王 永，余 敏,張黨生

(1.東營(yíng)市非公有制經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)中心，山東 東營(yíng) 257091；2.中共勝利石油管理局有限公司委員會(huì)黨校(培訓(xùn)中心)，山東 東營(yíng) 2570003;中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 井下作業(yè)分公司，河北 滄州 062552)

目前，國(guó)內(nèi)外鉆井過(guò)程中普遍采用無(wú)線隨鉆測(cè)量(MWD)方式實(shí)時(shí)獲取井眼軌跡參數(shù)，通過(guò)井下信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生泥漿壓力波來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，常用的有正脈沖、負(fù)脈沖和連續(xù)波3種信號(hào)傳輸方式。正脈沖MWD具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)較慢；負(fù)脈沖MWD數(shù)據(jù)傳輸速度較快，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)需要使用專門的無(wú)磁鉆鋌；連續(xù)波MWD數(shù)據(jù)傳輸快、精度高，但對(duì)井隊(duì)設(shè)備要求較高，譯碼效果相對(duì)較差[1]。3種信號(hào)傳輸方式以正脈沖MWD穩(wěn)定性最好、性價(jià)比最高、應(yīng)用最為普遍，為此展開(kāi)對(duì)正脈沖信號(hào)傳輸特性的研究，了解信號(hào)傳輸過(guò)程中主要影響因素及影響程度對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工具有較大意義。

1 正脈沖信號(hào)傳輸原理

鉆井過(guò)程中應(yīng)用較為普遍的哈里伯頓公司MWD無(wú)線隨鉆設(shè)備采用正脈沖泥漿壓力傳輸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)、解碼能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其工作時(shí)，通過(guò)泥漿正脈沖發(fā)生器針閥伸縮，實(shí)現(xiàn)與上部孔板處小孔相對(duì)位置發(fā)生變化，從而改變泥漿流動(dòng)在此處的橫截面積，引起鉆柱內(nèi)部泥漿產(chǎn)生壓力波。針閥運(yùn)動(dòng)方式由探管進(jìn)行控制，探管根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得的井眼軌跡參數(shù)進(jìn)行編碼，依據(jù)編碼序列控制脈沖發(fā)生器針閥有序伸縮(圖1)。在地面，通過(guò)壓力傳感器連續(xù)檢測(cè)立管壓力變化并傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)譯碼還原出井底測(cè)量數(shù)據(jù)，完成井眼軌跡參數(shù)測(cè)量[2]。井下儀器所測(cè)量的井斜角、方位角和工具面角等數(shù)據(jù)可以顯示在地面顯示器和司鉆閱讀器上，供技術(shù)人員施工使用。

圖1 泥漿正脈沖工作原理示意圖

2 正脈沖信號(hào)傳輸特性

2.1 曼徹斯特碼編碼

正脈沖MWD采用曼徹斯特編碼技術(shù)進(jìn)行編碼，編碼后通過(guò)控制脈沖發(fā)生器處的泥漿流動(dòng)橫截面積變化產(chǎn)生脈沖實(shí)現(xiàn)碼元傳輸。曼徹斯特碼用電平跳變來(lái)表示二進(jìn)制碼0或1，變化規(guī)則相對(duì)簡(jiǎn)單，比較容易實(shí)現(xiàn)，每個(gè)碼元都由2個(gè)不同相位的電平信號(hào)表示，0和1相位正好相反。從低到高的跳變一般表示為二進(jìn)制碼中的“0”，從高到低的跳變表示為“1”。曼徹斯特編碼提供一個(gè)簡(jiǎn)單而可靠的二進(jìn)制序列，沒(méi)有較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換和周期級(jí)別，可以有效防止時(shí)鐘同步時(shí)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。編解碼過(guò)程為先將井下儀器測(cè)量的各類井眼軌跡參數(shù)以不同位數(shù)的二進(jìn)制字節(jié)組成相應(yīng)的字符串，其中最后一位為奇偶校正位，前面為數(shù)據(jù)位。只有當(dāng)字符串通過(guò)奇偶校正后，才能被識(shí)別為有效數(shù)據(jù)，進(jìn)而解碼得到實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，無(wú)法通過(guò)奇偶校正則視為無(wú)效數(shù)據(jù)丟棄處理。

