一種下座鍵式近鉆頭測量系統的研發與應用

陳友學 趙新全 張翰釗 凡 剛

（①中國電子科技集團公司第二十二研究所；②中國石油渤海鉆探管具與井控技術服務分公司；③中石化經緯有限公司華東測控分公司）

0 引言

近鉆頭測量技術是現今用于油氣井鉆探的一項高端技術，對提高鉆井時效與勘探開發總體效益具有重要意義。相較于傳統的“MWD+方位伽馬”方式的地質導向系統，近鉆頭測量系統能夠實時測量鉆頭附近地質信息，根據地層變化情況，結合現場錄井地質及鉆時等相關資料，可及時、準確地指導井眼軌跡調整，從而提高優質儲層的鉆遇率。該系統也使得超薄油層及復雜油氣層的開發成為可能，有利于油層的充分利用，同時縮短了尋找油氣層及決策油井軌跡的時間，有利于縮短鉆井周期，提高鉆井時效，降低鉆井成本[1-7]，較好地滿足井場實際應用需求。

目前國內外主流的近鉆頭測量系統，其井下系統大多采用上懸掛連接方式，采用渦輪發電機供電，其優點是MWD 井下系統不受電池容量限制，持續工作時間長，同時該連接方式不易產生由于脫鍵導致的無法定向作業風險；其缺點是組成結構相對復雜，對現場操作人員的專業技術水平要求較高，現場使用及維護成本較高，且如果在鉆井作業中遇地層坍塌掩埋鉆具的情況時，將導致整串儀器無法打撈，進而給施工單位造成較大的財產損失。為此，研發了一種下座鍵式近鉆頭隨鉆測量系統，該系統采用下座鍵式連接方式，由電池組供電，其主要優點是現有技術成熟，系統穩定可靠，現場操作便捷，使用及維護成本較低，且具備遇井下地層坍塌掩埋儀器時可脫鍵打撈功能，極大降低了作業風險。

本文主要從下座鍵式近鉆頭測量系統的工作原理、系統設計、實現方法及現場應用幾個方面進行介紹。

1 下座鍵式近鉆頭測量系統工作原理

1.1 下座鍵式連接方式基本結構原理

主流的近鉆頭測量井下系統大多采用上懸掛連接方式，連接較為穩固，在定向鉆井作業中不易產生脫鍵，但在鉆進中遇地層坍塌掩埋鉆具的情況時，將導致整串儀器無法打撈，在影響鉆井施工進度的同時，也給作業方帶來極大的經濟損失。為此，改進原井下系統的上懸掛連接方式，采用下座鍵式的連接方式，即將近鉆頭接收短節接入鉆井液脈沖井下系統中，井下系統頂端為金屬打撈頭，下端為引鞋短節，施工時將井下儀器串吊裝落入座鍵短節中即可。井下儀器串與座鍵短節之間依靠鍵槽方式連接固定，該連接方式的測量系統在一定拉力下可與座鍵短節脫離，使得井下定向儀器遇地層坍塌被掩埋時易于脫鍵打撈。但在現場作業過程中，當儀器傾角大于90°時，該隨鉆測量系統易發生脫鍵的風險，從而導致無法檢測到井下發送的鉆井液脈沖信號，為此在該近鉆頭測量系統中的引鞋與座鍵短節連接處采用了防脫設計，其結構如圖1 所示，在座鍵短節上設計加工了一個帶密封面的M 16 螺紋孔，在現場應用時將井下儀器吊裝入座后，用防脫螺釘通過座鍵及循環套過孔，頂緊引鞋短節上的防脫凹槽，以防止脈沖器脫鍵。當鉆進中遇地層坍塌情況需要打撈井下儀器時，防脫螺釘小端的圓柱頭在一定拉力下可自行剪斷，即可進行井下儀器的打撈。

圖1 下座鍵式連接方式結構示意

1.2 下座鍵式近鉆頭隨鉆測量系統信息傳輸原理

下座鍵式近鉆頭隨鉆測量系統的信息傳輸主要基于電磁波無線傳輸和鉆井液脈沖傳輸等關鍵技術。近鉆頭發射與接收采用了電磁波無線傳輸技術，其原理為近鉆頭測量發射短節將測量的地質參數信息通過上下絕緣偶極發射天線產生的電磁波，經由螺桿、鉆鋌、鉆井介質（鉆井液）、地層等構成的信息通道傳輸至近鉆頭接收短節進行處理和解碼，從而獲得近鉆頭測量參數信息。

電磁波無線傳輸技術有以下主要特點：一是信息以電磁波的形式傳輸，受鉆井介質影響??；二是儀器結構設計對傳輸率選擇限制少，傳輸率選擇更靈活；三是結構簡單，裝卸方便；四是易于實現雙向通信[8]。MWD 系統采用鉆井液脈沖傳輸技術，MWD 主控單元根據井下系統入井前設置的工作序列及井下工作狀態，將MWD 測量數據以及近鉆頭測量數據以鉆井液壓力波的形式發送至地面。

