LWD信號(hào)、干擾分析及故障判斷處理方法

薛曉衛(wèi)(江漢油田鉆井二公司技術(shù)服務(wù)中心, 湖北 潛江 433121)

LWD信號(hào)、干擾分析及故障判斷處理方法

薛曉衛(wèi)(江漢油田鉆井二公司技術(shù)服務(wù)中心, 湖北 潛江 433121)

正脈沖無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)量?jī)x器是利用鉆井液作為傳輸介質(zhì)的一種隨鉆測(cè)斜儀。根據(jù)儀器的工作原理，采用系統(tǒng)的分析方法，制定切實(shí)可行的檢查方法，幫助施工人員查找儀器故障，提高工作效率。在無(wú)線(xiàn)隨鉆的使用過(guò)程中，分析鉆井液對(duì)信號(hào)傳輸造成的影響和鉆井液對(duì)儀器的沖蝕造成主要磨損很有意義，采用評(píng)估對(duì)于儀器整體狀態(tài)進(jìn)行檢查，使現(xiàn)場(chǎng)工作人員做到心中有數(shù)，適時(shí)采取措施。

正脈沖；LWD；信號(hào)傳輸；干擾分析；磨損

0 前言

無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)斜儀是定向井、水平井施工中必不可少的測(cè)量工具，近年來(lái)隨著定向井、水平井的增加，對(duì)無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)斜儀的需求越來(lái)越大。本文意在根據(jù)儀器原理和特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量檢查和方法的使用，提高正脈沖儀器的使用水平和效果。

1 正脈沖工作原理

泥漿正脈沖發(fā)生器的針閥通過(guò)限制井筒內(nèi)泥漿流通來(lái)產(chǎn)生壓力脈沖。當(dāng)針閥阻礙泥漿流通時(shí)，鉆柱內(nèi)泥漿壓力增加；當(dāng)針閥復(fù)位，不阻礙泥漿流通時(shí)，鉆柱內(nèi)泥漿壓力也恢復(fù)到初始狀態(tài)，從而產(chǎn)生正壓力脈沖。LWD系統(tǒng)的信號(hào)接收部分安裝在立管上，其壓力傳感器可測(cè)出的壓力脈沖幅值。壓力傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)解碼、處理、還原成原始的測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行解碼計(jì)算，得到井下測(cè)量探管測(cè)量出的井斜角、方位角和工具面角等數(shù)據(jù)，供現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員使用。原理圖如圖1所示。

2 儀器信號(hào)分析及處理方法

(1)HT—MWD是利用蘑菇頭的伸縮控制泥漿流量造成泵壓變化而傳遞信號(hào)，通過(guò)推升泥漿壓力來(lái)傳遞信號(hào)的。泥漿的壓力變化造成泥漿循環(huán)系統(tǒng)的立管一定幅度的壓力變化，這個(gè)壓力變化被安裝于立管的傳感器感知，變成電信號(hào)傳遞給地面儀器進(jìn)行解碼，獲得真實(shí)井底測(cè)斜數(shù)據(jù)。判斷傳感器到地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的問(wèn)題，可以通過(guò)短接傳輸線(xiàn)等方式觀察這個(gè)系統(tǒng)正常與否，或者通過(guò)開(kāi)停泵來(lái)檢測(cè)計(jì)算機(jī)上的壓力值變化情況來(lái)辨識(shí)這條線(xiàn)鏈接和工作正常情況。如果出現(xiàn)壓力不變的情況，逐個(gè)進(jìn)行傳感器、滾子線(xiàn)、防爆箱、接口箱等環(huán)節(jié)檢查。

圖1 HT—MWD工作原理

(2)通過(guò)鉆臺(tái)立管泵壓表進(jìn)行脈沖信號(hào)的判斷 由于井下儀器工作造成泥漿壓力變化，能夠體現(xiàn)在鉆臺(tái)泵壓表上，對(duì)于井下儀器情況判斷，可以通過(guò)觀察立管壓力表在泥漿泵開(kāi)泵情況下的泵壓變化情況進(jìn)行分析。因?yàn)榇藭r(shí)泥漿泵和儀器發(fā)出的脈沖信號(hào)不是同頻率，泵壓出現(xiàn)一定的疊加，造成泵壓變化不同于泥漿泵造成的泵壓表的跳動(dòng)。當(dāng)我們觀察到一個(gè)不同于泥漿泵的變化頻率且時(shí)間周期類(lèi)似于正脈沖儀器發(fā)出的疊加信號(hào)的時(shí)候，說(shuō)明井下儀器目前是正常工作的。如果我們觀察不到這個(gè)波動(dòng)，說(shuō)明井下儀器很可能是不工作的，那么需要進(jìn)行檢查。

