應力波隨鉆測量技術研究進展

1、應力波隨鉆測量技術研究進展羅維摘要：隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，鉆井信息化、井筒可視化成為人們迫切的要求，現(xiàn)有的泥漿脈沖、電磁等無線數據傳輸技術已不能滿足技術發(fā)展的要求，應力波井筒數據傳輸技術成為近年國內外的研究熱點之一，中國石油西部鉆探克拉瑪依鉆井研究院成功研制了具有獨立知識產權的應力波隨鉆測量系統(tǒng)工業(yè)樣機，本文闡述了應力波隨鉆測量系統(tǒng)（S-MWD的構成及工作原理，室內試驗情況，分析了試驗數據及應力波信號傳輸的影響因素，論述了強噪聲背景下微弱應力波信號的混沌振子檢測方法，試驗結果表明應力波隨鉆測量技術的發(fā)展前景是廣闊的。關鍵詞：應力波井筒數據傳輸隨鉆混沌振子檢測近年來隨著空氣、霧化、泡沫、充

2、氣泥漿等特種鉆井技術的迅猛發(fā)展，以及控壓鉆井、導向鉆具等新技術的開展對隨鉆測量與數據傳輸的要求越來越高，現(xiàn)有的基于泥漿脈沖和電磁波的傳輸系統(tǒng)，不僅在傳輸速率或傳輸距離上不能滿足要求，而且對鉆井流體或地層特性具有選擇性要求，因此存在很大局限性，基于應力波的無線無線傳輸技術成為研究熱點，美國太陽石油公司（SunOilCompany）1948年開始研究，日本國家石油公司1996年利用磁致伸縮換能器傳輸1914m（l連續(xù)鋼鉆桿），傳輸速率10bps,哈里伯頓（Halliburton）2000年非隨鉆系統(tǒng)等，國內有哈爾濱工業(yè)大學研究了油管聲波傳輸，西北工業(yè)大學研究了基于雙旋轉振子的聲波油管傳輸方法，清華

3、大學開展了基于聲波導原理的聲波傳輸原理研究，中國石油大學（華東）與勝利油田聯(lián)合開展了近鉆頭短傳研究，目前以進入現(xiàn)場試驗階段，中國石油西部鉆探克拉瑪依鉆井工藝研究院開展了應力波數據傳輸技術研究，開發(fā)的基于淺層應力波傳輸的隨鉆測量系統(tǒng)（CS-MWD）進入試驗階段。1、CS-MWD統(tǒng)構成及工作原理應力波（Stresswaves）是指具有慣性和可變形性的固體，在受到隨時間變化的外載荷作用時，質點之間發(fā)生相對運動（變形）而產生的相互作用（應力）。地震波，固體中的聲波、超聲波，以及沖擊波等都是應力波的常見例子。因此可以通過地層或鉆具的變形應力波動來傳輸信號，因此通過應力波信號傳輸數據不受鉆井流體及地層特性

4、影響，可廣泛應用于各種鉆井方式。淺層應力波傳輸的隨鉆測量系統(tǒng)（CS-MWD）的井下發(fā)射機將來自傳感器的數據進行編碼調制、功率放大，由發(fā)射換能器將載荷作用到鉆柱上，應力波沿鋼制鉆柱向上傳播；安裝在鉆臺以上的旋轉鉆柱上的接收換能器將應力波信號通過調頻電磁波轉發(fā)到地面接收機，同時接收的還有現(xiàn)場振動噪聲和環(huán)境聲波噪聲，信號和兩類噪聲都經過低噪聲放大器放大后，經模數轉換后由計算機進行信號處理及數據分析，結果送司鉆顯示器等終端設備。CS-MWD的通信系統(tǒng)構成如圖1所示。加速度計言通門通信控制信號編碼信號調制功率匏大井下發(fā)射機發(fā)射換命囂地面接收機圖1CS-MWD通信系統(tǒng)示意圖淺層應力波傳輸的隨鉆測量系統(tǒng)（C

