隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

1隨鉆測(cè)量系統(tǒng)隨著鉆孔測(cè)量（mwd）系統(tǒng)，鉆頭附近的相關(guān)參數(shù)可以自動(dòng)連續(xù)測(cè)量，并傳輸?shù)降匕迳希员氵M(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、處理和打印，這為下一步施工的基礎(chǔ)。在地質(zhì)鉆探、石油鉆井中,特別是受控定向斜井和大位移水平井中,隨鉆測(cè)量系統(tǒng)是連續(xù)監(jiān)測(cè)鉆井軌跡、及時(shí)糾偏必不可少的工具。MWD的信號(hào)傳輸方式分為有線(電纜)和無(wú)線兩種。電纜方式的優(yōu)點(diǎn)是可直接向井內(nèi)傳感器供電,實(shí)現(xiàn)井內(nèi)和地表設(shè)備之間的雙向通訊,實(shí)時(shí)性好,數(shù)據(jù)傳輸率高。但電纜往往影響正常鉆進(jìn)過(guò)程。無(wú)線方式不使用電纜,是定向鉆井技術(shù)發(fā)展歷程中的一個(gè)里程碑。導(dǎo)向鉆進(jìn)和自動(dòng)定向鉆進(jìn)等現(xiàn)代鉆探技術(shù)都以無(wú)線方式為基礎(chǔ)。2種方式無(wú)線MWD按傳輸通道分為泥漿脈沖、電磁波和聲波三種方式,最新的組合式目前還處在研究階段。其中泥漿脈沖和電磁波方式已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中,以泥漿脈沖式使用最為廣泛。2.1鉆井液含砂量的確定泥漿脈沖系統(tǒng)借助鉆井液的壓力波來(lái)傳送信號(hào),對(duì)鉆井液有嚴(yán)格的要求:含砂量<1%~4%,含氣量<7%。泥漿脈沖系統(tǒng)的信息傳輸方式有壓力正脈沖、負(fù)脈沖和諧波式三種。2.1.1傳感器和水力泵如圖1所示(其中:1-定心裝置;2-閥門;3-水力放大器活塞;4-發(fā)生器;5-多級(jí)渦輪;6-電纜;7-防震器;8-發(fā)射器和傳感器),壓力正脈沖MWD的井內(nèi)儀器由發(fā)射器和裝在防震器7中的傳感器8組成。發(fā)射器(脈沖器)產(chǎn)生與傳感器8所發(fā)信號(hào)對(duì)應(yīng)的鉆井液壓力正脈沖。當(dāng)鉆井液流通孔被閥門連通時(shí),便會(huì)產(chǎn)生壓力正脈沖。水力放大器的活塞3推動(dòng)帶錐形柱塞的碟形閥門2,渦輪發(fā)電機(jī)給傳感器8和水力放大器的線圈閥門、水力泵——閥門2提供能量。MWD系統(tǒng)的接收部分安裝在鉆機(jī)主動(dòng)鉆桿中,其傳感器可測(cè)出的壓力脈沖幅值為0.35~0.70MPa。帶渦輪鉆具的MWD系統(tǒng)工作時(shí),只要有鉆井液在循環(huán)就能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。用轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí),必須讓鉆具停止回轉(zhuǎn)1.5min才能進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)參數(shù)的發(fā)射要持續(xù)近50s,而以數(shù)字編碼方式發(fā)送全部信息要2.5min。2.1.2旁路閥門5提供初始?jí)毫等鐖D2所示(其中:1-外殼;2-水流過(guò)濾器;3-閥門;4-電力線圈;5-旁路孔;6-鉆具外環(huán)空間),在壓力負(fù)脈沖發(fā)射器中,當(dāng)一部分鉆井液經(jīng)閥門旁路流向管外空間時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力負(fù)脈沖。旁路閥門5打開的時(shí)間很短暫,僅為0.25~1.0s,突然使壓力急劇下降。壓力降則沿著鉆井液液柱傳至地表。為了形成壓力負(fù)脈沖的信息通道,必須在管內(nèi)、外空間之間建立初始?jí)毫?。在鉆桿壁上有一個(gè)連接鉆柱管內(nèi)外空間的閥門,當(dāng)閥門打開很短時(shí)間(0.25~1.0s)時(shí)便產(chǎn)生脈沖。脈沖的下降值取決于鉆井泵高壓管線中的壓力降。水力壓力脈沖的前沿坡度為5~6MPa/s。