7、俄罗斯电磁波系统论文(鄢泰宁-俄罗斯外籍院士).doc

俄罗斯电磁波井底遥测系统及其在油气钻井中的应用鄢泰宁 吴翔 季锋 张涛中国地质大学（武汉）钻井是能源与资源勘探开发领域的关键技术，具有资金密集型与技术密集型的特点。据统计，世界油气钻井费用占油气工业上游总投资的40左右；我国陆上钻井费用占上游费用的42左右。因此，发展钻井新技术，降低油气钻井费用，提高钻井效率和效益意义至关重大。繁荣与深化井眼轨道控制理论与技术就是其中的关键环节之一。 近100年来，世界井眼轨道控制技术主要经历了“摸着钻”（20世纪50年代以前主要凭经验钻井），“算着钻”（从50年代至80年代初，多种力学模型和算法为钻井提供了理论和技术支持，钻井工程由“工艺”进入“科学”，由钻直井发展到定向井、丛式井）和“看着钻”（从80年代初至90年代，随钻测斜仪提高了轨道控制决策的准确性）几个阶段1。随着无线随钻测斜仪(MWD)和随钻测井仪(LWD)的推广应用，复杂结构井施工技术得到了迅猛的发展。无线式MWD系统的信息传输方式主要有泥浆脉冲和电磁波通道。目前，泥浆脉冲传输方式技术应用最广泛，但数据传输速率较慢，信息量较小，传输信号易受钻井液的质量和泵的不均匀性影响。要求钻井液的含砂量l，含气量7。当使用可压缩性钻井介质时，会导致压力波信号变形，所以在欠平衡钻井条件下适用性很差。图1.电磁波通道井底遥测系统1井内仪器；2地表装置；3方位角传感器；4井斜角传感器；5高边位置传感器；6信号变换器；7涡轮发电机；8信号发送器；9钻杆柱；10下部钻具组合；11电隔离器；12接收天线；13显示屏；14打印机电磁波传输方式是将反映井底轨迹方向、地层特性参数的低频电磁波信号传送到地面。钻井过程中，钻杆、裸露的井壁和它们之间的空间以及周围的地层共同组成了电磁波传输通道，电磁波从发射源向周围的无限空间辐射，由固定在钻机旁的地表天线接收。它不需要泥浆作为信号载体，对钻井液的质量和钻探泵的不均匀性要求更低，所以数据传输能力较强。其优点是不需要机械接收装置，系统稳定性好，对于欠平衡钻井工艺有更好的适应性。但背景噪声对信号的影响较大，而且随着岩层对信号的吸收而逐渐减弱，电磁波仪器的最大应用深度将受到一定限制。电磁波法可追溯到20世纪40年代初期，最早应用于煤矿安全和军事方面。俄罗斯是较早开展电磁波随钻测量系统研制的国家之一，他们把MWD系统称为电磁波通道井底遥测系统。1. 俄罗斯电磁波通道井底遥测系统的技术特征俄罗斯“”公司自1984年开始生产ZYS-4型电磁波通道井底遥测系统，并用于钻井生产。至2000年已出厂100套左右，曾用于西西伯利亚等油田的200多个水平井钻进。俄罗斯“地平线”公司的第一批ZTS-172M电磁波通道系统仪器于19871990年曾在三个油田的20口井中进行过92个井次的生产试验，试验的深度范围502200m。试验结果表明，与传统技术相比系统在控制定向斜井和水平井轨迹方面具有无可比拟的优越性。1.1系统的组成及工作原理井底遥测系统（ZTS）监测的井底轨迹信息通过电磁波发送,，其原理为电流偶极子型电磁信号通道。ZTS系统包括(图1)井内仪器1和地表装置2，其中井内仪器设计成下部钻具组合的一部分，并与之一起工作，而地表装置用来接收、分离并实时变换和记录有用信号。井内仪器包括方位角传感器3，井斜角传感器4和带正余弦回转互感器的高边位置传感器5，还有信号变换器6，电源(涡轮发电机7)和信号发送器8。一个信号发送电极是钻杆柱9，另一个发射电极是下部钻具组合，它们之间被分隔器11绝缘。