套管外絕緣涂層特性對(duì)EM-MWD 信號(hào)影響規(guī)律分析

邵春，胡 闖，徐 林，陳明華，龍小平

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074)

電磁隨鉆測(cè)量(EM-MWD) 可利用極低頻電磁信號(hào)將井底的地質(zhì)和工程參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?，便于掌握鉆進(jìn)工況以及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，達(dá)到輔助控制井眼軌跡的效果[1]。EM-MWD 具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸速率高、信號(hào)可靠、不受循環(huán)介質(zhì)性質(zhì)及泵開(kāi)關(guān)狀態(tài)限制等優(yōu)勢(shì)[2-4],在泡沫、空氣、欠平衡及漏失地層鉆井中發(fā)揮著不可替代的作用[5-6]。EM-MWD 信號(hào)在傳輸過(guò)程中不斷衰減，尤其在低電阻率地層流失嚴(yán)重[7]，導(dǎo)致其應(yīng)用效果和測(cè)量深度嚴(yán)重受限。近年來(lái)，改善EMMWD 應(yīng)用效果，突破其測(cè)量深度限制成為鉆探領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前，針對(duì)提高EM-MWD 測(cè)量深度的研究主要包括地面信號(hào)處理技術(shù)[8-9]、延伸天線技術(shù)[10-11]、中繼傳輸技術(shù)[12-13]和鄰井接收信號(hào)技術(shù)[14]等。其中，信號(hào)處理技術(shù)提高EM-MWD 測(cè)量深度的作用有限，未取得突破性進(jìn)展；延伸天線技術(shù)中，設(shè)備的裝卸復(fù)雜費(fèi)時(shí)，成本較高；中繼傳輸技術(shù)易受到深井長(zhǎng)套管的制約；鄰井接收信號(hào)對(duì)井況要求較高，應(yīng)用場(chǎng)景有限。B.Peter等[15]提出在套管外敷絕緣涂層以減少信號(hào)在地層流失，增大EM-MWD 信號(hào)傳輸深度，應(yīng)用效果較好，但未對(duì)套管外敷絕緣涂層適用的地層電阻率范圍及涂層特性對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的具體影響規(guī)律進(jìn)行深入研究。

鑒于此，筆者分析了EM-MWD 工作原理，建立了套管外敷絕緣涂層后的EM-MWD 傳輸信道有限元模型并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以確定套管外絕緣涂層適用的地層電阻率范圍及絕緣涂層厚度和電阻率對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度的影響規(guī)律，以期為合理運(yùn)用該技術(shù)以優(yōu)化EMMWD 應(yīng)用效果進(jìn)而突破其應(yīng)用井深提供理論依據(jù)。

1 EM-MWD 工作原理

EM-MWD 主要分為井下信號(hào)發(fā)射與地面信號(hào)接收兩部分，其工作原理如圖1 所示。

圖1 EM-MWD 工作原理Fig.1 EM-MWD working principle

采用絕緣短節(jié)將井下鉆柱隔開(kāi)，構(gòu)成發(fā)射信號(hào)的對(duì)稱偶極子天線，傳感器采集完井下參數(shù)后，由井下儀器將參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)施加在絕緣短節(jié)隔開(kāi)的上下鉆柱上以激發(fā)電磁信號(hào)[16]，電磁信號(hào)則通過(guò)鉆桿、鉆井液、套管和地層組成的傳輸信道傳輸至地面[17]，信號(hào)傳輸軌跡與方向如圖1 中虛線和箭頭所示。地面獲取到以鉆桿為電極，和距井口一定距離的接地電極接收到的兩路信號(hào)，二者電勢(shì)差可表征信號(hào)強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)地面儀器對(duì)信號(hào)的濾波、放大和解碼等處理，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取井下信息以調(diào)整井眼軌跡的功能[16]。EM-MWD發(fā)射部分激發(fā)的超低頻信號(hào)在傳輸至地面的過(guò)程中，由于地層是開(kāi)放性介質(zhì)，對(duì)于信號(hào)的衰減程度有很大影響。

