SEMWD-2000電磁波隨鉆測量系統及現場試驗

                               龍行天下 XXX XXX

摘要：欠平衡鉆井與氣體鉆井技術的快速發展，使電磁隨鉆測量技術成為研究的熱點。中國電波傳播研究所推出的SEMWD-2000是自主研發的，具有獨立知識產權的，國內首套工程化的電磁波隨鉆測量系統。簡述了電磁隨鉆測量技術的工作原理和發展趨勢；介紹了SEMWD-2000的系統構成和試驗情況，試驗表明該系統已能滿足實際作業需求，達到國際同類產品水平。

關鍵詞：欠平衡鉆井；電磁隨鉆測量；地質導向；現場試驗

中圖分類號：TE249.5                   文獻標識碼：A

0  引言

     在鉆井過程中，將井底的工程參數與地質參數實時傳輸至地面，利于井眼軌跡實時監測與糾偏。目前現場應用的隨鉆信息傳輸方式主要有泥漿脈沖和電磁波兩種，由于電磁波方式不受鉆井介質的影響，更適用于欠平衡鉆井與氣體鉆井。近年來，隨著欠平衡鉆井技術與氣體鉆井技術的推廣，欠平衡鉆井和氣體鉆井占新鉆井比例逐漸增加，這為電磁隨鉆測量（EM-MWD）系統提供了廣闊的發展空間，因此，電磁隨鉆測量技術也再次成為研究的熱點。

    中國電波傳播研究所于2006年啟動了電磁隨鉆測量系統研制的工作，歷經理論研究、原理樣機研制、工程樣機研制幾個階段，2010年推出SEMWD—2000電磁波隨鉆測量系統，現場試驗表明該系統已滿足現場施工的要求，標志著我國已擁有獨立知識產權的、工（商）業化的電磁波隨鉆測量系統。 

1  EM-MWD的工作原理、技術特點及應用領域

1．1 工作原理

 如圖1所示的電磁波隨鉆測量系統，發射機將井下傳感器測量的信息調制激勵到用特殊工藝絕緣的上下鉆柱之間，信號經由鉆柱、套管、鉆井介質、地層構成的信道傳輸到地面，地面接收系統通過測量地面兩點之間的電位差的變化獲得相關信息，指導工程施工。

                圖1 電磁波隨鉆測量系統示意圖

1.2 主要技術特點

（1）信息以電磁波的形式傳輸，受鉆井介質影響��；

   （2）井下沒有活動部件，可靠性高；

   （3）儀器結構形式對傳輸率選擇限制少，傳輸率選擇更靈活；

   （4）不受泥漿循環和開停泵的限制，可連續傳輸信息節省鉆井時間；

   （5）傳輸深度受地層電阻率影響較大，有些區塊不能滿足深度要求；

   （6）不受堵漏劑限制，適于漏失地層鉆井；

   （7）結構簡單，裝卸方便；

   （8）容易實現雙向通信。

1.3 主要應用領域

   （1）欠平衡鉆井；

   （2）氣體鉆井或泡沫鉆井；

   （3）煤層氣鉆井；

   （4）泥漿中需加入堵漏材料，不適合泥漿脈沖傳輸的高侵入地層鉆井；

   （5）適合電磁波傳輸的定向井和水平井；

   （6）垂直鉆井控制。

2   SEMWD-2000的系統構成及技術指標

2.1 SEMWD-2000的系統構成

     SEMWD-2000電磁波隨鉆測量系統主要有井下工具、地面系統及系統軟件構成。其中井下工具主要包括絕緣天線、控制模塊、功放模塊、電池組件、測量模塊（定向、伽馬、環空壓力等）；地面系統主要包括專用接收天線、地面接收機、工業計算機、深度系統、打印機、司鉆顯示器及輔助設備；系統軟件主要包括系統設置、儀器刻度、數據采集和處理、工程應用模塊。SEMWD-2000電磁波隨鉆測量系統構成及信息傳遞流程如圖2所示。

