随钻测量 - 图文

第七章 随钻测量

随钻测量（Measurement While Drilling）简称MWD，是定向钻进中一种先进的技术手段，可以不间断定向钻进而测量近钻头孔底某些信息，并将信息即刻传送到地表的过程。随着技术的进步，现代随钻测量已发展为随钻测井（Logging While Drilling），简称LWD，不仅可以监控定向钻进，还可以进行综合测井，获取信息的种类有：

（1）定向数据(井斜角，方位角，工具面角)；

（2）地层特性(伽马射线，电阻率测井记录)； （3）钻井参数(井底钻压，扭矩，每分钟转数)。

传感器是装在作为下部钻具组合整体的一部分的特殊井下仪器中。井下仪器中还有一个发射器，通过某种遥测信道将信号发送到地面。目前使用的最普通的遥测信道是钻柱内的钻井液柱。信号在地面上被检测到后，经过译码和处理，就按方便和可用的方式提供所需的信息。图7-1示出了MWD系统的主要部分。MWD的最大优点是它使司钻和地质工作者实时地“看”到井下正在发生的情况，从井底测量参数到地面接收到数据只延误几分钟，所以可以改善决策过程。

图7-1 MWD系统概况

尽管MWD的概念不是新的，但只是在近几年钻井技术的进步才使之成为现实。30年代出现的电测技术对鉴别和评价地层起了很大作用。但是，它的主要缺点是必须在起出钻柱后才能使用电缆下井。等到实际测井时，由于钻井液浸入的影响，妨碍了地层真实特性的测量。当钻头钻穿不同地层时，由于没有确定的方法辨别出岩性的变化，—些重要的层位可能没有检测到。有时，后来的电测显示出错过了油层段顶部的取心点，或是钻头钻得过深钻到了产油层下部的水层中。钻井液测井和监测钻速虽可指供一些井底情况，但由于要等到岩屑循环到地面的时间延误使这一过程效率太低。所以，需要一种能够在钻井时瞬时而连续地监测地层的系统。对这一系统有如下要求：

(1)坚固可靠的传感器，可在钻进动态条件下在钻头处或钻头附近测量需要的数据；

(2)将资料传送到地面的方法简单有效；

(3)可以方便地在任何钻机上安装并操作的系统，对正常钻进作业影响不大；

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(4)成本合理，并能给作业者带来效益。

为开发满足这些要求的系统，人们作过多次尝试。主要问题是井下和地面之间的遥测传输系统。从1930年到1960年，人们研究了4种不同的遥测系统：

(1)电传导(硬导线系统) (2)电磁发射；

(3)地震(声)波；

(4)钻井液压力脉冲。

直到1960年，这些遥测系统的研究主要是为了随钻测井。定向井的日益增加，特别是花费高昂的近海地区，刺激了人们去开发既能处理定向测量数据又能处理地层评价数据的随钻测量系统。由于在海上平台中利用传统测量工具费用很高，人们不久就认识到使用定向随钻测量仪器更具有商业潜力。起初的MWD系统就只提供定向数据，紧接着就有了可以附加测量钻井参数和地层数据的另外—些工具。尽管有关其它3种遥测方法的研究还在继续着，但迄今为止却只有这些依靠钻井液压力脉冲的MWD系统在技术上和经济上是成熟的。

自1979年以来，MWD系统有了很多的改进，可以提供更多的传感器和更高的可靠性。随着更多的MWD公司进入市场，可利用的工具种类越来越多，竞争也使价格不断降低。在国外一些地区，使用MWD已成为定向钻进的准标工艺。在其它应用中MWD的使用也带来了效益，尤其是测井。在多种传感器工具的发展中，为了提供实时数据，人们已认识到数据传输率(井底数据送到地面上的速度)也须改进。

第一节 遥测通道

上述4种遥测通道在习惯上一般分为两大类，电传导硬导线属于有线随钻MWD系统，电磁波法、地震(声)波、钻井液压力脉冲传输属于无线随钻MWD系统。

一、硬导线法

最直接的方法是通过某种导体将电信号传到地面。硬导线法最初是在80年代作为一种在钻进过程中将地层资料传到地面上的方法而被提出的。

1．钻杆上附加绝缘导线

这种方法是将连续导体附在钻杆内使其成为钻杆整体的一部分。装在接头内的特殊联接装置使钻柱可在整个长度内导电。传感器装在一个特制的钻铤内。铠装电缆(或跨接线)将这个钻铤与钻杆下端连接起来。这样避免了穿过BHA（井底钻具组合）各种部件所需的整个线路。跨接线的长度必须与BHA的总长相等，以保证维持—定的张力。系统的另—端，在方钻杆顶部安装一个绝缘的滑环。该滑环与处理信号并给出最终结果的地面设备相连，(图7-2)。

这种系统的主要缺点是：

(1)制造特殊钻杆柱须另加费用；

(2)在接头处获得连续电路比较困难。

图7-2 使用特制钻杆的硬导线系统

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2．通过钻柱下入电缆

为克服第一种方法的缺点，另一种方法是通过钻杆内部下入电导线。导线的类型与电测中的电缆相似，是铠装电缆。这里有个明显的缺点是随着钻井的加深，加接单根时必须提出电缆和仪器，或者是预先将电缆线套入到钻杆内孔中，显然，这是非常麻烦的，有时甚至是不可行的。解决这一问题的一种方法是，在钻柱中段某一合适位置加接一个侧入式密封装置，该装置类似一个三通接头，上下通道连接钻柱，侧向通道可将预先下入钻柱内的定向测量仪器的电缆线变换到钻柱外侧，电缆线附着在钻柱外壁上，这种方法对于钻进中钻柱不回转时是有效的，但也必须防止电缆线的磨损与挤压。另一种解决问题方法是通过在钻杆内部的卷轴上存放—段额外长度的电缆。装在系统内的电机锁梢可使在加新单根时电缆暂时中断。但是，在起钻前须先把整段电缆全部收回(图8—3)。