5、S-MWD）可分為五個子系統(tǒng)：井下數據采集（由三軸加速度計、三軸磁通門等傳感器構成）；井下信號發(fā)射機；鉆柱轉發(fā)器；地面信號接收機，地面數據處理及輸出終端。井下應力波信號發(fā)射機、鉆柱轉發(fā)器及地面信號處理方法是關鍵技術。CS-MWD系統(tǒng)的基本構成如圖2所示。圖2CS-MWD系統(tǒng)示意圖井下應力波信號發(fā)射有磁致伸縮激勵、壓電陶瓷激勵、機械激勵、爆炸激勵、激光激勵、CS-MWD系統(tǒng)采用溫度激勵等多種方式，其中壓電陶瓷激勵易于實現(xiàn)且激勵效率高，所以壓電陶瓷激勵方式。井下發(fā)射換能器由專門設計的鉆鋌構成，兩個半環(huán)激勵振子對扣成環(huán),包裹在鉆臺凹槽內，由保護筒密封防護。CS-MWD系統(tǒng)井下儀器總成如圖3所示。圖3

6、CS-MWD系統(tǒng)井下儀器總成示意圖CS-MWD系統(tǒng)與泥漿脈沖MWD和電磁MWD比較，有以下特點：不受鉆井流體影響，可用于水基鉆井液、油基鉆井液、氣體及充氣鉆井液；不受鉆井液流量、流變性能以及含砂量、含氣量等方面的影響；不受地層特性影響，可以使用于各種地層；不循環(huán)鉆井液時也能夠進行數據傳輸；系統(tǒng)結構簡單、井下儀器總成無活動零部件，可靠性好；井下儀器總成無易損件，使用成本低。2、CS-MWD統(tǒng)樣機的地面試驗通過研究鉆柱應力波傳輸特性、CS-MWD系統(tǒng)設計、機械設計、電子設計及軟件設計、與地面試驗，中國石油西部鉆探克拉瑪依鉆井工藝研究院于2008年4月底研制成功了應力波井筒數據傳輸系統(tǒng)原理樣機。于2

7、008年4月23日至5月17日在克拉瑪依鉆井工藝研究院試驗基地分別進行了鉆桿，230m鉆桿，10m螺桿數據傳輸地面試驗，接收到的應力波信號強，接收效果良好。7月3日7月17日進行了旋轉鉆柱轉發(fā)器試驗，接收的無線信號清晰，效果良好。7月20日至8月25日進行了抗干擾仿真試驗，取得了良好的效果。表1CS-MWD樣機地面試驗概況時間試驗目的試驗地點傳輸介質測量距離/m備注2008-4-24性能測試鉆研院廠區(qū)鉆桿230信號強度2008-5-7功能測試鉆研院廠區(qū)鉆桿230數據加載2008-5-7性能測試試驗基地螺桿12信號強度2008-5-15功能測試試驗基地螺桿12數據加載2008-7-12旋轉影響試

8、驗基地空氣9數據轉發(fā)2008-8-21振動影響試驗基地螺桿12干擾仿真試驗過程采用16bps速率傳輸速率，在靜止狀態(tài)傳輸同步信號穩(wěn)定，誤碼率為零，在人造干擾時，同步信號鎖定漂移，誤碼率有一定上升，經改進后試驗，大幅提高了抗干擾性能，通過500多小時的地面試驗表明，靜態(tài)條件下應力波數據傳輸效果非常好，動態(tài)條件下誤碼率有所上升，但依然能夠有效傳輸數據，據此，經過改進設計的工業(yè)樣機，正在進行加工。3、試驗結果分析使用鉆柱應力波傳輸數據我們主要關心應力波的頻率特性和能量衰減特性，由于鉆柱在長度方向和徑向的幾何結構的周期性，使得它在傳輸應力波時呈現(xiàn)梳狀濾波器特性，絲扣的松緊程度和鉆桿幾何尺寸不可能完全一

9、致等復雜因素導致與理論計算有較大差距，主要表現(xiàn)在通帶的位置和寬度上，因此必須經過實際測試確定通頻帶優(yōu)選才能有效傳輸數據，由于試驗過程中先對通帶進行了測試優(yōu)選，這里主要分析能量衰減特性。應力波的主要衰減有擴散衰減、散射衰減和吸收衰減三中。散射衰減系數：asc=8A（a）3f4由公式可見其與頻率的4次方成正比，試驗頻率在2000Hz以下，因此散射衰減可忽略，吸收衰減系數與頻率的關系:Ct3ca，。二3i34才一1由于衰減系數與頻率的平方成正比，因此頻率選擇不應過高，在此也可以忽略,擴散衰減系數:1aL二aLb擴散衰減是應力波衰減的主要方式，為方便起見，主要以擴散衰減來分析試驗數據，依據多層平面透射

