行供電，不需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的電源模塊。其主要功能是接收近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過RS-485總線傳送給MWD井下系統(tǒng)的主控單元。接收電路由差分放大、增益控制、濾波放大和跟隨放大等分電路組成，最后接入采集電路。近鉆頭接收短節(jié)組成如圖4所示。

圖4 近鉆頭接收短節(jié)組成

2.2.3 MWD井下系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MWD井下系統(tǒng)將測(cè)量的工具面、井斜、方位等工程參數(shù)，以及接收的近鉆頭測(cè)量數(shù)據(jù)一起進(jìn)行編碼，并利用MWD 鉆井液脈沖傳輸方式將井下信息以壓力脈沖的方式傳送至地面接收處理系統(tǒng)指導(dǎo)鉆井作業(yè)。

MWD 井下系統(tǒng)采用常規(guī)的鉆井液脈沖傳輸方式，由鉆井液脈沖發(fā)生器及引鞋、一體化短節(jié)、電池短節(jié)和打撈頭組成。該系統(tǒng)使用電池組供電，電池容量為24 Ah，在該系統(tǒng)中一串電池組工作時(shí)長(zhǎng)不低于200 h；鉆井液脈沖發(fā)生器為市場(chǎng)較為成熟的QDT 脈沖器，系統(tǒng)兼容性較好，且便于實(shí)現(xiàn)下座鍵式連接。MWD井下系統(tǒng)主要功能為測(cè)量工具面、井斜、方位等工程參數(shù)，同時(shí)將接收的近鉆頭測(cè)量數(shù)據(jù)一起通過一定的方式進(jìn)行組合編碼，并驅(qū)動(dòng)MWD 鉆井液脈沖發(fā)生器工作，將井下信息以鉆井液壓力波的形式傳輸至地面，再由地面接收系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集壓力脈沖信號(hào)，并進(jìn)行濾波、解碼，對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼恢復(fù)處理，獲得井下發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析鉆頭處的巖性變化來指導(dǎo)鉆井作業(yè)。MWD井下系統(tǒng)各單元設(shè)計(jì)成熟，在此不再贅述。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中，將鉆鋌結(jié)構(gòu)形式的近鉆頭測(cè)量發(fā)射短節(jié)安裝在鉆頭與螺桿之間，螺桿上端依次接座鍵接頭鉆鋌、絕緣天線鉆鋌和通用無磁鉆鋌，將探管結(jié)構(gòu)形式的近鉆頭接收短節(jié)與MWD 井下系統(tǒng)連接，從上端往下依次為金屬打撈頭、電池短節(jié)、一體化短節(jié)、近鉆頭接收短節(jié)、鉆井液脈沖發(fā)生器及引鞋短節(jié)，最后將連接好的儀器串坐落進(jìn)座鍵接頭鉆鋌中，即完成下座鍵式連接方式的近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的組裝。

目前該系統(tǒng)已在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多口井的試驗(yàn)及應(yīng)用，完成系統(tǒng)相關(guān)功能及可靠性驗(yàn)證，并取得了良好的應(yīng)用效果。如在河南商丘永城某水平注漿井進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，該井為地面區(qū)域治理井，為多分支井，設(shè)計(jì)在煤層底板太原組上段灰?guī)r中鉆進(jìn)作業(yè)，該區(qū)塊灰?guī)r地層伽馬值處于20～60 API區(qū)間，鉆遇率要求90%以上。現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)過程中，密切跟蹤鉆頭在頂、底板灰?guī)r中的位置，及時(shí)調(diào)整井眼軌跡，確保鉆頭在目的層灰?guī)r中鉆進(jìn)，保證鉆遇率及井筒水平軌跡達(dá)標(biāo)。該系統(tǒng)近鉆頭方位伽馬測(cè)量點(diǎn)距離鉆頭位置0.6 m，從近鉆頭方位伽馬實(shí)時(shí)曲線（圖5）中可以看出，在鉆進(jìn)至856.83 m 時(shí)，近鉆頭上伽馬值先變大，之后快速增大，下伽馬值也隨之逐漸增大，在井深859 m 附近，測(cè)得近鉆頭方位伽馬值均增大至100 API 左右，結(jié)合實(shí)時(shí)巖屑錄井、鉆時(shí)錄井等相關(guān)資料，確定鉆頭位置已從目標(biāo)層上切穿出目標(biāo)層頂板，導(dǎo)向人員根據(jù)地層傾角變化及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)姿態(tài)，使鉆頭從目標(biāo)層頂部下切，重新進(jìn)入目標(biāo)層（灰?guī)r）中。在井深862 m 測(cè)得近鉆頭方位伽馬值為40 API左右，方位伽馬變化趨勢(shì)完全符合該井段地質(zhì)情況。

圖5 近鉆頭方位伽馬實(shí)時(shí)曲線

從實(shí)際應(yīng)用效果可以看出，使用防脫設(shè)計(jì)的座鍵短節(jié)后，井下系統(tǒng)一直穩(wěn)定正常作業(yè)，未發(fā)生脫鍵故障，應(yīng)用效果良好。傳統(tǒng)的MWD+方位伽馬系統(tǒng)的方位伽馬測(cè)量點(diǎn)往往距鉆頭10 m 左右，因而測(cè)得的方位伽馬值反映鉆頭出入地層信息比較滯后，發(fā)現(xiàn)鉆頭出層時(shí)實(shí)際已出目標(biāo)層10 m 甚至更多，給定向人員調(diào)整井眼軌跡造成很大難度。而使用該近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)，方位伽馬測(cè)量點(diǎn)僅為0.6 m，能夠更早地感知鉆頭附近地質(zhì)信息，并及時(shí)指導(dǎo)調(diào)整鉆頭重新進(jìn)入目標(biāo)地層，從而顯著提高了鉆進(jìn)效率，更利于滿足地質(zhì)導(dǎo)向?qū)︺@遇率的要求。

4 結(jié)論

下座鍵式近鉆頭測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崟r(shí)反映地層信息，具有良好的導(dǎo)向功能。該系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，系統(tǒng)整體穩(wěn)定可靠，且由于其結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)操作便捷，以及具備井下工具可打撈等優(yōu)勢(shì)，易于實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。在鉆井深度3000 m 以內(nèi)、井底鉆井液循環(huán)溫度不超過150℃的淺地層油氣勘探及煤層氣開采領(lǐng)域，具有較好的市場(chǎng)前景。