尽管有一系列的操作问题有待克服，但是比起其它遥测方法来，硬导线系统确实还是有—些优点：

(1)传输速率高，可使很多信息实时传递； (2)井底不须附加动力源；

(3)可以双向传递信息(即可以向下传递信号激活诸如可调弯接头，或井下防喷器等某些部件)；

(4)因为不存在信号减弱的问题，所以不象其它方法那样效果受深度的限制。

图7-3 使用电缆环的硬导线系统

二、电磁波法

自从上个世纪40年代以来，国内外一些研究机构一直研究利用电磁波穿过地壳传递信号。目前，俄罗斯、美国等一些国家已取得实质性进展，研究成果已在试验与实践中得到实现，该方法根据电磁波在地层中的传播特性，采用电磁波为信号传输通道，把一个电磁波发射器装在井内仪器中，井内仪器作为BHA的一个组成部分，通过井内仪器中的传感器采集近钻头井底信息，电波发送器产生可调制信号，以二进制码形成发送所需数据。地面上通过安装在井场附近的天线接收这些信号。最具典型的是俄罗斯已研制成功的电磁波通道式井底遥测系统，其结构组成与工作原理如图7-4。

井底遥测系统包括井内仪器1和地表装置2。地表装置用来接收、分离并实时变换和记录有用信号。井内仪器包括测斜用方位角传感器3，顶

角传感器4和带正余弦回转互感器的变

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图7-4 电磁波通道井底遥测系统

向器

位置传感器5，还有信号变换器6，自给式电源(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，它们之间被隔离器11绝缘。在离钻机50～300m的范围内往地下打人一根接收天线12。

遥测系统工作时，在隔离器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屏幕13上。

这种系统有几个优点：

（1）数据传输速度快，载波信息量大；

（2）受泥浆介质和水泵特性的影响小，即使在提下钻过程中也能检测数据。 （3）系统安装比其他方法安装简便。

但是这种方法受地磁特性影响大，信号衰减严重，适用孔深相对较浅。如果将上述优点与信号衰减问题加以权衡时，那么只有低频电磁波可以有效地传输，而这些有时很难与钻机上电动设备发出的频率区分开来。

三、声波法

该系统利用声波（或地震波）传播的机理来工作的。为克服钻井作业中的背景噪声，BHA处须安装大功率的地震发生器。钻进过程中，声波沿着钻杆、地层等不同介质传播到地表。地表监测仪器接收到信号，经过处理得到相关的有价值的数据。声学信号的形式不仅随钻井规程而改变，而且还受所钻岩石性质不稳定的影响。

声学通道传送的信息量很小。因为钻杆直径和锁接头直径是变化的，所以使声波产生反射、干涉、强度降低，从而很难在干扰噪声中分辨出有用信号。当钻杆柱和钻头与井底相互作用时，会在钻杆柱中出现纵向弹性波。监测井底过程的基础是分析钻杆柱地表部分的振动。能够顺利监测的主要参数是岩石破碎工具的回转频率，因为记录的频谱中占绝对优势的是牙轮的振动谐波，与其余谐波分量相比它的强度和能量最大。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反映岩石的力学性质。

声学信息通道的主要缺点是信号随深度衰减很快。所以，在钻杆柱中每隔400～500m要装一个中继站，它的电路包括接收器、放大器和向地表发送信号的发射器。在每个中继站里要布置接收器、放大器、发射器和电源。要在钻杆柱内附加这么多元件，又要让钻杆柱在很深的钻井条件下工作，使得声学信息通道式MWD系统使用起来很复杂。所以，带声学信息通道的系统能使用的最大井深为3000～4000m。

国外推出一种利用钻头信号源测量的随钻测量技术。钻进过程中可以利用钻头所产生的噪声作为随钻定位的声源，在地面上通过几个与井架有一定距离的传感器，接收井下钻头所辐射的球面波。通过微电脑进行统计分析，确定信号间的时差，来进行钻头的随钻定位。现场检测结果表明，其定位误差与目前常用测井仪器的定位误差相近。

四、钻井液压力脉冲法

目前国内外应用比较广泛的MWD系统都是基于某种形式的钻井液脉冲遥测技术。钻井液脉冲式MWD的井底信息借助水力通道以压力脉冲的形式传输，信号传播的载体是钻井液。

钻井过程中的水力学路径是个封闭的体系(图7-5)。用电动机或柴油机2驱动的泵1往井内压送钻井液，供给井底动力机7，冷却并润滑钻头8，并沿管外空间9带出钻出的岩屑。钻井液在泥浆池10中被过滤，再进入钻井泵1的入口处，从而形成钻井液的流动循环路径。

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气动液压补偿器3(即空气室)可降低钻探泵出口处的压力脉冲。钻井液沿着高压软管4送入钻杆柱5中。高压软管管壁的柔性比钻杆管壁好，故软管进一步削弱了泵1出口处的压力脉冲。脉动器6产生的压力脉冲沿钻井液在管柱5内部传送至压力传感器11。压力传感器安装在高压软管4的后面，把压力脉冲变换成电信号，以便遥测系统的地表部分进行处理。

井内仪器由井底涡轮发电机借助钻井液流发电或电池组供电；井内的传感器将井内物理量转变为模拟电信号，经过井内MWD组件信号处理转换为数字信号；这些数字信号被送到信号发射器，经编码、压缩等处理后，控制井内仪器阀门的开闭产生的断续或连续泥浆压力脉冲信号；压力脉冲信号通过水力通道到达地表，由MWD接收器（即压力传感器）转变为电信号，经过解码、滤波等处理得到井内测量数据。

图8-5 钻井液压力脉冲式MWD水力通道示意图

尽管不同公司研制生产的钻井液脉冲式MWD系统在结构性能上有些差异，但这些在用的系统之间都有某些相似之处。图7-6是钻井液脉冲遥测系统的主要部件。井下各部件都装在无磁钻铤中。这种钻铤是MWD公司提供的特制钻铤。因为要容纳MWD工具的部件，所以其内径比普通钻铤的要大。其主要部件有：

