薛曉衛(wèi)(中石化經(jīng)緯有限公司江漢測錄井分公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

隨鉆測量技術(shù)是由國外引進，最早發(fā)現(xiàn)該技術(shù)的時間是在1980年，當時推出了最初版本的隨鉆測量工具，但是當時該工具只有井斜、方位、工具面測量的功能，應(yīng)用整體比較受限。

如果地質(zhì)條件比較復雜，則不能滿足鉆井需求。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了定向鉆井技術(shù)，對隨鉆測量技術(shù)進行了創(chuàng)新，提高碎鉆測量技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸效率、穩(wěn)定性，而且在實際應(yīng)用中還表現(xiàn)出極高的耐磨性、抗震性，對比傳統(tǒng)技術(shù)手段的應(yīng)用體積比較小。

目前，隨鉆測量技術(shù)在煤礦、化工等各個領(lǐng)域均得到應(yīng)用。在高斜度井、水平井等數(shù)量不斷增加的現(xiàn)代，隨鉆測量工具、鉆井工具開始以組合的形式使用，建成常規(guī)電纜測井之后可以實時傳輸數(shù)據(jù)。目前，隨鉆測量技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在原本功能基礎(chǔ)上可以支持異常地層壓力、地層密度、伽馬射線、中子孔隙度等的測量，同時包括隨鉆測井與地質(zhì)導向的功能?；诖?，本文圍繞隨鉆測量技術(shù)對其發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀進行討論，總結(jié)今后技術(shù)的發(fā)展前景。

1 隨鉆測量技術(shù)概述

隨鉆測量技術(shù)涉及到兩個部分，分別是地面、地下測量兩部分?；ば袠I(yè)應(yīng)用該技術(shù)以井下系統(tǒng)比較常見，該系統(tǒng)由供電、測量、信號發(fā)生、數(shù)據(jù)傳輸組成，其供電形式為電池與渦輪供電[1]。如果采用電池供電，具有持續(xù)性的特點，但是往往作業(yè)時間比較有限，而渦輪供電的應(yīng)用存在限定條件，即開泵運行條件方可達到供電目的，可在排量與耗電量比較大的情況下使用。隨鉆測量技術(shù)的測量對象包括鉆井軌跡井斜、方位、工具面這些關(guān)鍵參數(shù)，將該技術(shù)和一些功能比較特殊的測量短節(jié)結(jié)合應(yīng)用，可以對電阻率、扭矩、環(huán)空密度等和重要參數(shù)進行測量。轉(zhuǎn)子、定子中間的通道開關(guān)一旦有壓力脈沖產(chǎn)生，會有數(shù)據(jù)傳輸需求，此為井下信號，數(shù)據(jù)傳輸分為有線與無線兩種，適用于光纖、鉆井液、電磁波等工作情況。

根據(jù)化工領(lǐng)域隨鉆測量技術(shù)的應(yīng)用，總結(jié)該技術(shù)原理如下：接近鉆頭位置的井底組合鉆具安裝測量工具，貼近鉆頭之后可以測量得到數(shù)據(jù)，持續(xù)鉆進可以向地面?zhèn)鬏斝畔?，支持鉆進同時進行測量。目前，石油鉆井使用隨鉆測量技術(shù)涉及到很多比較復雜的系統(tǒng)，而且各個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能各異，常規(guī)隨鉆測量技術(shù)系統(tǒng)由信號遙測通道、信號與脈沖發(fā)生器、井下電源、參數(shù)傳感器、隨鉆測量地面系統(tǒng)組成，負責定向參數(shù)、地層評價參數(shù)、鉆井參數(shù)和安全鉆井參數(shù)的測量。

2 隨鉆測量技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

隨鉆測量技術(shù)在我國的起步比較晚，但是技術(shù)從研發(fā)開始一直到實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的時間其實比其他國家短，其間僅有5～10年的時間。我國市場中隨鉆測量有關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)相對成熟，例如電池驅(qū)動與渦輪發(fā)電驅(qū)動的裝置。以某頁巖氣工區(qū)為例，該工區(qū)普遍采用上述兩種隨鉆測量技術(shù)儀器，繪制自然伽馬實時傳輸曲線，幫助地質(zhì)導向者制定科學的決策，使該工區(qū)水平段1 500～2 300 m實現(xiàn)了穿越。2021年此工區(qū)作業(yè)共計儀器入井次數(shù)超過了200次，但故障率只有6.0%，大部分井儀器均為零故障，代表隨鉆測量技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)進入到成熟期[2]。