在离钻机50300m的范围内往地下打入一根接收天线12。遥测系统工作时，在分隔器11的周围、钻柱9与接收天线12之间的岩石中将有电流流过，在地表装置中接收的信号正图2.遥测系统结构是上述电流造成的电位差。接收装置2借助相关分析方法处理来自井底的信号，并把测得的参数显示在电脑屏幕13上。图3. 电磁波通道井底遥测系统的主操作界面电磁波通道井底遥测系统的总体结构示于图2。为了防止钻井液中的残渣、橡胶和金属屑污染和堵塞发电机的涡轮，在井内仪器的上方安装了过滤器。系统的主操作界面如图3所示。图中，左上角窗口实时显示检测过程曲线。左下角窗口为每30秒一组的实测时间、井斜角、方位角和工具面向角的数据，其中考虑到偏斜工具在涡轮或螺杆钻具上震动剧烈，所以每次显示4组工具面向角的数据。该窗口还可显示地层电阻率、井底涡轮发电机转速等参数。右上角窗口为实测的工具面向角，如果井眼轨迹超出设定的红色扇形区将自动报警。右下角窗口内可随时输入当前井次的注释文字、其它数据信息。通过不断地改进，电磁波通道井底遥测系统ZTS-172M在生产中应用的稳定性和可靠性已接近国外水力通道式系统的指标，而价格却低得多。该系统曾在西西伯利亚地区的低电阻率剖面中稳定地工作，除了方向参数外，还可记录钻头上的载荷和振动参数，钻进过程中的地球物理信息（伽玛测井和电阻测井）。当时的信号发送井深为3200m。1.2基本参数参 数测量范围误 差井斜角，度01300.1方位角，度03601工具面向角，度03601地层电阻率，.m0200涡轮发电机转速，r/min03000井底温度，C0125最大工作温度，C125最大静水压力，Mpa50泵量，L / s770钻井液含砂量，%3发电机大修寿命，h400遥测系统外径，mm108，172，195遥测系统长度，m3无磁性钻铤长度，m4遥测系统外壳材料无磁钢1.3 电磁波通道井底遥测系统的发电装置发电机SG 072SG 073SG 074功率，W11215555572030550遥测系统直径，mm172/195108叶片直径，mm14214289长度，mm600560520质量，kg15.513.29.5钻井液泵量，L/s25602560720发电机转速，r/min05002500俄罗斯地平线公司生产的用于电磁波遥测系统的井底涡轮发电机主要参数见右表。其结构特点是：发电机的定子为轴向静止状态，而外壳中固定了磁铁起转子作用。由涡轮驱动外壳旋转，从而形成交变的旋转磁场。俄罗斯地平线公司提供的井底涡轮发电机试验曲线见图4。1.4 俄罗斯电磁波通道井底遥测系统的特点l 信息传输速度快，泵压波动不影响信息传输；图4. 地平线公司生产的用于电磁波遥测系统的井底涡轮发电机试验曲线l 可在泡沫、充气泥浆中使用，已成功用于0.50.7泥浆环境中；l 可用于小井眼侧钻井，有108的EM-MWD；l 对泥浆含沙量的要求降低：要求不大于3%；l 结构简单，组装、使用方便：井下仪器部分仅3米长；l 可测量地层电阻率、伽马等地球物理参数；l 系统的可扩展性强，可接地球物理参数短节、泥浆脉冲发生器等。2. 俄罗斯电磁波通道井底遥测系统在油田的应用图5. 2030井的垂直剖面投影图2.1 在俄罗斯定向钻井中的应用例1：1999年11月该仪器用于“亚玛尔地质生产公司”的2030钻井，其垂直剖面投影图示于图5。在井深25032818m的井段，用了两个回次进行造斜，井眼轨迹的井斜角增大至34.5。经过一段稳斜段后，自井深3086m起井斜角逐渐加大，在垂深3115.7m处没有打到预想的含油层。