王 磊 李 林 盛利民 竇修榮 張連成

（中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100083）

在石油與天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，對于隨鉆儀器而言，地面能夠?qū)崟r、連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)測和控制井眼軌跡是其能否在工程中普及應(yīng)用的首要條件，因此，選擇合理的井下與地面信息通道是儀器設(shè)計之初首要考慮的問題。

近20 年里，水力脈沖MWD 傳輸技術(shù)取得了快速、全面的發(fā)展，借助于鉆井液壓力脈沖或連續(xù)壓力波，實(shí)現(xiàn)了地面與井下雙向通信，不足之處是對鉆井液的含氣量及含砂量有嚴(yán)格的要求，在泡沫鉆井和空氣鉆井時，水力脈沖通道難以解決信息的有效傳輸問題［1］。

電磁波隨鉆測量是通過發(fā)射電磁波進(jìn)入地層來傳輸井下數(shù)據(jù)的，它不受鉆井液介質(zhì)、井斜角大小、鉆井方式（旋轉(zhuǎn)鉆或滑行鉆）等條件的限制［2-3］，傳輸?shù)貙訁?shù)及井眼軌跡的速度快、數(shù)據(jù)量大，并且使用成本較水力脈沖方式更低。其主要缺點(diǎn)是電磁波傳輸?shù)馁|(zhì)量受鉆井設(shè)備的電磁干擾以及電阻率較低地層的影響，但在工程應(yīng)用方面較水力脈沖MWD的傳輸通道有自己獨(dú)特的優(yōu)勢。

1 技術(shù)原理

根據(jù)電磁場理論對媒質(zhì)特性的分類如下：

式中，σ 為電導(dǎo)率，S；ε 為介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ω 為媒質(zhì)中電磁場的角頻率，rad/s。

通常地層多表現(xiàn)為半電介質(zhì)特性，在電磁波傳輸通道中，鉆柱是回路中的導(dǎo)線，地層相當(dāng)于回路中的電阻，電流信號在鉆柱和地層所構(gòu)成的回路中傳導(dǎo)，由于鉆柱是導(dǎo)電體，在鉆井過程中通過鉆井液或直接接觸井壁與地層聯(lián)通就像埋入地下的裸導(dǎo)線，或是更像深埋入地層的長電極，這樣用長電極上電流擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型來描述電磁波傳輸通道更為簡潔、清晰、易于計算。只不過長電極的源在地表上，電極的電流由上向下擴(kuò)散，而電磁波系統(tǒng)的源在地下，電流由下向上擴(kuò)散，由此得出電流由下向上傳導(dǎo)時，在鉆柱上各深度的電流幅度

式中，I0為源點(diǎn)處信號電流的最大幅度，A；Z 為鉆柱上某點(diǎn)距信號電流源點(diǎn)的距離，m；δ 為電流在地層中的屈服系數(shù)；μ 為磁導(dǎo)率，一般取4π×10-7H/m；ρ 為地層電阻率，Ω·m；? 為信號電流頻率，Hz 。

因此，電磁波隨鉆測量的技術(shù)特點(diǎn)可以說是圍繞著1 個基礎(chǔ)，2 個方面，4 個核心模塊展開的。一個基礎(chǔ)就是以建立“鉆柱—地層”電磁信道方法為基礎(chǔ)；2 個方面的一方面是研究如何通過電磁信道發(fā)射井下信號；另一方面是研究如何在地面接收井下傳上來的弱電磁信號；4 個核心模塊是：（1）井下絕緣鉆鋌式電偶極子發(fā)射天線；（2）井下大功率自適應(yīng)電磁信號發(fā)射器；（3）井下大功率電源；（4）地面弱信號接收機(jī)和接收天線（圖1）。

圖 1 電磁波隨鉆測量系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主要包括井下系統(tǒng)及地面接收系統(tǒng)兩部分，其中，井下系統(tǒng)構(gòu)成井下鉆具組合的一部分，地面接收系統(tǒng)用來實(shí)時接收、分離、轉(zhuǎn)換和記錄有用信號。

2.1.1 井下系統(tǒng)構(gòu)成

（1）井下儀器總成，包括電源系統(tǒng)［4-6］（發(fā)電機(jī)及電池組）、數(shù)據(jù)調(diào)制與發(fā)射電路、測量傳感器總成；

（2）絕緣電偶極子發(fā)射天線；

（3）鉆鋌系，包括無磁鉆鋌、絕緣鉆鋌和動態(tài)方位伽馬鉆鋌（圖2）。

圖 2 電磁波隨鉆測量系統(tǒng)井下結(jié)構(gòu)