我國現(xiàn)有的高溫隨鉆測量技術(shù)儀器設(shè)備，在應(yīng)用中其耐溫條件已經(jīng)達到了175 ℃，而且在商業(yè)運作方面具有相對成熟的經(jīng)驗。很多企業(yè)開始進行隨鉆測量技術(shù)有關(guān)產(chǎn)品的自主研發(fā)，將高溫175 ℃條件下的繞組線性衰減問題很好地解決，而且體現(xiàn)出低功耗的功效，設(shè)備外徑僅有44.5 mm，在化工領(lǐng)域應(yīng)用具有良好的成效。對比國內(nèi)外關(guān)于隨鉆測量技術(shù)的研究，國外信息傳輸速率問題還沒有完全得到解決時，該技術(shù)的發(fā)展方向包括兩點，分別是旋轉(zhuǎn)導向與單元集成模塊化。其中旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)已經(jīng)非常成熟，提前設(shè)置井下儀器的若干個指令，達到雙向通信。按照實鉆軌跡選擇對應(yīng)指令執(zhí)行，此時可以利用閉環(huán)執(zhí)行機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)的同時定向控制軌跡[3]。單元集成模塊化集合若干個參數(shù)測量裝置，將其集成到一個單根，渦輪發(fā)電負責供電，集成時涉及到改進原本傳感器，使其更加穩(wěn)定，而且支持多個探頭與角度的測量，也能夠達到遠距離測量要求，了解到地層各個交界面和地層所有元素、密度與孔隙度的實際情況。

3 隨鉆測量技術(shù)的應(yīng)用要點

3.1 隨鉆測量技術(shù)參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)化工行業(yè)實踐發(fā)現(xiàn)，巖石、鉆孔關(guān)系很難進行精準定義，所有相關(guān)研究均是長期監(jiān)測數(shù)據(jù)之后，結(jié)合實際經(jīng)驗總結(jié)而來。雖然如此，鉆孔參數(shù)和巖性的聯(lián)系關(guān)系在主觀層面已經(jīng)認定為有密切的聯(lián)系。巖石孔隙、裂隙、不連續(xù)面比較多，即使是對一塊巖石取樣，要想對巖石建模也存在難度。受周圍環(huán)境溫度、含水率、圍壓等因素的影響，物理力學性質(zhì)并非為一個常量[4]。綜合考慮之后，建議利用鉆孔參數(shù)判斷巖石材料性質(zhì)指標的精準性。滲透率和巖石強度為正比例關(guān)系，但是也存在不連續(xù)面、裂縫、孔隙等因素的干擾。要想切實滿足鉆孔爆破的需求，符合數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)使用要求，可以采用隨鉆測量技術(shù)對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，在海量數(shù)據(jù)中得到有實際應(yīng)用價值的巖性數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)。這就需要全面了解鉆孔過程、鉆孔時需要能量、鉆孔環(huán)節(jié)所有參數(shù)和巖體強度特性聯(lián)系。

以此為前提可以劃分隨鉆測量技術(shù)參數(shù)的類別，主要有測量參數(shù)、計算參數(shù)、推導參數(shù)。鉆機設(shè)備應(yīng)用隨鉆測量技術(shù)時，轉(zhuǎn)速、振動等屬于直接測量參數(shù)，扭矩、滲透率屬于計算參數(shù)，推導參數(shù)一般與實際環(huán)境有關(guān)，按照鉆機、局部巖體性質(zhì)得出結(jié)算結(jié)果，作為校正的參考依據(jù)。在隨鉆測量技術(shù)相關(guān)參數(shù)中，深度、時間、扭矩、鉆速等比較常見，振動、流速和沖洗介質(zhì)壓力等其他參數(shù)，可能會結(jié)合實際研究結(jié)果決定是否包含在內(nèi)。此條件下的參數(shù)有兩種類型，即可控參數(shù)與不可控參數(shù)。例如，向下推力、鉆速是可控參數(shù)，滲透率、扭矩則為不可控參數(shù)[5]。巖石分類參數(shù)中滲透率比較常見，對于隨鉆測量技術(shù)而言也是如此。按照物理學原理，可以發(fā)現(xiàn)鉆頭具有快速穿透軟巖石的效果，所以鉆速一般會被當做巖石強度指標。滲透率這一參數(shù)在測量、分析中也具有極高的參考價值，例如某煤礦鉆孔監(jiān)測工作中，滲透率發(fā)生變化可以直觀了解到煤礦石、廢煤存在的界限。要想了解地質(zhì)條件，還可以關(guān)注到扭矩這一參數(shù)，有時扭矩受巖石強度影響，如果巖石強度增加，那么扭矩也會增加。通過回歸分析發(fā)現(xiàn)扭矩、抗壓強度為正相關(guān)關(guān)系。