(1)操作系统的动力源；

(2)测量所需信息的传感器；

(3)以代码的形式将数据传输到地面的发送器；

(4)协调工具各种功能的微处理机或控制系统。

控制系统的设计是为了在需要信息时(例如要进行定向测量时)能够操作仪器。在测量开始时，井下仪器必须识别某些物理变化(例如停钻或关泵)。从这点开始，控制系统接通传感器电源，储存测得的信息，然后启动发送器以编码信息的形式发送数据。 地面设备主要有：

(1)检测压力变化并将其转化为电讯号的立管压力传感器；

(2)用来减少或消除钻井泵和井下马达

可能引起压力变化干扰的电子过滤仪器；

(3)处理结果的地面计算机； 图7-6 钻井液脉冲遥测系统的部件

(4)用来将结果告诉给司钻的钻台上的显示器，或记录连续测井曲线的绘图仪。

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钻井液压力脉冲遥测比其它方法的优越之处在于它比较简单。不需要特殊的钻杆，不会因为井眼中有导线而增加复杂情况，而且只需要对正常钻井作业中作很小改变。压力脉冲以大约1200～1500m／s的速度通过钻井液柱，载波信息通道不受地层电磁特性孔内震动波干扰，信号衰减小。但对实时传送的速度与信息量是有限制的。井内仪器工作在钻井液的恶劣环境中，这就对钻井液有严格的要求：含砂量＜1％~4％，含气量＜7％，以便使信号顺利传输和井内仪器正常工作。

第二节 钻井液脉冲传输系统

信号发射器和地面的信号接收、处理设备一起构成了钻井液压力脉冲式MWD信号传输系统。现有的钻井液脉冲传输系统的主要区别是采用哪种处理方法来传送数据。目前使用的钻井液压力脉冲式MWD主要采用三种方式在井底将数据编码、信号传输和在地面上译码，这三种钻井液脉冲传输方式井内仪器执行元件控制。

信号发射器负责控制执行元件阀门，把测量结果调制成压力脉冲信号向地面传输。阀门的构造形式有开关阀和旋转阀。压力信号分正、负脉冲和连续波三种类型。正脉冲发射器的压力升和负脉冲发射器的压力降都对应二进制的“1”，反之对应“0”。连续波发射器采用旋转阀，由一个两相同步电机驱动产生固定频率的压力连续波，通过瞬时改变转速快慢得到180°的相位，相位为0°对应二进制的“0”，相位为180°对应二进制的“1”。信号接收设备主要由接收泥浆压力脉冲信号的压力传感器和后续的信号处理设备与PC机组成。

一、正脉冲系统

在井下仪器中(图7-7)有一

个节流阀，由液压调节器操纵。执行机构根据井下仪器中传感

图7-7 正脉冲系统原理示意图

器采集的数据经编码变换控制

节流阀的开启与关闭，当阀动作时，通过钻柱的钻井液液流中形成瞬间的压缩，引起立管内的压力增加。为了将数据传到地面，多次操纵阀门，产生—系列脉冲。

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，由传感器检测出信号并由地面计算机译码。计算机首先识别出—组参考脉冲，随后是数据脉冲。通过在特定的时帧内检测有没有脉冲来对信息进行译码。然后将这个二进制码转换为十进制的结果。脉冲顺序由一个图表记录仪来监视。当译码机构发生电误障时，可根据图表记录仪上的脉冲顺序进行人

图7-8 负脉冲系统原理示意图

工译码。

带涡轮、螺杆钻具的MWD系统工作时，只要有钻井液在循环就能进行连续测量。用

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转盘钻进时，由于钻具的回转、振动等导致数据波动大，所以，应该以静态测量数据为准。 正脉冲发生器因传输速率高(一般可达M3～M5)，在井下参数测量(特别是LWD)中获得广泛应用。国际上的正脉冲发生器型号较多，结构与性能各异，但基本原理相同。国外公司的正脉冲发生器在我国应用过的产品有HDS—1，QDT和Gellink等。

二、负脉冲系统

发送器由阀门组成，当阀打开时，使—小部分钻井液从钻柱内流向环形空间，因此，快速开闭这个阀就会引起立管中的压力下降，这可由压力传感器检测出来(图7-8)。为了形成压力负脉冲的信息通道，必须在管内和管外空间之间建立初始压力降。压力降消

耗在水力喷射钻头的工作过程中和MWD系统的钻具组合中。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)时会产生脉冲。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。压力负脉冲发生器的重要的特征是在钻杆壁上有一个可更换式喷嘴，它的横截面比阀门的截面积小得多。这种技术方案可减小阀门的磨损。

同正脉冲系统—样，数据脉冲前有一系列参考脉冲来建立译码过程。不同的公司，对信息的译码方法不同。在—个时帧内，或两个相继脉冲之间的时间间隔内有无脉冲是目前在用的解释负脉冲顺序的两个特点。同正脉冲系统一样，利用图表记录仪也可以人工来解释脉冲顺序。

负脉冲发生器在早期的MWD中应用较广，如我国引进的美Halliburton公司的BGD负脉冲MWD(传输速率M1)。但因负脉冲MWD的传输速率低，不能满足测量更多参数的需要，所以逐步被正脉冲发生器所取代。

三、连续波系统

不同于前两种系统，在这种系统中不产生明显的脉冲。发送器是一个旋转的阀，该阀由—对与钻井液液流成直角的有槽的圆盘组成。其中一个是固定的，另—个是由马达驱动的(图7-9)，马达以一定速度转动，产生一个规则的连续压力变化，这实际上是个驻波。这个波作为载体将数据传送到地面。当要传送信息时，降低或提高马达的速度以便使载波的相发生变化(即反向)，发出信号的相位由向调节器发出反馈信号的传感器

控制，由此载波被凋制成可以表示所需的数据。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。地面设备压力传感器采集到的信号在地表接收装

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图7-9 连续波系统原理示意图

置中经过滤波、放大，恢复同步脉冲的次序并确定所采集信号的相位。相位位移被相敏元件及其积分电路识别出来。在接收装置上分离出同步的字，循环同步传送的字被译码。这是个比较复杂的通信系统，比前两种钻井液脉冲方法能提供更高的数据传送速度（可以达到M10），然而，它的井下和地面装备都很复杂，技术难度大，限制了它的广泛使用，目前只有Shlumberger公司（Andrill）拥有产品，并用于自己的工具系统中。连续波脉冲发生器是井下脉冲发生器的发展方向。