在實(shí)際施工中，工具面角由7位曼徹斯特碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，井下渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由9位曼徹斯特碼組成，井斜角、方位角都是由12位曼徹斯特碼組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，圖2為勝利油田義944—斜4現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)系統(tǒng)界面顯示的相關(guān)參數(shù)。由井下脈沖發(fā)生器按照編碼進(jìn)行伸縮產(chǎn)生壓力波，地面立管上的壓力傳感器接收壓力信號(hào)，由于信號(hào)不會(huì)突變，因此接收界面波形呈現(xiàn)為正弦曲線，通過(guò)檢測(cè)軟件將波形曲線轉(zhuǎn)化為曼徹斯特碼，然后進(jìn)行解碼得出井眼軌跡參數(shù)。圖2中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)曼徹斯特碼如圖3所示。

圖2 義944-斜4施工中地面系統(tǒng)顯示界面

圖3 義944-斜4施工測(cè)得參數(shù)對(duì)應(yīng)曼徹斯特編碼

2.2 泥漿脈沖信號(hào)傳播速度

在無(wú)線隨鉆測(cè)量中，脈沖信號(hào)的傳輸速度是一個(gè)重要參數(shù)，穩(wěn)定而快速的數(shù)據(jù)傳輸有利于提高鉆井效率，避免鉆井事故。由于泥漿中含有黏土、巖屑、重晶石粉等固相物質(zhì)，并且存在著可能會(huì)形成氣泡的游離狀態(tài)氣體，這些多樣組分增加了信號(hào)傳輸速度問(wèn)題的復(fù)雜性。根據(jù)劉修善[3-4]等研究，泥漿脈沖傳播速度取決于系統(tǒng)彈性模量和流體密度，具體計(jì)算公式為

(1)

式中，ρg為氣體的密度，kg/m3；ρl為液體的密度，kg/m3；ρs為固體的密度，kg/m3；βg為體積含氣率，m3/m3；βs為固體的體積分?jǐn)?shù)；Kg為氣體體積彈性模量，Pa；Kl為液體體積彈性模量，Pa；Ks為固體體積彈性模量，Pa；E為管材的彈性模量，Pa；D為鉆桿內(nèi)徑，m;e為鉆桿壁厚，m；μ為鉆桿材料的泊松比。

根據(jù)式(1)計(jì)算得出，正常工況下正脈沖信號(hào)在泥漿中傳播速度約為1 100 m/s。影響信號(hào)傳輸速度的因素主要有鉆具尺寸及材料特性、泥漿組分及性質(zhì)、環(huán)境參數(shù)等。泥漿密度和泥漿中不同組分含量直接影響泥漿比重和壓縮性。通常隨著泥漿的密度和壓縮性提高，信號(hào)傳輸阻力增大，傳輸速度降低。另外，泥漿中氣體含量是影響脈沖信號(hào)傳輸速度的一個(gè)重要參數(shù)，隨著氣體含量變化，傳播速度變化明顯。圖4～6為215.9 mm井眼不同因素對(duì)傳輸速度的影響曲線。

圖4 固相體積分?jǐn)?shù)為0時(shí)含氣量對(duì)傳播速度的影響

圖5 體積含氣率為0.5%時(shí)泥漿類型對(duì)傳輸速度的影響

圖6 不同含氣率沿井深傳輸速度分布

從圖4～6可以看出，隨著含氣量的增加，脈沖信號(hào)傳輸速度快速下降，由此得出泥漿正脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x不宜在泡沫鉆井或氣體鉆井中使用。在含氣率相同的條件下，隨著固相的增加，脈沖信號(hào)傳輸速度明顯降低，且在油基泥漿中脈沖信號(hào)傳輸速度低于在水基泥漿中的傳輸速度，同時(shí)，隨著固相含量增加，油基、水基泥漿中信號(hào)傳輸速度差值越來(lái)越大。