3.2 隨鉆單元集成模塊化

隨鉆測量技術(shù)主要負責的是測量裸眼井段測量，具有可視化功能，可以直接了解到井段內(nèi)部實際情況。但是傳輸速率在此環(huán)節(jié)是非常重要的影響因素，采集參數(shù)還無法實現(xiàn)實時傳輸，建議采用單元集成測量模塊，不僅可以將測量得到的數(shù)據(jù)及時存儲，還在每趟鉆讀取和仿真處理等方面有明顯優(yōu)勢。單元集成模塊的主要應(yīng)用范圍包括有機碳量、孔隙度、礦物組、地層密度、地層應(yīng)力與傾角的測量與描述，為劃分儲集段提供依據(jù)，還可以支撐巖石力學的分析和評估，采集制定壓裂開采決策所需數(shù)據(jù)。

目前，我國采用單元集成模塊化，在實踐中面臨一些難點，集中在以下三個方面：第一，隨鉆測量傳感器的合理應(yīng)用。在儀器設(shè)備中，隨鉆測量傳感器屬于非常重要的部件之一。隨鉆測井實踐操作中需要用到的磁通計、加速度計和晶體，很大程度上依賴進口，采購傳感器總成轉(zhuǎn)變?yōu)椴少徤⒓儆杉夹g(shù)人員組裝、標定。站在客戶視角，這種方式有利于縮短維修周期，節(jié)約維修環(huán)節(jié)的成本。第二，高溫芯片與高溫材料。劃分的所有單元采集數(shù)據(jù)之后，要對所有數(shù)據(jù)進行整理、分析與處理，此環(huán)節(jié)便要用到高溫芯片。處于高溫環(huán)境下，導線、橡膠和連接點的特性一般不會發(fā)生明顯變化。但上述材料大多采用進口的形式，所以難免會存在一些限制，導致研發(fā)環(huán)節(jié)難度增加。第三，信息傳輸速率。分析鉆井液的屬性為傳輸介質(zhì)，傳輸隨鉆測量參數(shù)過程中，通常很少會受到地層、震動、壓力等因素的干擾。調(diào)整鉆探速度到3～5 min/m時，隨鉆測量伽馬、電阻率只能二者選其一。泥漿脈沖發(fā)生器和其他新型技術(shù)在隨鉆測量中的參與，不僅解決了該問題，也提高了信息傳輸速率。

3.3 隨鉆測量技術(shù)多元化應(yīng)用

隨鉆測量技術(shù)在化工領(lǐng)域應(yīng)用，技術(shù)引入的初期階段只是被應(yīng)用在爆破作業(yè)之前的巖體性質(zhì)表征處理，有利于提升此環(huán)節(jié)的效率。采集物探、地質(zhì)記錄的數(shù)據(jù)之后，將其與隨鉆測量技術(shù)監(jiān)測所得數(shù)據(jù)整合，自動生成巖體地下結(jié)構(gòu)、地質(zhì)力學數(shù)據(jù)，作為礦山開采問題的分析依據(jù)[6]。可見隨鉆測量技術(shù)在爆破、編制支護設(shè)計方案、礦體輪廓圈定等方面具有非常顯著的優(yōu)勢。例如，某煤礦的爆破孔鉆進環(huán)節(jié)使用隨鉆測量技術(shù)，現(xiàn)場鉆機運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過SE、礦區(qū)原始地層信息的對比，發(fā)現(xiàn)向下推力、巖石性質(zhì)變化聯(lián)系非常密切，尤其是鉆速、扭矩不變時，向下推力更是具有非常重要的意義。監(jiān)測鉆進環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，在爆破設(shè)計之前采集到豐富的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