第三节 钻井液脉冲信号的传输特性

钻井液脉冲式MWD的关键技术是脉冲信号的传输，脉冲信号的传输过程是一种能量转换过程，在这一过程中，钻井液脉冲信号的传输与钻井水力学有着密切的关系，同时，信号的传输特性也受钻井液介质的影响。

一、钻井液脉冲信号的传输特性

1、基本方程

应用管道中一维不定常流动的运动方程和连续方程，可以得到描述泥浆脉冲传输特性的基本方程

（7-1）

这是一组双曲型偏微分方程组。求解这类定解问题的一种典型万法是特征线法。由于管道中的扰动将同时向上游和下游方向传播，所以钻柱中的泥浆脉冲将产生前行波和反行波。同时，钻柱中的流动参数也是前行波和反行波的叠加。

（7-2）

（7-3）

式(7-2)和式(7-3)中的第一式分别称为C和C特征线方程，第二式分别称为C和C特征线上的相容性方程。

至此，原来求解一维不定常流动的问题已转变成在x— t平面上沿特征线求解常微分方程的问题。并且，没有任何数学上的近似处理。

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+

-

+

-

2、求解方法

对沿特征线的相容性方程进行数值求解时，首先需要用特征线网格来离散方程。如果把管道沿其长度方向分成n段，其段长为Δx，取时间步长Δt =Δx／α，且认为波速α为常数，那么在x— t平面上就可得到矩形计算网格，并且网格的对角线恰好是特征线，如图7-10所示。 显然，Δx选得越小，计算精度就越高，但耗费的计算时间也越长。当Δx选定后，时间步长Δt 的选取就不能随意了，它的选取必须满足稳定性准则。

求解时，如果沿特征线对流量Q采用一阶

图7-10 x—t平面上的矩形网络

（7-4）

逼近，则有

可见，新时刻计算点P的参数可由其相邻计算点A点和B点前一时刻的参数确定。

当粘性效应所引起的能量损失较大时，采用一阶近似将会影响计算精度，甚至会导致解的不稳定性。这时就需要采用二阶近似，此时有

（7-5）

这是一个非线性方程组，可以采用迭代法求解。 3、实例分析

某3000m直井，采用81／2\井眼和5\钻杆；泥浆密度为1200kg／m3， 泥浆排量为28 l／s，泥浆粘度5mPa2s；钻头水眼238mm十13mm，流量系数0.95；泥浆脉冲的传输速度为1200m／s。如果在立管上安装一分支管路，并通过该分支管路分别向钻柱内增加或减

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少相同的泥浆流量，使钻柱内产生相应的正脉冲和负脉冲，试分析泥浆脉冲信号的传输特性。 该算例是，在井口采用聚合流和分散流的方式，使钻柱内产生正脉冲和负脉冲，进而研究泥浆脉冲信号从井口到井底的传输过程。应用本文的理论模型，可得出如图7-11至图7-13所示的分析结果。图中的“压力”是指表压、位置水头压力和速度水头压力之和。

通过分析，可以得到以下几点认识： (1)井底与井口的压力信号存在一个延迟时间，该延迟时间就是泥浆脉冲的传输时间。本例中的延迟时间为2.5s。

(2)泥浆脉冲的传输过程是一种能量转换过程。由于存在泥浆的粘性阻力和管路系统的弹性变形，泥浆脉冲在传输过程中存在着明显的衰减。

(3)在泥浆脉冲发生过程中，如果没有能量损失，将产生一个矩形波信号；当考虑泥浆的粘性阻力时，信号的波峰(或波谷)将变为一条斜线，并且在信号发生的前后，存在明显的能量损失。

(4)在边界(如钻井泵、钻头)处，泥浆脉冲将产生反射，在管路中往复传播形成震荡波，并逐渐衰竭。

(5)对于正脉冲信号，波峰处斜线的斜率为正。所以，当脉冲信号过后，管路系统中的压力将高于该点处的原始压力(负脉冲信号与之相反)。随着流动逐渐趋于稳定，其压力也将

图7-11 正脉冲信号 图7-12 负脉冲信号

逐渐恢复到原始压力，如图7-13所示。

浆脉冲信号的传输速度及其影响因素在泥浆脉冲传输系统中，信号的传输速度是一个基本参数。然而，泥浆中含有粘土、岩屑、重晶石粉等固相物质，并且往往存在着游离状态的气体而形成气泡，从而增加了问题的复杂性。中国石油勘探开发研究院刘修善、苏义脑在研究中综合考虑这些因素的影响，提出了泥浆脉冲传输速度的计算模型。该模型比较符合钻井工程实际，对正、负泥浆脉冲信号都是适用的。

1、基本方程

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图7-13 压力恢复曲线

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2、气体和固体对传输速度的耦合影响

泥浆中含有粘土、岩屑、重晶石粉等固相物质，并且往往存在着游离状态的气体，形成气泡。它们将对泥浆脉冲信号的传输速度产生一定的影响。

泥浆中的固相颗粒可认为是充分悬浮的，因此属于伪均质流。而含气量通常是很小的。虽然泥浆的流动属于气、液、固三相流，但它们的流速基本一致，所以可按单向流来处理。

从前面的分析知，信号的传播速度α主要取决于系统的弹性模数。为了研究系统的表观体积弹性模数，现分析如图3所示的容器。容器的右端有一活塞，容器中液体的体积为Vl，气体所占的体积为Vg，固体所占的体积为Vs，其压力为p 。

