無線隨鉆測量泥漿脈沖信號傳輸淺析

陶鑫

【摘 要】無線脈沖隨鉆測斜儀是以鉆井液作為信號傳輸介質(zhì)，使井下探管所測數(shù)據(jù)能夠以壓力脈沖形式在鉆桿內(nèi)部傳輸?shù)降孛?。在脈沖信號傳輸?shù)倪^程中，將會(huì)受到噪聲的影響，噪聲來源有鉆井泵活塞運(yùn)動(dòng)、井下動(dòng)力鉆具、鉆頭切削等。本文將對這些噪聲的來源及特性進(jìn)行分析，從而提出避免脈沖信號被干擾的辦法。

【關(guān)鍵詞】泥漿脈沖；傳輸；噪聲

無線脈沖隨鉆測斜儀是以鉆井液作為信號傳輸介質(zhì)，使井下探管所測數(shù)據(jù)能夠以壓力脈沖的形式在鉆桿內(nèi)部傳輸?shù)降孛?，但泥漿脈沖信號傳輸過程容易受到鉆井泵活塞運(yùn)動(dòng)、井下動(dòng)力鉆具、鉆頭切削等噪聲的影響，其頻率越接近于脈沖信號的頻率，就越容易對地面信號的解碼產(chǎn)生影響，因此對鉆井液的性能、鉆進(jìn)參數(shù)及鉆井設(shè)備的要求較高。

1.泥漿脈沖信號的產(chǎn)生及傳輸

鉆井液壓力脈沖傳輸是將被測參數(shù)轉(zhuǎn)變成鉆井液壓力脈沖，由鉆桿內(nèi)部自井底傳輸?shù)降孛?，國?nèi)基于泥漿脈沖傳輸信號的MWD有正、負(fù)脈沖等類型。以國產(chǎn)海藍(lán)YST-48R為例，當(dāng)井下定向探管的流量開關(guān)判斷停泵后，定向探管開始測量停泵數(shù)據(jù)，當(dāng)流量開關(guān)判斷開泵后，定向探管將測量的數(shù)據(jù)變成電信號，發(fā)送到脈沖發(fā)生器，由它控制儀器脈沖發(fā)生器的伺服閥閥頭。當(dāng)伺服閥閥頭不工作時(shí)，由于鉆井液在循環(huán)套和限流環(huán)的斜坡處產(chǎn)生反沖，將驅(qū)動(dòng)頭總成最下端的主閥頭頂起，閥筒內(nèi)彈簧被壓緊，這時(shí)鉆井液可順利通過限流環(huán)。當(dāng)伺服閥閥頭向上提起時(shí)，泥漿將流入驅(qū)動(dòng)頭總成的內(nèi)孔，使驅(qū)動(dòng)頭總成內(nèi)外壓力平衡，閥筒內(nèi)彈簧釋放，使在主閥頭與限流環(huán)處泥漿的過流面積減小，這樣就產(chǎn)生一個(gè)正的鉆井液壓力脈沖，類似的還有負(fù)脈沖傳輸系統(tǒng)、連續(xù)波傳輸系統(tǒng)。

2.影響鉆井液脈沖信號傳輸?shù)囊蛩?/p>

最影響鉆井液脈沖無線隨鉆儀器信號傳輸?shù)氖莻鬏斀橘|(zhì)不穩(wěn)定，壓力脈沖在鉆井液中傳輸衰減嚴(yán)重，且易受到外界噪聲干擾。若要在地面成功捕捉到脈沖信號，就要盡量提高壓力脈沖的初始信號強(qiáng)度，降低外界噪聲干擾，控制噪聲頻率，提高信號傳輸信噪比。

（1）井深對脈沖信號的影響：泥漿脈沖信號傳輸過程是自身壓能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，傳輸路徑越長，丟失能量越多，最終被接收到的信號就越弱。對海藍(lán)YST-48R儀器而言，傳輸?shù)念l率范圍為0.5-1Hz，在井較深時(shí)可選擇0.5Hz作為信號傳輸頻率，以提高信噪比。