因為牙輪鉆頭具有較高的成本效應(yīng)，所以采礦工程的使用也非常普遍。但是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場與井下信息的采集依然面臨問題，如地質(zhì)發(fā)生變化之后，鉆頭發(fā)生磨損或是鉆機操作不合理，上述有關(guān)信息缺失直接降低了鉆孔效率。結(jié)合實際操作經(jīng)驗，對鉆頭軸向振動進行監(jiān)測，獲取牙輪鉆頭運行狀態(tài)[7]。觀察過程中發(fā)現(xiàn)鉆頭磨損之后，鉆頭振動頻率峰值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l。以此為前提，針對牙輪鉆頭的軸向振動構(gòu)建動力學模型，對鉆頭磨損狀態(tài)做出評估，觀察并分析鉆頭軸向振動得到的模擬結(jié)果，并對比實際結(jié)果，發(fā)現(xiàn)建模這一方法的有效性，明確鉆頭更換的最佳時間，使鉆機運行效率得到提升。評估鉆頭磨損程度這一方面，對比鉆頭實際鉆進性能、理論性能，發(fā)現(xiàn)鉆頭狀態(tài)可以掌握現(xiàn)場環(huán)境，并科學計算得出巖石強度。若隨鉆測量技術(shù)可以采集到現(xiàn)場的數(shù)據(jù)、計算巖石強度，便可以與測井獲得巖石強度展開對比。

鉆孔作業(yè)發(fā)出的聲音信號可以作為巖石抗壓強度的估算依據(jù)，室內(nèi)環(huán)境下應(yīng)用小型氣動式鉆機。因為地層之間存在差異，同一類鉆機產(chǎn)生的噪聲也會不同，所以聲級變化分別對應(yīng)不同的巖石類型，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)可以挑選相應(yīng)的炸藥類型，調(diào)整爆破設(shè)計方案。是由當活塞和鉆具、鉆具和巖石發(fā)生相互作業(yè)，便會產(chǎn)生低頻聲級。鉆機排氣聲級頻率一般在125 ～2 000 Hz之間。噪聲頻譜的高頻段推力、聲級也有十分密切的聯(lián)系，如果在室內(nèi)環(huán)境下可能會存在其他聲音信號的干擾，無法直觀了解到聲音信號與現(xiàn)場情況的關(guān)系?；谏鲜鰧﹄S鉆測量技術(shù)應(yīng)用的討論，要想在化工領(lǐng)域充分發(fā)揮出該技術(shù)的優(yōu)勢，還需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況與技術(shù)應(yīng)用要求做出調(diào)整[8]。

4 隨鉆測量技術(shù)發(fā)展前景

市場經(jīng)濟在各行各業(yè)均表現(xiàn)出極為直觀的效果，尤其促進了市場供給與創(chuàng)新?；ゎI(lǐng)域也是如此，隨鉆測量技術(shù)與隨鉆測井技術(shù)在行業(yè)中的期望指數(shù)始終較高，為了適應(yīng)不斷變化的行業(yè)發(fā)展趨勢，必須要明確未來隨鉆測量技術(shù)的前景。由鉆頭、實時傳輸速率、穩(wěn)定性是隨鉆測量技術(shù)普遍關(guān)注的三個要點，今后隨鉆測量技術(shù)的創(chuàng)新與改善也有明確的方向。

(1)實時數(shù)據(jù)傳輸效率將不斷提升。一般隨鉆測量技術(shù)的傳輸速率在3 bit/s左右，自然伽馬、中子、密度一類的常規(guī)測井數(shù)據(jù)均可以實現(xiàn)實時傳輸。如果傳輸速率在6 bit/s及以上，便可以實現(xiàn)成像、邊界探測這一類大數(shù)據(jù)流量數(shù)據(jù)的傳輸。根據(jù)技術(shù)實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率影響因素以機械鉆速、隨鉆測量的傳輸速率為主，定向鉆井作業(yè)中的高隨鉆傳輸速率更是非常重要，可以消除機械鉆速對測量效率的限制。

(2)隨鉆測量技術(shù)穩(wěn)定性顯著增加。電子元器件本身必須具有耐高溫、耐高壓的性質(zhì)，而且可以抵抗磁干擾，這在今后隨鉆測量技術(shù)的改進中都是非常必要的切入點[9]。