根据混合物的总体积，可以得到混合物密度的计算公式

V?Vl?Vg?Vs，??（1??g??s）?l??g?g??s?s （13）

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3、影响因素分析

由(21)式可以看出，泥浆脉冲的传输速度与以下参数有关： （1）流体的组成：体积含气率βg、固体的体积浓度βs；

（2）流体的性质：液体的体积弹性模数Kl、气体的体积弹性模数Kg、固体的体积弹性模数

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3.1泥浆密度的影响

3.2含气量的影响

3.3固体浓度的影响

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3.4泥浆类型的影响

3.5径厚比的影响

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第四节 无线随钻测量系统井下仪器的动力源

由于无线随钻MWD遥测系统没有返回到地面的电缆导体，所以操纵仪器的动力源必须安装在井下。目前，无线随钻MWD遥测系统所使用的动力源主要有两种方式。

一、电池组

由于电池组没有运动部件，所以它具有紧凑和可靠的优点。但是它的使用寿命和工作时间有限，并且受温度影响。同时，更换电池的费用也比较高，这种方式曾成功地使用在只要求定向数据的应用中，在传输多参数时能力受限。它有限的动力输出不能满足多传感器工具的需要(图7-22)。

二、涡轮式交流发电机

随着MWD朝着多传感器的趋势发展，涡轮发电机越来越广泛地用来为工具提供动力。它利用通过仪器的钻井液液流作为涡轮叶片的动力，带动连接交流发电机的轴(图7-23)。产生的电流必须用稳压器来控制。尽管这种系统比电池组能提供更多的动力和更长的工作寿命，但当涡轮损坏时就会发生断电故障。为防止损坏，在涡轮的钻井液进口处装一个滤网来滤掉钻井液中的岩屑。因为要倒掉岩屑或拿开滤网以使钢丝绳起下的仪器通过，而且为了易于取放，可将滤网装于钻柱顶部。

图7-22 利用电池组的MWD仪器

图7-23 使用涡轮发电机MWD仪器 161

图7-24 涡轮发电机结构原理示意图 图7-24是俄罗斯电磁波式孔底遥测系统井下仪器所配备的蜗轮发电机机构原理示意图。发电机包括带绕组的定子1和外壳2，其中定子为轴向静止状态，而外壳起转子的作用。在外壳2中，固定了为建立磁场和在定子1绕组上产生电动势的磁铁3。

外壳2的一头与涡轮4相连，而另一头与涡轮5相连。外壳与涡轮连接的地方借助密封圈6、7进行密封。涡轮4、5用于驱动带磁铁3的外壳2旋转，以形成交变的旋转磁场。在涡轮4的内部安装了二个轴承8、9。在涡轮4的前端面上留有注油孔，里面有带密封圈11的封闭螺栓10。在这个孔里还装有带弹簧13和钢球14的阀座12。在轴承8、9之间安装了隔离圈15、16，而轴承8、9本身则靠防松卡圈17来固定。涡轮4相对外壳的位置用防松卡圈18来确定。

定子1安装在轴承19上，轴承19的端面密封靠卡圈20、衬套21、T形衬套22和带密封圈24的柱塞23来实现。在卡圈20和衬套21之间装有六根弹簧，以保证在端面密封的接触处能形成足够的轴向力。各密封件用销钉26和螺钉27连接，并被固定在定子1上。衬套22靠支撑套28来保证同心。借助销钉29对支撑套28进行校正，并用防松卡圈30固定。

发电机基本参数和特性如下：

周围环境温度，℃ 10~90 在10—70Hz振动频率的范围内加速度，m/s ≯100 最大静水压力，Mpa 60 最大交变载荷，kN 1000 额定转速，r/min 1400 额定功率，W 225 发电机输出电压，V 15 发电机在隔离电路之间的最小绝缘电阻，KΩ 100 产品的外形尺寸

直径，mm 82 长度，mm 567 质量，kg ≯25

第五节 随钻测量系统井下仪器的传感器

在MWD井下仪器中，必须有一些电子元器件采集井底信息，并将这些非电量的物理量转换成电量的物理量，这些电子元器件称为随钻测量井下仪器的传感器。由于MWD传感器必须在井内钻进过程中工作，即要承受钻进过程的振动，又要保证传感器能连续测量井内物理信息，因此，它与普通测斜仪、定向仪不同，一般不能采用锁紧——松开接触式的传感器，同时，井下仪器上的传感器都必须十分坚固以承受井下恶劣环境，并具有稳定的工作性能和长的工作寿命。起初的MWD仪器仅能检测定向钻井的几何参数——顶角、方位角和工具面向角，随着钻井工程对井底信息量和实时性要求的不断提高，特别是现代地质导向钻进技术的不断发展，目前的MWD仪器已不仅能检测定向钻井的几何参数，而且还能检测井底的钻压、扭具、温度和地层的伽马射线、电阻率等。当然，针对于不同的工作阶段和性质，井底信息的采集可能有所侧重，目前在用的只有一种系统具有可以不起出全部下部钻具来更换损坏的部件(传感器组／电子元件)的功能。一个传感器损坏了并不意味着必须起出仪器。如果操作者确信其他传感器仍在提供所需信息，损失一个数据并不重要(如定向井作业时伽马射线没有测到，而操作者认为定向数据更为重要)。

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一、定向传感器

在钻进过程中连续地测量井眼参数应用教多的是加速度计和磁力仪等坚固的固态传感器。加速度计测量地球的重力场分量，而磁力仪测量地球的磁场分量。无论在哪种情况，场都是在特定的方向起作用，因此，通过对测量仪器相对于该方向的方位，采用正交三轴定位布置的磁力计和加速度计就可以确定井斜角，方位角及工具面角(见图7-25)。

1、加速度计

图7-26是加速度计工作原理示意图。它利用一个石英铰固定一个测试体，使该物体只能沿一个轴运动。当仪器下井后，沿该轴作用的重力分量将推动测试体运动。测试体的移动在电容器之间产生不平衡，由伺服放大器检测出来。然后在线圈内通电，产生一个反力，使测试体恢复原来位置。重力分量越大，所需要的产生反力的电流就越大。测量已知电阻上的电压降，就可直接得到重力分量值。 对于三轴的加速度计，其三个分量的矢量和必等于重力加速度g。由于可以用其他方法在任何位置测得重力加速度g，所以实际上只需两个加速度计。但是，三轴加速度计确 实可以提供检验输出结果和识别错误的手段。

