無線隨鉆測量應用技術的認識與建議

劉業文

摘 要：無線隨鉆測量技術是復雜結構井鉆井技術的重要組成部分，近年來，國內相關技術發展迅猛，技術水平不斷提高;但是與隨鉆測量有關的各類復雜情況同樣層出不窮。筆者以X8井為例分析了隨鉆測量應用技術主要影響因素，對該井無線隨鉆測量儀器失效情況進行了統計，對造成儀器失效和損壞的原因進行分析，進而提出了無線隨鉆測量技術需要在測量設備和應用環境可靠性、建立更加完善的無線隨鉆測量應用管理體系，提高測量系統應用的合理性方面的建議，希望有助于推動無線隨鉆測量技術的發展。

關鍵詞：X8井、無線隨鉆測量、失效、損壞、高溫高壓、震擊、鉆井液

Abstract：WirelessMeasurement-While-Drilling（MWD） technology， is an important part of drilling technology for complex structure wells. In recent years， related technologies have developed rapidly in China， and the technical level has been continuously improved.However， all kinds of complicated situations about MWD application happened one after the other. Taking well X8 as an example， the author analyzes the main influencing factors of MWD application technology， makes statistics on the failure of wireless MWD instruments in the well， analyzes the causes of instrument failure and damage， then puts forward suggestion that wireless MWD technology needs to establish a more perfect wireless MWD application management system in terms of the reliability of measurement equipment and application environment and also suggested ?improving the rationality of the application of measurement system to help to improve the MWD technology development。

Key Words： Well X8; MWD; Failure; Damage; High temperature and pressure; Shock; Drilling mud

隨著復雜結構井鉆井技術需求的日益高漲，無線隨鉆測量技術發展迅猛，得以大面積普及、應用，大大提高了鉆井效率，簡化了定向操作難度[1-3]。近年來，隨著應用規模的不斷擴大，特別是深井和高溫高壓井的增多，無線隨鉆測量儀器失效的現象層出不窮。但無線隨鉆測量應用技術也是一項環環相扣的系統工程，任何環節不匹配都將影響隨鉆測量的效果，甚至是能否應用成功。從國內相關技術的應用情況來看，無線隨鉆測量不能正常實施的影響因素很多，主要包括地面設備的功能性、井下測量設備的可靠性、測量環境的惡劣程度、循環系統的工況條件、操作人員的使用水平等。本文以X8井為例對各種影響因素進行剖析。

X8井是四川地區的一口高溫高壓致密砂巖長水平段水平井，該井三開和四開定向施工過程中，累計出現了16次無線隨鉆測量系統無法正常工作情況，其中有測量儀器性能方面的問題，也有工況環境評價方法缺失、工程應用技術不完善等方面的問題，對該井隨鉆測量情況的分析將有助于總結經驗教訓，促進應用技術水平提高。

1、X8井概況及隨鉆測量技術難點

1.1X8井概況

X8是四川地區的一口致密砂巖長水平段開發水平井，設計目的層須二段TX22砂組，埋藏深度4823～4887m，須家河組二段巖性主要為灰、淺灰色細、中粒巖屑砂巖、長石巖屑石英砂巖、中粒長石巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、巖屑長石砂巖、粗粒石英砂巖夾黑色頁巖，須家河組地層設計壓力預測如表1所示。

須家河組地層為高溫高壓地層，設計地層壓力預測情況見下表，須二氣藏地層溫度為125～141℃之間，地溫梯度為2.22～2.45℃/100m，由地層溫度與氣藏埋深關系，預測實鉆井底地層溫度可達130℃左右。

1.2隨鉆測量技術難點

（1）地層壓力高，鉆井液密度高（三開井段鉆井液密度2.04～2.05g/cm3），井底壓力較高，儀器抗壓能力要求高。

（2）地層溫度在125°～141°之間，預測地層溫度130°，常規無線隨鉆測量已經無法滿足施工的要求，需要采用抗高溫儀器進行施工。

（3）巖石可鉆性差，鉆井時效低，易發生井下事故。如掉牙輪、斷鉆具等[4、5]，儀器使用風險高。

（4）鉆井液性能要求高，固相含量需要保持較低水平，避免儀器沖蝕，造成儀器破壞。

2、隨鉆測量儀器組成及工作原理

常用的隨鉆測量儀器主要有3種類型，正脈沖、負脈沖和電池波傳輸類型，X8井采用負脈沖無線隨鉆測量儀器。負脈沖無線隨鉆測量系統主要包括地面接收處理系統、井下儀器以及鉆井液脈沖監測系統。地面接收處理系統主要由立管壓力傳感器（SPP）、泵沖傳感器（PUMP）、地面接口箱（SIB）、司鉆閱讀器（RFD）、便攜計算機和應用軟件等設備組成。井下儀器包括脈沖發生器（TX）、驅動短節（APC）、電池短節（PSA）、測量短節（SEA）[6]。