(3)鉆頭測量技術(shù)存在深度突破點，未來技術(shù)將實現(xiàn)調(diào)整井眼軌跡的實時追蹤，在隨鉆識別油氣、導向等方面做出調(diào)整與創(chuàng)新，促使油層鉆遇率得以提高。

(4)隨鉆測量技術(shù)的測量將更加全面，測量結(jié)果精確性、可視化程度也將不斷變化，尤其是在探邊與成像技術(shù)這一方面。我國很多化工項目應(yīng)用隨鉆傳感器，該設(shè)備專利技術(shù)很多是由國外購入，今后將更加關(guān)注本土技術(shù)的研究，節(jié)省技術(shù)成本，達到全方位自主研發(fā)的目的，隨鉆測量技術(shù)可以適應(yīng)更加復雜的工作環(huán)境。

(5)隨鉆測量技術(shù)已經(jīng)十分先進，但依然需要不斷完善與升級，建議參考國外的成功經(jīng)驗[10]。其他國家研究隨鉆測量技術(shù)獲得了成功的應(yīng)用成果，尤其是對隨鉆測量技術(shù)的升級與拓展。例如無線隨鉆測量技術(shù)，要想不斷提升井下探測實力，應(yīng)用無線隨鉆測量技術(shù)便需要不斷總結(jié)經(jīng)驗，參考國外研發(fā)、應(yīng)用無線隨鉆測量技術(shù)的成功經(jīng)驗，大力研發(fā)MWD無線隨鉆斜測儀等儀器設(shè)備，提高我國隨鉆測量技術(shù)水平，逐步與世界先進技術(shù)接軌。

(6)今后關(guān)于隨鉆測量技術(shù)的應(yīng)用與改進，還需要關(guān)注技術(shù)的自主研發(fā)。隨鉆測量儀器具有多種功能，而且這種綜合性儀器設(shè)備，在鉆井與自控等方面也表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，具有高科技特征。盡管隨鉆測量儀器研發(fā)環(huán)節(jié)依然存在大量的風險，而且需要較多的資金，但是實際上我國已經(jīng)可以進行該技術(shù)和相關(guān)設(shè)備的自主研發(fā)，基本上滿足隨鉆測量操作的要求。為此，今后隨鉆測量技術(shù)和儀器應(yīng)該進一步加大自主研發(fā)力度，開發(fā)更加多元化的功能[11]。

(7)關(guān)于隨鉆測量技術(shù)與儀器的自主研發(fā)，應(yīng)該更加關(guān)注合作研究?；诂F(xiàn)有行業(yè)自主研發(fā)環(huán)境，需要在現(xiàn)有隨鉆測量技術(shù)基礎(chǔ)上提出創(chuàng)新建議[12]。其一，除了隨鉆測量領(lǐng)域的人才外，還需與其他行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)型人才相結(jié)合，吸收國外關(guān)于隨鉆測量技術(shù)的先進經(jīng)驗，發(fā)揮合作的力量進一步提高隨鉆測量技術(shù)先進性。其二，自主研發(fā)過程中，應(yīng)該發(fā)揮相關(guān)政策的輔助作用，開發(fā)隨鉆測量技術(shù)在信息化、自動化、數(shù)字化行業(yè)環(huán)境下的新著手點，綜合隨鉆測量技術(shù)資源，研發(fā)更加多元化的機械儀器型號，改進近鉆頭式測量儀器結(jié)構(gòu)與功能，為井下測量工作提供便利條件，并且進一步提高隨鉆測量技術(shù)精準度與應(yīng)用穩(wěn)定性，發(fā)揮出對于石油工程測量的優(yōu)勢與價值。通通自主研發(fā)合作理念的創(chuàng)新，推進隨鉆測量技術(shù)的快速發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，隨鉆測量技術(shù)是目前化工領(lǐng)域常用技術(shù)手段，具有實時跟蹤、高效率等諸多優(yōu)勢。結(jié)合目前國內(nèi)外對于隨鉆測量技術(shù)的研究成果，今后在實操過程中還需要深入探究，以加強隨鉆測量技術(shù)穩(wěn)定性、實時傳輸效率等為目標，不斷優(yōu)化隨鉆測量技術(shù)使用效果，為化工行業(yè)提供先進技術(shù)支持，而且也能夠全面實現(xiàn)我國隨鉆測量技術(shù)自主研發(fā)與創(chuàng)新。