2、磁力仪

磁力仪是检测固定轴向地磁场强度的传感器，图7-27是一个有环绕线圈的软铁磁心。如将磁心(或螺线管)放在变化的磁场中，则磁通量将集中在螺线管内，并在线圈内产生电流。电流的大小取决于暴露在磁场中的导磁物质的量。线圈环与磁力线成90°时，电流较大。当线圈环转动

图7-26 加速度计的工作原理 图7-25 加速度计和磁力计沿 三个正交轴的布置图 图7-27 交变磁场中绕线环产生的电流 到以较小的面积暴露在磁场中时，电流就会减少。因此，线圈中获得的电流大小可以用作测量磁场和线圈之间角度的一种方法。但是，这个电流只在磁场交变时才产生。地磁场是恒定的。移动线圈来产生电流是不可行的，因为这样会降低方向测量的精度，线圈环应当对准测量仪的一个参照轴并保持固定。

为说明饱和式磁力仪的原理，可参照图7-28所示的两个相同的磁心。磁心具有相等的高导磁率，并有相反绕向的主线圈和次线圈，在主线圈上通过一个交变电流，产生磁场，磁

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心饱和。因为次线圈的绕向相反，如果没有外部磁场，总的输出电压为零。如果存在外部磁场，会使其中一个线圈比另一个先饱合，输出电压出现不相同，引起电压脉冲。将耦合线圈与外磁场形成某个角度，会产生一个与线圈环内磁通变化率相交的电压，电压大小也对应于外部磁场强度。所以，三轴饱和式磁力仪可以用来测量地磁场沿三个正交轴的分量。

3、 井斜角、方位角和工具面角的推导

加速度计输出的电压对应于三个正交轴分别记为Gx、Gy、和Gz(图7-25)，同样，磁力仪的输出记为Hx、Hv和Hz。注意，z轴是仪器轴，方向向下，y轴被规定为与工具面一致。它可作为弯接头刻度线参照的基准线。

图7-28 饱和磁力仪，合成电压的峰值与平行于线圈轴的磁场强度成正比 （1）井斜角

如图7-29，在铅垂面内的直角三角形中，井斜角是从铅垂线到z轴(加速度计轴)的夹角，井斜角α可由下式求出：

图7-29 井斜角α=arctg [（Gx+ Gy）/ Gz2] 22图7-30 GTF=arctg （Gx/ Gy） （7-27）

（2）工具面角

重力工具面角(GTF)是沿井眼向下看时，由重力矢量所确定的高边和y轴(加速度计轴)之间的夹角(如图7-30)。此角可由下式求得：

（7-28） 磁工具面角(MTF)是磁北极与y轴之间的夹角。这时：

（7-29） （3）方位角

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方位角是在水平面内从北极按顺时针旋转到z轴的夹角。为计算井方位角，必须将磁力仪和加速度计的读数分解到两个轴上(图7—21)。轴V1是井眼方向在水平面内的投影。轴Vl与V2轴垂直，所以，方位角β可由下式求得：

将Hx，Hy和Hz换算式Vl和V2，可得到下列方程：

图7-31 方位角β=arctgV2/ V1

将Vl、V2代入前面的公式得：

?Gsin??2x?GyGZ21/2? （7-30）

（7-31） （7-32） （7-33） （7-34）

这里

g =（Gx2+ Gy2+ Gz2）1/2

，方位角表达式里包括加速度计和磁力仪的测量结果。

二、地层参数测量传感器

1、伽马射线传感器

伽马射线是由放射性元素如钾、钍和铀的同位素发射出来的。这些元素在页岩中比在其

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它岩石中更普遍地存在。因此通过测量一岩石序列的伽马射线发射量，就能确定页岩区。装在MWD仪器中的伽马射线传感器可在钻头钻过地层时检测到放射量。为了尽快地检测到岩性的变化，伽马射线传感器应尽可能地装在靠近钻头的位置，以便在仪器有反应之前只钻过很少的新地层。实际上，钻头与伽马射线传感器之间的距离大约为6ft。由于在钻井液中和在钻铤中的衰减作用，实际上，地层所发射的伽马射线只有其中很小的比率被检测出来。

现在使用的有两种传感器：

（1）盖革-米勒管(Geiger-MullerTube)：这种类型的传感器由一个充着相当低压力的惰性气体的圆筒组成。在筒腔的中心穿过一个高压电极(±1000V)。当伽马射线进入筒腔时，引起气体电离，产生向着电极中心的高速运动的电子流(图8-12)。因此，这个电子流就可用来检测地层所释放的伽马射线量。

图7-32 盖革 —米勒管

(2)闪烁计数器(Scintillation Counter)：地层发射的自然伽马射线能通过碘化钠晶体。射线激发晶体，产生闪光。晶体发射的光撞击光电阴极并释放电子。电子经过一系列阳极后引起更多的电子放射。这样就产生一个与原闪光成正比的电压脉冲(图8—13)。通过记录给定时间段内的脉冲数，就可以测量进入传感器内的放射量。这与用在电缆测井仪器中的伽马传感器基本上是同一原理。

图7-33 闪烁记数器

盖革-米勒管不如闪烁记数器那样准确，因为它只能检测到放射的射线总量中很小的一部分。然而它也确有优点，它很坚固可靠，并且比闪烁记数器便宜。

MWD的控制系统将传感器的测量结果换化为数字码，并储存起来准备传递。同定向测量一样，数据作为一系列钻井液脉冲传送到地面。最终结果是以连续测井形式沿井深画出的伽马射线响应图(以每秒冲数测量)。

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2、电阻率传感器

电阻率是地层对电流阻抗的度量。地层的响应取决于孔隙空间的流体含量(油和气为绝缘体，而盐水为导体)。MWD仪器上的电阻率传感器是由等效的电缆测井仪器(406.4mm，电位电极系)改装的。两个电极安在MWD仪器外侧的两个绝缘橡胶套上(图8-14)。上面的电极发出电流，流过地层并由下面电极检测出来。实际结果是受井眼直径，钻井液浸蚀和地层厚度影响的。这些影响必须采用某些修正系数来补偿。这种类型的传感器对使用油基钻井