2 下座鍵式近鉆頭測量系統設計

下座鍵式近鉆頭測量系統包括地面系統和井下系統兩個部分，下面分別針對這兩個系統的設計進行介紹。

2.1 地面系統

地面系統采用成熟的MWD 地面接收處理系統，主要由計算機系統、傳感器系統、地面接收系統、司鉆顯示系統4 部分組成，其主要功能是完成鉆井液脈沖信號的采集、解碼、遠端數據顯示及后期數據出圖等功能。

計算機系統主要完成對各功能單元的配置、實時解碼及后期數據出圖等；傳感器系統包括立管壓力傳感器、大鉤負荷傳感器和絞車傳感器，其中立管壓力傳感器用于采集井底鉆井液脈沖發生器產生的壓力編碼序列信號，大鉤負荷傳感器和絞車傳感器用于跟蹤鉆頭位置及計算井深；地面接收系統負責采集通過立管壓力傳感器獲取的鉆井液脈沖信號，經濾波處理后上傳至計算機系統進行解碼數據恢復；司鉆顯示系統以有線方式連接立管壓力傳感器，將采集的立管壓力信號通過無線方式或有線方式與地面接收系統通信，并在顯示屏上顯示實時的工具面、井斜、方位及立管壓力等信息。

2.2 井下系統

井下系統主要包括近鉆頭測量發射短節、近鉆頭接收短節、MWD 井下系統3 部分。井下系統主要完成井下系統電源管理、近鉆頭測量數據無線短傳、MWD數據采集處理，以及脈沖信號編碼、驅動及執行等功能。井下系統組成如圖2所示。

圖2 井下系統組成

2.2.1 近鉆頭測量發射短節設計

近鉆頭測量發射短節作為井下系統的核心部分，直接與鉆頭連接，其主要功能是通過重力加速計、磁通門、伽馬探頭等傳感器，實時測量鉆頭附近伽馬、電阻率等地質參數，以及工具面、井斜等工程參數，通過電磁波無線短傳方式將測量的近鉆頭參數跨越螺桿傳輸至近鉆頭接收短節。

近鉆頭測量發射短節設計為鉆鋌結構形式，鉆鋌內有獨立的電源模塊為其電路系統供電，主要完成鉆頭附近地質參數的測量并發送，具備井斜、方位伽馬測量和無線短傳的功能。近鉆頭測量發射短節組成如圖3所示。

圖3 近鉆頭測量發射短節組成

電池單元采用3個鋰電池短節并聯的形式為系統供電。為確保定向井鉆進施工時效，電池單元采用高能量密度的鋰電池，每次下鉆作業時長可達200 h。方位伽馬單元設計為一個單獨的骨架，置入近鉆頭測量發射短節鉆鋌內，設計原理與隨鉆方位伽馬探管類似。設計中使用以碘化鈉為材料的伽馬探頭，晶體與光電倍增管采用一體化封裝，增強了探頭的抗震效果[9]。電源、測量及通信單元的電源模塊能夠輸出±5 V、+12 V的三路電源供系統使用；測量模塊采用低功耗、雙軸加速計（ADXL206）測量重力信號，采用雙軸高精度弱磁測量模塊（HJMAG804）測量磁信號；通信模塊采用由雙通道低壓、高速功率驅動器（IR4427）組成的H橋發射信號。

近鉆頭測量發射短節與接收短節采用單向通信方式，在測量發射短節與近鉆頭接收短節上各安裝一個絕緣天線，用于發射和接收信號。

由于使用鋰電池短節為近鉆頭測量發射短節供電，電池的空間有限，因此在電路設計中處理器和運算放大電路等關鍵器件的選擇上需符合低功耗設計要求。此外，由于近鉆頭測量發射短節與鉆頭直接相連，鉆進過程中震動、沖擊較大，在設計中必須充分考慮儀器的抗震性和可靠性。

2.2.2 近鉆頭接收短節設計

近鉆頭接收短節與MWD 井下系統相連，接收近鉆頭測量短節發射的數據，并通過RS-485 總線方式將近鉆頭測量數據發送至MWD井下系統主控單元。

近鉆頭接收短節設計為探管結構形式，其特點是結構簡單，現場操作方便，且成本相對較低。接收短節采用RS-485總線接口，通信協議兼容MWD井下系統，能夠直接與MWD 井下各短節連接，同時可以利用MWD 井下系統電源進行供電，不需要設計獨立的電源模塊。其主要功能是接收近鉆頭測量發射短節發送的數據，并將數據通過RS-485總線傳送給MWD井下系統的主控單元。接收電路由差分放大、增益控制、濾波放大和跟隨放大等分電路組成，最后接入采集電路。近鉆頭接收短節組成如圖4所示。

