EM-MWD信號(hào)在泡沫中透射機(jī)理及其應(yīng)用研究

摘要自2003年以來(lái)，我國(guó)成為居美國(guó)之后的第二大石油消費(fèi)國(guó)。2005年我國(guó)成為繼美國(guó)、日本之后的第三大石油進(jìn)口國(guó)。大量石油消費(fèi)和進(jìn)口已嚴(yán)重影響我國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度并嚴(yán)重威脅我國(guó)國(guó)防安全。因此，我國(guó)必須采取積極有效的措施發(fā)展石油鉆采新技術(shù)，提高石油產(chǎn)量。欠平衡鉆井具有減少產(chǎn)層傷害、有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)低壓低滲油氣層、大幅度提高機(jī)械鉆速、有效控制漏失、減少壓差卡鉆等優(yōu)點(diǎn)，因此欠平衡鉆井成為目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)低壓、低滲、低產(chǎn)油氣層的一種趨勢(shì)。采用欠平衡鉆井技術(shù)與定向井、水平井、大位移井技術(shù)結(jié)合可以大幅度提高經(jīng)濟(jì)效益。這種結(jié)合技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一是鉆進(jìn)過(guò)程中的井底測(cè)量信號(hào)傳輸問(wèn)題，欠平衡鉆井所采用的配套鉆井液技術(shù)之一為氣基流體低壓鉆井介質(zhì)系列（空氣鉆井、霧、泡沫、充氣泥漿），然而國(guó)內(nèi)常用的泥漿脈沖式MWD由于信號(hào)通道存在多相流體狀態(tài)干擾導(dǎo)致難以向地面?zhèn)鬏敎y(cè)量信號(hào)達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井眼軌跡和識(shí)別地層的要求。電磁波式MWD（又可簡(jiǎn)稱(chēng)為EM-MWD）是通過(guò)井底儀器發(fā)射電磁波信號(hào)到地面天線獲取數(shù)據(jù)，對(duì)鉆井液要求遠(yuǎn)沒(méi)有泥漿脈沖式MWD要求高，所以電磁波式MWD在欠平衡鉆井中具有廣闊前景。與歐美等國(guó)的電磁波式MWD相比，俄羅斯電磁波式MWD價(jià)格相對(duì)低廉，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）是國(guó)內(nèi)首個(gè)引進(jìn)俄羅斯電磁波式MWD（ZTS系列）的單位，已在勝利油田、大陸科鉆、遼河油田使用常規(guī)鉆井液的鉆井中進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，并取得了一定的成績(jī)。電磁波式MWD儀器上下兩端通過(guò)電隔離器絕緣，發(fā)射的信號(hào)以鉆桿柱為一路，地層為一路在地表形成回路，地面接收裝置接收信號(hào)進(jìn)行解碼。向地層傳播的這一路信號(hào)必須首先穿透環(huán)空介質(zhì)，再向地層中傳播。國(guó)內(nèi)的欠平衡鉆井中還未采用電磁波式MWD系統(tǒng)進(jìn)行鉆井作業(yè)，特別是國(guó)內(nèi)欠平衡鉆井廣泛采用泡沫鉆井液，電磁波式MWD發(fā)射的電磁波信號(hào)能否穿透鉆井環(huán)空的泡沫介質(zhì)再向地層中傳播還沒(méi)有研究。本文旨在通過(guò)分析電磁波式MWD工作原理，泡沫鉆井液的結(jié)構(gòu)以及在實(shí)驗(yàn)室中配制油田常用泡沫鉆井液并測(cè)試其電導(dǎo)率；同時(shí)以超低頻電磁波近場(chǎng)電路特性、電磁波衰減理論、電磁波反射理論分析欠平衡鉆井中環(huán)空介質(zhì)為泡沫時(shí)，影響電磁波MWD向地層透射信號(hào)的機(jī)理。介紹了美國(guó)電磁波式MWD在欠平衡井的應(yīng)用，并詳細(xì)介紹俄羅斯電磁波式MWD（ZTS系列）在中國(guó)的應(yīng)用，分析其適用于欠平衡鉆井需解決的問(wèn)題。全文共分七章，各章的研究?jī)?nèi)容如下：第一章緒論部分。主要介紹課題的來(lái)源、課題研究的目的和意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、課題的難點(diǎn)以及課題主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線。第二章泥漿脈沖式MWD應(yīng)用局限性。主要介紹欠平衡鉆井的類(lèi)型、優(yōu)越性，泥漿脈沖式MWD工作原理，以及其在欠平衡鉆井中的局限性。第三章電磁波式MWD相關(guān)理論。首先介紹了電磁波式MWD工作原理，然后分析電磁波式MWD通信的等效線傳輸法。最后分析影響電磁波式MWD信號(hào)傳輸?shù)囊蛩?，其中包括鉆桿的引導(dǎo)作用、激勵(lì)源頻率、地層電阻率、特制鉆桿天線參數(shù)與激勵(lì)電流關(guān)系、表層金屬套管以及環(huán)空介質(zhì)電阻率。第四章泡沫及其電導(dǎo)率研究。首先在介紹泡沫流體組成的基礎(chǔ)上，分析了泡沫鉆井液的結(jié)構(gòu)。詳細(xì)介紹了筆者進(jìn)行的室內(nèi)泡沫鉆井液的電導(dǎo)率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泡沫鉆井液電導(dǎo)率研究所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,確定了泡沫電導(dǎo)率（電阻率）值的范圍。第五章電磁波在泡沫中的傳輸模型。通過(guò)超低頻電磁波近場(chǎng)電路特性、電磁波在介質(zhì)傳播的衰減理論和反射理論建立的模型，分析了環(huán)空泡沫影響電磁波信號(hào)向地層透射的因素。因素之一是泡沫電阻使電磁波分流，之二是泡沫對(duì)電磁波吸收，之三是泡沫的多相結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的嚴(yán)重反射。第六章EM-MWD應(yīng)用研究。首先介紹了美國(guó)幾家公司生產(chǎn)的EM-MWD系統(tǒng)在欠平衡鉆井現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，然后詳細(xì)分析俄羅斯EM-MWD（ZTS系列）的結(jié)構(gòu)特征，以及在勝利油田、遼河油田生產(chǎn)試驗(yàn)情況，最后分析俄羅斯EM-MWD適用于欠平衡鉆井需解決的問(wèn)題。第七章結(jié)論與建議。在總結(jié)和歸納全文的基礎(chǔ)上，對(duì)今后的工作提出建議和對(duì)策。關(guān)鍵詞：電磁波式MWD；環(huán)空泡沫；電導(dǎo)率；透射；應(yīng)用StudyonEM-MWDsignaltransmissionmechanisminfoamandapplicationMasterCandidate：JIFengSupervisor：YANTai-ningAbstractSince2003,ChinahasbecomeasthesecondlargestoilconsumingcountriesafterUnitedStates.In2005,ChinahasbecomeasthethirdlargestoilimportingcountriessubsequenttoUnitedStatesandJapan.LargeoilconsumptionandimportseriouslyimpactedtheeconomicgrowthrateofChinaandthreatenedournationalsecurity.Therefore,Chinamusttakepositiveandeffectivemeasuresforthedevelopmentofnewoildrillingandproductiontechnologytoincreaseoilproduction.Underbalanceddrillinghavemanyadvantagessuchasreducepayformationharmed,timelyidentifyandevaluatelowpressureandlowpermeabilityreservoirs,significantlyenhancethepenetrationrate,effectivecontrolleakageandreducedifferentialpipesticking,soithasbeentrendasthecurrentdomesticdevelopmentoflowpressure,lowpermeabilityandlowreservoir.Underbalanceddrillingtechnologyassociatedwithdirectionalwell,horizontalwell,andextendedreachwelltechniquecangreatlyimproveeconomicefficiency.Oneofthekeyproblemsinthiscombinativetechnologyisthemeasuredsignaltransmissiondownholeindrilling.Oneofthefluidtechniquesusuallyusedinunderbalanceddrillingisthelow-pressuregas-baseddrillingfluidmediumSeries(air,mist,foam,aeration).However,mud-pulseMWDcommonlyusedinChinaisdifficulttotransmitmeasuredsignaltosurfacetoachievereal-timemonitoringwelltrajectoryandidentifyingformationbecauseofdisturbancefrommultiphasefluidinsignalchannel.InEM-MWD,thedownholeinstrumentsendselectromagneticsignalstothesurfaceantennaandreceivesdata,therequirementoffluidismuchlowerthanmud-pulseMWD,andthereforeEM-MWDhasboardprospectsinunderblanlanceddrilling.ComparedwithEuropeandUnitedStates,RussianEM-MWDispaidlower.ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan)firstlyimportedtheRussianEM-MWD(ZTS)inChina,whichhasproductiontestedinShenglioilfield,CCSD,Liaoheoilfieldandhaveachievedsomeresults.EM-MWDtopandbottomendsareinsulatedbyelectricaldivider,electromagneticsignalsbuilduploopthroughdrillstringandformation,thesurfaceequipmentreceiveanddecodesignals.Thesignalstransmissionbyformationmustfirstlypenetrateannularmedium,thenspreadformation.Inchina,thereisnoEM-MWDusedinunderblanceddrilling,itiswidelyusedfoamdrillingfluidinunderbalanceddrillingandtheelectromagneticsignalsofEM-MWDwhethercanpenetrateannularfoamtoformationhasnotbeenresearched.ThispaperseekstoanalyzetheoperatingprinciplesofEM-MWD,thestructureoffoam,makeupfoamusedinoilfieldandtestitselectricconductivity.Meanwhile,studyonthemechanismofimpactEM-MWDsignaltransmissiontoformationwhenusingfoaminannularmediuminunderbalanceddrillingbyultralowfrequencyelectromagneticwavenearfieldelectriccircuitcharacteristic,theattenuationandreflectiontheoriesofelectromagneticwave.ItintroducestheUnitedStatesEM-MWDapplicationintheunderbalanceddrilling,detaileddescribestheRussianEM-MWD(ZTStype)applicationinChina,analyzeshowtosolveproblemswhenRussianEM-MWDappliedinunderbalanceddrilling.Thepaperhassevenchapters,andthemaincontentsofeachchapterareasfollows:,researchgoal,significance,domesticandforeignresearchpresentsituation,theresearchdifficulties,themainresearchcontentsandtechnicalroute.Thesecondchapterthemud-pulseMWDlimitationinunderbalanceddrilling.Itcontainstheunderbalanceddrillingtypes,advantages,theprincipleofmud-pulseanditslimitationusedinunderbalanceddrilling.ThethirdchapterdiscussestheEM-MWDrelatedtheories.FirstintroducetheoperationalprinciplesofEM-MWD,andthenintroducetheeffectivetransmissionlinemethod.Finally,analyzestheaffectingfactorsofEM-MWDsignaltransmission，includingtheleadroleofdrillpipe,excitationfrequency,formationresistivity,therelationshipbetweenspecialdrillpipeantennaparametersandexcitationcurrent,surfacemetalcasingandannularmedium.Theforthchapterfoamanditsconductivityresearch.First,analyzesthefoamdrillingfluidstructureonthebasisofintroductioninthecompositionoffoam.Thenitintroducesthefoamconductivitytestinthelaboratoryindetailandanalyzestheobtaineddatacombinedwiththepresentsituationofthedomesticandforeignscholars’researchonfoamconductivity.Thefifthchapterdiscussestheelectromagneticwavetransmissionmodelinfoam.Makingmodelbyultralowfrequencyelectromagneticwavenearfieldelectriccircuitcharacteristic,theattenuationandreflectiontheoryofelectromagneticwave,andanalyzestheinfluencesofEM-MWDsignaltransmissionfromannulartoformation.Itincludesthreefactors.Thefirstiselectromagneticwavepartialcurrentbecauseoffoamresistivity,thesecondiselectromagneticwaveabsorbedbyfoamandthethirdiselectromagneticwavebeingreflectedseriouslybecauseoftheheterogeneousstructureoffoam.ThesixthchapterEM-MWDapplication.FirstitintroducesapplicationintheUnitedStatesseveralcompanies’EM-MWDsysteminunderbalanceddrilling.ThendetailedanalyzestructuralcharacteristicoftheRussianEM-MWD(ZTStype)andtheproductiontestsinShengliOilfieldandLiaoheoilfield.FinallyanalyzeshowtosolveproblemswhenusingRussianEM-MWDinunderbalanceddrilling.Theseventhchapterisconclusionsandrecommendations.Tosumupthewholepaperandgivesomesuggestionsforfurtherstudy.KeyWords：EM-MWD;annularfoam;conductivity;transmission;application

目錄第一章緒論 1§1.1論文的來(lái)源 1§1.2論文研究的目的和意義 1§1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3.1電磁波式MWD系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 21.3.2電磁波傳輸特性研究現(xiàn)狀 41.3.3電磁波在欠平衡鉆井介質(zhì)中傳輸特性研究現(xiàn)狀 4§1.4課題研究面臨的困難 5§1.5課題主要研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線 5第二章泥漿脈沖式MWD應(yīng)用局限性 7§2.1欠平衡鉆井 72.1.1欠平衡鉆井的類(lèi)型與應(yīng)用范圍 72.1.2欠平衡鉆井的優(yōu)越性 8§2.2泥漿脈沖式MWD應(yīng)用局限性 92.2.1泥漿脈沖式MWD工作原理 92.2.2含氣量對(duì)泥漿脈沖信號(hào)傳輸速度的影響 102.2.3泥漿脈沖式MWD在欠平衡井中的不適應(yīng)性 11第三章電磁波式MWD理論 12§3.1電磁波式MWD的工作原理 12§3.2電磁波式MWD通信的等效線傳輸法 13§3.3影響電磁波傳輸?shù)闹饕蛩?16第四章泡沫及其電導(dǎo)率研究 21§4.1泡沫流體理論 214.1.1低密度流體及其分類(lèi) 214.1.2泡沫流體優(yōu)點(diǎn) 214.1.3泡沫流體組成 224.1.4泡沫微觀結(jié)構(gòu) 244.1.5泡沫雙層膜理論 26§4.2泡沫電導(dǎo)率室內(nèi)研究 264.2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備 264.2.2試驗(yàn)配方 274.2.3試驗(yàn)步驟 28§4.3數(shù)據(jù)分析 31第五章電磁波在泡沫中傳播模型 33§5.1超低頻近場(chǎng)電路分析 33§5.2電磁波衰減特性分析 33§5.3電磁波反射特性分析 355.3.1電磁波在介質(zhì)中的阻抗 355.3.2電磁波在分層介質(zhì)介面處的反射與傳輸 365.3.3環(huán)空泡沫介質(zhì)中電磁波反射計(jì)算 39第六章EM-MWD應(yīng)用研究 41§6.1美國(guó)電磁波式MWD應(yīng)用 416.1.1Schlumberger公司EM-MWD 416.1.2weatherford公司EM-MWD 426.1.3其它公司EM-MWD 42§6.2俄羅斯電磁波式MWD應(yīng)用 436.2.1儀器結(jié)構(gòu)與特征參數(shù) 436.2.2ZTS在勝利油田應(yīng)用 456.2.3ZTS在遼河油田應(yīng)用 46§6.3ZTS適用于欠平衡鉆井需解決的問(wèn)題 526.3.1電源問(wèn)題 526.3.2減小電磁波衰減問(wèn)題 536.3.3減小隔離器的磨損問(wèn)題 536.3.4近鉆頭測(cè)量 54第七章結(jié)論及建議 55§7.1主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)與研究成果 557.1.1論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 557.1.2論文的主要研究成果 55§7.2展望與建議 56致謝 57參考文獻(xiàn) 58PAGE12季鋒：EM-MWD信號(hào)在泡沫中透射機(jī)理及其應(yīng)用研究2007.052007.05中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文PAGE11第一章緒論§1.1論文的來(lái)源欠平衡鉆井技術(shù)已成為二十一世紀(jì)鉆井的一種趨勢(shì)，由于目前泥漿脈沖式MWD不適合在欠平衡鉆井中使用，而電磁波式MWD對(duì)泥漿的要求不高，所以引進(jìn)開(kāi)發(fā)適合中國(guó)國(guó)情的電磁波式MWD迫在眉捷。