2.1.2 地面接收系統(tǒng)的構(gòu)成

（1）地面接收機(jī)，包括前置放大器、低通濾波器、閾值調(diào)節(jié)器和DSP 處理器；

（2）計算機(jī)，包括信號濾波及數(shù)據(jù)解調(diào)軟件、數(shù)據(jù)及圖形顯示界面軟件；

（3）司鉆顯示器（圖3）。

圖3 地面接收系統(tǒng)

2.2 工作原理

井下測量儀器由絕緣的電磁發(fā)射天線分隔為2個電極，其中一個電極經(jīng)由鉆柱傳導(dǎo)至地面井臺，另一個電極則由地層傳輸至地面的接收天線，地面接收機(jī)分別與這2 個電極連接構(gòu)成閉合回路［7］，在井下隨鉆測量儀器工作時，接收天線和鉆柱之間的地層中有電流通過，地面接收到的信號是兩者之間的電位差，被接收到微弱電壓信號經(jīng)地面接收機(jī)降噪、放大及解碼后發(fā)送到計算機(jī)，并在屏幕上顯示及存儲［8］。

該系統(tǒng)可以分別在3.5 Hz、6 Hz 和11 Hz 的發(fā)射頻率下工作，頻率越高，通過地層的信號衰減越大，傳輸距離相應(yīng)也就越淺，但傳輸速率更快。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 HN10-D3 井定向應(yīng)用

2011 年10 月DREMWD 電磁波隨鉆測量工具在陜西省韓城市薛峰鄉(xiāng)HN10- D3 井進(jìn)行定向應(yīng)用。該井海拔882 m，區(qū)塊構(gòu)造位置為鄂爾多斯穩(wěn)定地塊東南緣，井型為定向井，造斜點(diǎn)120 m，造斜至320 m井斜20.03°、方位314.11°，后穩(wěn)斜鉆至靶點(diǎn)，鉆探目的是建煤層氣產(chǎn)能，獲取目的煤層的埋深、厚度、煤層結(jié)構(gòu)等參數(shù)。

根據(jù)定向設(shè)計要求，DREMWD 無線電磁波隨鉆測量工具應(yīng)用于造斜井段，現(xiàn)場鉆具組合為?215.9 mm 鉆頭×0.25 m+?165 mm（1.25°）單彎螺桿×5.79 m+?172 mm 浮閥接頭×0.48 m+?172 mmDREMWD 無磁鉆鋌×9.72 m（無動態(tài)方位伽馬鉆鋌）+?159 mm 通用無磁鉆鋌×18.72 m+?127 mm 鉆桿，施工過程中定向鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)交替進(jìn)行，地面接收信號清晰、準(zhǔn)確（見表1），良好的軟件接收界面更方便了定向工程師的現(xiàn)場判斷與決策。

表1 現(xiàn)場隨鉆測量數(shù)據(jù)

DREMWD 無線電磁波隨鉆測量工具此次現(xiàn)場定向應(yīng)用累計入井時間81 h，其中純鉆進(jìn)工作時間67 h，隨鉆進(jìn)尺335 m，螺桿鉆定向鉆進(jìn)時，DREMWD 工具測出井斜角跳動小于0.3°、方位角跳動小于0.5°、工具面角跳動小于2°，較高的傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，顯著減少了無效鉆時。隨鉆時，301～455 m井深處遇二疊系石千峰組砂巖地層，井下振動劇烈，儀器出井后檢測依舊完好無損。

3.2 鄭4 平-8H 井煤層水平導(dǎo)向應(yīng)用

2012 年4 月30 日至2012 年5 月5 日DREMWD電磁波隨鉆測量工具在山西省晉城市鄭4 平-8H 井進(jìn)行了煤層水平導(dǎo)向應(yīng)用。該井是沁水盆地南部斜坡沁水煤層氣田鄭莊區(qū)塊的一口煤層氣多分支水平井，鄭莊區(qū)塊主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組地層，該地層由深灰色—灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾煤系地層組成，底部普遍發(fā)育灰色中細(xì)粒砂巖、含細(xì)礫粗砂巖，厚度34～72 m，一般60 m 左右，本組有煤層4 層，自上而下編為1～4 層，其中3#煤層（表2）地層寬闊平緩，地層傾角2～7°，其內(nèi)斷層較少，局部小型構(gòu)造發(fā)育，以狹長褶曲為主，延伸長度數(shù)百至數(shù)千米，這為通過多分支水平井方式增加煤層內(nèi)井眼長度，擴(kuò)大煤層泄氣面積，提高煤層產(chǎn)氣能力創(chuàng)造了良好條件［9-11］。