于是在井深3422m处再次造斜使井斜角达85.6，终于钻到了设计层位，使井眼轨迹呈正弦波状态顺利地从含油层中沿水平方向前进。在井深3756m处，用4种测斜仪进行了最终校验。通过检测，确认2030号井准确地钻达了含油层的深度。结果表明，这种基于电磁波传输的遥测导向仪不仅在钻进过程中，而且在接钻杆停止钻井液循环的情况下，都可保证井眼弯曲参数的正确测量，同时还可记录钻进过程中的岩层视电阻率曲线。正是由于钻进过程中使用了基于电磁波遥测导向仪，才使这口井深3756m，水平偏距950m（其中水平井段450m）的油井在19天的时间内完成了全部水平井段的钻进。而且自造斜段之后的井眼轨迹一直保持方位角在258261之间，从而达到了沿着含油层钻进的目的。例2：ZTS仪器在尤尔哈罗夫石油天然气公司的应用。尤尔哈罗夫石油天然气公司有13个矿区90%的油气储量位于塔佐夫斯克水下，迫使他们从陆地上施工大位移井（2-10km）。第一批水下水平井是采用ZTS电磁波随钻测量系统完成的。其中205水平井的垂直剖面见图6，钻井的结果是：井深= 3297m (垂深=2380 m), 偏移 1350 m, L水平段 = 600m。图7. 东卡赞基普斯克油田13井的设计轨迹与实际轨迹例3：ZTS仪器在东卡赞基普斯克油田的应用。东卡赞基普斯克油田13井的井眼方位角设计值为145.2度，靶区范围50m，弯接头角度4.7度。采用ZTS-172电磁波随钻测量系统后完成的No13井剖面如图7所示，其中虚线为设计轨迹，实线为实际轨迹，两者吻合得很好。例4：图8为在东塔尔科沙林油田5分支井的1水平井中使用ZTS-172电磁波随钻仪记录的地层电阻曲线（红色）。为了进行对比，图中把用物探仪器测量记录的地层电阻曲线 (绿色)画在同一个坐标上。可见，两条曲线的趋势吻合得较好，可以利用ZTS系统随钻测得的地层电阻曲线作为地质工程师判断当前所钻岩层的参考。图8. 在东塔尔科沙林油田5水平井中ZTS-172仪记录的地层电阻曲线（红色）。2.2 ZTS-172M电磁波井底遥测系统在中国油田定向钻井中的初步实践例5：为检验ZTS电磁波式MWD对我国钻井工艺及地层的适应性，2003年11月，仪器生产厂家派工程师参与了胜利油田两口生产斜井的试验，该处地层电阻率很低（24欧姆米），对电磁波的传播是非常不利的。辛110-斜8井为直-增-稳型剖面，井底设计垂深2710m，造斜率15/100m，最大井斜角3049，第一靶点垂深2640m，靶区半径30m。动力钻具为1.5单弯螺杆钻具。辛77-斜15井为多靶三段制剖面，井底设计垂深2665m，造斜率15/100m，最大井斜角5117，第一靶点垂深2500m , 靶区半径55m, 第二靶点垂深2570m 靶区半径65m。为了便于对比，两口井中都把电磁波仪与油田常用的“海蓝”水力脉冲仪器串接下井。（1）在辛110-斜8井中下钻到井深1200m时，ZTS-172M电磁波仪器与水力脉冲的数据吻合。到井深1900m后，仪器突然出现信号异常。起钻后没有发现仪器损坏。确认主要原因是，俄发电机要求转速为8001400 r/min，但井深1900m后泵的实际冲次下降，泵缸套出现刺漏现象，致使实际排量不够（低于26 L/s），使井底涡轮发电机转速降至600 r/min（地表计算机上有显示），故井内仪器发射信号失败。图9. 俄罗斯电磁波井底遥测系统在组合钻进条件下出现的损坏。