本課題為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）、北京合康科技發(fā)展有限公司聯(lián)合引進(jìn)俄羅斯沙瑪拉地平線公司電磁波式MWD項(xiàng)目及科學(xué)鉆探國(guó)家專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室2006年開(kāi)放課題—電磁波式MWD信號(hào)傳輸特性研究的重要組成部分?！?.2論文研究的目的和意義自2003年以來(lái)，中國(guó)成為居美國(guó)之后的第二大石油消費(fèi)國(guó)。2005年我國(guó)進(jìn)口原油1.27億噸，進(jìn)口量仍居美國(guó)、日本之后，繼續(xù)成為世界第三大原油進(jìn)口國(guó)。2006年我國(guó)原油進(jìn)口量達(dá)到1.45億噸,專(zhuān)家預(yù)測(cè)2007年中國(guó)的石油進(jìn)口量為1.55億噸。在當(dāng)前形勢(shì)下，加速我國(guó)石油工業(yè)發(fā)展，提高國(guó)產(chǎn)石油產(chǎn)量，加強(qiáng)石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備，已成為我國(guó)政府和人民關(guān)注的熱點(diǎn)?！笆晃逡?guī)劃建議”明確提出要加強(qiáng)國(guó)內(nèi)石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)，增強(qiáng)資源的地質(zhì)儲(chǔ)量，規(guī)范開(kāi)發(fā)秩序，實(shí)行合理開(kāi)采和綜合利用，健全資源有償使用制度，積極擴(kuò)大資源開(kāi)發(fā)和技術(shù)利用的國(guó)際合作。同時(shí)建議在工程技術(shù)和軟件、裝備研發(fā)領(lǐng)域提出要發(fā)展欠平衡鉆井、氣體鉆井和水平井技術(shù)，穩(wěn)定并加大研發(fā)頂驅(qū)、成套測(cè)井裝備等核心技術(shù)產(chǎn)品[1～7]。

基于目前能源的嚴(yán)峻形勢(shì)，我國(guó)必須采取積極有效的措施發(fā)展石油鉆采新技術(shù)，提高石油產(chǎn)量。然而，我國(guó)大部分油田處于開(kāi)發(fā)后期，油層已動(dòng)用多年，目的層壓力普遍偏低，在鉆井過(guò)程中，由于鉆井液密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于儲(chǔ)層壓力系數(shù)，長(zhǎng)時(shí)間的鉆井液浸泡，造成嚴(yán)重的油層污染。如何有效開(kāi)發(fā)低壓、低滲油氣田，避免在鉆井過(guò)程中造成油層污染，甚至造成永久性污染，避免鉆井過(guò)程中的井漏、壓差卡鉆等問(wèn)題是各油田急待解決的課題[8～9]。欠平衡鉆井能有效的解決上述問(wèn)題，另外運(yùn)用該技術(shù)還可以降低完井成本和及時(shí)發(fā)現(xiàn)油氣、提前生產(chǎn)油氣，提高油氣采收率[10～14]。然而，欠平衡技術(shù)鉆進(jìn)定向井、水平井以及大位移井存在一個(gè)問(wèn)題，即如何實(shí)時(shí)采集鉆井過(guò)程中的井眼軌跡參數(shù)。過(guò)去作業(yè)者采用不同的方式采集和分析井下數(shù)據(jù)，以便對(duì)該油層進(jìn)行分析得出結(jié)論，其中國(guó)內(nèi)占主導(dǎo)地位的泥漿脈沖式MWD系統(tǒng)采用水力信息通道，通信的結(jié)果可靠，但對(duì)鉆井液有嚴(yán)格的要求（含砂量＜1%～4%，含氣量7%），且對(duì)含氣量特別敏感。在應(yīng)用欠平衡鉆井技術(shù)鉆井時(shí)，所采用的循環(huán)介質(zhì)通常為氮?dú)?、天然氣、霧、泡沫和充氣鉆井液，氣體的可壓縮性導(dǎo)致壓力脈沖信號(hào)變形使地面很難檢測(cè)到正確的信號(hào)[15～17]。欠平衡井具有常規(guī)鉆井不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是此技術(shù)在定向井、水平井、大位移井中的應(yīng)用卻發(fā)展緩慢，究其原因之一是泥漿脈沖式MWD不適于欠平衡鉆井使用的循環(huán)介質(zhì)中工作，目前國(guó)內(nèi)在采用欠平衡鉆井技術(shù)鉆定向井、水平井、大位移井時(shí)，獲得井眼軌跡參數(shù)方法有兩個(gè)：一是，必須停鉆采用電子單點(diǎn)、多點(diǎn)測(cè)斜儀；二是，采用有纜式隨鉆測(cè)斜儀；這兩種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力[18～20]。電磁波式MWD（又可稱(chēng)之為EM-MWD）是通過(guò)發(fā)射電磁波到地面的天線獲取返回的數(shù)據(jù)，天線捕捉到的信息為代碼，信息代碼又通過(guò)通信線傳送給安裝在鉆機(jī)上的電磁遙測(cè)隨鉆測(cè)量設(shè)備。電磁波式MWD工具不會(huì)受流量、固相含量和流體其它性能影響。系統(tǒng)由于對(duì)鉆井液沒(méi)有嚴(yán)格的要求，因此電磁波式MWD在欠平衡鉆井的應(yīng)用具有較大的發(fā)展空間。電磁波式MWD工具不會(huì)受流量、固相含量和其它流體的性能等影響，主要是指它可以不借助鉆井介質(zhì)為信號(hào)通道。電磁波式MWD儀器中間通過(guò)電隔離器絕緣，發(fā)射的信號(hào)以鉆桿柱為一路，地層為一路在地表形成回路，地面接收裝置接收信號(hào)進(jìn)行解碼。向地層傳播的這一路信號(hào)必須首先穿透環(huán)空介質(zhì)，再向地層中傳播。目前，國(guó)內(nèi)欠平衡鉆井廣泛采用泡沫鉆井液，電磁波式MWD發(fā)射的電磁波信號(hào)能否穿透環(huán)空中的泡沫介質(zhì)再向地層中傳播還沒(méi)有研究。本課題主要研究環(huán)空欠平衡泡沫鉆井液影響電磁波MWD信號(hào)向地層透射的機(jī)理，為電磁波式MWD適用于欠平衡泡沫鉆井的可行性提供理論依據(jù)。§1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1電磁波式MWD系統(tǒng)研究現(xiàn)狀MWD系統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式分為有線（電纜）和無(wú)線兩種。有線方式的優(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。無(wú)線MWD系統(tǒng)按傳輸通道分為泥漿脈沖、電磁波和聲波三種方式。早在上世紀(jì)30年代，人們就開(kāi)始了MWD技術(shù)的理論和試驗(yàn)研究。1939年一種使用電纜的電測(cè)井系統(tǒng)試驗(yàn)成功，但未能進(jìn)行商業(yè)性的應(yīng)用。1963年，J.J.Arps發(fā)明了泥漿脈沖的傳輸方法，才使MWD技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。1977年，用泥漿壓力脈沖傳輸信息的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)日趨成熟，已基本具備了商業(yè)價(jià)值。1978年，Teleco公司首次將批量生產(chǎn)的泥漿脈沖式MWD系統(tǒng)投入現(xiàn)場(chǎng)試用。1980年初，Schlumberger生產(chǎn)了一套比較實(shí)用的MWD系統(tǒng)，并在現(xiàn)場(chǎng)使用獲得成功。上世紀(jì)80年代初期，泥漿脈沖傳輸方式的無(wú)線MWD技術(shù)在世界范圍內(nèi)開(kāi)始了推廣應(yīng)用[21～24]。電磁波法可追溯到本世紀(jì)40年代初期，但最早是應(yīng)用于煤礦安全和軍事方面。上世紀(jì)70年代初期，我國(guó)也曾獨(dú)立研究過(guò)無(wú)線MWD技術(shù)。當(dāng)時(shí)采用的是通過(guò)大地傳輸電磁波方式，信號(hào)的傳輸深度達(dá)到了1200m。但是，后來(lái)研究工作因故停止[25～27]。上世紀(jì)70年代初實(shí)用型電磁波式MWD系統(tǒng)工具研制成功后，在鉆井工程中始終未得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)時(shí)的電磁波MWD系統(tǒng)有兩個(gè)主要問(wèn)題使其應(yīng)用范圍受到限制，一是遙測(cè)深度小于3000m；二是在可靠性方面不太穩(wěn)定。造成這兩個(gè)問(wèn)題的主要原因是地層電阻率的變化，當(dāng)同一深度的井處于不同的地層時(shí)其環(huán)空周?chē)牡貙与娮杪视兄艽蟮牟町悾沁@種差異嚴(yán)重影響了鉆柱中的信號(hào)電流；另一方面，整個(gè)鉆柱是由單根鉆桿連接而成，鉆桿與鉆桿連接螺紋之間存在接觸電阻，由于接觸電阻的大小隨鉆井時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)變化，進(jìn)而影響了鉆柱中信號(hào)電流的穩(wěn)定性。為了解決這些問(wèn)題，上世紀(jì)90年代電磁波式MWD系統(tǒng)研制的主要方向是：擴(kuò)展井底發(fā)射器的發(fā)射范圍，由此出現(xiàn)了新一代Extended-Range電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)工具，即擴(kuò)展限程電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。從原理上看擴(kuò)展限程電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可分為兩種類(lèi)型：一種是發(fā)射天線延伸型；另一種是信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)型。