基于麥克斯韋方程組得到的電磁波趨膚深度公式：

式中：δ為趨膚深度，m；f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m；μ可近似用真空磁導(dǎo)率來(lái)表示，H/m，為定值。

由此可得出電磁波傳輸深度主要受控于信號(hào)頻率和傳播介質(zhì)電阻率。在EM-MWD 的應(yīng)用中，基于前人的研究成果，地層電阻率過(guò)低與過(guò)高都不利于電磁信號(hào)的傳輸，其中，地層電阻率越小，信號(hào)衰減越嚴(yán)重[7]，即電磁信號(hào)易經(jīng)套管引導(dǎo)泄漏進(jìn)入低電阻率地層中，導(dǎo)致地面的接收信號(hào)強(qiáng)度微弱。本文基于傳播介質(zhì)電阻率較低的情況，針對(duì)套管外絕緣涂層特性對(duì)EM-MWD 信號(hào)的增強(qiáng)效果展開(kāi)研究，信號(hào)頻率不參與討論。

2 仿真模型建立與求解

2.1 模型建立

在建立模型前，作出如下假設(shè)：地層為僅有水平分層的均質(zhì)地層；鉆桿、套管和井眼軸線重合；鉆桿、套管及地層等以井眼軸線對(duì)稱；鉆柱全部為鉆桿。以底部鉆桿內(nèi)側(cè)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，分別建立了鉆桿、絕緣短節(jié)、環(huán)空鉆井液、套管、套管外絕緣涂層及水平分層地層。模型如圖2 所示。

圖2 仿真模型Fig.2 Schematic diagram of the simulation model

基于ANSYS 有限元分析軟件建立仿真模型，綜合考慮實(shí)際鉆井參數(shù)、有限元模型計(jì)算精度及EMMWD 中絕緣短節(jié)常用長(zhǎng)度及位置，整個(gè)模型長(zhǎng)寬均設(shè)為2 000 m，井深2 000 m，下部鉆桿長(zhǎng)10 m，絕緣短節(jié)長(zhǎng)1 m，鉆桿壁厚2 cm，環(huán)空厚度5 cm，套管深1 800 m，套管壁厚3 cm，套管外絕緣涂層厚度2 mm，其長(zhǎng)度與所應(yīng)用的地層厚度一致，即敷滿所應(yīng)用地層的套管外。為研究套管外絕緣涂層在不同電阻率地層的應(yīng)用效果，將地層水平分為深度不等的4 層。地層厚度的設(shè)計(jì)一方面考慮到地層的不均勻分層，另一方面?zhèn)戎赜谛盘?hào)傳輸流經(jīng)的主要地層，地層1 為地表層，地層4 為信號(hào)發(fā)射所在地層，故將這兩處地層設(shè)計(jì)的較薄，地層2 與地層3 作為信號(hào)傳輸?shù)闹饕貙樱试O(shè)計(jì)成較厚的地層。4 層地層厚度由上至下分別為200、800、600、400 m。

模型中各介質(zhì)電阻率的設(shè)置參考常見(jiàn)介質(zhì)電阻率，見(jiàn)表1。絕緣材料電阻率范圍人為可控，將絕緣短節(jié)與套管外絕緣涂層電阻率設(shè)置為1×107Ω·m。鉆柱、套管制造材料主要為鋼材，電阻率值設(shè)為1×10-7Ω·m。鉆井液電阻率以應(yīng)用較廣泛的水基鉆井液電阻率為參考，取值為1 Ω·m。為分析不同電阻率地層的電勢(shì)分布，地層電阻率的設(shè)置以常見(jiàn)的巖石電阻率為參考，并考慮到實(shí)驗(yàn)對(duì)不同電阻率地層的要求。將中部的地層2 作為低電阻率地層，電阻率設(shè)為0.1 Ω·m，其相鄰地層取較高的電阻率，地層1 電阻率設(shè)為100 Ω·m，地層3 電阻率設(shè)為20 Ω·m，地層4 套管下入較淺，且為信號(hào)源發(fā)射所在地層，電阻率取中間數(shù)量級(jí)，為1 Ω·m。