10、理論以及換能器匹配層計算,則：兩界面透射率均為98.3%,因此T可取0.983,P02P=TaLb式中，Po為發(fā)射換能器發(fā)射信號幅值；a、b為擴散衰減中和鋼管性能、結構相關的系數;p為接收換能器接收信號幅值；L為傳輸距離；T為透射率。表2真實鉆桿信號衰減表鉆桿長度0m9.245.523012m接收信號強度4560mV500.7mV240mV65.58mV455mV230m圖5應力波在鉆桿中傳輸230m后接收到的波形圖6理論計算的應力波在250m鉆桿中的衰減圖7理論計算的應力波在1000m鉆桿中的衰減圖8理論計算的應力波在7000m鉆桿中的衰減可以看出，在傳輸距離較小的時候，應力波衰減較快，而在

11、傳輸距離較長以后，衰竭速度會慢慢下降，通過實驗和計算，可以得出利用應力波在鉆柱中長距離傳輸信號是可行的。4、CS-MWD術的前景及趨勢我國擁有面積的低壓、低滲油氣藏及深層油氣資源，深層油氣鉆探通常要鉆遇高研磨性、極堅硬地層，氣體鉆井是解決上述難題的有效手段。發(fā)達國家氣體鉆井數量遠大于我國，因此氣體鉆井具有很大發(fā)展空間。在淺層稠油資源開發(fā)上，CS-MWD使用成本比MWD低，具有經濟效益好的特點。然而，應力波傳輸技術也有自身的弱點，傳輸距離大于3000m需要加中繼才能完成信號傳輸，因此使用會受到限制。雖然CS-MWD已經取得了突破性進展，但仍出于研究試驗階段，還需要不斷的改進和完善，需要在以下幾個

12、方面取得重要進展：(1)通過優(yōu)化壓電激勵器與鉆柱的耦合效率，提高能量利用率，提高應力波信號的傳輸距離；(2)提高強背景噪聲下的信號檢測能力，增強抗干擾性能；(3)研制適用于氣體鉆井的井下發(fā)電機及高容量電池，提高信號發(fā)射功率和系統(tǒng)的連續(xù)工作時間，(4)擴展測量功能功能，主要是近鉆頭地質參數測量；(5)實現(xiàn)地面與井下雙向傳輸功能。復雜地質條件所帶來的鉆井技術難題及氣體鉆井、控壓鉆井及導向鉆井等工藝技術的推廣應用為應力波井筒數據傳輸技術提供了有利的契機和發(fā)展空間。隨著該技術的發(fā)展，其適應性將會提高，優(yōu)勢得到顯現(xiàn)，應力波井筒數據技術必將成為隨鉆測量領域中的一項重要技術。5、結論(1) CS-MWD是解

13、決氣體鉆井及各種充氣鉆井中隨鉆測量問題的主要技術手段，隨著氣體鉆井數量的迅速增加，對CS-MWD的需求將更加凸顯，此外，淺層稠油的開發(fā)使用CS-MWD也可帶來良好的效益。(2) CS-MWD可用于各種鉆井液，且不受鉆井液流量、含砂量、含氣量等影響，無需循環(huán)鉆井液即可實施隨鉆測量，具有結構簡單，可靠性好、使用成本低的特點。(3) 地層、鉆頭振動、地面環(huán)境、發(fā)射功率和通帶頻率、接收機靈敏度和接收傳感器布置方式、強背景噪聲下的微弱信號檢測能力等都對應力波信號傳輸和CS-MWD性能產生影響，其中振動和扭轉應力是主要的影響因素。(4) CS-MWD近期的發(fā)展是提高抗干擾能力，增加測量深度和井下電源研究提高井下發(fā)射機工作時間，CS-MWD將成為今后隨鉆測量領域中的一項重要技術。參靠文獻：1劉修善，楊國春，涂玉林等我國電磁