（2）辛77-斜15井自井深310m 1600m，电磁波仪器与水力脉冲仪器数据吻合；下至井深2240m遇阻，转盘开2档(110 r/min)划眼钻至井深2280m，发现仪器接收信号异常，后续稳斜段均未收到有效信号。 起钻后发现涡轮发电机已从支撑处断开（图9），从而不能给仪器正常供电。但是，除了涡轮发电机出故障外，电子模块密封良好未发现进水的情况。系统的整体强度能满足快速钻井的要求，在强力钻井规程下（钻压8T、转盘转速110r/min）连续工作了46个小时左右，并顺利起钻。例6：2006年45月俄罗斯仪器对涡轮发电机加以改进后再次来中国试验，在辽河油田的三口井进行了5个井次的试验。（1）冷37-32-559井属于直-增-稳型剖面，井底1720m，方位修正7.89，造斜率7/100m，造斜点250.0m，最大井斜角16.11靶区半径10.0m。共进行了3个井次试验。为了验证俄罗斯电磁波仪器的可靠性，曾于2006年4月14、 15、17日三次投入合康电子多点测斜仪进行复测。ZTS方位数据与电子多点方位数据对比曲线见图10，图11。ZTS系统与合康仪器测试的结果对比表明，井斜角的测量结果吻合得较好，但方位偏差23，这可能与系统误差有关。图12. 用ZTS系统测得的地层电阻率曲线与地质物探测井曲线结果基本一致图10. ZTS方位数据与电子多点方位角测量数据对比曲线图11. ZTS方位数据与电子多点井斜角测量数据对比曲线（2）洼38-东H3井预测在井深1600-1620m处钻遇油层；但在1600-1620m没有取到含油砂岩。井队希望使用ZTS系统的测地层电阻率功能，以期找到油层。将仪器下至井内14701600m，每5m测一次电阻率，16001620m，每1m测一次电阻率，以寻找油层顶、底板，反映油层厚度。试验中测斜数据较精确，好于冷37-32-559井。用ZTS系统测得的地层电阻率曲线与地质物探测井曲线结果基本一致（图12），俄方工程师曾据电阻率曲线建议，继续钻进将很可能见到油层，但中方不敢贸然钻。后请美国斯伦贝谢公司来人带仪器继续钻进，发现了高产油层，但需支付大量美元。 （3）l 双110-3井为直-增-稳型剖面，井底垂深3760m，目的层垂深3577m，造斜率7/100m，造斜点井深1500.0m，最大井斜角16.7，靶区半径20.0m，水平位移587.11。起钻后检查发现，涡轮发电机正常，在井深2400m得到了有效数据，与连续测斜仪吻合。用电磁波ZTS 测斜数据与连续测斜仪测得的数据对比情况见表3。因下部井壁不稳禁止开泵，所以24003500m之间无法测得信号， l 到10测深井斜角方位角仪器15750.92216.91连续测斜仪15901.0359.0电磁波遥测仪197517.72137.16连续测斜仪199018.8138.0电磁波遥测仪200017.8137.88连续测斜仪237513.46130.98连续测斜仪239014.0133.0电磁波遥测仪240013.18130.61连续测斜仪3500m时开泵检测，但信号时有时无，重新提至2400m后仍有稳定信号。可能原因： 起钻后发现探管航空接头接触不良（与造斜段组合钻进有关）； 厚泥岩地层吸收电磁波。总之，电磁波在胜利油田测得最大深度1600m；在辽河油田测得最大深度2400m，3500m信号时有时无。也就是说俄罗斯仪器要适应我国的螺杆钻具+转盘的组合钻进还有待改进。表3. 电磁波仪器与连续测斜仪所测数据对比3电磁波随钻测量系统的改进与展望3.1俄罗斯电磁波井底遥测系统的改进（1）根据在中国的试验结果，他们对井底涡轮发电机及电隔离器进行了改进：l 关于所需泵量。