圖4 近鉆頭接收短節組成

2.2.3 MWD井下系統設計

MWD井下系統將測量的工具面、井斜、方位等工程參數，以及接收的近鉆頭測量數據一起進行編碼，并利用MWD 鉆井液脈沖傳輸方式將井下信息以壓力脈沖的方式傳送至地面接收處理系統指導鉆井作業。

MWD 井下系統采用常規的鉆井液脈沖傳輸方式，由鉆井液脈沖發生器及引鞋、一體化短節、電池短節和打撈頭組成。該系統使用電池組供電，電池容量為24 Ah，在該系統中一串電池組工作時長不低于200 h；鉆井液脈沖發生器為市場較為成熟的QDT 脈沖器，系統兼容性較好，且便于實現下座鍵式連接。MWD井下系統主要功能為測量工具面、井斜、方位等工程參數，同時將接收的近鉆頭測量數據一起通過一定的方式進行組合編碼，并驅動MWD 鉆井液脈沖發生器工作，將井下信息以鉆井液壓力波的形式傳輸至地面，再由地面接收系統實時采集壓力脈沖信號，并進行濾波、解碼，對各數據進行解碼恢復處理，獲得井下發送的數據信息，根據這些數據分析鉆頭處的巖性變化來指導鉆井作業。MWD井下系統各單元設計成熟，在此不再贅述。

3 現場應用

現場應用過程中，將鉆鋌結構形式的近鉆頭測量發射短節安裝在鉆頭與螺桿之間，螺桿上端依次接座鍵接頭鉆鋌、絕緣天線鉆鋌和通用無磁鉆鋌，將探管結構形式的近鉆頭接收短節與MWD 井下系統連接，從上端往下依次為金屬打撈頭、電池短節、一體化短節、近鉆頭接收短節、鉆井液脈沖發生器及引鞋短節，最后將連接好的儀器串坐落進座鍵接頭鉆鋌中，即完成下座鍵式連接方式的近鉆頭隨鉆測量系統的組裝。

目前該系統已在現場進行了多口井的試驗及應用，完成系統相關功能及可靠性驗證，并取得了良好的應用效果。如在河南商丘永城某水平注漿井進行了試驗應用，該井為地面區域治理井，為多分支井，設計在煤層底板太原組上段灰巖中鉆進作業，該區塊灰巖地層伽馬值處于20～60 API區間，鉆遇率要求90%以上?，F場鉆井作業過程中，密切跟蹤鉆頭在頂、底板灰巖中的位置，及時調整井眼軌跡，確保鉆頭在目的層灰巖中鉆進，保證鉆遇率及井筒水平軌跡達標。該系統近鉆頭方位伽馬測量點距離鉆頭位置0.6 m，從近鉆頭方位伽馬實時曲線（圖5）中可以看出，在鉆進至856.83 m 時，近鉆頭上伽馬值先變大，之后快速增大，下伽馬值也隨之逐漸增大，在井深859 m 附近，測得近鉆頭方位伽馬值均增大至100 API 左右，結合實時巖屑錄井、鉆時錄井等相關資料，確定鉆頭位置已從目標層上切穿出目標層頂板，導向人員根據地層傾角變化及時調整鉆進姿態，使鉆頭從目標層頂部下切，重新進入目標層（灰巖）中。在井深862 m 測得近鉆頭方位伽馬值為40 API左右，方位伽馬變化趨勢完全符合該井段地質情況。

圖5 近鉆頭方位伽馬實時曲線

從實際應用效果可以看出，使用防脫設計的座鍵短節后，井下系統一直穩定正常作業，未發生脫鍵故障，應用效果良好。傳統的MWD+方位伽馬系統的方位伽馬測量點往往距鉆頭10 m 左右，因而測得的方位伽馬值反映鉆頭出入地層信息比較滯后，發現鉆頭出層時實際已出目標層10 m 甚至更多，給定向人員調整井眼軌跡造成很大難度。而使用該近鉆頭測量系統，方位伽馬測量點僅為0.6 m，能夠更早地感知鉆頭附近地質信息，并及時指導調整鉆頭重新進入目標地層，從而顯著提高了鉆進效率，更利于滿足地質導向對鉆遇率的要求。

4 結論

下座鍵式近鉆頭測量系統在實際應用中能夠實時反映地層信息，具有良好的導向功能。該系統各部分設計技術成熟，系統整體穩定可靠，且由于其結構形式相對簡單，現場操作便捷，以及具備井下工具可打撈等優勢，易于實現工程化應用。在鉆井深度3000 m 以內、井底鉆井液循環溫度不超過150℃的淺地層油氣勘探及煤層氣開采領域，具有較好的市場前景。