2.3 泥漿脈沖信號(hào)強(qiáng)度衰減分析

由于鉆井施工中鉆具存在彈性變形，同時(shí)管壁對(duì)泥漿流動(dòng)存有阻力，因此脈沖信號(hào)在鉆具內(nèi)傳輸過(guò)程中脈沖強(qiáng)度將會(huì)不可避免地出現(xiàn)衰減。與鉆具軸向存在彈性變形相比，鉆具徑向則相對(duì)剛性，并且由于直徑相對(duì)較小，因此一般不考慮徑向?qū)π盘?hào)傳輸強(qiáng)度的影響。鉆具軸向作為脈沖信號(hào)傳輸通道，可以認(rèn)為幾乎所有脈沖能量都傳給鉆柱內(nèi)軸向運(yùn)動(dòng)。泥漿脈沖信號(hào)沿軸向傳播強(qiáng)度損失大部分是由于鉆具的管壁摩阻[5-7]，泥漿脈沖信號(hào)強(qiáng)度衰減與其他物理介質(zhì)傳輸現(xiàn)象類似，符合指數(shù)衰減規(guī)律，信號(hào)衰減計(jì)算公式為

(2)

其中，L計(jì)算方法為

(3)

式中，p0為信源信號(hào)強(qiáng)度，Pa；p為傳輸x米后的信號(hào)強(qiáng)度，Pa；x為傳輸距離，m；L為信號(hào)強(qiáng)度衰減到信源強(qiáng)度l/e時(shí)的傳輸距離，m；D為鉆桿內(nèi)徑，m；ρ為泥漿密度，kg/m3；μ為泥漿黏度，Pa·s；f為信號(hào)的頻率，Hz。

從式(2)、(3)可以看出，泥漿脈沖信號(hào)強(qiáng)度衰減度主要與鉆具材料性質(zhì)、鉆具尺寸、脈沖頻率和泥漿類型、黏度、組分和壓縮性等參數(shù)有關(guān)。在實(shí)際鉆井作業(yè)中，鉆柱材料和尺寸一般不會(huì)發(fā)生變化，泥漿體系主要是以地質(zhì)條件、鉆井工藝和安全環(huán)保要求為依據(jù)進(jìn)行選擇，調(diào)整幅度不大。因此，本文重點(diǎn)分析泥漿黏度、信號(hào)頻率和井深對(duì)泥漿脈沖信號(hào)強(qiáng)度衰減的影響，并以p/p0作為泥漿脈沖信號(hào)強(qiáng)度衰減評(píng)價(jià)指標(biāo)。

研究表明，泥漿黏度、信號(hào)頻率和井深都對(duì)信號(hào)強(qiáng)度衰減程度有較明顯影響，隨著黏度和井深增大，信號(hào)強(qiáng)度明顯降低。相對(duì)而言，信號(hào)頻率比泥漿黏度對(duì)信號(hào)強(qiáng)度影響更大，即高頻率信號(hào)更容易導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度衰減。當(dāng)脈沖頻率較高同時(shí)泥漿黏度較大時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度隨井深增加衰減更快，圖7～9為不同參數(shù)下信號(hào)衰減強(qiáng)度曲線。