表1 常見(jiàn)介質(zhì)電阻率Table 1 Resistivities of common medium

上述各地層電阻率、套管外絕緣涂層厚度及電阻率均為初始值，在下文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中若作自變量時(shí)將不斷改變。

2.2 網(wǎng)格劃分

有限元仿真模型中，網(wǎng)格劃分與計(jì)算結(jié)果的精度和效率密切相關(guān)[18]。網(wǎng)格單元設(shè)置為PLANE230 單元，鉆桿、絕緣短節(jié)、鉆井液、套管和絕緣涂層與整個(gè)模型相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，采用小單元尺寸以保證網(wǎng)格精密，并對(duì)絕緣短節(jié)與絕緣涂層區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密。對(duì)于大面積的地層模塊，則采用較稀疏的大尺寸網(wǎng)格以提高計(jì)算效率。仿真模型網(wǎng)格疏密分布如圖3 所示。

圖3 仿真模型網(wǎng)格疏密分布Fig.3 Schematic diagram of the mesh dense distribution of the simulation model

2.3 電壓加載與求解

在絕緣短節(jié)處的上部鉆桿和下部鉆桿上施加電勢(shì)差為1 V 的電壓載荷，采用直接求解方法，求解后在后處理模塊中獲得不同實(shí)驗(yàn)條件下的地層電勢(shì)云圖及模型各節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)數(shù)據(jù)，取地面處鉆桿的電勢(shì)及距鉆桿100 m 處地面(接收電極處)的電勢(shì)作為地面接收到的兩路信號(hào)。兩路電勢(shì)差為恒壓發(fā)射下地面接收信號(hào)強(qiáng)度，EM-MWD 在應(yīng)用時(shí)一般為恒功率發(fā)射，故將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)換算為5 W 恒功率下的電勢(shì)差，以表征地面接收信號(hào)強(qiáng)度。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 絕緣涂層對(duì)地層中電勢(shì)分布影響

圖4 為無(wú)套管外絕緣涂層的地層電勢(shì)云圖，從藍(lán)色區(qū)域到紅色區(qū)域，電勢(shì)逐漸升高。由圖可知，高電勢(shì)從絕緣短節(jié)上部沿鉆桿向地面?zhèn)鞑?，但在地? 處，高電勢(shì)向地層中擴(kuò)散。將地層2 處的套管外敷絕緣涂層后，得到圖5 的地層電勢(shì)分布圖，可見(jiàn)高電勢(shì)沿鉆桿向地面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，始終集中在井眼附近，而地層中電勢(shì)較低。

圖4 無(wú)套管外絕緣涂層的地層電勢(shì)云圖Fig.4 The electric potential cloud figure in the formation without insulation coating outside the casing

圖5 有套管外絕緣涂層的地層電勢(shì)云圖Fig.5 The electric potential cloud figure in the formation with insulation coating outside the casing

這是因?yàn)椋盒盘?hào)沿低電阻率的鉆桿從井底傳向井口，高電勢(shì)主要分布在井眼周?chē)?，但由于地? 電阻率較低，僅為0.1 Ω·m，高電勢(shì)在此處向地層中大幅流失。在地層2 處套管外敷絕緣涂層后，高電勢(shì)流經(jīng)此處時(shí)受到高電阻率的絕緣涂層阻隔，因此被收束在井眼附近，避免了地面無(wú)法接收到有效信號(hào)的問(wèn)題。

3.2 絕緣涂層在不同地層中應(yīng)用效果

將套管外絕緣涂層分別應(yīng)用在信號(hào)流經(jīng)的主要地層(地層1、地層2、地層3)套管外敷上絕緣涂層，長(zhǎng)度與所應(yīng)用地層的厚度一致，并分別以絕緣涂層所應(yīng)用的地層的電阻率為自變量(當(dāng)某地層電阻率作自變量時(shí)，其余地層電阻率保持初始值不變)，得到絕緣涂層在不同地層應(yīng)用時(shí)地面接收信號(hào)強(qiáng)度的變化，如圖6所示。