             圖2 SEMWD-2000電磁波隨鉆系統構成及信息傳遞框圖

2. 2  SEMWD-2000的技術指標

       SEMWD-2000電磁波隨鉆測量系統詳細技術指標見表1。

表1 SEMWD-2000電磁波隨鉆測量系統技術指標

3 現場試驗

 為了檢驗系統的傳輸能力、穩定性、可靠性、測量精度與實用性，先后做了傳輸深度對比試驗、絕緣天線強度試驗和實際作業試驗。試驗表明，系統工作穩定可靠，且測量精度能夠滿足現場施工需求，具備了推廣的條件。

3.1 傳輸深度對比試驗

 為了檢驗系統的傳輸性能，選地層電阻率較低的區塊進行了試驗，2010年1月在勝利油田XX井進行了SEMWD-2000與GE公司的E-Link電磁波隨鉆測量系統傳輸性能對比試驗，兩套系統在各下一次，SEMWD-2000的傳輸深度為1460m，E-Link傳輸深度為1420m，兩系統的傳輸深度相當，說明SEMWD-2000系統傳輸性能已達到國際同類產品水平。

3.2 絕緣天線強度實用性試驗

 發射天線是經特殊工藝將鉆柱分成絕緣的兩部分，兩部分之間的連接既要保證電氣上的絕緣，又要滿足機械強度要求，制作難度較大。且絕緣天線還是電磁波隨鉆傳輸系統是否可靠和實用的一個關鍵環節。因此，為了檢驗絕緣天線的強度是否滿足現場施工的要求，2010年3月在勝利油田XXX井進行絕緣天線實際打鉆試驗，共進尺1000m。起出后進行了仔細的檢查，沒有發現絕緣天線有受損的痕跡，且絕緣良好，表明絕緣天線強度已滿足現場施工要求。

3.3 實際作業試驗

  2010年12月8日~12月10日，在大牛地氣田D61-27井，進行了SEMWD—2000實際作業試驗。實現3049m~3304m實際鉆進，信號傳輸穩定、系統工作正常、地面系統可靠接收信號并正確解碼，深度系統穩定準確的跟蹤鉆頭深度，并在鉆井狀態下與起下鉆過程中測得井斜方位信息。與普利門公司的電子多點測斜儀測得井斜方位信息進行了對比，一致性很好，說明SEMWD-2000電磁波隨鉆測量系統的測量精度已滿足工程要求。與電子多點測斜儀的測量結果比較的具體情況見表2。

表2 SEMWD-2000測量結果與電子多點測量結果比較表

 儀器起出后進行了全面的檢查，儀器工作正常，絕緣天線沒有明顯的磨損和破壞痕跡，絕緣良好滿足系統要求。圖3為井深3265m時地面工程應用軟件與信號處理軟件界面。

              圖3井深3265m時地面工程應用軟件與信號處理軟件界面

 2011年9月12日至10月17日，在山西呂梁三交區塊和忻州保德區塊連續進行了5口煤層氣叢式定向井作業，儀器性能穩定，一次下井成功率100%。表3為保5-10向4井設計和中靶數據。圖4和圖5分別為保5-10向4定向井井眼軌跡投影圖（其中紅線為實鉆軌跡，綠線為設計軌跡），從表3、圖4、圖5可以看出使用SEMWD-2000作業完成的定向井作業，實鉆軌跡按設計行進，順利中靶，達到了施工預期，表明SEMWD-2000已具備實際作業的能力。 

