一种新型近钻头地质导向系统的设计与实现 - 图文

一种新型近钻头地质导向系统的设计与实现

摘 要：随着油田开发进入后期，开发油层越来越薄，难度逐渐增加。为了在薄油层中保持较高的油层钻遇率，采用近钻头随钻仪器是十分必要的。本文介绍一种新型近钻头随钻仪器，采用井下无线短传技术将近钻头数据短传到螺杆上方的常规随钻LWD，通过泥浆脉冲器将数据实时发送地面。主要功能包括近钻头井斜测量、近钻头电阻率测量、以及方位伽马成像等。

关键字：近钻头，短传通信，电阻率 一、 近钻头地质导向系统的意义

随着油田开发进入后期，开采油层越来越薄，常规随钻测井系统LWD由于测量地层数据测点距离井底有10-15m的零长，不能满足超薄油层钻井技术服务需求，只有采用测量参数零长很短的近钻头随钻测量仪器才能有效的提高超薄油层钻遇率。目前三大石油公司都有自己的近钻头地质导向系统，而我国目前还没有自己的近钻头地质导向系统，研制自己的近钻头地质导向系统不仅可以满足超薄油层水平井钻井的技术需要还可以提高我国石油工程技术服务企业在国际石油市场上的竞争力。近钻头地质导向系统是超薄油层水平井钻井必不可少的钻井利器。

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二、 近钻头地质导向系统的实现

下图是近钻头地质导向系统总体框图，主要包括常规随钻测井系统LWD、近钻头接收短节、近钻头测量仪。

图1 近钻头地质导向系统总体框图

左边是常规LWD，中间是钻井螺杆，右面部分是近钻头测量工具。近钻头测量仪通过无线短传，将近钻头的测量数据跨越螺杆传输到LWD模块中，然后通过泥浆脉冲编码的传送到地面。近钻头随钻仪器安装在常规LWD的通讯短节中，这样可以不增加传统LWD长度的同时实现与近钻头测量仪器的通信功能。

近钻头测量仪，长1m，扣型431×430，内径44.5mm，外径178mm。主要由短传通信模块、方位伽马模块、井斜工具面模块、电阻率测量模块及供电系统组成。图2为近钻头测量仪组成结构框图。

图2 系统功能模块

电阻率测井仪器采用单发单收的天线结构设计，属原创性的设计结构，该技术实现了近钻头不同深度的地层电阻率的测量。近钻头伽马测井仪为方位伽马成像测井仪，在钻井过程中，不但能够实时判断地层岩性，还能够分辨上下界面岩性特征。近钻头测量仪采用电池供电方式，2节10AH高温锂电池串联，单节电池供电电压为14.4V，仪器工作电压为28.8V，预计井下工作时间为200h。

2.1. 电源控制模块

近钻头测量仪的主控部分由电池和控制电池的电路板两部分组成。系统采用锂电池供电方式，两个特殊设计的高温锂电池悬挂在近钻头测量仪无磁外壳内壁，总电池容量为10AH，能够在井下工作150h以上。该锂电池能够在140MPA和155℃的环境下正常工作，能满足高温高压井的作业需求。

近钻头测量仪有四种工作模式：正常工作模式、调试模式、休眠模式、深度休眠模式。 默认情况下近钻头测量仪处于深度休眠模式，下井前可以通过唤醒工具将仪器设置成调试模式或者正常工作模式，当仪器没有振动时30秒自动进入休眠模式，当有振动时自动恢复到正常工作模式，仪器起出后可以通过唤醒工具将仪器设置成深度休眠模式。图3为近钻头测量仪工作模式转换框图。

图3 近钻头测量仪工作模式

2.短传通信模块

信号的传输是随钻测井系统的关键技术之一，随钻测井系统的信号传输方式主要有电磁波和泥浆脉冲2种，电磁波在传输时，受地层的影响信号强度会被严重衰减，只能以较低的

频率发送信号，因此国内应用不多；利用泥浆脉冲进行信息传输，可靠性较好，距离传输远，更符合钻井施工的实际需求，泥浆脉冲信号传输系统主要由井下的定向测量仪、脉冲发生器和地面的压力传感器、地面处理器等部分组成。

井下仪器工作时，由随钻测井系统测得井斜、方位、工具面等工程信息，以及地层电阻率、自然伽马等地质参数，经A/D转换后，信号传至定向测量仪的数据控制器单元进行编码，定向测量仪根据调制后的编码信号，控制脉冲发生器产生动作，使钻柱内的泥浆压力发生相应的变化。立管处的压力传感器测量至这些压力变化，从而获取原始泥浆脉冲信号，再由地面处理器负责信号的采集和前端处理，最后传送至地面主机由地面软件系统进行随钻参数的计算，并实时显示。