（2）鉆井液中的雜物造成的衰減：鉆井液中有雜物，當(dāng)累積到一定程度時(shí)，會(huì)使泵壓不穩(wěn)定，干擾儀器脈沖信號傳輸，還會(huì)堵塞脈沖發(fā)生器閥筒內(nèi)腔，使驅(qū)動(dòng)總成內(nèi)的主導(dǎo)桿不能做滿行程運(yùn)動(dòng)，從而降低初始脈沖的幅度，降低信噪比，甚至造成信號丟失。在施工過程中，必須使用鉆桿濾清器，以防止此類事情發(fā)生。

（3）鉆井液含氣量對信號傳輸?shù)挠绊懀恒@井液的含氣量對壓力脈沖的傳輸有直接影響，含氣量達(dá)到7%時(shí)會(huì)對壓力脈沖產(chǎn)生較大的衰減，甚至使地面無法接收到脈沖信號，因此要處理好泥漿，降低泥漿中的含氣量。

（4）鉆井泵空氣包的影響：由于鉆井泵凡爾的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使泥漿流動(dòng)呈周期性變化，所以立管處的壓力也是正弦周期性變化?？諝獍挠猛揪褪菧p少壓力變化和機(jī)械震動(dòng)，使泥漿流動(dòng)平穩(wěn)，同時(shí)也會(huì)影響井下脈沖發(fā)生器傳上來的壓力脈沖信號，造成對泥漿脈沖信號的干擾。為避免這狀況，空氣包充壓壓力應(yīng)為立管壓力的1/4～l/3。同時(shí)，單泵鉆進(jìn)時(shí)，其它泵應(yīng)被隔離。

（5）壓力傳感器的安裝對信號的影響：壓力傳感器的安裝位置對于在低的信噪比情況下也很關(guān)鍵，應(yīng)安裝在主管線上，距離方鉆桿越近越好，避免安裝在管線末端、閥門和其它傳感器附近；壓力傳感器應(yīng)水平安裝，以免混入空氣和泥漿結(jié)餅堵塞壓力傳感器。

3.噪聲對脈沖信號傳輸?shù)挠绊?/p>

由于鉆井施工中有許多噪聲，要想減少噪聲強(qiáng)度，就要清楚噪聲產(chǎn)生的根源，同時(shí)了解脈沖信號和噪聲的頻率特性，進(jìn)而采取相應(yīng)措施消除、壓制噪聲，以獲取高信噪比。

（1）鉆井泵噪聲的特性：一般情況鉆井泵工作良好時(shí)，在立管上產(chǎn)生的噪聲，一是較弱的泵沖程噪聲，可忽略不計(jì)；二是較強(qiáng)的凡爾往復(fù)運(yùn)動(dòng)噪聲。泵工作不正常時(shí)，若發(fā)現(xiàn)異常雜波，應(yīng)及時(shí)排除泵的故障。另外若用兩個(gè)三缸泵，應(yīng)使沖程大小一致，若工作在不同的沖程速率，將產(chǎn)生一個(gè)和脈沖信號頻率接近的、嚴(yán)重的活塞運(yùn)動(dòng)噪聲干擾。

（2）扭矩噪聲的特性及采取的降噪措施：堅(jiān)硬巖層、高陡構(gòu)造、PDC鉆頭、穩(wěn)定器都有可能產(chǎn)生扭矩噪聲，如果鉆頭的剪切力是主要的扭矩噪聲源，提起鉆具時(shí)噪聲將消失。如果穩(wěn)定器是主要的噪聲源時(shí)，只有停止轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，噪聲才會(huì)消失。當(dāng)扭矩噪聲嚴(yán)重干擾脈沖信號接收時(shí)，應(yīng)改變鉆進(jìn)參數(shù)，使扭矩噪聲頻率遠(yuǎn)離泥漿脈沖信號頻率，以排除噪聲干擾，或者改變儀器脈寬，提高信號傳輸頻率。