图7-34 电阻率传感器（406.4mm，短电位装置） 液的井眼是无效的。已经研制成功的电感

式传感器可以装在MWD仪器里。如同伽马射线传感器的情况一样，电阻率装备也需尽量安在靠近钻头的位置以便对地层变化很快作出反应。

三、钻进参数传感器

1、温度传感器

温度传感器通常装在钻铤的外壁，用来监测环空中的钻井液温度。传感元件可以是电阻随温度变化的金属片(如铂)。传感器的温度测量范围一般调在50°F～350°F之间。

2、井底钻压／扭矩传感器 这些是由装在靠近钻头的特制的特殊接头上的灵敏应变仪系统来测量的。应变仪能测钻压的轴向力和扭矩的扭力。将成对的应变片贴在接头的对边，会消除弯曲应力产生的影响。接头的设计必须可以补偿温度和压力的影响。

3、涡轮转速传感器

用井下涡轮钻井时，在地面上并不知道钻头转动的实际速度。监视转速的唯一有效方法是用连接到MWD仪器上的涡轮转速计来提供实时数据。井下传感器是由一个非常靠近旋转的涡轮轴顶部的探测器组成。在轴的顶部装两个成180°的

图7-35 涡轮转速传感器

磁铁。当轴转动时，探测器内的线圈采集由磁铁

引起的电压脉冲(图7-35)。计量某一时间内的脉冲数就可以计算出以 转每分钟(每分钟转数)为单位的涡轮速度。将这些信息编码为一系列钻井液脉冲，每隔一段时间就传送到地面，使司钻知道转数是在如何变化。

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第六节 使用MWD系统的钻井作业

一、地面系统

大多数MWD系统都用相当相似的地面设备来解释、记录和显示井下传感器测量的数据。地面设备的数量取决于各类型仪器及所测量的各种参数。如果只要求定向数据，对于钻井液压力脉冲式MWD可只需要一个立管压力传感器和一套可安装在司钻值班房中的接收、处理系统。如果还要测量地层评价数据和钻井数据，那么将所有电子仪器和绘图设备装在钻井液录井室或钻台上特制的房子内是很实用的。地面系统的基本部件如图7-36所示，下面分别说明。

图7-36 地面系统的主要部件

1、立管压力传感器

在大多数钻机上，立管管汇有许多可装仪表的测压接头。卸掉一个仪表，传感器就可以安在这一便于装卸的点上。传感器内有个敏感的膜片可以检测压力的变化，并将液压脉冲转

化为电压脉冲。其电压输出通过电缆传给其余的地面设备。

2、电子滤波器——放大器——地面计算机

如同检测MWD的脉冲一样，传感器也要响应由钻井泵或井下马达引起的压力变化。这种背景噪音使它很难解识别MWD的脉冲，有时变换钻井泵速度可能减少这种干扰。钻井泵上的压力缓冲器可以防止任何出口压力的大的波动。

从传感器中传出的信号可以通过滤掉不需要的压力变化而得到改善。因为需要的MWD的信号频率是已知的，所以就可以设置电子滤波器消除任何高或低于预先设定范围的其他频率。然后，信号经过放大可以进一步增强，以显示明显的波峰和波谷。增强后的脉冲顺序送入已编程的地面计算机，以识别出参考脉冲然后对数据脉冲译码。最终结果在计算机终端的打印机上列出并记录在磁带中。

定向测量结果(方位角、工具面角和井斜角)传到钻台上后，为方便定向井司钻，将数据显示在一个表盘上。地层评价数据是随着钻进过程连续地打印出来。另外还要用一个深度跟踪系统来画出相对于深度的伽马射线或电阻率的响应值。

定向数据、地层数据和井下钻井参数是按预先确定的顺序传送的。测量结果的传送顺序和频率随制造厂家的不同而变化，它还取决于仪器目前在如何操作。例如，在定向作业时可能只传送测量数据，而在旋转钻进时就可以传送伽马射线和电阻率。

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二、MWD系统的使用

1、施工前的要求

在使用MWD系统的作业以前，必须预先确定以下内容： (1)需要的基本数据是什么；

(2)目前现有的哪种系统可以满足这些要求；

(3)所考虑系统的局限性和技术规范在这项使用中是否可以接受(如精度、数据传送速度、温度等等)。

在有几种仪器都能满足所有作业要求的地方，有些作业者采用试验所有的不同系统的谨慎策略来评价其可靠性和成本—效益情况。被选来提供服务的MWD公司要从作业者处得到这些信息：

(1)作业者预计何时使用MWD仪器(要有足够的时间来进行车间试验，设备和人员运送，井场上的安装时间)；

(2)预期的流速、泵压、钻头水眼直径、泥钻井液密度和其它BHA组件(这将影响装在仪器内MWD部件的选择)。

仪器离开车间之前，所有构件都要进行彻底检查。定向传感器要在能模拟预计方位角和井斜角的校准架上试验。有些公司能够在出厂前将所有必需的井下部件装在无磁钻磁内。提供一套以上的仪器是必要的，以便在一套损坏时，另一套仪器已在井场上作为备用。

2、组装及地面检验 所有MWD系统都是设计成便于组装的，以求不会严重妨碍正常钻进过程。服务公司提供所有必要的井下和地面设备。安装和操作一套MWD系统通常需要服务公司的两个工程师。

对地面系统，要求将降压力传感器装在立管管汇上的方便位置。然后将电缆连到位于钻工房或管台上的MWD设备上。地面系统的安装需要井场电工或安全人员的帮助。其中钻台显示器是为了让定向井司钻监视所测角度的变化。

如果井下仪器的构件已装在钻铤中，组装就很简便，只要小心地吊装钻铤就行了。如果井下仪器要在井场上组装，就要分别检查每个组件。在连接钻铤时，须十分注意确保施加合适的扭矩。操作大钳和卡瓦可能会损坏钻铤内的灵敏器件。 如果MWD仪器是同井下动力马达和弯接头一起使用的，就要测量工具面偏差角，这是实际工具面(由弯接头的刻线确定的)和MWD仪器的工具面(由B轴位置确定的)之间的角差。这可以在钻台上用量尺或特制的量规测得(图7-37)。工具面偏差角要存贮在地面计算机中，以便自动地将MWD的工具面转化成实际工具面。同样，磁偏角也要存贮在计算机中以便将磁方位角转化为真实