發(fā)射天線延伸型電磁波式MWD系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)井下發(fā)射器到達(dá)一定的深度接近于它的發(fā)射極限時(shí)由地面通過(guò)鉆柱的通道送下一長(zhǎng)電纜，長(zhǎng)電纜的下端與井下發(fā)射器的發(fā)射天線對(duì)接，使這根長(zhǎng)電纜成為延伸發(fā)射天線，加裝延伸天線后它的上端更接近地面，從而達(dá)到減少信號(hào)衰減提高遙測(cè)深度的目的。信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)型電磁波式MWD系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)井下發(fā)射器到達(dá)一定的深度接近于它的發(fā)射極限時(shí)在鉆柱上加裝信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)器，在這中繼轉(zhuǎn)發(fā)器中有接收器和發(fā)射器，當(dāng)井底發(fā)射器發(fā)出數(shù)據(jù)信號(hào)被中繼轉(zhuǎn)發(fā)器的接收器接收后對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，放大后的信號(hào)再由發(fā)射器發(fā)出，隨著深度的增加不斷加裝中繼轉(zhuǎn)發(fā)器[28～31]。目前歐美致力于研發(fā)這兩種類(lèi)型的電磁波式MWD，具有代表性公司以及產(chǎn)品名稱(chēng)見(jiàn)表1-1。表1-1歐美具有代表性電磁波式MWD生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品名稱(chēng)國(guó)家公司名稱(chēng)產(chǎn)品名稱(chēng)美國(guó)ScientificDrillingE-FIELDMWDSperrySunEM-MWDSchlumbergerE-PulseWeatherfordTrendSETMWD加拿大RyanEM-MWDPhoenixCTLEM-MWDNQLBlackstarEM-MWD英國(guó)CryotonEM-MWDGeolinkEM-MWD俄羅斯也開(kāi)展了電磁波式MWD系統(tǒng)的研究，在電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上取得了突破。由于俄羅斯電磁波式MWD系統(tǒng)無(wú)需中繼站，技術(shù)更先進(jìn)、實(shí)用。俄羅斯沙瑪拉地平線研制的ZTS系列電磁波式MWD系統(tǒng)于1987～1990年進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，在3個(gè)油田的20口井內(nèi)完成了93個(gè)井次的生產(chǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)的深度范圍為50～2200m。試驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在控制定向斜井和水平井軌跡方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。隨后，俄羅斯不斷對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善，系統(tǒng)的各項(xiàng)性能不斷得到提高，測(cè)量的水平位移超過(guò)1000m，最大深度超過(guò)了4000m。電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)自80年代末研制成功以來(lái)，已有近140套用于獨(dú)聯(lián)體各國(guó)的油氣生產(chǎn)企業(yè)[32～33]。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）緊跟石油工業(yè)的發(fā)展步伐，在多方論證，反復(fù)比較的基礎(chǔ)上，在學(xué)?！?11辦”的支持下，于2002年引進(jìn)了先進(jìn)的俄羅斯沙瑪拉地平線公司的ZTS系列電磁波式MWD系統(tǒng)。ZTS電磁波式MWD系統(tǒng)可將反映井底軌跡方向、地層特性參數(shù)的低頻電磁波信號(hào)傳至地面。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，而目前價(jià)格僅為歐美泥漿脈沖式MWD系統(tǒng)和電磁波式MWD系統(tǒng)的1/2左右。該系統(tǒng)購(gòu)進(jìn)后中石油、中石化、勝利油田、江漢油田等研究所和油田的專(zhuān)家對(duì)此非常感興趣。該系統(tǒng)分別于2002年10月、2003年11月和2006年4月在中國(guó)大陸科學(xué)鉆探現(xiàn)場(chǎng)、勝利油田和遼河油田使用常規(guī)鉆井液的鉆井中進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，三次生產(chǎn)試驗(yàn)表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，各個(gè)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。1.3.2電磁波傳輸特性研究現(xiàn)狀電磁波式MWD的電磁波傳輸特性主要指電磁波信號(hào)傳輸?shù)淖畲罂蓽y(cè)深度、電磁波信號(hào)在不同地層電阻率、不同信號(hào)發(fā)射頻率時(shí)的衰減特性。國(guó)外對(duì)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的電磁波傳輸特性提出了各種理論模型和數(shù)值計(jì)算的方法。如1978年，HillDa和WaitJr在提出了長(zhǎng)電極模型；1971年，P.B.Johns提出了傳輸線模型；1992年，\o"one-clicksearch"MaekawaT和\o"one-clicksearch"ShimadaT等人提出了能模擬有耗媒質(zhì)中電磁波衰減特性的計(jì)算機(jī)模擬方法，1994年，ZhangYongmin在提出了電磁波傳輸特性的時(shí)域模型和計(jì)算機(jī)反演技術(shù)[34～40]。國(guó)內(nèi)對(duì)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的電磁波傳輸特性也開(kāi)展了大量的理論研究工作。上世紀(jì)90年代初，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所陳志雨、夏明耀等人開(kāi)展了有耗媒質(zhì)中的極低頻傳播及信息傳遞研究。該項(xiàng)目研究是針對(duì)電磁波隨鉆測(cè)量這一應(yīng)用背景的，理論模型是有耗媒質(zhì)中的非對(duì)稱(chēng)電偶極，該模型預(yù)測(cè)了在各種條件下地面的場(chǎng)強(qiáng)及其分布規(guī)律。在理論方法上，該項(xiàng)目采用了多種方法來(lái)研究這個(gè)模型，有由基爾霍夫公式出發(fā)的邊界元法；利用Banos關(guān)于半空間電短偶極的積分方程和矩量法；考慮了分區(qū)媒質(zhì)模型，通過(guò)鏡像法和廣義Heaviside函數(shù)得到電流分布積分方程法；直接由拉普拉斯方程出發(fā)的穩(wěn)流場(chǎng)法等。上世紀(jì)90年代，中國(guó)電波傳播研究所熊皓、胡斌杰等人討論了隨鉆測(cè)量電磁傳輸信道激勵(lì)方式及物理模型[41～43]；應(yīng)用改進(jìn)的等效傳輸線法與電極法，研究了影響地面電極檢測(cè)電壓的信道參數(shù)，給出了隨鉆電磁信道最大可測(cè)深度與地層電阻率、工作頻率及井場(chǎng)干擾噪聲的關(guān)系。與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較表明，所用理論模型能較好地預(yù)測(cè)隨鉆電磁信道的主要特性。國(guó)內(nèi)開(kāi)展的上述研究主要側(cè)重于電磁波的理論研究，試驗(yàn)也是在利用已鉆好的鉆井內(nèi)進(jìn)行的，并未采用電磁波式MWD系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)鉆的隨鉆測(cè)量試驗(yàn)。1.3.3電磁波在欠平衡鉆井介質(zhì)中傳輸特性研究現(xiàn)狀由前述可知，目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)電磁波式MWD信號(hào)傳輸規(guī)律的研究主要集中在地層和發(fā)射頻率對(duì)電磁波信號(hào)的影響。電磁波信號(hào)首先要穿透井眼環(huán)空中的鉆井介質(zhì)，再向地層中傳播，如圖1-1。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于環(huán)空介質(zhì)影響電磁波信號(hào)向地層透射的機(jī)理研究還沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。圖1-1電磁波式MWD信號(hào)穿透環(huán)空介質(zhì)至地層示意圖§1.4課題研究面臨的困難目前國(guó)內(nèi)外主要是研究電磁波信號(hào)在地層中傳輸特性，而鉆井環(huán)空介質(zhì)影響電磁波信號(hào)向地層透射機(jī)理還未見(jiàn)有報(bào)道，特別是泡沫鉆井液是固、液、氣三相流體與常規(guī)連續(xù)流體介質(zhì)以及純空氣介質(zhì)相比存在較大區(qū)別。泡沫鉆井液對(duì)電磁波信號(hào)影響主要有以下幾個(gè)方面：泡沫鉆井液電阻率影響電磁波信號(hào)向地層透射的機(jī)理；泡沫鉆井液蜂窩狀結(jié)構(gòu)影響電磁波信號(hào)向地層透射的機(jī)理；環(huán)空泡沫影響電磁波信號(hào)向地層透射模型的建立，可借鑒的資料少；在分析環(huán)空泡沫鉆井液影響電磁波信號(hào)向地層透射時(shí)將會(huì)用到大量復(fù)雜的電磁波理論公式。§1.5課題主要研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線在收集和分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，從泥漿脈沖式MWD在欠平衡井使用局限性出發(fā)到美國(guó)電磁波式MWD在欠平衡鉆井的應(yīng)用，以及俄羅斯電磁波式MWD（ZTS系列）在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用及其適用于欠平衡井需改進(jìn)問(wèn)題，論文研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線如圖1-2。