随钻测量系统的研究与应用

随钻测量系统的研究与应用

1随钻测量系统随着钻孔测量（mwd）系统，钻头附近的相关参数可以自动连续测量，并传输到地板上，以便进行实时显示、存储、处理和打印，这为下一步施工的基础。在地质钻探、石油钻井中,特别是受控定向斜井和大位移水平井中,随钻测量系统是连续监测钻井轨迹、及时纠偏必不可少的工具。MWD的信号传输方式分为有线(电缆)和无线两种。电缆方式的优点是可直接向井内传感器供电,实现井内和地表设备之间的双向通讯,实时性好,数据传输率高。但电缆往往影响正常钻进过程。无线方式不使用电缆,是定向钻井技术发展历程中的一个里程碑。导向钻进和自动定向钻进等现代钻探技术都以无线方式为基础。2种方式无线MWD按传输通道分为泥浆脉冲、电磁波和声波三种方式,最新的组合式目前还处在研究阶段。其中泥浆脉冲和电磁波方式已经应用到生产实践中,以泥浆脉冲式使用最为广泛。2.1钻井液含砂量的确定泥浆脉冲系统借助钻井液的压力波来传送信号,对钻井液有严格的要求:含砂量<1%~4%,含气量<7%。泥浆脉冲系统的信息传输方式有压力正脉冲、负脉冲和谐波式三种。2.1.1传感器和水力泵如图1所示(其中:1-定心装置;2-阀门;3-水力放大器活塞;4-发生器;5-多级涡轮;6-电缆;7-防震器;8-发射器和传感器),压力正脉冲MWD的井内仪器由发射器和装在防震器7中的传感器8组成。发射器(脉冲器)产生与传感器8所发信号对应的钻井液压力正脉冲。当钻井液流通孔被阀门连通时,便会产生压力正脉冲。水力放大器的活塞3推动带锥形柱塞的碟形阀门2,涡轮发电机给传感器8和水力放大器的线圈阀门、水力泵——阀门2提供能量。MWD系统的接收部分安装在钻机主动钻杆中,其传感器可测出的压力脉冲幅值为0.35~0.70MPa。带涡轮钻具的MWD系统工作时,只要有钻井液在循环就能进行连续测量。用转盘钻进时,必须让钻具停止回转1.5min才能进行测量。每个参数的发射要持续近50s,而以数字编码方式发送全部信息要2.5min。2.1.2旁路阀门5提供初始压力降如图2所示(其中:1-外壳;2-水流过滤器;3-阀门;4-电力线圈;5-旁路孔;6-钻具外环空间),在压力负脉冲发射器中,当一部分钻井液经阀门旁路流向管外空间时会产生压力负脉冲。旁路阀门5打开的时间很短暂,仅为0.25~1.0s,突然使压力急剧下降。压力降则沿着钻井液液柱传至地表。为了形成压力负脉冲的信息通道,必须在管内、外空间之间建立初始压力降。在钻杆壁上有一个连接钻柱管内外空间的阀门,当阀门打开很短时间(0.25~1.0s)时便产生脉冲。脉冲的下降值取决于钻井泵高压管线中的压力降。水力压力脉冲的前沿坡度为5~6MPa/s。在井内仪器中装有参数检测传感器、编码电路和由阀门和大功率线圈组成的脉冲发生机构。井内仪器消耗的能量很小,用小功率发电机即可满足要求。同时,该MWD系统的工作实际上不影响钻井液的冲洗规程。2.1.3以连续压力波的形式发送信息的mwd系统(1)回转阀门的设计如图3所示(其中:1-膜盒;2-耐磨衬套;3-回转式阀门;4-定子;5-接头;6-联轴节;7-双相电机;8-密封隔板;9-带模数转换的传感器;10-衬套;11-定子盖板;12-定子;13-密封圈;14-发电机;15-电动机转速调节器;16-电源块;17-行星齿轮减速器;18-弹性联轴节;19-密封),用于产生连续压力波的回转阀门3启动后,系统便开始形成。回转阀门的运动垂直于流体,所以它的驱动能量最小。为了使MWD系统处于最佳状态,必须减小压力的脉动程度(钻井液的干扰)。专用的压力补偿器可把压力脉动降至小于0.007MPa。发送信息时,阀门以固定的转数回转,发出与高精度时间传感器同步的信号。当阀门在短时间内出现回转加速或滞后的情况时,相位互换(在0.1s内出现相位偏移180°),产生频率为24Hz的信号。阀门3由双相电机7和发射调节器15驱动回转。发出信号的相位由向调节器发出反馈信号的传感器控制。通过改变信号的相位便可实现编码。在发送信息的过程中,阀门以固定的频率回转,产生与高精度时间传感器同步的信号。