表2 鄭4 平-8H 井山西組3#煤層特征

該井與洞穴直井連通后井深904 m，井斜91.3°，此時鉆頭位于山西組3#煤層，由表2 可以看出， 3#煤層好煤厚度僅為1.6 m，為提高煤層鉆遇率，要求隨鉆儀器的地層伽馬測點(diǎn)盡量靠近鉆頭，因此，接有動態(tài)方位伽馬鉆鋌的DREMWD 無線電磁波隨鉆測量工具直接接于螺桿上方，方位伽馬鉆鋌短節(jié)測點(diǎn)距鉆頭5.6 m，定向單元測點(diǎn)距鉆頭8.7 m。方位伽馬短節(jié)在鉆具旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進(jìn)時可以分別輸出其上下兩端地層的伽馬值，而在定向鉆進(jìn)時可以測得地層的平均伽馬值，這樣的設(shè)計有利于在任何隨鉆狀態(tài)測得地層伽馬值，不會存在導(dǎo)向盲區(qū)。

此次導(dǎo)向應(yīng)用，DREMWD 工具1 次下鉆完成1 個主支及2 個分支的全段導(dǎo)向作業(yè)，儀器井下連續(xù)導(dǎo)向112 h，水平段總進(jìn)尺1 491 m，煤層鉆遇率超過98%。在應(yīng)用過程中，主支一及分支二分別遭遇大地層傾角煤層，傾角大于8°，地面工程師正是借助DREMWD 配置的動態(tài)方位伽馬短節(jié)及時地判斷煤層的上、下邊界，保證了井眼軌跡一直在煤層中行進(jìn)。儀器出井后，監(jiān)測電池電量依然充足，說明了井下發(fā)電機(jī)在導(dǎo)向時正常運(yùn)作，節(jié)約了電池電量，延長了工具一次下鉆的工作壽命。

4 技術(shù)特點(diǎn)

（1）電磁波隨鉆測量技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速度快（6～11 bit/s），載波信息量大，雖受地磁特性影響明顯，但在淺井應(yīng)用尤其是煤層氣井應(yīng)用中有著明顯優(yōu)勢。

（2）與傳統(tǒng)的鉆井液脈沖隨鉆測量工具相比，DREMWD 工具始終能夠傳輸井下實(shí)時信號，并且無需停鉆測量靜態(tài)數(shù)據(jù)，顯著減少了無效鉆時，鉆進(jìn)效率至少提高15%。

（3）尾端配置有動態(tài)方位伽馬短節(jié)的DREMWD工具在煤層水平導(dǎo)向中的優(yōu)勢得到體現(xiàn)，在隨鉆過程中，可以實(shí)時判斷含煤地層上、下邊界，提高了煤層鉆遇率。

（4）DREMWD 工具的井下渦輪發(fā)電機(jī)與電池交替供電，延長了井下儀器的連續(xù)工作時間，降低了儀器的電池使用開銷。

（5）DREMWD 工具根據(jù)定向或?qū)驊?yīng)用情況，入井前在地面設(shè)定井下儀器數(shù)據(jù)的傳輸結(jié)構(gòu)及傳輸速率，提高了工具針對不同井況的數(shù)據(jù)傳輸效率。

5 結(jié)論

（1）DREMWD 電磁波隨鉆測量工具的現(xiàn)場試驗(yàn)表明，在淺井或煤層氣井開發(fā)中，該工具可以滿足定向軌跡測量要求，并且可以有效地控制井眼軌跡按設(shè)計地層鉆進(jìn)，同時，較高的傳輸速率及傳輸精度使其有著廣泛的應(yīng)用前景，工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之下細(xì)分的井下發(fā)電機(jī)技術(shù)、動態(tài)方位伽馬短節(jié)技術(shù)也可作為獨(dú)立的功能單元與其他隨鉆儀器結(jié)合應(yīng)用，擴(kuò)大了該系統(tǒng)工具的應(yīng)用范圍。

（2）DREMWD 電磁波隨鉆測量工具還需進(jìn)行更多現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用，在工具信號傳輸深度與地層電阻率之間的關(guān)系以及在氣體鉆井中的應(yīng)用效果等方面繼續(xù)研究。

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