在井內(nèi)儀器中裝有參數(shù)檢測(cè)傳感器、編碼電路和由閥門和大功率線圈組成的脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)。井內(nèi)儀器消耗的能量很小,用小功率發(fā)電機(jī)即可滿足要求。同時(shí),該MWD系統(tǒng)的工作實(shí)際上不影響鉆井液的沖洗規(guī)程。2.1.3以連續(xù)壓力波的形式發(fā)送信息的mwd系統(tǒng)(1)回轉(zhuǎn)閥門的設(shè)計(jì)如圖3所示(其中:1-膜盒;2-耐磨襯套;3-回轉(zhuǎn)式閥門;4-定子;5-接頭;6-聯(lián)軸節(jié);7-雙相電機(jī);8-密封隔板;9-帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的傳感器;10-襯套;11-定子蓋板;12-定子;13-密封圈;14-發(fā)電機(jī);15-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器;16-電源塊;17-行星齒輪減速器;18-彈性聯(lián)軸節(jié);19-密封),用于產(chǎn)生連續(xù)壓力波的回轉(zhuǎn)閥門3啟動(dòng)后,系統(tǒng)便開始形成?；剞D(zhuǎn)閥門的運(yùn)動(dòng)垂直于流體,所以它的驅(qū)動(dòng)能量最小。為了使MWD系統(tǒng)處于最佳狀態(tài),必須減小壓力的脈動(dòng)程度(鉆井液的干擾)。專用的壓力補(bǔ)償器可把壓力脈動(dòng)降至小于0.007MPa。發(fā)送信息時(shí),閥門以固定的轉(zhuǎn)數(shù)回轉(zhuǎn),發(fā)出與高精度時(shí)間傳感器同步的信號(hào)。當(dāng)閥門在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)加速或滯后的情況時(shí),相位互換(在0.1s內(nèi)出現(xiàn)相位偏移180°),產(chǎn)生頻率為24Hz的信號(hào)。閥門3由雙相電機(jī)7和發(fā)射調(diào)節(jié)器15驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)。發(fā)出信號(hào)的相位由向調(diào)節(jié)器發(fā)出反饋信號(hào)的傳感器控制。通過(guò)改變信號(hào)的相位便可實(shí)現(xiàn)編碼。在發(fā)送信息的過(guò)程中,閥門以固定的頻率回轉(zhuǎn),產(chǎn)生與高精度時(shí)間傳感器同步的信號(hào)。為了以24Hz的頻率發(fā)送信號(hào),閥門的轉(zhuǎn)子以144r/min的速率回轉(zhuǎn)。被傳輸信號(hào)的幅值在0.105~0.350MPa的范圍內(nèi)。壓力傳感器采集到的信號(hào),將在地表接收裝置中被濾波、放大,恢復(fù)同步脈沖的次序與信號(hào)的相位。由相敏元件及其積分電路來(lái)識(shí)別相位位移并譯碼。(2)流道內(nèi)的渦流桿非工作地位,單次作用下的切向速度在鉆桿內(nèi)裝有4只渦流脈沖閥,閥的端部裝有兩只電磁線圈,線圈的電磁鐵心接在控制桿上,而另一端裝有一個(gè)壓力補(bǔ)償膜片,使外部壓力與線圈套內(nèi)的靜液壓力處于平衡狀態(tài)。由外部壓力和線圈發(fā)熱等引起的內(nèi)部液體膨脹或收縮,也由該膜片予以補(bǔ)償。當(dāng)渦流閥的節(jié)流桿處于非工作位置(圖4,A)時(shí),液體流線以閥輸入口的中心線為對(duì)稱線流動(dòng),由于是徑向流動(dòng),通過(guò)閥腔的壓力通常比渦流閥入口處的壓力低,液體在閥腔內(nèi)受到的阻力最小,此時(shí)可認(rèn)為閥處于開啟狀態(tài)。當(dāng)井底傳感器發(fā)出的信號(hào)使電磁線圈通電時(shí),電磁鐵心就帶動(dòng)控制桿及渦流閥的節(jié)流桿(圖4,B),對(duì)渦流閥進(jìn)行節(jié)流。由于節(jié)流破壞了閥腔內(nèi)液流的自然對(duì)流,于是液流便產(chǎn)生切向速度分量。