電磁波式電磁波式MWD相關(guān)理論電磁波式MWD工作原理電磁波信號(hào)等效傳輸線法欠平衡鉆井應(yīng)用范圍及優(yōu)越性泡沫流體理論泡沫及其電導(dǎo)率研究泡沫電導(dǎo)率室內(nèi)試驗(yàn)泡沫影響電磁波傳輸?shù)哪Ｐ鸵噪姶挪▊鞑ニp理論分析以電磁波傳播反射理論分析EM-MWD應(yīng)用研究欠平衡鉆井用ZTS系統(tǒng)需改進(jìn)問(wèn)題ZTS在勝利、遼河油田的使用情況結(jié)論及建議欠平衡鉆井及泥漿脈沖應(yīng)用局限性泥漿脈沖式MWD應(yīng)用局限性影響電磁波信號(hào)傳播的因素以超低頻電磁波近場(chǎng)電路分析圖1-2論文研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線第二章泥漿脈沖式MWD應(yīng)用局限性§2.1欠平衡鉆井2.1.1欠平衡鉆井的類(lèi)型與應(yīng)用范圍常規(guī)鉆井是井筒內(nèi)循環(huán)體體柱壓力大于地層的過(guò)平衡鉆井，而欠平衡鉆井就是在井筒內(nèi)循環(huán)體（鉆井液）的體柱壓力相當(dāng)于或低于地層（油氣層）壓力下，保證鉆井作業(yè)繼續(xù)安全進(jìn)行的鉆井工藝技術(shù)，也有人稱(chēng)之為“負(fù)壓鉆井技術(shù)”。也可以說(shuō)就是人為的控制泥漿密度使之既不至于因密度過(guò)小而引起井噴、又不至于因密度過(guò)大而壓死油氣層的“欠平衡或近平衡”狀態(tài)下進(jìn)行的鉆井作業(yè)工藝技術(shù)。欠平衡鉆井分為兩種類(lèi)型，即流鉆和人工誘導(dǎo)的欠平衡鉆井.所謂流鉆欠平衡鉆井，就是用合適密度的鉆井液（包括清水、混油鉆井液、原油、柴油、添加空心固體材料鉆井液等）進(jìn)行欠平衡鉆井；而人工誘導(dǎo)欠平衡鉆井，就是用充氣鉆井液、泡沫、霧，甚至用氣體作為循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行的欠平衡鉆井。欠平衡鉆井按不同的方法可分為以下三種[12]：1、按鉆井循環(huán)的密度分類(lèi)：一般而言，當(dāng)?shù)貙訅毫Ξ?dāng)量密度大于或等于1.10g/cm3，用流鉆欠平衡鉆井，否則可用人工誘導(dǎo)欠平衡鉆井。這兩類(lèi)方法不是絕對(duì)的，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況選擇。例如當(dāng)井較深、環(huán)空截面積很小，即便地層壓力當(dāng)量密度為1.10g/cm3，由于循環(huán)鉆井液時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)壓耗很大，也可能要用人工誘導(dǎo)法才能實(shí)現(xiàn)欠平衡；若用原油（或油包水、水包油）作循環(huán)介質(zhì)，當(dāng)井淺時(shí)，即使地層壓力當(dāng)量密度低于1.00g/cm3，也能實(shí)現(xiàn)流鉆欠平衡鉆井。在美國(guó)奧斯汀，曾用密度高達(dá)1.80g/cm3的鉆井液欠平衡鉆開(kāi)地層壓力當(dāng)量壓力2.04g/cm3的儲(chǔ)層。我國(guó)青海油田開(kāi)2井欠平衡鉆井液的密度達(dá)到1.50g/cm3以上。在有些探區(qū)，也有用欠平衡鉆井的設(shè)備和工藝解決部分井漏或又溢又漏的復(fù)雜鉆井問(wèn)題，如國(guó)內(nèi)的塔里木探區(qū)就曾用密度為2.04g/cm3的鉆井液進(jìn)行欠平衡鉆井，以解決又漏又溢的復(fù)雜情況；也有用欠平衡鉆井設(shè)備和工藝來(lái)針對(duì)一般較穩(wěn)定的地層或非主要產(chǎn)品進(jìn)行搶鉆以提高機(jī)械鉆速，如四川地區(qū)就有用清水搶鉆的例子。實(shí)踐證明，只要條件允許，運(yùn)用得當(dāng)，這些都是可行的。2、按工藝分類(lèi)：可分為液體、氣體、霧、泡沫、充氣欠平衡鉆井技術(shù)和泥漿帽鉆井技術(shù)。采用常規(guī)鉆井液（包括水基、油基以及有固相和無(wú)固相鉆井液）的欠平衡鉆井技術(shù)為液體欠平衡鉆井技術(shù)。欠平衡鉆井技術(shù)對(duì)應(yīng)的密度為：①氣體鉆井：包括空氣、天然氣、廢氣和氮?dú)忏@井，密度適用范圍為0～0.02g/cm3。②霧化鉆井：密度適用范圍為0～0.02g/cm3，氣體體積混合物體積為96%～99%。③泡沫鉆井：密度適用范圍為0.04～0.6g/cm3，井口加回壓可達(dá)0.8g/cm3以上，氣體體積混合物體積為55%～99%。④充氣鉆井：包括通過(guò)鉆桿和井下注氣兩種方式。井下注氣是通過(guò)寄生管、同心管在鉆進(jìn)的同時(shí)往鉆井液中連續(xù)注氣。密度適用范圍為0.7～0.9g/cm3或更高，氣體體積低于混合物體積的55%。⑤油包水或水包油鉆井液鉆井：密度適用范圍為0.8～1.0g/cm3。⑥淡水或鹵水鉆井液鉆井：密度適用范圍為1.0～1.30g/cm3。⑦常規(guī)鉆井：密度適用范圍大于1.10g/cm3。⑧泥漿帽鉆井：用于地層較深的高壓裂縫儲(chǔ)層或高含硫化氫的氣層，是另類(lèi)欠平衡鉆井技術(shù)。3、按用途分類(lèi)：IADC（國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)）欠平衡鉆井\完井和修井委員會(huì)提出的欠平衡鉆井分類(lèi)：0級(jí)—只提高鉆井作業(yè)速度和保證鉆井作業(yè)安全，不存在含碳?xì)浠衔锏牡貙印?級(jí)—井內(nèi)流體依靠自身的能量不能流到地面，井眼穩(wěn)定并且從安全角度來(lái)說(shuō)屬低級(jí)危險(xiǎn)情況。2級(jí)—井內(nèi)流體依靠自身的能量可以流到地面，但是利用常規(guī)的壓井方法可以有效制止，并且在設(shè)備嚴(yán)重失效的情況下也只能產(chǎn)生有限的后果。3級(jí)—地?zé)岷头翘細(xì)浠衔锏拈_(kāi)采。最大關(guān)井壓力低于旋轉(zhuǎn)控制頭等作業(yè)設(shè)備的額定工作壓力，設(shè)備嚴(yán)重失效會(huì)產(chǎn)生直接嚴(yán)重后果。4級(jí)—油氣開(kāi)采。最大關(guān)井壓力低于旋轉(zhuǎn)控制頭等作業(yè)設(shè)備的額定工作壓力，設(shè)備嚴(yán)重失效會(huì)產(chǎn)生直接嚴(yán)重后果。5級(jí)—最大設(shè)計(jì)地面壓力超過(guò)旋轉(zhuǎn)控制頭的額定壓力，但低于防噴器組的額定工作壓力。2.1.2欠平衡鉆井的優(yōu)越性由于欠平衡鉆井具有許多優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的井采用了該項(xiàng)技術(shù)，特別是在低壓、低滲、低產(chǎn)油氣田中。這些優(yōu)越性包括：提高機(jī)械鉆速、減少漏失、延長(zhǎng)鉆頭壽命、減少粘卡、提高地層評(píng)價(jià)效果、減少地層損害、更早的油氣產(chǎn)出，海上鉆井可以得到更大的油層井眼和環(huán)境保護(hù)[12、44]。1、提高機(jī)械鉆速欠平衡鉆井避免了鉆頭底部對(duì)巖石的壓持效應(yīng)。沒(méi)有壓持效應(yīng)，鉆頭牙齒可以更好的切削井底，并把鉆屑帶離井底，這樣對(duì)清洗井底和提高機(jī)械鉆速都有好處。一個(gè)對(duì)氣體鉆井的評(píng)價(jià)顯示：在同樣的地層鉆進(jìn)，欠平衡鉆井的鉆速可以達(dá)到普通泥漿鉆井的10倍以上。氣體和空氣鉆井，36m/h的機(jī)械鉆速很容易達(dá)到。2、減少漏失當(dāng)鉆井液鉆遇天然裂縫地層或滲透性強(qiáng)的巖石體時(shí)，由于井眼壓力過(guò)高，鉆井液就會(huì)進(jìn)入地層，引起漏失，并且這種過(guò)高的壓力會(huì)在壓力衰竭儲(chǔ)層產(chǎn)生裂縫而引起漏失。用傳統(tǒng)的方式鉆井，因?yàn)槁┦б鸬慕?jīng)濟(jì)損失是非常嚴(yán)重的。欠平衡鉆井是減少天然裂縫儲(chǔ)層和壓力衰竭儲(chǔ)層鉆井漏失的一種有效有段。3、延長(zhǎng)鉆頭壽命欠平衡鉆井的鉆頭壽命通常大于過(guò)平衡鉆井時(shí)的鉆頭使用壽命，原理在于鉆井液引起的過(guò)平衡壓力會(huì)增加巖石的抗壓強(qiáng)度。欠平衡鉆井不存在過(guò)平衡鉆井中的鉆井液施加在巖石上的壓持效應(yīng)，因此，在欠平衡鉆井中巖石更容易被鉆頭破碎。另外，沒(méi)有壓持效應(yīng)，鉆屑更容易被鉆井液帶離井底，減少了鉆頭對(duì)巖屑的重復(fù)破碎。3、粘卡的發(fā)生與過(guò)平衡鉆井中在滲透性地層的泥餅有關(guān)。當(dāng)設(shè)備的載荷不能將井眼內(nèi)的鉆具或設(shè)備起出時(shí)，就認(rèn)為發(fā)生了粘卡。欠平衡鉆井過(guò)程中沒(méi)有泥餅的形成，所以也不存在粘卡的事故。4、提高地層的評(píng)價(jià)效果通過(guò)直接觀測(cè)、檢測(cè)返出的鉆井液，欠平衡鉆井提供了一種及時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)油氣儲(chǔ)層的方法，如果采用過(guò)平衡鉆井這些儲(chǔ)層就有可能被錯(cuò)過(guò)。因?yàn)榭焖俜党龅你@井流體中含有巖屑和儲(chǔ)層流體，所以欠平衡鉆井過(guò)程中就更容易精確辨別一定井深處的油氣儲(chǔ)層。另外，由于采用了欠平衡技術(shù)，減少了鉆井流體侵入地層，提高了裸眼井段的測(cè)井解釋效果和不穩(wěn)定試井測(cè)試的效果。5、減少地層損害過(guò)平衡鉆井過(guò)程中，鉆井流體容易進(jìn)入滲透性地層對(duì)其造成損害。鉆井液的侵入會(huì)改變巖石的潤(rùn)濕性，降低巖石的滲透性，堵塞地層孔隙。而欠平衡井則可以在很大程度上消除這種堵塞效應(yīng)，油氣更容易流入井眼內(nèi)。6、更早的油氣產(chǎn)出通過(guò)使用合適的地面設(shè)備，在欠平衡鉆井過(guò)程中，一打開(kāi)儲(chǔ)層就可以采收油氣。當(dāng)繼續(xù)鉆進(jìn)打開(kāi)更多的油層時(shí)，油氣就可以收集起來(lái)，有可能足夠支付欠平衡鉆井階段的費(fèi)用。7、環(huán)境保護(hù)空氣和氣體鉆井消除了鉆井過(guò)程中和完井后鉆井液對(duì)環(huán)境的潛在污染。霧化和泡沫鉆井中用到的化學(xué)處理劑是可生物降解，對(duì)環(huán)境友好的，它們不會(huì)帶來(lái)太大的環(huán)境問(wèn)題?！?.2泥漿脈沖式MWD應(yīng)用局限性國(guó)內(nèi)占主導(dǎo)地位的泥漿脈沖MWD系統(tǒng)采用水力信息通道來(lái)傳送井下參數(shù)。