(3)鉆井液對(duì)脈沖信號(hào)傳輸?shù)挠绊?最影響鉆井液脈沖無(wú)線(xiàn)隨鉆儀器信號(hào)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。

①井深對(duì)脈沖信號(hào)的影響：泥漿脈沖信號(hào)傳輸過(guò)程是自身壓能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，傳輸路徑越長(zhǎng)，丟失能量越多，最終被接收到的信號(hào)就越弱。對(duì)HT—L WD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(hào)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(hào)傳輸，還會(huì)堵塞蘑菇頭與限流環(huán)之間的間隙，使蘑菇頭不能做滿(mǎn)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(hào)丟失。在施工過(guò)程中，必須使用鉆桿濾清器，以防止此類(lèi)事情發(fā)生。

③鉆井液含氣量對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀恒@井液的含氣量對(duì)壓力脈沖的傳輸有直接影響，含氣量達(dá)到7%時(shí)會(huì)對(duì)壓力脈沖產(chǎn)生較大的衰減，甚至使地面無(wú)法接收到脈沖信號(hào)，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(lái)的壓力脈沖信號(hào)，造成對(duì)泥漿脈沖信號(hào)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。

⑤壓力傳感器的安裝對(duì)信號(hào)的影響：壓力傳感器的安裝位置對(duì)于在低的信噪比情況下也很關(guān)鍵，應(yīng)安裝在主管線(xiàn)上，距離方鉆桿越近越好，避免安裝在管線(xiàn)末端、閥門(mén)和其它傳感器附近。

(4)噪聲對(duì)脈沖信號(hào)傳輸?shù)挠绊?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(hào)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。

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，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(hào)頻率，以排除噪聲干擾，或者改變儀器脈寬，提高信號(hào)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(hào)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(méi)了壓力脈沖信號(hào)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(guò)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(hào)丟失，一般情況下活動(dòng)鉆具時(shí)要輕提慢放，使泥漿信號(hào)能有效傳輸。

3 鉆井液對(duì)井下儀器的沖蝕圖標(biāo)

井下儀器始終工作在鉆井液環(huán)境中，受到泥漿的不斷沖蝕，隨著時(shí)間儀器及配件會(huì)受到一定的損害，這是井下儀器配件損壞的一個(gè)主要原因。含沙量和排量是影響儀器沖蝕程度最主要的因素。

(1)淺井由于地層相對(duì)比較軟，鉆機(jī)的機(jī)械鉆速快，造成泥漿含沙量的提高，對(duì)于井下設(shè)備的沖蝕極為明顯，排量相對(duì)比較大，這個(gè)因素會(huì)造成儀器配件和本身的損壞速度大為提高。

(2)井下儀器轉(zhuǎn)子偏磨情況出現(xiàn)原因分析 HT—LWD儀器施工使用過(guò)程中，轉(zhuǎn)子偏磨是一個(gè)發(fā)生比較大損失的情況，有時(shí)由于轉(zhuǎn)子的偏磨造成脈沖器本體的損壞，如果遇到轉(zhuǎn)子被卡住或者轉(zhuǎn)子中有下落的金屬物時(shí)，由于轉(zhuǎn)子的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)造成脈沖發(fā)生器本體被割斷的情況。下軸承套和轉(zhuǎn)子內(nèi)襯套的磨損造成，大斜度井中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)生中心的偏移，加之泥沙的在轉(zhuǎn)子內(nèi)的存積從而造成局部磨損速度加快從而造成偏磨。

解決的辦法：

①檢查下軸承套的尺寸和下井轉(zhuǎn)子的襯套的磨損程度，將他們的尺寸控制在一個(gè)低磨損程度，讓轉(zhuǎn)子跟脈沖器本體留有足夠空間，降低偏磨。

②改變使用新式葉輪轉(zhuǎn)子，因?yàn)樗娜~輪設(shè)計(jì)將橡膠的改成了鋼鐵材料，但這種改造對(duì)下軸承套的磨損嚴(yán)重，要及時(shí)檢查偏磨及下軸承套的磨損情況。