脈沖發生器由閥門組成，當閥打開時，一小部分鉆井液從鉆柱內流向環形空間，因此，快速開閉這個閥就會引起立管中的壓力下降，并通過立壓傳感器檢測。為了將數據傳到地面，多次操作閥門，產生一系列脈沖，由傳感器檢測出信號并由地面計算機譯碼，計算機首先識別出一組參考脈沖，隨后是數據脈沖。通過在特定的時間幀內檢測有沒有脈沖來對信息進行譯碼。然后將這個十六進制碼轉換為十進制的結果。脈沖順序由一個圖表記錄儀來監視，同時，將信號傳輸給上位機譯碼系統，譯碼系統根據譯碼規則將信號轉換成井斜（INC）、方位（AZI）、工具面（GTF或TTF）等數據，并在上位機及鉆臺司鉆閱讀器（RFD）上顯示出來，給定向井工程師提供實時可靠的井身軌跡數據，以更好地指導鉆井工作。當譯碼機構發生電誤障時，可由技術人員根據圖表記錄儀上的脈沖順序進行人工譯碼[6、7]。

3、新8-1H井隨鉆測量情況分析

3.1隨鉆測量失效情況統計

3.1.1 隨鉆測量儀器失效統計

X8井三開自井深4400m開始定向，至5112.70m三開結束，四開5915m完鉆，累計鉆次50余趟，其中出現失效的有16趟鉆，約占總鉆次的30%，其中三開井段儀器失效10趟鉆，四開井段儀器失效6趟鉆。三開井段有兩次井口淺測試無信號，其余均為下井之后儀器失效。累計損失鉆井周期16.55d，如表2所示。

3.1.2 隨鉆測量儀器損失統計

X8井儀器失效除了延后鉆井周期，也帶來了巨大的儀器損失，經統計，該井三開井段共使用新維修脈沖器16根，新電池12根，沖壞鉆桿濾清器8根。因驅動外筒破裂損壞井下定向儀器3套;四開井段共使用新維修脈沖器9根，新電池9根，沖壞311×310負脈沖懸掛短節2根，脈沖器3根，直接經濟損失220余萬元。

3.2失效原因分析

X8井儀器隨鉆測量儀器失效頻發，其原因也是多方面的，根據失效現象并結合現場情況，總結失效原因如下。

3.2.1 驅動器外筒抗壓能力不足導致破裂

X8井總共發生三次（第1、7、8次儀器失效）儀器外筒破裂的情況（見圖1），均發生于三開井段，垂深在4485～4862m之間，鉆井液密度2.00～2.05g/cm3，地面泵壓約15～22Mpa，設計地層壓力94.22Mpa，井底壓力在100Mpa左右，而采用的隨鉆測量儀器抗壓能力僅15000psi，約103Mpa，又由于部分井段采用PDC鉆頭鉆進，且定向鉆進時由于鉆壓不均勻導致頻繁憋泵，地面泵壓最高達到30MPa，完全超出儀器抗壓能力，又由于驅動器外筒抗壓能力為隨鉆測量儀器抗壓能力最薄弱處，因此導致三套儀器破裂損毀。后來更換抗壓筒，抗壓能力達到18000psi，則再無儀器破裂發生，證明隨鉆測量儀器抗壓能力選擇方面風險考慮不足，選擇失誤。

3.2.2 鉆井液雜質導致脈沖器堵塞

無線隨鉆測量測量儀器完全浸泡在鉆井液中，并通過鉆井液壓力傳遞信號，因此對鉆井液性能要求較高，特別是對雜質和含砂量的要求要高，否則極易造成儀器工作不正常和儀器損壞。X8井鉆井液處理和凈化設備使用不合理導致鉆井液中含有大量雜質，且含砂量較高，導致儀器多次不能正常工作（第3、5、9、10次儀器失效，其中第9和第10為儀器井口淺測試即失效），鉆井液雜質和儀器砂卡示意圖如圖2所示（左上為砂卡后脈沖器現場圖片;右上為砂卡后脈沖器處于常開狀態，無法關閉;左下為鉆井液雜質圖片，右下為撈出的雜質圖片）;后來對振動篩、除砂器、除泥器等凈化設備進行徹底整改，后續2個月未發生類似儀器失效，證明鉆井液雜質和含砂量導致儀器失效的問題得到解決。

3.2.3 多種因素結合導致儀器沖蝕嚴重

儀器的沖蝕程度主要取決于鉆井液排量的大小，儀器所處鉆鋌環空間隙的大小以及鉆井液含砂量高低3個方面。X8井儀器沖蝕主要體現在四開井段（第11、16次儀器失效），四開井段為Φ165.1mm井眼，采用Φ120mm內徑57～60mm無磁鉆鋌，鉆井液排量通常在16～18L/s，屬于小鉆鋌間隙和高排量環境，再加上鉆井液含沙量居高不下，因此對無線隨鉆儀器脈沖器、扶正器和外筒均形成了嚴重的沖蝕和損壞，儀器沖蝕圖形如圖3所示（左邊為MWD短節沖蝕圖，中間為脈沖器沖蝕圖，右邊為扶正塊沖蝕圖），類似沖蝕情況在其它地區小井眼（中）深井鉆井中也常有發生。