为了以24Hz的频率发送信号,阀门的转子以144r/min的速率回转。被传输信号的幅值在0.105~0.350MPa的范围内。压力传感器采集到的信号,将在地表接收装置中被滤波、放大,恢复同步脉冲的次序与信号的相位。由相敏元件及其积分电路来识别相位位移并译码。(2)流道内的涡流杆非工作地位,单次作用下的切向速度在钻杆内装有4只涡流脉冲阀,阀的端部装有两只电磁线圈,线圈的电磁铁心接在控制杆上,而另一端装有一个压力补偿膜片,使外部压力与线圈套内的静液压力处于平衡状态。由外部压力和线圈发热等引起的内部液体膨胀或收缩,也由该膜片予以补偿。当涡流阀的节流杆处于非工作位置(图4,A)时,液体流线以阀输入口的中心线为对称线流动,由于是径向流动,通过阀腔的压力通常比涡流阀入口处的压力低,液体在阀腔内受到的阻力最小,此时可认为阀处于开启状态。当井底传感器发出的信号使电磁线圈通电时,电磁铁心就带动控制杆及涡流阀的节流杆(图4,B),对涡流阀进行节流。由于节流破坏了阀腔内液流的自然对流,于是液流便产生切向速度分量。根据能量守恒定律,阀腔内形成涡流时,向心冲量要求切向速度随着旋转半径的减小而增大,这就使得阀腔流道内的低速液流(压力高)和阀中心的高速液体(压力低)之间产生了很大的压差。当涡流形成时,液体在阀内受到的阻力最大,便有一个压力脉冲波产生。随着新涡流的不断形成,便产生了一系列的脉冲波。这些脉冲波幅通过钻井液以声速传到地面。2.2激发单炮激发井内仪器该系统把一个类似低频天线的电磁波发射器装在井内仪器中,通过远离钻机的电极来接收由井底发至地面的信号。其优点是:信息传输速度比水力通道快;对钻井液的质量要求和钻探泵的不均匀性要求更低;对正常钻进没有干扰;与其它方法相比,准备工作简单,起下钻时也能传输井下资料。缺点是:信号衰减大,只能传播低频电磁波,易受井场电气设备的干扰和岩石电阻率的影响。由于钻井空间狭小,电磁波发射实际只有垂直天线(沿钻杆的轴向电流)和垂直磁天线(绕钻杆的水平电流环激励沿钻杆方向的磁场)两种激励方式。激励轴向电流最简单而有效的方法就是使特制的钻杆成为用绝缘接头连接的两段结构,由激励器输出的电压通过密封接头馈于两段,形成一种类似双极天线的地下非对称双极激励装置。最合适的井下激励方式为激励沿钻杆引导的轴向电流。俄罗斯的电磁波式井底遥测系统(ZTS)包括井内仪器和地表装置。井内仪器组成如图5所示(其中:1-钻铤;2-井内仪器;3-下接头;4-隔离器;5-分流装置;6-安全接头;7-工作接头;8-扶正器;9-过滤器外套;10、11-接头;12-过滤器;13-测斜仪;14-电缆仓)。在井内仪器组合中加了过滤器外套9以后,使整个钻具的长度达到标准长度(12m)。隔离器4使钻具分成互相绝缘的上下两部分,从而形成天线的两极。2.3频率改变的作用该系统利用声波传播机理来工作。当钻柱、钻头与井底相互作用时,钻柱中会出现纵向弹性波。能监测的主要参数是岩石破碎工具的回转频率,其中主要是牙轮的振动谐波。由于振动的幅值和频率与牙轮的磨损程度具有相关性,所以可据此来判断工具的状态。当钻进规程保持不变时,信号的幅值变化情况还可以反映岩石的力学性质。由于信号在钻杆柱中传播衰减很快,所以在钻杆柱内每隔400~500m要装一个中继站。声学信息通道的缺点:传送的信息量少,类似于噪声的声学信号不可能给出准确的工艺解释,信号随深度衰减很快。3高质量井研技术随着受控定向斜井、分支井和大位移水平井等钻井技术的迅猛发展,美、俄、法、英的无线MWD技术日趋完善,其井内仪器已经系列化并大面积推广应用。(1)斯伦贝谢公司用其新的SlimPulse回收式MWD系统解决了深水平井作业面临的高温、高压两大难题。在意大利Villafortuna-Trecate油田,用SlimPulseMWD技术钻成了世界上最深的水平采油井。最终井深达6421m,井斜角89.6°。创造了在垂深6062m、井斜角85°~90°的条件下水平钻进184m的世界纪录。(2)PrecisionDrillingCo