水力通訊通道指由井口經(jīng)過(guò)輸送鉆井液的鉆桿柱至井底的整個(gè)管路組成的一個(gè)封閉體系。泥漿泵往井內(nèi)壓送鉆井液，供給井底動(dòng)力機(jī)，冷卻并潤(rùn)滑鉆頭，并沿管外空間攜帶鉆出的巖屑返回泥漿池，鉆井液在泥漿池中被過(guò)濾，沿著高壓軟管，再送入鉆桿柱中，從而形成鉆井液的循環(huán)路徑。2.2.1泥漿脈沖式MWD工作原理泥漿脈沖式MWD的井底信息借助水力通道以壓力脈沖的形式傳輸，信號(hào)傳播的載體是鉆井液。其工作原理如圖2-1：井下儀器由井底渦輪發(fā)電機(jī)借助泥漿流發(fā)電或電池組供電；井內(nèi)的傳感器將井內(nèi)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號(hào)，經(jīng)過(guò)井內(nèi)MWD組件信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)被送到信號(hào)發(fā)射器，經(jīng)編碼、壓縮等處理后，控制井內(nèi)儀器閥門(mén)的開(kāi)閉產(chǎn)生的斷續(xù)或連續(xù)泥漿壓力脈沖信號(hào)；壓力脈沖信號(hào)通過(guò)水力通道被傳送到達(dá)地表，由MWD接收器（壓力傳感器）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過(guò)地面處理軟件解碼、濾波后得到所需的測(cè)量數(shù)據(jù)[32、45]。圖2-1泥漿脈沖式MWD水力通道泥漿脈沖式MWD的脈沖發(fā)生器是井下信號(hào)傳輸?shù)摹靶呐K”，是進(jìn)行信號(hào)發(fā)送的關(guān)鍵部件。按照脈沖產(chǎn)生的原理共分為3類(lèi)，即負(fù)脈沖發(fā)生器、正脈沖發(fā)生器和連續(xù)波脈沖發(fā)生器。2.2.2含氣量對(duì)泥漿脈沖信號(hào)傳輸速度的影響在泥漿脈沖式MWD系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸速度是一個(gè)基本參數(shù)。鉆井液可以認(rèn)為是由氣、液、固三相組成的流體。鉆井液的組成對(duì)泥漿脈沖信號(hào)的傳播速度產(chǎn)生了一定的影響。漿體在管道中的流動(dòng)通常分為偽均質(zhì)流和非均質(zhì)流。偽均質(zhì)流的固體顆粒較細(xì)，在液體中充分懸浮、濃度分布較均勻、固體顆粒的流速與液體的流速基本一致，當(dāng)流速突變時(shí)，固、液相的流速基本上一致變化。非均質(zhì)流則不同，在定常流動(dòng)時(shí)，固體顆粒的流速滯后于液體的流速，當(dāng)流速突變時(shí)，由于固體顆粒的慣性較大，所以其流速的變化會(huì)滯后于液體。鉆井液屬于偽均質(zhì)流，并且含氣量通常很小，氣、液、固三相的流速基本一致，所以可按單向流來(lái)處理，應(yīng)用非定常流動(dòng)理論，由連續(xù)方程可以推導(dǎo)出鉆井液脈沖傳輸速度的計(jì)算公式[45～46]：（2-1）式中：a—鉆井液脈沖的傳輸速度，m/s；D—管道內(nèi)徑，m；e—管道壁厚，m；ρl—液體的密度，kg／m3；ρg—?dú)怏w的密度，kg/m3；ρs—固體的密度，kg/m3；βg—體積含氣率，m3/m3；圖2-2泥漿含氣量的影響βs—固體的體積濃度，m3/m3；圖2-2泥漿含氣量的影響E一管材的彈性模數(shù)，Pa；Kl—液體的體積彈性模數(shù)，Pa；Kg—?dú)怏w的體積彈性模數(shù)，Pa；Ks—固體的體積彈性模數(shù)，Pa；Ψ—影響因子，它與管道特性及支承情況有關(guān)。在上式中，對(duì)于正脈沖信號(hào)，取“＋”號(hào)，對(duì)于負(fù)脈沖信號(hào)，取“－”號(hào)。在常規(guī)的石油鉆井條件下，除管道特性、管道的支承情況以及有限的脈沖類(lèi)型外，其它參數(shù)都有可能在較大的范圍內(nèi)發(fā)生變化。實(shí)例研究表明，鉆井液脈沖的傳輸速度對(duì)含氣量較敏感，隨著含氣量的增加，傳輸速度急速下降，如圖2-2。2.2.3泥漿脈沖式MWD在欠平衡井中的不適應(yīng)性由前述分析可知，泥漿脈沖的產(chǎn)生首先需要連續(xù)的流體對(duì)脈沖閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而欠平衡鉆井常采用充氣泥漿、泡沫、空氣等鉆井介質(zhì)，他們對(duì)脈沖閥的驅(qū)動(dòng)是非常不利的；并且由于泥漿脈沖信號(hào)對(duì)含氣量相當(dāng)敏感，在這些含氣可壓縮的流體中，脈沖信號(hào)不僅速度急劇下降而且信號(hào)會(huì)嚴(yán)重失真。因此目前欠平衡技術(shù)與定向井技術(shù)是個(gè)矛盾體，國(guó)外在采用欠平衡鉆井技術(shù)鉆定向井、水平井、大位移井時(shí)，獲得井眼軌跡參數(shù)方法有四個(gè)：一是，電磁波式MWD；二是，有線隨鉆測(cè)斜儀；三是，使用帶蒙乃爾傳感器的單點(diǎn)測(cè)斜儀；四是，空氣鉆井系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是一種筒式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它使用一種特制的加固導(dǎo)向馬達(dá)，可在地表連續(xù)讀出井斜、方位角以及工具面向角，數(shù)據(jù)傳輸通道是一根從井口穿過(guò)方鉆桿、鉆桿再連接到導(dǎo)向馬達(dá)的電纜，導(dǎo)向馬達(dá)上傳的數(shù)據(jù)，經(jīng)地面計(jì)算機(jī)處理后轉(zhuǎn)換成可讀信息，利用這些信息對(duì)馬達(dá)方位做必要的調(diào)整以鉆達(dá)預(yù)期的靶區(qū)。而國(guó)內(nèi)在采用欠平衡鉆井技術(shù)鉆定向井、水平井、大位移井時(shí)，獲得井眼軌跡參數(shù)方法有兩個(gè)：一是，必須停鉆采用電子單點(diǎn)、多點(diǎn)測(cè)斜儀；二是，采用有纜式隨鉆測(cè)斜儀；這兩種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力限制了國(guó)內(nèi)欠平衡鉆井技術(shù)在定向井、水平井中的應(yīng)用。并且，欠平衡鉆井與常規(guī)泥漿鉆井相比，由于前者是負(fù)壓鉆井，風(fēng)險(xiǎn)性更大,就更需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井內(nèi)狀況。泥漿脈沖式MWD在欠平衡井中的不適應(yīng)性將人們的希望寄托于對(duì)鉆井液要求不嚴(yán)格的電磁波式MWD上，筆者在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)介紹電磁波式MWD。第三章電磁波式MWD理論§3.1電磁波式MWD的工作原理鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿、裸露的井壁和它們之間的空間以及周?chē)牡貙咏M成了電磁波式MWD的電磁波傳輸通道。它是一個(gè)開(kāi)放式的通道，電磁波在發(fā)射源處向周?chē)臒o(wú)限空間輻射，隨著信號(hào)的吸收、衰減逐漸減弱、消失。由于傳輸通道介質(zhì)的非均勻性等因素的影響，電磁波的傳播是有方向性的。電磁波式MWD工作原理（如圖3-1）：井內(nèi)儀器由井底渦輪發(fā)電機(jī)借助泥漿流發(fā)電或直接使用電池供電；井內(nèi)的傳感器將井內(nèi)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號(hào)，經(jīng)過(guò)井內(nèi)MWD組件信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；這些數(shù)字信號(hào)被送到中央處理器（CPU），經(jīng)編碼、壓縮等處理后，由電磁波發(fā)射器發(fā)射出去；電磁波沿著電磁波傳輸通道傳播到地表，通過(guò)距離井口一定距離插入地下的專(zhuān)用天線接收電磁波信號(hào)；監(jiān)測(cè)專(zhuān)用天線和鉆桿之間的電壓就可以得到井內(nèi)傳輸?shù)挠杏眯盘?hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)解碼、濾波等計(jì)算機(jī)處理得到井內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)。圖3-1電磁波式MWD工作原理示意圖由于地層的非均勻性，電磁波傳播過(guò)程中會(huì)存在反射、衍射等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致多個(gè)電磁波先后到達(dá)地表，那么在任一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生相位、幅值等的疊加，專(zhuān)用天線上接收的就是電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)在此點(diǎn)疊加后的信號(hào)波。圖3-1電磁波式MWD工作原理示意圖電磁波式MWD的信號(hào)發(fā)射裝置類(lèi)似于在井底安裝了一個(gè)低頻電磁波發(fā)射天線。利用接近鉆頭的特制鉆桿，實(shí)現(xiàn)井下電磁激勵(lì)，首先必須考慮在鉆井條件下可實(shí)現(xiàn)的激勵(lì)方式，其次必須研究此種信道的最佳傳輸模式。由于鉆井空間狹小，且只能利用轉(zhuǎn)動(dòng)的鉆桿作為結(jié)構(gòu)上的支撐，因此，實(shí)際可行的只有垂直電天線（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，相應(yīng)地激勵(lì)起電型（TM）和磁型（TE）場(chǎng)。求解這兩種場(chǎng)沿導(dǎo)電圓柱傳播的模方程，結(jié)果表明：對(duì)應(yīng)TE波的軸向磁流其衰減率較TM波的軸向電流高3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，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。圖3-2實(shí)現(xiàn)雙極電磁激勵(lì)的方法示意圖美國(guó)EM-MWD在欠平衡井應(yīng)用激勵(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)，由鉆桿內(nèi)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(lèi)似雙極天線的地下非對(duì)稱(chēng)雙極激勵(lì)裝置（如圖3-2a）。