由圖6 可見(jiàn)，所有曲線都呈先升高后降低的趨勢(shì)，在各地層套管外應(yīng)用絕緣涂層得到的信號(hào)強(qiáng)度曲線均高于未應(yīng)用絕緣涂層的曲線，隨著地層電阻率增大，絕緣涂層對(duì)信號(hào)的增強(qiáng)作用(同色曲線差值)呈先略微增大，后快速減小的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)貙与娮杪食^(guò)1×103Ω·m時(shí)，套管外絕緣涂層對(duì)信號(hào)的增強(qiáng)效果保持穩(wěn)定。

圖6 不同地層套管外有無(wú)涂層的應(yīng)用效果Fig.6 Application effect of casing with or without coating in different formations

在地層電阻率較低時(shí)，信號(hào)衰減嚴(yán)重，而地層電阻率較大會(huì)導(dǎo)致電磁波難以注入到地層中[7]，故圖6 中曲線均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在3 個(gè)地層中應(yīng)用套管外敷絕緣涂層均能在一定程度上增強(qiáng)接收信號(hào)，但由于地層2 和地層3 電阻率較大，有無(wú)絕緣涂層對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響較小，而地層2 是電阻率最小的地層，套管外絕緣涂層在此地層套管外應(yīng)用時(shí)，信號(hào)的增強(qiáng)效果顯著優(yōu)于其他地層。隨著地層電阻率增大，同色曲線差值呈先略微增大，后快速減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)椋航^緣涂層對(duì)信號(hào)的阻隔作用可減少其在低電阻率地層的大幅流失，對(duì)地面接收信號(hào)的增強(qiáng)幅度明顯，但由于地層電阻率過(guò)低，信號(hào)仍然存在一定衰減，故隨地層電阻率增大，絕緣涂層對(duì)信號(hào)的增強(qiáng)幅度也略有增大，而高電阻率地層本身可避免信號(hào)大幅衰減，絕緣涂層進(jìn)一步增強(qiáng)信號(hào)的作用有限，因此在地層電阻率較高時(shí)其應(yīng)用效果不佳，導(dǎo)致同色曲線差值快速減小。

3.3 絕緣涂層電阻率對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響

分別在各地層套管外敷絕緣涂層并改變涂層電阻率，得到接收信號(hào)強(qiáng)度隨套管外絕緣涂層電阻率變化的趨勢(shì)，如圖7 所示。

由圖7 可得，接收信號(hào)強(qiáng)度隨絕緣涂層電阻率的增大而增大，但絕緣涂層電阻率大于1×104Ω·m 時(shí)，對(duì)接收信號(hào)的增強(qiáng)效果才較為明顯；當(dāng)絕緣涂層電阻率達(dá)到1×107Ω·m 時(shí)，地面接收信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到峰值，之后幾乎不再繼續(xù)增強(qiáng)；此外，絕緣涂層在地層2 套管外應(yīng)用時(shí)，對(duì)信號(hào)的增強(qiáng)作用同樣顯著優(yōu)于其他地層。

圖7 套管外絕緣涂層電阻率對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響Fig.7 The influence of the resistivity of the insulation coating outside the casing on the signal strength

涂層電阻率需達(dá)到一定值才能起到絕緣作用，達(dá)到阻隔信號(hào)大量流入地層的效果。信號(hào)除了在低電阻率地層流失，也會(huì)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生不可避免的損耗，因此，絕緣涂層對(duì)信號(hào)的增強(qiáng)作用是有一定限度的。

3.4 絕緣涂層厚度對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響

分別在各地層套管外敷絕緣涂層并改變涂層厚度，得到接收信號(hào)強(qiáng)度隨套管外絕緣涂層厚度變化的趨勢(shì)，如圖8 所示。

圖8 套管外絕緣涂層厚度對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響Fig.8 The influence of the thickness of the insulation coating outside the casing on the signal strength