原俄罗斯ZTS系统的井底发电机要求驱动泵量为3570 L/s，现在已对涡轮的叶片形状和级数做了改进，目前涡轮发电机要求的泵量为ZTS-1722560 L/s，ZTS-108720 L/s。l 关于转盘转速。俄罗斯一般采用涡轮钻具，所以转盘及钻杆柱基本不转，但为了适应中国的“螺杆+转盘”组合式钻进，他们对涡轮发电机的材质和结构作了改进。使发电机的重量由过去的32kg变为目前的9.515.5kg，同时把原来的外壳是转子改为定子，并增加了起扶正作用的耐磨嵌块，以便涡轮发电机能适应地表转盘较高的转速。一般应用条件是：在用弯接头+螺杆钻具造斜钻进时，地表转盘基本不转。一旦进入稳斜井段，当ZTS系统最高点离开弯曲井段最低点1020m后，就可以让转盘以300r/min的转速与井底动力机一起进行组合快速钻井。因为ZTS系统的强度并不亚于螺杆钻具。ll 关于空气钻井。为了适应空气钻井条件下把电磁波信号导入井壁地层向地表传输，对仪器的电隔离器结构加以了改进。当然，该方案的效果还有待实验验证。（2）为了拓宽电磁波井底遥测系统的应用领域，在原有ZTS系统的基础上增加了地表参数、井底钻进工艺参数和某些测进参数的监测功能。改型后的系统命名为“伏尔加”系统（图13）。其中：1.钻工观察仪表；2.操作员个人电脑；3.伏尔加主机箱；4.打印机；5.接口块；6.操作员的调制-解调器；7.接收装置；8.接收装置天线；9.移动式调制-解调器；10.移动式个人电脑；11.泵的高压管线；12.泵；13.泵的动力机；14.绞车；15.绞车的动力机；16.转盘；17.转盘的动力机；18.防喷器；19.防喷器的动力机；20.钻井液池；21.钻井液液面传感器；22.压力传感器；23.流量传感器；24.密度传感器；25.含气量传感器；26.控制阀；27.气体分析仪；28.钢丝绳；29.大钩载荷传感器；30.钻杆柱；31.井底遥测系统；32.水力通道脉动器；33.电源；34.发射模块；35.涡轮转数传感器；36.扭矩传感器；37.轴向的载荷传感器；38.测斜仪模块；39.弯接头；40.井底动力机；41.钻杆柱位移传感器。“伏尔加”钻井系统可完成计算机、主机箱、遥测系统和钻工操纵台之间的信息交换，可进行信息编辑，随井深增加连续测量数据，并显示在监示器屏幕上；可实时处理这些信息，并以数字和图表的形式打印输出；还可通过信息通道发送信息，以便监测钻井过程并接收由计算机辅助设计系统、钻井工艺设计方案和钻井知识库给出的操作指令。测量参数范围精度井斜900.2方位0-3601工具面0-3601.5伽玛0-500AAPI2AAPI环空压力0-10000psi4psi井底压力0-10000psi4psi温度0-150C0.6C电池电压15-30V0.1V3.2英美的电磁波井底遥测系统（1） 英国的CD型电磁波通道MWD系统采用偶极子天线，井下传感器得到的数据编码后以低频电磁波的形式发射并显示在司钻显示屏上，其主要检测参数及其精度见右表。系统通过2个标准锂电池组工作。在深井中作业时，必须采用中继器增加使用深度。图13. “伏尔加”钻井系统的组成结构示意图.（2）美国的电磁波随钻测量系统（EFIELD）使用电磁波为通道传输数据至地面，传输速度是常规泥浆脉冲式MWD的4倍。EFIELD使用“长线”技术提高适用井深至13,000ft（3965m）。借助电池提供电源，可用在充气钻井液和无钻井液返回情况，模块化设计允许定向、伽玛或电阻率模块以不同的方式组合，可用于302F（150C）的工作环境，是目前市场上可用于