可以看出，随钻测井数据的编码是随钻测井系统的关键技术之一，对数据的传输速度和传输效率有很重要的影响。因此，研究出一套高效的脉冲信号编码技术具有十分关键和重要的意义。

图4 随钻测量数据传输系统框图

近钻头地质导向系统是在常规LWD随钻测井系统的基础上研制长度为1m的近钻头地质导向模块，该测量模块安装在螺杆下方，通过其上短传发射天线与LWD随钻测井系统的短传接收天线进行通讯。数据短传天线采用10kHZ频率作为中心频率进行调制解调信号，近钻头主控发出指令控制发射天线通电，金属管壁会产生电流，接收天线接收管壁上的电流解调信号。

图5 短传通信系统

图6是在实验室制造的短传天线系统，将发射天线和接收天线固定到9m长金属杆两端，进行模拟测试。

图6短传天线系统

3方位伽马成像模块

伽马传感器由三部分组成，闪烁晶体、光电倍增管（PMT）和激励电子测量装置。

图7 伽马测井仪原理图

当伽马射线通过地层向晶体内部发射时，晶体将它的能量传给串联的次级电子，它最终被介质原子核捕获。由于电子被捕获，所以发射可见光或接近的可见光。这被称作闪烁。 然后，明亮的闪光被与晶体联结的光电倍增管检测到，并转化为电脉冲。光电倍增管探测到来自晶体的可见光，并发射出两个次级电子。最终的伽马射线累加结果产生一个很强的信号，它被计数器读取。

自然伽马测量仪在国内外是比较成熟技术。近钻头地质导向系统集成了高端美国进口伽马传感器，将伽马传感器偏心安装，传感器背面用特殊材料屏蔽，采用伽马控制板与伽马传感器通讯，测量方位自然伽马数据，然后通过短传天线与常规LWD接收电路通信。图8为方位伽马成像原理框图。

图8 方位伽马成像原理框图

伽马测井仪供电电压为28.8V。上电后测井伽马测井仪的输出，当伽马测井仪没收到伽

马射线时，伽马测井仪输出直流5V电压，当接收到伽马射线时将5V直流电压下拉到0V。

4电磁波传播电阻率测量模块

随钻电磁波传播电阻率测井仪器测量电磁波在地层中传播的相位变化和幅度衰减。电磁波在均匀同性介质中传播，将发生幅度衰减和相位移动，电阻率不同的地层，电磁波变化情况不同，如下图9所示。

图9 不同地层电磁波相位移和幅度衰减

幅度按指数规律衰减，衰减程度用衰减常数α表示，相位移动大小用相位常数β表示，α、β与介质的电导率σ、介电常数ε、磁导率μ和交流电的角频率ω有关，其关系如公式1，公式2所示。

??????2?????1????1?2??????? ? (式1)

??????2?????1????1?2??????? ? (式2)

其中，介电常数ε是反映介质在外电场作用下发生极化能力。石油的介电常数为2.0～3.0之间，水的介电常数与温度和矿化度有关（见表1）。泥岩的介电常数很大，主要含有大量束缚水的原因。

表1水的介电常数

温度（℃） Ε 0 88 20 80 40 73 60 67 80 61 100 55 ?在低频高电导介质中，??>>1，式1，式2简化为：

???????2

(式3)

?在高频高电导介质中，??<<1，式1，式2简化为：

????????2?????? (式4)

????? (式5)

从式（4）和式（5）中可以推出，测量记录介质的幅度衰减?值和相位移动?，可以计算出地层的电导率。

近钻头测量仪长度1m，由于长度的限制，只能采用单发单收的天线结构。由于传播电阻率测量最少需要2个接收天线，因此采用天线复用技术进行电阻率测量，即在发射线圈上对信号进行耦合，从而可以计算出相位差和幅度比，利用常规电阻率技术进行测量。

图9单发单收电磁波传播电阻率测量原理

三、 总结

本文介绍了一种新近钻头地质导向系统，采用电池供电及无线短传方式实现近钻头井下工程参数和地质参数测量并实施传输到地面，主要功能包括近钻头井斜角测量、近钻头电磁波电阻率测量、近钻头方位伽马成像。从实际应用看，这些功能可以很好的满足超薄油层地质导向需求。

参 考 文 献 (References)

[1] 黄文军，邢厚伟，付瑜，张宇，近钻头地质导向钻井技术在江苏油田应用初探，设计与研究[J]，2012，39（44）．

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3vxf.html