根據(jù)能量守恒定律,閥腔內(nèi)形成渦流時(shí),向心沖量要求切向速度隨著旋轉(zhuǎn)半徑的減小而增大,這就使得閥腔流道內(nèi)的低速液流(壓力高)和閥中心的高速液體(壓力低)之間產(chǎn)生了很大的壓差。當(dāng)渦流形成時(shí),液體在閥內(nèi)受到的阻力最大,便有一個(gè)壓力脈沖波產(chǎn)生。隨著新渦流的不斷形成,便產(chǎn)生了一系列的脈沖波。這些脈沖波幅通過(guò)鉆井液以聲速傳到地面。2.2激發(fā)單炮激發(fā)井內(nèi)儀器該系統(tǒng)把一個(gè)類似低頻天線的電磁波發(fā)射器裝在井內(nèi)儀器中,通過(guò)遠(yuǎn)離鉆機(jī)的電極來(lái)接收由井底發(fā)至地面的信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是:信息傳輸速度比水力通道快;對(duì)鉆井液的質(zhì)量要求和鉆探泵的不均勻性要求更低;對(duì)正常鉆進(jìn)沒(méi)有干擾;與其它方法相比,準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單,起下鉆時(shí)也能傳輸井下資料。缺點(diǎn)是:信號(hào)衰減大,只能傳播低頻電磁波,易受井場(chǎng)電氣設(shè)備的干擾和巖石電阻率的影響。由于鉆井空間狹小,電磁波發(fā)射實(shí)際只有垂直天線(沿鉆桿的軸向電流)和垂直磁天線(繞鉆桿的水平電流環(huán)激勵(lì)沿鉆桿方向的磁場(chǎng))兩種激勵(lì)方式。激勵(lì)軸向電流最簡(jiǎn)單而有效的方法就是使特制的鉆桿成為用絕緣接頭連接的兩段結(jié)構(gòu),由激勵(lì)器輸出的電壓通過(guò)密封接頭饋于兩段,形成一種類似雙極天線的地下非對(duì)稱雙極激勵(lì)裝置。最合適的井下激勵(lì)方式為激勵(lì)沿鉆桿引導(dǎo)的軸向電流。俄羅斯的電磁波式井底遙測(cè)系統(tǒng)(ZTS)包括井內(nèi)儀器和地表裝置。井內(nèi)儀器組成如圖5所示(其中:1-鉆鋌;2-井內(nèi)儀器;3-下接頭;4-隔離器;5-分流裝置;6-安全接頭;7-工作接頭;8-扶正器;9-過(guò)濾器外套;10、11-接頭;12-過(guò)濾器;13-測(cè)斜儀;14-電纜倉(cāng))。在井內(nèi)儀器組合中加了過(guò)濾器外套9以后,使整個(gè)鉆具的長(zhǎng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度(12m)。隔離器4使鉆具分成互相絕緣的上下兩部分,從而形成天線的兩極。2.3頻率改變的作用該系統(tǒng)利用聲波傳播機(jī)理來(lái)工作。當(dāng)鉆柱、鉆頭與井底相互作用時(shí),鉆柱中會(huì)出現(xiàn)縱向彈性波。能監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)是巖石破碎工具的回轉(zhuǎn)頻率,其中主要是牙輪的振動(dòng)諧波。由于振動(dòng)的幅值和頻率與牙輪的磨損程度具有相關(guān)性,所以可據(jù)此來(lái)判斷工具的狀態(tài)。當(dāng)鉆進(jìn)規(guī)程保持不變時(shí),信號(hào)的幅值變化情況還可以反映巖石的力學(xué)性質(zhì)。由于信號(hào)在鉆桿柱中傳播衰減很快,所以在鉆桿柱內(nèi)每隔400~500m要裝一個(gè)中繼站。聲學(xué)信息通道的缺點(diǎn):傳送的信息量少,類似于噪聲的聲學(xué)信號(hào)不可能給出準(zhǔn)確的工藝解釋,信號(hào)隨深度衰減很快。3高質(zhì)量井研技術(shù)隨著受控定向斜井、分支井和大位移水平井等鉆井技術(shù)的迅猛發(fā)展,美、俄、法、英的無(wú)線MWD技術(shù)日趨完善,其井內(nèi)儀器已經(jīng)系列化并大面積推廣應(yīng)用。(1)斯倫貝謝公司用其新的SlimPulse回收式MWD系統(tǒng)解決了深水平井作業(yè)面臨的高溫、高壓兩大難題。在意大利Villafortuna-Trecate油田,用SlimPulseMWD技術(shù)鉆成了世界上最深的水平采油井。最終井深達(dá)6421m,井斜角89.6°。創(chuàng)造了在垂深6062m、井斜角85°~90°的條件下水平鉆進(jìn)184m的世界紀(jì)錄。(2)PrecisionDrillingCo