電磁波無線隨鉆測量技術(shù)在石油鉆井中的應用

姬玉平

(1.河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心，鄭州 45000; 2.河南豫中地質(zhì)勘察工程公司，鄭州 450000)

0 引言

隨著鉆井工程技術(shù)水平的不斷發(fā)展，欠平衡井、氣體鉆井和泡沫鉆井等一系列工藝技術(shù)的推廣使用，鉆井工程對隨鉆測量技術(shù)的要求也在不斷增高，目前國內(nèi)外多采用兩種隨鉆測量技術(shù)：泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)和電磁波隨鉆測量系統(tǒng)。泥漿脈沖式隨鉆測量系統(tǒng)的基本工作原理是地面?zhèn)鞲衅鞲鶕?jù)事先的編碼好的脈沖設計產(chǎn)生脈沖信號，脈沖信號高低變化引發(fā)鉆井液壓力的同步變化，傳感器根據(jù)鉆井液壓力的變化解碼得到井下測量參數(shù)。因而，泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)在液體鉆井液中工作穩(wěn)定性較高，但對鉆井液的依賴性強，對鉆井液性能、泥漿泵等要求較高，且系統(tǒng)信號傳輸速率低，脈沖閥易損壞，在進行全測量時需要停泵靜止鉆具，數(shù)據(jù)不具有實時性等問題，大大增加了鉆井工作成本及井下風險[1-5]。20世紀80年代電磁波無線隨鉆測量技術(shù)(EMWD)得以推廣，目前國外有Halliburton、Weatherford、Schlumberg-er 等擁有電磁波無線隨鉆測量技術(shù)，國內(nèi)中國石油勘探開發(fā)研究院、延長油田 、中國電子科技集團公司22研究所等也都對電磁波無線隨鉆技術(shù)進行研究。河南豫中地質(zhì)勘察工程公司于2017年從中國電子科技集團公司22研究所引入SEMWD-2000B，該產(chǎn)品性能穩(wěn)定、操作簡單，大幅度提高了鉆遇率及生產(chǎn)效率，為石油鉆井工程事業(yè)做出巨大貢獻。

1 電磁波無線隨鉆測量技術(shù)

1.1 儀器工作原理

電磁波無線隨鉆測量儀器由井下儀器和地面接收裝置兩部分組成：井下儀器通過參數(shù)傳感器將測量數(shù)據(jù)進行編碼，再通過電磁波發(fā)射裝置單向發(fā)送電磁波信號通過鉆具和地層傳輸至地面的鉆機(井架和底座)和大地，地面接收裝置通過兩根天線(地線)分別連接井架和大地來接收井下儀器的電磁波信號，通過地面接收裝置放大-濾波-計算機解碼還原為測量參數(shù)[6]。

圖1 EMWD系統(tǒng)示意圖Figure 1 A schematic diagram of EMWD system

SEMWD-2000B電磁波隨鉆測量系統(tǒng)是一款適應油氣田和煤層氣開發(fā)應用的產(chǎn)品，主要性能參數(shù)如表1所示，井下工具采用下座鍵可打撈結(jié)構(gòu)設計，小井眼縮徑扶正器設計，各短節(jié)扶正、減震、骨架一體化設計，方位伽馬和環(huán)空壓力集成化設計：地面實現(xiàn)了自動化閉環(huán)增益控制設計，標準WITS輸入輸出接口設計等，現(xiàn)場操作簡單，使用方便。

SEMWD-2000B地面部分包含：地面接口箱、司鉆顯示器、工控機、打印機組成；井下儀器包含：打撈頭、絕緣短節(jié)、發(fā)射機短節(jié)、電池短節(jié)、定向短節(jié)、方位伽馬和環(huán)空壓力短節(jié)、下座鍵接頭組成，鉆具連接方法如圖2所示[7]。