此方案的一個(gè)根本缺陷是其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上可靠性差。在保持鉆桿結(jié)構(gòu)完整的條件下，實(shí)現(xiàn)軸向電流激勵(lì)的一種方法是繞鉆桿安裝水平磁流環(huán)（如圖3-2b）。但是，即使用高磁導(dǎo)率磁芯，對(duì)于所用的超低頻段，要形成足夠強(qiáng)度的磁流也需要有大量的線圈匝數(shù)，這樣做不但磁流環(huán)體積不能適應(yīng)鉆井中間安裝要求，同時(shí)線圈的歐姆損耗也將對(duì)源電流施以嚴(yán)重限制。另一種不需要截?cái)嚆@桿而實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于非對(duì)稱(chēng)雙極電壓激勵(lì)的方法是穿孔外接金屬環(huán)套激勵(lì)裝置，即將桿內(nèi)激勵(lì)器一端接至桿內(nèi)壁，另一端通過(guò)外壁上的絕緣小孔K圖3-2實(shí)現(xiàn)雙極電磁激勵(lì)的方法示意圖美國(guó)EM-MWD在欠平衡井應(yīng)用在導(dǎo)電地層中的裸導(dǎo)體鉆桿上，激發(fā)超低頻段的軸向電流，地層中將出現(xiàn)很強(qiáng)的傳導(dǎo)性泄漏電流，鉆桿的引導(dǎo)作用將受到地層導(dǎo)電性和鉆桿本身電阻率的影響；特別是在電阻率為幾·m以下的地層中，傳輸深度將受到地層損耗的嚴(yán)重限制。鉆桿上軸向電流的大小及其分布，主要取決于地層電阻率垂直剖面特性、激勵(lì)器功率容量、激勵(lì)方式與激勵(lì)裝置及其與地層信道的匹配情況。在地面井口附近電極所測(cè)電位信息，將是鉆桿引導(dǎo)至地表層的電流所建立的電位場(chǎng)與鉆桿上電流輻射場(chǎng)的疊加。由于地下輻射場(chǎng)受地層衰減較大，地面電極所測(cè)電位主要是前者的貢獻(xiàn)。在地層電特性為均勻分布的情況下，鉆桿電流建立的電位場(chǎng)，是以井口為中心的同心圓，電位梯度沿射徑取向，愈近井口梯度愈大。因此，從激勵(lì)原理上講，本信道的物理模型類(lèi)似于地球物理勘探所用交流電極法的情況，主要差別在于電極形式與幾何布局比較特殊，特別是作為發(fā)射極之一的上段鉆桿，其長(zhǎng)度有可能達(dá)到半個(gè)甚至一個(gè)地下波長(zhǎng)以上。如果考慮其上的電流引導(dǎo)與分布情況，問(wèn)題更復(fù)雜?！?.2電磁波式MWD通信的等效線傳輸法在隨鉆電磁波傳輸通道的理論分析方面，有兩種方法：一是基于“路”概念的等效傳輸線法，另一是求解場(chǎng)方程的邊值問(wèn)題。場(chǎng)與路在本質(zhì)上是—致的，但其應(yīng)用的有效與簡(jiǎn)便程度，視具體情況不同而異。對(duì)于隨鉆電磁傳輸信道，由于井下激勵(lì)裝置的邊界條件復(fù)雜，而關(guān)心的又是超低頻近場(chǎng)，嚴(yán)格求解場(chǎng)方程困難較大。考慮到上面所述信道物理模型的分析，此種地下超低頻近場(chǎng)信道具有比較顯著的“電路”特點(diǎn)，因而采用近似的等效傳輸線法有可能較容易地獲得簡(jiǎn)單而實(shí)用的結(jié)果[41～42]。等效傳輸線模型中，電流密度線設(shè)為垂直于鉆柱軸沿徑向方向至假想同軸外導(dǎo)體的直線族。為了更接近于實(shí)際情況，并能考慮井下激勵(lì)裝置有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響（如鉆桿外絕緣層長(zhǎng)度l1，l2，下段裸導(dǎo)體長(zhǎng)度△h，以及外層導(dǎo)電環(huán)套長(zhǎng)度a，如圖3-3），我們采用圖中所示的電流密度線等效模型。圖中弧線表示鉆桿裸露部分和饋電孔處外層導(dǎo)電環(huán)套間通過(guò)地層泄漏的電流密度線。這里的導(dǎo)電環(huán)套相當(dāng)于原等效同軸線模型中的外導(dǎo)體柱，它將所有電流密度線“扭曲”成圖示的情況。在均勻地層下，從鉆桿z處發(fā)出的這些電流密度線可近似地假設(shè)具有以z／2點(diǎn)為中心并以|z／2|為半徑的球形分布。根據(jù)這樣的機(jī)理可求出傳輸線單位長(zhǎng)度上的串聯(lián)電阻、電感和并聯(lián)電容、電導(dǎo)分別為[41～42]圖3-3等效模型電流示意圖圖圖3-3等效模型電流示意圖圖（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）式（3-1）至式（3-4）中：ρs—鉆桿電阻率；τ—鉆桿的壁厚；b1—鉆桿的外半徑；εr—地層的相對(duì)介電常數(shù)；ρ—地層的電阻率；ε0—真空中的介電常數(shù)；μ0—真空中的磁導(dǎo)率。上面所得L1，C1，g1表示式，它們與載流鉆桿單元離源點(diǎn)的距離（即與z軸）有關(guān)，從物理概念上更為合理。本問(wèn)題屬于非均勻傳輸線，其電流與電壓分布應(yīng)滿足一階變系數(shù)聯(lián)立方程組（3-5）其中單位長(zhǎng)度的導(dǎo)納與阻抗分別為（3-6）在—般情況下方程（3-5）難以獲得解析解。由于本情況下Z1（z）和Y1（z）變化緩慢，通過(guò)具體的數(shù)值計(jì)算，其電流與電壓分布仍很接近常系數(shù)方程時(shí)的指數(shù)規(guī)律。同時(shí)，基于實(shí)測(cè)結(jié)果，可設(shè)鉆桿在井口為終端開(kāi)路情況。于是鉆桿上的電流與電壓分布可近似地由下列公式給出：（3-7）其中，I1為激勵(lì)源上部鉆桿的電流（如圖3-3），（3-8）現(xiàn)在我們來(lái)推導(dǎo)地面電極檢測(cè)電壓的計(jì)算公式。在距離井口d的位置上，設(shè)一埋地電極，當(dāng)這個(gè)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于源到地面的深度h時(shí)，即滿足條件d<<h時(shí)，井口套管與埋地電極間的電位差為（3-9）其中（3-10）這里VT是激勵(lì)電壓，I0是激勵(lì)電流，Zi1和Zi2分別為激勵(lì)點(diǎn)上、下鉆桿的輸入阻抗（如圖3-3），其大小分別為（3-11）§3.3影響電磁波傳輸?shù)闹饕蛩赜捎诘貙?、鉆井液等的性質(zhì)和鉆井的結(jié)構(gòu)不盡相同，電磁波傳輸通道就越顯得復(fù)雜。影響電磁波傳輸?shù)闹饕蛩赜校恒@桿的引導(dǎo)作用、激勵(lì)源頻率（即信號(hào)發(fā)射頻率）、地層電阻率、發(fā)射天線參數(shù)和表層金屬套管的影響。在上世紀(jì)末，我國(guó)對(duì)MWD電磁波傳輸通道進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并做了大量的試驗(yàn)。在實(shí)測(cè)與計(jì)算中，采用的特制鉆桿天線參數(shù)為：l1=7m，l2=2.5m，a=4m，△h=0.5m，取地面電極間距d=100m（參見(jiàn)圖3-3），鉆桿、金屬套管和鋼纜單位長(zhǎng)度上的電阻分別為7×10－5/m，3.5×10－5/m，5×10－3/m。另外，除理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較時(shí)，取VT為實(shí)際值外，其余均假定VT=1V。下面利用我國(guó)MWD電磁波傳輸通道項(xiàng)目研究的理論計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[41～42、47～48]進(jìn)行對(duì)比來(lái)說(shuō)明各因素對(duì)電磁波傳播的影響：1、鉆桿的引導(dǎo)作用圖3-4給出了鉆桿和鋼纜引導(dǎo)下，地面檢測(cè)電壓隨源深度衰減的理論曲線。圖中，縱坐標(biāo)表示地面檢測(cè)電壓分貝值，即Vrec（dBV）=20log[Vrec（d）]，橫坐標(biāo)表示激勵(lì)源的深度（以下各圖若無(wú)特別說(shuō)明，其坐標(biāo)含意均與此相同）。圖3-5給出了鉆桿和鋼纜引導(dǎo)下，地面檢測(cè)電壓的理論曲線和實(shí)測(cè)值。由此可見(jiàn)，鉆桿比鋼纜具有更強(qiáng)的引導(dǎo)作用，即鉆桿截面大小對(duì)信道衰減具有關(guān)鍵作用。2、激勵(lì)源頻率和地層電阻率的影響由衰減常數(shù)的表達(dá)式3-6可知，鋼纜引導(dǎo)時(shí)，電阻部分比電抗部分大得多，電抗部分作用很小，故地面電壓與激勵(lì)源的工作頻率關(guān)系不大。在鉆桿引導(dǎo)情況下，電阻與電抗比較接近，地面電壓與激勵(lì)源的工作頻率關(guān)系較大。圖3-6給出了鉆桿引導(dǎo)時(shí)，地面檢測(cè)電壓與激勵(lì)源工作頻率間的關(guān)系?？梢?jiàn)，當(dāng)頻率升高時(shí)，地面電壓隨源深度的衰減變快。圖3-4地面電壓與鉆柱電阻率的關(guān)系曲線族A：鋼纜結(jié)果r1=5×10-3/m；曲線族B：鉆桿結(jié)果r1=5×10-5/m圖3-5鉆桿和鋼纜引導(dǎo)作用比較（三角和圓符號(hào)表示實(shí)測(cè)值，虛線和實(shí)線表示理論值）圖3-6地面電壓與工作頻率的關(guān)系曲線族A：ρ＝2·m；曲線族B：ρ＝20·m；地層電阻率對(duì)地面檢測(cè)信號(hào)的影響主要表現(xiàn)在g1（z）項(xiàng)上。由3-6式可知，當(dāng)激勵(lì)源工作頻率比較高時(shí)，低電阻率地層是限制信號(hào)最大可測(cè)深度的重要因素。圖3-7是考慮地質(zhì)分層時(shí)的理論計(jì)算結(jié)果。圖3-7地面電壓與地層電阻率的關(guān)系3、特制鉆桿天線參數(shù)與激勵(lì)電流的關(guān)系特制鉆桿天線參數(shù)尺寸變化對(duì)地面檢測(cè)電壓的影響，主要表現(xiàn)在a與l1對(duì)I1的影響上。圖3-8是10m與18m兩種鉆桿天線情況下的實(shí)測(cè)值與理論值的比較。10m與18m鉆桿天線有關(guān)參數(shù)分別為：l1=7m，l2=2.5m，a=4m，△h=0.5m和l1=13m，l2=4m，a=8m，△h=1m。4、表層金屬套管的影響金屬套管對(duì)傳輸信道的影響，要比其他因素的影響復(fù)雜得多?，F(xiàn)分兩種情況進(jìn)行分析：一種是當(dāng)激勵(lì)源位于金屬套管內(nèi)時(shí)，鉆桿上的電流I1和I2都出現(xiàn)兩條通道：一條是接近激勵(lì)源靠近絕緣段兩端的鉆桿電流被金屬套管所短路；另一條是沿鉆桿耦合至金屬套管，然后泄漏到地層空間。