的方位角。 图7-37 测量工具面偏差角（OTF） 当仪器悬挂在钻台上时，应该进行功能测试， 以确保所有元件工作正常，有关仪器可靠性的试验是每次下钻时都在一个特定的深度进行测量。这就是所谓的基准点测量，并且所有的结果应十分相符。基准点测量通常在套管鞋下部

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—点，以便在仪器给出的不是期望的结果时，起出仪zhe器不会浪费太多的钻机时间。 3、正常测量程序

对于定向的随钻测量有两种操作方式：

(1)旋转钻进：在每次接单根后，进行静态测量(井方位角和井斜角)，如果需要可以间隔更密些。

(2)定向作业：作业中使用弯接头和井下马达，在这种情况下当钻头钻进时监视工具面角更为重要。

对某些仪器，作业者必须确定需要那种方式。另外有些仪器是将静态和动态的测量结果都按顺序传送。静态测量的常规过程是钻完方钻杆后，接单根，然后将钻头提离井底约1.5m进行测量。在传感器测量数据所需的2min期间，钻杆要保持静止。钻进时，4min以内脉冲可传到地面并将结果显示出来。

在定向作业时，MWD以很短的间隔(1min)将最新的工具面角传输上来。通常工具面角是参照井眼高边(即重力工具面角)的。而对小井斜角(小于8°)的井，工具面角是参照磁北极(即磁工具面角)。但是，由于存在磁干扰，磁工具面角不能用在套管附近，井眼方位角也是一样。对在套管附近的造斜工具的测量或定向，必须使用陀螺测斜仪。MWD仪器只能用在作业者确信没有磁干扰的地方。

第七节 MWD的应用

无线MWD的应用可分为三种主要类型

一、定向测量

这种应用大约占全部MWD工作的70％。在国内外一些油田，无线MWD已变成钻井过程中监测轨道的标准方法。在定向钻进中利用无线MWD的主要优点是：

(1)因为消除了常规的电缆法，所以测量时节约了宝贵的钻机作业时间；

(2)因为没有电缆问题，可在钻进时监视工具面角，所以定向作业时工具面定向变得很容易；

(3)钻柱在静止位置时占用的时间较少，这样就减少了卡钻的危险；

(4)不花费很多的钻机时间就可以加密测点，所以可较好地监视井眼轨道；

(5)改变钻井参数或地层变化对井眼轨道的影响可以很快地检测出来，从而减少了产生严重狗腿的危险和纠斜次数。

对操作者来说，无线MWD系统的成本、效益情况和可靠性是最重要的问题。多次研究表明，与常规的电缆测量技术相比，使用MWD可以节省可观的钻机时间。当然这一潜在的利益将会被仪器的任何损坏所抵销，因为这时操作者不得不被迫浪费时间来起出MWD仪器。在过去的几年中，平均故障间隔——指失效之间的循环时间，已从20h提高到250h。由于可靠性的增加，及激烈竞争导致的费用下降，牢固地确立了MWD在定向作业中的地位。

二、地层评价

使用伽马射线和电阻率传感器来随钻测井正变得越来越普遍，但从严格的经济角度上看

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很难做出评价。这是因为作业者可能希望在各种情况下做一组完整的电缆测井。另外在钻井时期得到测井数据能增加的益处还须调查。这些益处如下：

(1)利用伽马射线确定页岩层来选择套管下入深度； (2)选定储层顶部开始取心作业； (3)钻进过程中与邻井对比；

(4)识别易发生复杂情况的地层；

(5)如果在电缆测井作业前报废井眼的话，至少还有些地层数据可以利用； (6)对电缆测井不适合的大斜度井能够进行测井作业； (7)电阻率测井可以发现薄的气层的存在；

(8)在钻进时利用伽马射线和电阻率测井可以评估地层压力。 图7-38是MWD仪器测井的一个例子。

随着MWD测井可靠性的增加，在某些地区MWD正代替了一些中间测井。目前其主要缺点是没有MWD孔隙度传感器。MWD测井和电测结果的比较还有些争仪。有些例子表明两者非常一致。但要记住测井技术方面还有些重要的区别：

(1)测井速度相差很大(MWD可能为3~30m／h电缆测井为540m／h)。所以测井的分辨率也会不同；

(2)由于钻井液侵入的影响，井眼条件可能发生变化； (3)仪器的集中度可能不同； (4)所采用的传感器类型不同(如MWD中采用盖革-米勒管，相反在电测仪器中用的是闪烁记数器)； (5)钻铤导致的信号衰减也会影响结果；

(6)MWD--自然伽马射线测井是以秒记数为单位测量的，而电缆测井采用API单位。

三、钻井参数测量

在MWD的三种主要用途中，利用传感器测量井下钻井参数或许是最难从成本、效益对比上进行

评判的。因为这些传感器没有代替 其他作业较昂贵的系统，如测斜仪 或电测仪。

有钻压、转数或扭矩的井下传感器的主要优点为测量实际上是在所发生的点——钻头处进行的。在某些情况下，不能认为地面指重表是可信的(如在大斜度井眼中，由于井壁摩阻，

图7-38 MWD测井显示出伽玛射线和电阻率的响应，并给出深度和钻速来作为比较 井底钻压可能低于地面指示的百分之二十)。井底与地面测量的这一差值可能给出井眼问题的指示(如地面扭矩远远大于钻头扭矩时说明有可能是钻杆遇卡而不是钻头牙轮卡死)。

除了在正常钻进时给司钻提供一些有用的指示外，这些传感器还有一个更广泛的用途，即为优化钻井提供准确的数据，而不是采用不准确的地面数据。在某些情况下(如涡轮钻

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井)MWD传感器是优化钻井操作中唯一可利用的方法。尽管许多井下钻井传感器的优点还没被发现，但将来必定会发生效益。

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