表1 SEMWD-2000B主要性能參數(shù)Table 1 SEMWD-2000B main performance parameters

圖2 管柱串連接結(jié)構(gòu)Figure 2 Pipe string configuration of SEMWD-2000B

1.2 方位伽馬測量原理

SEMWD-2000B采用兩個探測器，對稱排列，測量值分成8個扇區(qū)在井下予以記錄，并將記錄數(shù)據(jù)合成為儀器周邊上、下兩個方位的伽馬值實時傳輸?shù)降孛?，從而指導地質(zhì)導向工作。方位伽馬測量通過閃爍計數(shù)器對巖層中自然放射性核素衰變放射出的γ射線進行俘獲，以API刻度進行計量，對完井方式要求低，可同時在套管和裸眼中施工。

與傳統(tǒng)無線隨鉆測量技術(shù)相比，電磁波無線隨鉆測量技術(shù)方位伽馬實時上傳的上、下伽馬數(shù)據(jù)能確定鉆出、鉆入儲集層的方向，針對常見的兩種不同的鉆出儲集層的情況，如下圖所示，可明確指示如何用最快的速度重新鉆回儲集層中，能發(fā)揮更強的地質(zhì)導向作用[8-9]。

圖3 鉆頭分別從儲集層上、下穿出Figure 3 Bit intersecting through reservoir upper and lower boundaries

2 在陜北石油鉆井中的應用

自引入SEMWD-2000B以來，河南豫中地質(zhì)勘察工程公司在延長油田定向施工5口水平井，以寶塔采油廠8160平1井為例對EMWD技術(shù)在實際鉆井過程中的應用進行介紹。

平1井位于鄂爾多斯盆地山西斜坡帶的東南部，儲層主要形成于早白堊世，為一平緩的西傾單斜，傾斜角度僅為0.5°-1°。斜坡帶上發(fā)育一系列由東向西傾沒的低幅度鼻狀隆起構(gòu)造，與砂體有機配置，成為油氣的優(yōu)勢富集區(qū)。該油藏類型主要為巖性油藏或構(gòu)造-巖性油藏，具有低孔、低滲、低礦物成熟度、高結(jié)構(gòu)成熟度的儲層特點，主要表現(xiàn)為壓實作用強，顆?；祀s不均，原始粒間孔程度低、后生作用明顯等特點。因而采用EMWD技術(shù)進行定向以提高鉆井鉆遇率[10-11]。

平1井在定向鉆進過程中，充分利用SEMWD-2000B傳輸速率快的優(yōu)點，在鉆進時進行全測量，通過COMPASS軟件繪制了實鉆軌跡，如圖4所示。充分利用EMWD技術(shù)的聚焦伽馬，方便定向工程師立即調(diào)整工具面，防止鉆頭鉆出產(chǎn)層。

圖4 井眼軌跡Figure 4 Well trajectory

如表2所示，表中前三列為連斜數(shù)據(jù)，后三列為隨鉆測斜數(shù)據(jù)，從表中可以看出數(shù)值均在誤差規(guī)定范圍內(nèi)，該儀器性能可以滿足定向施工要求。

如圖5所示，其中藍線為方位伽馬所測上伽馬曲線，紅線為下伽馬曲線，黑線為測井自然伽馬曲線。從圖中可以看出，兩種儀器所測曲線變化趨勢吻合較好，表明方位伽馬儀器測量數(shù)據(jù)真實可信，在水平井鉆井中起到了較好的地質(zhì)導向作用。

表2 連斜數(shù)據(jù)與隨鉆測斜數(shù)據(jù)對比表Table 2 Comparison of data from well inclination survey and EMWD inclination

圖5 隨鉆方位伽馬與測井自然伽馬對比圖Figure 5 Comparison of data from EMWD azimuthal gamma-ray logging and gamma-ray well logging

如表3所示，為平1井的設計靶點與實際靶點的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，該井的相對誤差在工程誤差允許范圍內(nèi)，也證明了SEMWD-2000B儀器具備實際作業(yè)能力。

表3 靶區(qū)數(shù)據(jù)Table 3 Data from target areas

3 EMWD技術(shù)的優(yōu)點及發(fā)展趨勢

3.1 技術(shù)優(yōu)點

(1)電磁波無線隨鉆測量技術(shù)依靠電磁波進行信號的傳輸，因而不受井眼及循環(huán)鉆井液的限制，對于漏失地層鉆井時，可采用堵漏劑進行堵漏。

(2)在下鉆過程中，儀器入井即可得到實時儀器信號，可實時對儀器及鉆井工程進行校正，及時采取措施，可以減少由于儀器工作異常而造成的起下鉆時間，且不受開停泵的限制，可連續(xù)傳輸信號，節(jié)約人力、物力及財力，提高鉆井效率。