（3）螺桿噪聲及采取的降噪措施：一般情況下螺桿失速可能造成脈沖信號錯(cuò)誤，從而造成地面解碼失敗。當(dāng)?shù)貙蛹釉阢@頭上的阻力大于螺桿所能產(chǎn)生的最大扭矩力時(shí)，螺桿將停轉(zhuǎn)，這時(shí)地面立管壓力將突然升高，淹沒了壓力脈沖信號或者產(chǎn)生錯(cuò)誤的脈沖波形，導(dǎo)致地面解碼錯(cuò)誤，所以鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)平穩(wěn)加壓。

（4）活動(dòng)鉆具產(chǎn)生的噪聲：活動(dòng)鉆具過于猛烈，將會(huì)在鉆具內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的壓力波動(dòng)，從而造成泥漿脈沖信號丟失，一般情況下活動(dòng)鉆具時(shí)要輕提慢放，使泥漿信號能有效傳輸。

（5）電磁干擾噪聲：一般出現(xiàn)在使用電磁波傳輸井下信號的無線隨鉆儀器中，可以不考慮它，除非有損壞，造成局部無法屏蔽，影響信號在電纜中的傳輸，因此對有破損的電纜應(yīng)進(jìn)行修復(fù)或盡量使用全新無傷的電纜。

4.實(shí)例分析

（1）孤東6-斜20井：該井為一口大斜度定向井，采用國產(chǎn)YST-48R正脈沖無線隨鉆儀進(jìn)行隨鉆測量，應(yīng)用大慶Ⅱ-130鉆機(jī)施工，設(shè)備性能較差，在鉆至1200m時(shí)，發(fā)現(xiàn)儀器波形明顯變小，且由“單峰型”變?yōu)椤半p峰型”，儀器不能進(jìn)行數(shù)字解碼。起鉆更換脈沖發(fā)生器后，在井口測試波形仍然為“雙峰型”。排除儀器因素后，在檢查鉆井設(shè)備時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣包有破損，更換新的空氣包并且調(diào)整好壓力后，儀器恢復(fù)正常工作。

（2）陳氣12-斜30：該井為一口小井眼氣井，采用國產(chǎn)YST-48R無線隨鉆儀進(jìn)行隨鉆測量，在鉆至467m時(shí)發(fā)現(xiàn)泵壓突然下降，儀器信號減弱，檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，循環(huán)罐內(nèi)鉆井液含氣量已達(dá)50%，加入消泡劑處理鉆井液4h后，泵壓、儀器信號恢復(fù)正常。

（3）蘇6-13-5H：該井為一口水平氣井，二開為復(fù)合型井眼，定向段井眼尺寸215.9mm，采用YST-48R進(jìn)行隨鉆測量，在鉆至2800m時(shí)，因甲方要求提高鉆井液粘度及比重，加入4t鈉土后發(fā)現(xiàn)儀器信號雜亂，地面無法正常解碼，經(jīng)檢查為加入藥品未充分?jǐn)嚢杈瓦M(jìn)入鉆桿，造成泥漿性能突變，循環(huán)3h后信號恢復(fù)正常。

5.結(jié)束語

在無線隨鉆現(xiàn)場施工中，提高信號傳輸?shù)男旁氡仁浅晒Λ@取隨鉆參數(shù)的關(guān)鍵，在整個(gè)過程中應(yīng)注意影響信噪比的各種因素，并采取措施提高信噪比，保證施工的順利進(jìn)行；在儀器使用過程中，既要保證儀器本身的保養(yǎng)、組裝和配件的組合，還要把鉆井液性能，設(shè)備運(yùn)行情況、鉆井參數(shù)結(jié)合起來。因此，保證泥漿脈沖無線隨鉆儀器的正常使用，使井下數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確的傳輸?shù)降孛?，為定向施工提供保障?/p>

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