表3 保5-10向4井設計和中靶數據表

圖4 保5-10向4井實鉆水平投影圖

                              圖5保5-10向4井實鉆垂直剖面圖

 2011年9月28日至10月17日，在延長油礦西平1井，進行了水平井施工，實現了隨鉆自然伽馬測量及與ACE綜合錄井儀一體化作業。在施工過程中，井深700m時下入儀器，980m開始造斜，完鉆井深1770m，其中水平段307m，儀器工作穩定，順利實現中靶，未出現因儀器故障引起的起下鉆事故。所測自然伽馬曲線與電測伽馬曲線對比如圖6所示，圖中只給出了井深從980m到1150m的曲線比較 (其中紅線為SEMWD-2000測量Gr曲線，藍線為電測Gr曲線)。從圖中可以看出，兩種儀器所測曲線變化趨勢吻合較好，表明SEMWD-2000自然伽馬儀器測量數據可信。

圖6 西平1井隨鉆與電測自然伽馬曲線比較圖

4 電磁波隨鉆測量技術的發展趨勢

 由于電磁波隨鉆測量系統的傳輸深度受地層電阻率影響較大，限制了其推廣應用，因此提高傳輸深度擴大應用范圍是其主要發展趨勢之一。在工作頻率一定的前提下系統傳輸深度主要取決于發射機的功率、發射效率、信道衰減大小和地面信號處理能力等幾個方面。目前使用提高傳輸深度的方法主要有有線接力、無線中繼、地面信息融合幾種。俄羅斯ZTS系列電磁波隨鉆測量系統井下使用大功率渦輪發電機解決發射功率增大帶來的耗能問題，但目前渦輪發電機對泥漿要求較高，如果高性能渦輪發電機（適合于氣體鉆井或對泥漿要求低）研制成功，提高發射功率也是一種可供選擇的方法。

     隨著新型泥漿脈沖發生器的出現，泥漿脈沖式隨鉆測量系統的傳輸速率大幅度提高，電磁波隨鉆測量系統傳輸率高的優勢逐漸消失，如何提高信息傳輸率成為其發展趨勢之一。利用集成芯片進行中繼轉發的研究已經起步，這種方法以中頻或高頻電磁波為載波，在井底安裝發射器，在地面安裝接收器，在鉆孔中設置多個中繼轉發器。利用電子集成技術把轉發器制成集成芯片，每個芯片都有電池、天線和其他部件，電池可使用幾個星期甚至幾個月。芯片間僅有幾米的距離，傳輸速率可達幾兆比特每秒。此技術一旦試驗成功，降能很好的解決隨鉆測量的傳輸問題。

地質導向技術讓鉆頭長上了“眼睛”，推動了鉆井技術的發展。如何拓展電磁隨鉆測量系統使其具有近鉆頭測量和方位測量功能，為地質導向提供技術支撐，成為電磁波隨鉆測量技術的另一個發展趨勢。目前國外幾家大公司的產品已具備了此功能。

通過增加工程參數的隨鉆測量，如：鉆壓、鉆速、環空壓力、扭力/反扭力等，可以實時監控了解鉆具的實際工況，幫助鉆井工程師指導現場施工, 降低作業風險，實現優快鉆井，這也是電磁波隨鉆傳輸測量技術的一個發展趨勢。

5 結論

（1）電磁波隨鉆測量技術具有結構簡單、可靠性高、受鉆井介質及開關泵的影響小、節省鉆井時間等特點，欠平衡鉆井技術與氣體鉆井技術的推廣，為電磁隨鉆測量技術的發展提供了廣闊的空間。

（2）SEMWD-2000電磁波隨鉆測量系統傳輸能力已達到國際同類產品水平，絕緣天線強度已滿足現場施工要求，測量精度能夠滿足工程需要，具備了工業化的條件。目前，環空壓力與電阻率測量短節的仍在研制之中。

（3）提高傳輸深度，增加信息傳輸速度，拓展測量功能等是電磁波隨鉆測量技術的主要發展趨勢。

（4）國內技術瓶頸的突破，將會加快電磁波隨鉆測量技術在淺層油氣資源、煤層氣、適合電磁信息傳輸的油氣田開發中的推廣速度。

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