(3)電磁波無線隨鉆測量技術(shù)單根停泵30s后即可測量靜態(tài)數(shù)據(jù)，而脈沖式隨鉆測量技術(shù)單根停泵需240s后才能完成靜態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸，同時電磁波無線隨鉆測量技術(shù)具有高傳輸速率，高刷新頻率的優(yōu)點，130s即可完成一組工具面的更新，傳統(tǒng)脈沖式則需要520s左右，以定向1 000m為例，則EMWD技術(shù)定向總時間約為4.5h，傳統(tǒng)脈沖式則約為8.8h，是EMWD所需時間的2倍左右，因而用電磁波無線隨鉆測量技術(shù)司鉆可以及時調(diào)整鉆壓，提高鉆井效率，減少大量的開關(guān)泵的消耗及人力。

(4)電磁波無線隨鉆測量技術(shù)在進行設計時，井下設備不存在活動部件，與傳統(tǒng)脈沖式相比，不存在轉(zhuǎn)子偏摩，脈沖器損壞等問題，因而管柱串可靠性高，儀器設計結(jié)構(gòu)對傳輸率選擇限制性少，更加的靈活，設計結(jié)構(gòu)更加的簡單，裝卸設備方便[13-14]。

3.2 發(fā)展趨勢

隨著電子領域的不斷發(fā)展，信息傳輸方式的不斷創(chuàng)新，為電磁波無線隨鉆測量技術(shù)提供了更大的發(fā)展空間，現(xiàn)有的電磁波無線隨鉆測量技術(shù)在信號傳輸過程中，易受到不明噪聲以及強電磁波的干擾，在對電磁波信號進行解碼的過程中，出現(xiàn)軟硬件沖突，儀器不解碼等問題，且信號傳輸深度受到一定限制，在進行定向作業(yè)是，當深度較大時，通過向地面潑灑鹽水等，可以有限提高傳輸信號強度[15]。因而針對目前的情況，電磁波無線隨鉆測量技術(shù)將在現(xiàn)有的算法的基礎上，不斷的進行創(chuàng)新與突破，提高測量系統(tǒng)的抗干擾能力，增強接收信號的抗衰減及解碼恢復能力，提高電磁波信號傳輸?shù)目煽啃?，加大信號傳輸?shù)目v深。此外隨著鉆進深度的不斷推進，耐高溫、高壓的儀器結(jié)構(gòu)，超強續(xù)航能力的電子元件以及大容量的儲存芯片也將不斷發(fā)展，從而在實際應用過程中提高數(shù)據(jù)的真實性及可靠性，以提高無線隨鉆測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性[16-17]。

4 結(jié)論

(1)電磁波無線隨鉆測量技術(shù)與常規(guī)脈沖式無線隨鉆測量系統(tǒng)對比，不受井眼和循環(huán)鉆井液的限制，具有更高的適用性和效率性，井下管柱串可靠性高，儀器設計結(jié)構(gòu)對傳輸率選擇限制性少，更加的靈活，設計結(jié)構(gòu)更加的簡單，裝卸設備方便。

(2)隨鉆聚焦伽馬在鉆進過程中，實時上傳的上、下伽馬數(shù)據(jù)能確定鉆出、鉆入儲集層的方向，明確指示如何用最快的速度重新鉆回儲集層中，能發(fā)揮更強的地質(zhì)導向作用。

(3)河南豫中地質(zhì)勘察工程公司通過使用SEMWD-2000B對寶塔采油廠8160平1井表明，該技術(shù)具有很高的可靠性與穩(wěn)定性，具備實際作業(yè)能力。

(4)電子領域的不斷發(fā)展，信息傳輸方式的不斷創(chuàng)新，電磁波無線隨鉆測量技術(shù)在抗干擾及抗高溫高壓，高續(xù)航能力方面將會有更大的突破。