3.2.4 井底振動劇烈導致探管參數錯誤

X8井屬于川西地區具有較大施工難度的一口水平井，施工過程中復雜情況頻繁，主要體現在煤層、頁巖井段掉塊較多，卡鉆，摩阻扭矩大，牙輪掉牙齒和軸承損壞等方面，現場施工時為了確保鉆井安全，接入了震擊器;定向時由于鉆時較慢，長時間未能活動鉆具卡鉆現象頻繁，因此上提下放解卡過程中激發震擊器工作，對儀器造成影響，過渡的震擊導致測量探管元器件損壞，測量數據不準確而起鉆（第13次儀器失效）;同時由于大部分井段采用牙輪鉆頭進行鉆進，鉆頭使用中后期，掉牙齒現象頻發（如圖4所示），鉆頭受力不均勻也導致儀器振動劇烈，最終使得探管測量參數不準確（第6次儀器失效），現場曾在井深5000m附近連續兩趟鉆未下入震擊器，儀器工作正常，未出現失效，但后來由于考慮到鉆井安全，仍然不得不繼續下入震擊器。

3.2.5 隨鉆測量儀器本身原因導致失效

無線隨鉆測量儀器本身工作存在失效率的問題，新8-1H井也不例外，本井施工第2次、第4次、第12次、第14次、第15次儀器失效均為儀器本身原因導致的失效，主要存在的問題在于電池失效、測量探管死機等，第2次和第4次儀器失效后檢查發現電池加載無電量，第12次失效為測量探管死機，第14次電池加載無電量，測量探管也死機，第15次失效井底無信號，但地面測試正常，更換全部井下組件后下井工作正常，原因不明，證明儀器可靠性存在一定的問題，尚需改進。

3.3 幾點認識

通過上述分析可以把新8-1H井無線隨鉆測量技術應用存在的問題歸為三類，。一是無線隨鉆測量裝備的可靠性問題。受設計合理性、元器件質量、機加工水平等國內技術整體實力的影響，可靠性不足已經是較長一段時期內國內無線隨鉆測量技術的通病。二是工況環境惡劣問題影響了測量系統應用效果。鉆井液性能，特別是含沙量居高不下很大程度上影響了隨鉆測量的成功應用，國外同類工具在國內的應用也在不同程度上出現了各種問題，有些服務商甚至考慮根據國內鉆井液處理能力設計中國市場專用產品，其嚴重程度可見一斑。三是國內隨鉆測量系統缺乏合理的安全應用評價軟件和硬件。國內相關技術更側重無線隨鉆測量的基本功能開發，對工具系統的保護性技術，如隨鉆震動安全評級、隨鉆測量減震工具等相關技術尚未成熟。

因此，無線隨鉆測量應該針對上述問題從以下3個方面，即從可用、能用、會用方面開展更加細致、有效的技術攻關和管理開展攻關：一是對現有技術進行系統梳理，切實提高無線隨鉆測量系統的可靠性;二是開展無線隨鉆測量安全應用評價方法研究，開發配套工具;三是建立更加完善的無線隨鉆測量應用管理體系，提高測量系統應用的合理性。

4結論與建議

（1）X8井是四川地區具有較大施工難度的一口長水平段致密砂巖水平井，國內無線隨鉆測量裝備在抗高溫性能和抗壓能力兩方面已經取得技術突破，滿足了川西地區深層水平井無線隨鉆測量的技術要求。

（2）無線隨鉆測量儀器在鉆井液環境中工作，又依靠鉆井液進行信號傳輸，因此對鉆井液性能要求較高，現場需要充分利用鉆井液處理設備，降低鉆井液雜質和含砂量，從而確保儀器正常工作。

（3）無線隨鉆測量技術應用環境惡劣，應開發安全應用評價方法研究并配套相關工具，同時加強應用技術管理，降低無線隨鉆測量裝備使用風險。

（4）國內無線隨鉆測量裝備可靠性亟待提高，需要根據現場應用情況對工具系統結構設計、元器件選擇、機加工要求等方面進行更加科學細致的優化和改進。

參考文獻

[1]石榮.隨鉆測量鉆井液連續波發生器關鍵技術與穩定性研究[D].北京：中國礦業大學（北京），2018.

[2]李泉新，褚志偉，許超，等.煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術[J].煤礦安全，2021，52（7）：116-120.

[3]PENG Q，LI Q H，ZHANG Q.Application status of the technology of logging while drilling[J].Advanced Materials Research，2014，1010 /1011 /1012：1650-1653.

[4]李豪.一種無線MWD系統的測量儀設計[D].廣州：廣東工業大學，2016.

[5]連杰，張冀冠.煤礦井下電磁波無線隨鉆測量系統的設計與實現[J].電子設計工程.2020，28（13）：132-136.

[6]梁斌.無線隨鉆測量系統中信號處理分析[J].石化技術.2020，27（11）：43-46.

[7]陳必權，王利斌，何萬通，等.保德區塊煤層氣叢式井無線隨鉆測量技術（MWD）快速鉆井施工工藝[J].中國煤炭地質.2020，32（4）：67-71.