圖7 不同黏度下信號(hào)強(qiáng)度比隨井深變化曲線

圖8 不同頻率下信號(hào)強(qiáng)度比隨井深變化曲線

圖9 不同頻率、黏度下信號(hào)強(qiáng)度比隨井深變化曲線

從圖7～9中可以看出，提高泥漿脈沖信號(hào),頻率會(huì)導(dǎo)致信號(hào)快速衰減，想達(dá)到提高信號(hào)頻率同時(shí)保證長(zhǎng)傳輸距離難度很大。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，信號(hào)傳輸頻率提高一倍可以在相同時(shí)間內(nèi)測(cè)得雙倍數(shù)據(jù)，大大提高定向井、水平井施工效率。但是由于數(shù)據(jù)傳輸越快信號(hào)衰減越嚴(yán)重，在一些深井超深井施工中不能盲目追求高信號(hào)頻率，同時(shí)需要調(diào)節(jié)無(wú)線測(cè)量?jī)x器部分配件尺寸以提高信號(hào)強(qiáng)度，用以消減傳播距離長(zhǎng)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低值。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

(1)濱425—斜XX井采用正脈沖MWD隨鉆測(cè)量，該井完鉆井深為3 185 m，自300 m開(kāi)始下入隨鉆測(cè)量?jī)x器，泥漿密度1.05～1.15 g/cm3，泥漿排量約為28 L/s，立管壓力約為12 MPa，泥漿正脈沖傳輸頻率為0.5 Hz，該井在施工過(guò)程中，初始泥漿壓力差約為0.48 MPa，鉆至2 000 m時(shí)壓力差為0.42 MPa，鉆至完鉆井深時(shí)壓力差約為0.34 MPa。隨著井深增加2 875 m，壓力波動(dòng)降低值約為0.14 MPa，通過(guò)式(2)計(jì)算壓力差應(yīng)為0.16 MPa，基本吻合。該井壓力差隨井深變化曲線如圖10所示。

圖10 濱425—斜XX井壓差隨井深變化曲線

(2)T903—XX井是中石化西北油田分公司T903區(qū)塊一口水平井，該井完鉆井深為5 043 m，自4 300 m開(kāi)始下入正脈沖MWD儀器，自4 361 m開(kāi)始定向鉆進(jìn)。由于該井較深，組裝儀器時(shí)為加強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度選用0.044 m寸孔板和42°定子，施工時(shí)泥漿排量約為32 L/s，立管壓力約為16 MPa，泥漿漏斗黏度48 s，泥漿密度約為1.2 g/cm3，泥漿脈沖頻率為0.5 Hz，初始泥漿壓力差約為0.41 MPa，鉆至完鉆井深時(shí)壓力差約為0.33 MPa，井深增加約600 m，泥漿壓力差降低約0.08 MPa，其壓力差隨井深變化曲線如圖11所示，其變化趨勢(shì)與公式計(jì)算結(jié)果基本相符。

圖11 T903—XX井壓差隨井深變化曲線

4 結(jié) 論

(1)正脈沖信號(hào)傳播速度受泥漿組分及性質(zhì)、鉆柱的尺寸及材料特性、環(huán)境參數(shù)等因素影響。隨著泥漿密度和壓縮性增大，泥漿脈沖信號(hào)傳輸速度降低。泥漿脈沖傳輸速度對(duì)泥漿含氣率非常敏感，隨著含氣率增加，傳輸速度快速下降。

(2)泥漿正脈沖信號(hào)強(qiáng)度衰減度受鉆具材料特性、鉆具尺寸、井深及脈沖頻率等參數(shù)影響明顯。脈沖頻率對(duì)正脈沖信號(hào)強(qiáng)度影響相對(duì)較大，當(dāng)脈沖頻率、泥漿黏度同時(shí)較高時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度快速衰減。

(3)在其他參數(shù)基本不變的情況下，信號(hào)壓差隨井深增加逐步減小，減小趨勢(shì)與信號(hào)衰減計(jì)算結(jié)果吻合。因此在現(xiàn)場(chǎng)施工中，應(yīng)充分考慮信號(hào)強(qiáng)度衰減影響，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果和完鉆井深合理選擇孔板尺寸和大角度定子等配件，確保在不同井深條件下，都能夠滿足施工脈沖信號(hào)傳輸?shù)膹?qiáng)度，實(shí)現(xiàn)正常編解碼，從而準(zhǔn)確測(cè)得井眼軌跡參數(shù)。