(3)在深井的HT—L WD的使用，往往受到泥漿排量小的影響，因?yàn)閷?shí)際的泥漿排量往往比設(shè)想的要小，這是實(shí)際操作中很容易忽視的一個(gè)原因，造成了HT－L WD不出信號(hào)或者信號(hào)不好。正脈沖儀器，推升壓力波動(dòng)需要能力比較大，由于泥漿靜液壓力的大幅度提升，造成脈沖器推動(dòng)能力相對(duì)降低，于是壓力信號(hào)傳送的立管時(shí)已經(jīng)比較微弱，當(dāng)然這里有一個(gè)信號(hào)衰竭的問(wèn)題。增加井下儀器脈沖信號(hào)強(qiáng)度，就是減小蘑菇頭跟限流環(huán)之間的間隙，從而增加脈沖信號(hào)強(qiáng)度。4.無(wú)線(xiàn)隨鉆儀器在泥漿中受到不斷的沖刷，造成配件沖蝕，這種沖蝕在開(kāi)泵循環(huán)過(guò)程中始終存在，影響儀器的使用，達(dá)到相當(dāng)程度就會(huì)造成儀器損壞和信號(hào)無(wú)法正常產(chǎn)生和發(fā)出。

①定子支撐管和定轉(zhuǎn)子的以及蘑菇頭等主要配件都影響到信號(hào)的產(chǎn)生和發(fā)出，直至信號(hào)的上傳。針對(duì)這種情況，采取在一定時(shí)間進(jìn)行檢查，進(jìn)行沖蝕程度的評(píng)價(jià)是很有必要的。

②對(duì)于儀器性能的評(píng)價(jià)，在首次儀器下井進(jìn)行正常工作中，儀器初始波形對(duì)于未來(lái)對(duì)比有著重要意義。我們對(duì)于信號(hào)消失前的波形以及初始信號(hào)對(duì)比，可以基本判斷是脈沖發(fā)生器問(wèn)題還是探管問(wèn)題。因?yàn)樘焦馨l(fā)生問(wèn)題前多數(shù)會(huì)表現(xiàn)出數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。而脈沖發(fā)生器問(wèn)題多數(shù)表現(xiàn)是，脈沖信號(hào)幅度以及虛假信號(hào)增加現(xiàn)象以及波形的變化。

③參與鉆井技術(shù)參數(shù)，測(cè)量工程師參與水眼和排量的設(shè)置，泥漿泵空氣包沖壓情況，以及現(xiàn)場(chǎng)施工措施的落實(shí)是非常必要的。

4 結(jié)論

(1)逐個(gè)判斷儀器傳輸路徑狀態(tài)，能夠快速排除故障，分析故障原因，理清思路。

(2)分析信號(hào)在鉆井液傳輸?shù)挠绊懠霸胍魧?duì)儀器的影響，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，仔細(xì)分析及時(shí)處理。

(3)重視轉(zhuǎn)子偏磨問(wèn)題，檢查引起偏磨的原因，及時(shí)更換配件，降低偏磨造成的損失。

(4)重視泥漿對(duì)儀器配件的沖蝕，進(jìn)行沖蝕檢查和評(píng)估，為儀器的使用預(yù)估使用時(shí)間。有效降低儀器損壞，防止儀器損失擴(kuò)大化。

(5)參與泥漿性能和工程參數(shù)制定，使之達(dá)到儀器的需要，有效提高儀器的測(cè)量成功率，降低儀器故障發(fā)生。

[1]劉偉，任凌云，劉洪亮.鉆井液脈沖信號(hào)傳輸影響因素分析.石油鉆探技術(shù).

[2]何樹(shù)山，劉秀善.鉆井液正脈沖信號(hào)的衰減分析.鉆采工藝.

[3]劉修善，蘇義腦.鉆井液脈沖信號(hào)的傳輸速度研究[J].石油鉆探技術(shù)，2000.

[4]鄢泰寧，郭香芬.定向斜井與水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)[M].石油工業(yè)出版社，2003.

[5]劉偉，劉洪亮.鉆井液脈沖信號(hào)傳輸影響因素分析[J].石油鉆探技術(shù)，2010.