另一種是當(dāng)激勵(lì)源出金屬套管以后，由于短路效應(yīng)的消失，激勵(lì)電流I0分兩路進(jìn)入大地：一路是經(jīng)上部鉆桿及金屬套管流入大地，然后回到電源的負(fù)極；另一路則由下部鉆桿流入大地，然后再回到電源的負(fù)極。經(jīng)過(guò)具體的數(shù)值計(jì)算和實(shí)際測(cè)量結(jié)果比較（如圖3-9），結(jié)果表明：由于金屬套管單位長(zhǎng)度上的電阻小于實(shí)際鉆桿單位長(zhǎng)度上的電阻，故激勵(lì)源在金屬套管內(nèi)時(shí)，地面檢測(cè)電壓的衰減率要比無(wú)金屬套管時(shí)地面電壓的衰減率慢；激勵(lì)源出套管后，地面檢測(cè)電壓隨源深度的衰減與無(wú)金屬套管情況下的衰減規(guī)律相類(lèi)似。當(dāng)激勵(lì)源處在金屬套管內(nèi)時(shí)，由于在源處的短路效應(yīng)，地面檢測(cè)電壓要低于無(wú)金屬套管時(shí)的情況；源出金屬套管后，短路效應(yīng)迅速解除，地面檢測(cè)電壓出現(xiàn)躍變現(xiàn)象，躍變的幅度與金屬套管的長(zhǎng)度及其單位長(zhǎng)度上的電阻率有關(guān)。圖3-8特制鉆桿天線參數(shù)不同的比較（三角和圓符號(hào)表示實(shí)測(cè)值，虛線和實(shí)線表示理論值）圖3-9金屬套管對(duì)激勵(lì)源和激勵(lì)信號(hào)的影響（圓符號(hào)表示實(shí)測(cè)值，虛線和實(shí)線表示理論值）環(huán)空鉆井介質(zhì)的影響。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在研究影響電磁波傳輸時(shí)沒(méi)有考慮到環(huán)空介質(zhì)對(duì)電磁波的的影響，如果考慮環(huán)空鉆井介質(zhì)的影響需要對(duì)式（3-11）進(jìn)行修正，設(shè)環(huán)空介質(zhì)的電阻率為，那么環(huán)空介質(zhì)將相當(dāng)于與地層形成串連電阻，可得到下式（3-12）此時(shí)，、會(huì)變大，導(dǎo)致圖3-3所示電路中的電流減小。第四章泡沫及其電導(dǎo)率研究§4.1泡沫流體理論4.1.1低密度流體及其分類(lèi)泡沫流體是屬于低密度流體的一種類(lèi)型。低密度流體是指那些密度小于1.0g/cm3的鉆井流體。低密度鉆井流體分為水基、氣基和油基三種。在實(shí)際工作中由于很少使用油基流體，因此，常說(shuō)的低密度鉆進(jìn)流體主要是指空氣、霧、穩(wěn)定泡沫、膠質(zhì)泡沫、充氣泥漿和充氣水等。在低密度鉆進(jìn)流體中硬膠泡沫、穩(wěn)定泡沫、霧、空氣叫做氣基鉆進(jìn)流體。氣基鉆進(jìn)流體的一個(gè)共同特征是密度低，已破碎下來(lái)的巖屑易于從孔底清除，因此，采用氣基鉆進(jìn)流體洗井機(jī)械鉆速會(huì)比較高。根據(jù)A.C.希龍佐夫的觀點(diǎn)，氣基鉆進(jìn)流體的使用范圍取決于巖層的穩(wěn)定狀態(tài)和孔內(nèi)含水特征，各種氣基鉆進(jìn)流體的使用范圍如圖4-1。圖4-1氣基鉆進(jìn)流體使用范圍上述不同類(lèi)型的氣基介質(zhì)因氣液比值不同，所含的相數(shù)也不同，各自的特征及攜帶巖屑的能力也不同。在實(shí)際使用時(shí)所要求的氣液混合流體的上返速度、適應(yīng)的地質(zhì)條件、消耗功率的大小自然也不相同。4.1.2泡沫流體優(yōu)點(diǎn)[49]由前述可知，泡沫流體是氣體型鉆井液的一種，它由于密度低，具有流體靜壓力低，能形成緊密的氣泡結(jié)構(gòu)兩個(gè)突出特點(diǎn)，因此，在鉆井中使用具有很多優(yōu)點(diǎn)：1、對(duì)巖心巖屑污染輕，有利于巖心分析和地層分析；2、粘度和切力高，攜帶巖屑的清洗井眼能力強(qiáng)；3、鉆頭壽命長(zhǎng)，機(jī)械鉆速快；4、密度低，具有防漏和消除漏失的能力；5、耐溫隔熱能力強(qiáng)，高溫狀態(tài)下性能穩(wěn)定；6、可實(shí)現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)下鉆進(jìn)，保護(hù)低壓油氣層。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，泡沫流體適用于以下情況：1、有效地防止漏失；2、鉆進(jìn)堅(jiān)硬的地層；3、嚴(yán)重缺水地區(qū)；4、地?zé)峋坝纼龅貐^(qū)；5、保護(hù)油氣層，尤其是低壓油氣層。對(duì)于泡沫流體的使用，由于各行各業(yè)用途不同，分類(lèi)也有不同（見(jiàn)表4-1）[49]。就鉆探（井）工業(yè)范圍來(lái)看，泡沫流體主要分為硬膠泡沫和穩(wěn)定泡沫。硬膠泡沫是由氣體、粘土、穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑配成的分散體系。主要區(qū)別在于前者含有膨潤(rùn)土。硬膠泡沫用于需要泡沫壽命長(zhǎng)，攜屑能力強(qiáng)的場(chǎng)所。例如：解決大直徑鉆井?dāng)y帶鉆屑和清洗井底作用或防漏堵水等問(wèn)題，成本較低。但它對(duì)電解質(zhì)、油田的污染敏感，一般不宜在油氣層作業(yè)應(yīng)用。而穩(wěn)定泡沫則與各類(lèi)電解質(zhì)、原油及鉆井過(guò)程的污染配伍，且能處理地層水，據(jù)美國(guó)空氣鉆井公司介紹，在10m3/h的出水情況用泡沫流體鉆井不會(huì)發(fā)生復(fù)雜問(wèn)題，對(duì)鉆低壓易滲漏的地層特別有效。是目前較廣泛應(yīng)用的泡沫流體。4.1.3泡沫流體組成氣相用于鉆探（井）工業(yè)的泡沫流體，其氣相多為空氣、天然氣、氮?dú)庖约岸趸?。由于空氣和天然氣存在易燃、易爆等不安全因素，?yīng)盡量避免用于油、氣層生產(chǎn)作業(yè)。此時(shí)，一般多采用氮?dú)饣蚨趸甲鳛闅庀?。液相在泡沫流體鉆井液中基本上可分作為水基、醇基、烴基和酸基。1、水基淡水、地層水或鹽水均可用來(lái)配制泡沫，國(guó)外一些學(xué)者用地層水來(lái)配制泡沫，其發(fā)泡沫體積能力低于淡水配制的泡沫，地層水或鹽水配制的泡沫有助于防止地層粘土膨脹。因此，水基泡沫液相中常加入氯化鉀或有機(jī)抵制劑，羥基鋁或陽(yáng)離子粘土穩(wěn)定劑。為了降低濾失量增加泡沫穩(wěn)定性，基液中常加入各種增粘劑。水基泡沫配制方便，價(jià)格便宜，并且與線性或交聯(lián)凝膠劑配合易形成穩(wěn)定的泡沫，除了水敏性特強(qiáng)的地層外，一般均可廣泛使用。2、醇基由于醇基表面張力強(qiáng)，易于揮發(fā)等特點(diǎn)，使醇基泡沫適用于極易水鎖及強(qiáng)水敏性地層，有利于保護(hù)油氣層。但此類(lèi)泡沫基液易燃，成本很高，施工不安全不方便，攜巖能力差，且不適宜應(yīng)在含瀝青、石蠟的油氣井中應(yīng)用，因?yàn)樵谶@些井中易形成固體沉淀，堵塞油層。表4-1泡沫鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用情況序號(hào)應(yīng)用生產(chǎn)環(huán)節(jié)適用范圍優(yōu)越性效果1泡沫流體鉆井1）低壓中低滲透層2）堅(jiān)硬地層3）缺水地區(qū)4）永凍地區(qū)（-30～-80℃）1）負(fù)壓鉆開(kāi)儲(chǔ)層，保護(hù)油氣層2）鉆速快\鉆頭壽命長(zhǎng)3）含液量少，適合各種特殊需要1）鉆速提高3～4倍2）某區(qū)試驗(yàn)2口泡沫井，產(chǎn)量占全區(qū)24口井產(chǎn)量的69%2泡沫水泥固井1）易漏低壓力梯度地區(qū)2）熱采注蒸汽井油田3）氣層活躍的油井1）可保持水泥漿1.2～1.3g/cm3密度2）隔熱保溫效果好3）可防止氣竄，保證固井質(zhì)量國(guó)外實(shí)施注水泥成功率達(dá)88%～100%3泡沫礫石充填1）低壓易漏儲(chǔ)層2）水敏性強(qiáng)的儲(chǔ)層3）松散易破碎儲(chǔ)層1）礫石充填系數(shù)高，充填結(jié)實(shí)2）充填后孔隙度\滲透率高3）不堵塞篩管及裂隙4）可防漏及儲(chǔ)層中防粘土水化充填效果良好4泡沫試油中低壓中低滲油氣層1）濾失量低，靜流體柱壓力低2）對(duì)射孔炮眼及井底清洗效果好3）降壓后氣泡膨脹排液迅速前蘇聯(lián)進(jìn)行大量試驗(yàn)，多數(shù)井用泡沫試油后產(chǎn)量提高5～15t5泡沫洗井修井1）井底積水，油層含水率30%～60%2）儲(chǔ)層被堵塞，井眼不干凈1）泡沫體系可替出井筒積水形成自噴2）泡沫清洗和攜巖能力均強(qiáng)前蘇聯(lián)33口井試驗(yàn)，增產(chǎn)4487.8t。美國(guó)試驗(yàn)井復(fù)活，修井后獲得巨大效益6泡沫酸化可廣泛用于適宜酸化的儲(chǔ)層1）穿透能力強(qiáng)（體積大、濾失量大）2）緩速效果好3）易返排，可保護(hù)產(chǎn)層4）減輕腐蝕用泡沫酸化儲(chǔ)層一般增產(chǎn)5～16倍7泡沫壓裂1）水敏性中低滲透性儲(chǔ)層2）低滲透致密砂層1）造縫面積大（高粘、低濾失、低摩阻）2）裂縫導(dǎo)流能力大（懸砂能力強(qiáng)）3）返排迅速?gòu)氐桩a(chǎn)量一般增加4～10倍，個(gè)別井增產(chǎn)100倍8泡沫注蒸汽適用于稠油開(kāi)采1）可降低蒸汽流動(dòng)度2）泡沫粘度高，可控制蒸汽方向3）隔熱保溫效果好，可使熱能充分利用試用效果良好9泡沫驅(qū)提高采收率中低滲透油藏及枯竭油氣藏驅(qū)油前緣均勻推進(jìn)國(guó)外試用均有效果3、烴基烴基泡沫基液可以是原油或經(jīng)加工后的柴油、煤油或凝析油。原油價(jià)格低廉，但含有石蠟、瀝青，且不易形成穩(wěn)定泡沫。煉制油與氨氣容易形成穩(wěn)定泡沫，但成本高，易著火，不安全，施工條件比較苛刻。烴基泡沫一般不宜用于天然氣井，因?yàn)槠淇赡芨淖儙r層的潤(rùn)濕性和相對(duì)滲透率。4、酸基一般有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸以及它們的混合物均可形成泡沫酸。一般常用鹽酸、氫氟酸、甲酸、醋酸以及它們的混合酸作為基液。對(duì)基液可以加增粘劑有助于泡沫的穩(wěn)定。泡沫酸可用于含鈣質(zhì)砂巖或灰?guī)r。目前國(guó)內(nèi)研制的泡沫基本上是水基泡沫，也曾經(jīng)在四川油氣田采用過(guò)酸基泡沫。發(fā)泡劑對(duì)發(fā)泡劑的要求如下：1、起泡性能好，泡沫基液與氣體接觸后可產(chǎn)生大量泡沫，即泡沫體積膨脹倍數(shù)高；2、泡沫穩(wěn)定性強(qiáng)，即使在較長(zhǎng)時(shí)間的泵送剪切條件下，仍能保持泡沫的穩(wěn)定性；3、抗污染能力強(qiáng)，與儲(chǔ)層巖石，液體及修井壓