由圖8 可得，接收信號(hào)強(qiáng)度隨絕緣涂層厚度的增大而增大，但當(dāng)絕緣涂層厚度達(dá)到7 mm 時(shí)，地面接收信號(hào)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，幾乎不再隨涂層厚度繼續(xù)增強(qiáng)，且絕緣涂層在地層2 套管外的應(yīng)用效果依舊顯著優(yōu)于其他地層。

套管外絕緣涂層越厚，對(duì)信號(hào)的阻隔效果越好，但當(dāng)厚度達(dá)到一定值，絕緣涂層對(duì)接收信號(hào)的增強(qiáng)效果達(dá)到峰值，信號(hào)強(qiáng)度便逐漸趨于穩(wěn)定。

3.5 絕緣涂層長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響

基于上述仿真結(jié)果，絕緣涂層在低電阻率地層有較為明顯的效果。因此，針對(duì)低電阻率的地層2，在套管外分別由上向下和由下至上敷絕緣涂層,并逐漸增加絕緣涂層長(zhǎng)度，得到接收信號(hào)強(qiáng)度隨套管外絕緣涂層長(zhǎng)度變化的趨勢(shì)，如圖9 所示。

圖9 套管外絕緣涂層長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響Fig.9 The influence of the length of the insulation coating outside the casing on the signal strength

由圖9 可見(jiàn)，接收信號(hào)強(qiáng)度隨套管外絕緣涂層長(zhǎng)度的增加而增加，至敷滿地層2 處套管時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，且在地層2 處由下至上在套管外敷絕緣涂層效果略微好于由上至下，但總體基本一致，這是因?yàn)榈貙? 底部離發(fā)射源較近，電磁信號(hào)更強(qiáng)，因此由下至上敷絕緣涂層對(duì)信號(hào)的增強(qiáng)略微明顯于由上至下，但信號(hào)衰減的主控因素是無(wú)涂層的低電阻率地層的厚度，電磁信號(hào)會(huì)在未涂絕緣層的那部分地層流失，因而兩條曲線趨勢(shì)基本一致。在應(yīng)用中，為保證絕緣涂層對(duì)EM-MWD信號(hào)的增強(qiáng)效果，應(yīng)將絕緣涂層長(zhǎng)度與低電阻率地層段的長(zhǎng)度保持一致。

從整體來(lái)看，不同電阻率和不同厚度的套管外絕緣涂層在低電阻率的地層2 中的應(yīng)用效果都顯著強(qiáng)于其他地層。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，要考慮到絕緣涂層適用地層、涂層工藝和成本等因素，確定套管外涂絕緣層最佳厚度、電阻率和長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

a.建立了有限元仿真模型，并探明了套管外絕緣涂層技術(shù)適用地層以及該技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)EM-MWD接收信號(hào)強(qiáng)度的影響規(guī)律，為優(yōu)化EM-MWD 應(yīng)用效果及突破其測(cè)量井深限制提供了一種新思路，對(duì)套管外絕緣涂層技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

b.根據(jù)模擬仿真的結(jié)果，套管外絕緣涂層在較低電阻率的地層中應(yīng)用可有效減少EM-MWD 信號(hào)的衰減，顯著增強(qiáng)地面接收信號(hào)。接收信號(hào)隨套管外絕緣涂層電阻率的增大而呈現(xiàn)先微弱增強(qiáng)，后快速增強(qiáng)，最后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)；隨涂層厚度增加，接收信號(hào)逐漸增強(qiáng)，隨后保持穩(wěn)定；在低電阻率地層應(yīng)用中，接收信號(hào)隨套管外絕緣涂層長(zhǎng)度的增加而不斷增強(qiáng)。

c.基于以上初步成果，后續(xù)將開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及更深入的研究工作，為套管外絕緣涂層技術(shù)的合理運(yùn)用提供更可靠的指導(dǎo)意見(jiàn)。