随钻测量与录井工具-石化机械

苏义脑 窦修荣
(中国石油勘探开发研究院,北京 100083)

摘要：随钻测量(MWD)、随钻测井(LWD)和先进的录井工具是国际钻井高技术的重要组成部分,应用这些高技术产品可提高大位移井、高难度水平井的工程控制能力和地层评价能力,提高油层的钻遇率。详细介绍了MWD的测量原理、基本结构、传输通道、采集仪器(传感器)、井下电源、地面系统、应用方法;在此基础上,介绍了LWD的几种地质参数测量传感器和录井传感器的典型结构和功能。认识、了解和掌握MWD/LWD系统的功能、特性和典型结构,对使用好和研究开发此类高新技术工具具有重要意义。

关键词：随钻测量(MWD) 随钻测井(L WD) 录井工具 结构 功能

*作者简介:苏义脑,1949年生。中国工程院院士,博士生导师,钻井工艺研究所副所长。电话:010-62097067。

MWD是在钻井过程中进行井下信息实时测量和上传的技术的简称,LWD是在MWD基础上发展起来的一种功能更齐全、结构更复杂的随钻测量系统,与MWD相比,LWD传输的信息更多[1～2]。20世纪80年代中期在钻定向井中首次使用MWD,80年代末LWD问世,90年代以来MWD和L WD的发展日趋结合,是信息化和智能化钻井的基础和重要组成部分[3]。在MWD、LWD和随钻录井工具间,MWD随钻测量系统是基础,在井下测量技术发展过程中,三者之间的明确划分逐步显得没有太大意义,在井下比较高级的随钻测量系统中已将三者溶于一体。在钻大位移水平井时,MWD/LWD是不可缺少的工具。重点介绍了MWD以及LWD的几种地质参数测量传感器和录井传感器的典型结构和功能,可为现场使用和开发此类工具的工程技术人员提供帮助。

1.1　MWD系统概况和工作原理

MWD是指在钻头附近测得某些信息,不需中断正常钻进操作而将信息传送到地面上来这一过程。信息的种类:(1)定向数据(井斜角、方位角、工具面角);(2)地层特性(伽马射线、电阻率测井记录);(3)钻井参数(井底钻压、扭矩、每分钟转数)。

传感器装在作为下部钻具组合整体的一部分的特殊井下仪器中。井下仪器中有一个发射器,通过某种遥测信道将信号发送到地面。目前使用的最普遍的遥测信道是钻柱内的钻井液柱。信号在地面上被检测到后,经译码和处理,就按方便可用的方式提供所需的信息。MWD的最大优点是可实时地“看”到井下正在发生的情况,从井底测量参数到地面接收到数据只延误几分钟,所以可以改善决策过程。

1.2　信号遥测通道

实现MWD遥测的方法有硬导线法、电磁波法、声波法和钻井液脉冲法。目前普遍应用的是钻井液脉冲法,这是因为此法简单,对正常钻井作业影响很小。压力脉冲以1200～1500m/s的速度通过钻杆内液柱向地面传输。井下各部件都装在无磁钻铤中。因为要容纳MWD工具的部件,所以其内径比普通钻铤要大。其主要部件:(1)操作系统的动力源;(2)测量所需信息的传感器;(3)以代码的形式将数据传输到地面的发送器;(4)协调工具各种功能的微处理机或控制系统。

控制系统设计保证在需要信息时(例如要进行定向测量时)能够操作仪器。在开始测量时,井下仪器必须识别某些物理变化(例如停钻或关泵),控制系统通过传感器、电源,将测得的信息储存起来,然后启动发送器以编码信息的形式发送数据。

1.3　脉冲发生器

MWD的井下仪器中有一个井下控制器,是由单板机构成的井下CPU,其作用是协调和控制MWD仪器的各种工作顺序。井下控制器将井下各种传感器测到的参数转变为电信号,然后指挥脉冲发生器将这些信号以特定的顺序和格式(编码)转变为钻井液脉冲信号,通过钻杆内的钻井液柱向上发送到地面传感器、信号译码和数据处理系统,进行信号的拾取、转换、译码、处理等,供操作人员进行分析决策。在传输的2组信号之间有规定的参考信号,即下一数据的“信号头”,以作辩识。

脉冲发生器是井下信号传输的“心脏”,共分为3类,即负脉冲发生器、正脉冲发生器和连续波脉冲发生器。目前在大位移井随钻测量中用的最多的是正脉冲发生器。负脉冲和正脉冲发生器的详细介绍参见文献[3]。连续波脉冲发生器不是靠阀口的瞬时开闭来形成压力脉冲,而是通过2个有槽圆盘的相对连续转动来形成一系列的连续脉冲。连续波脉冲发生器的最大特点是传输速率高(可达M10),但因结构复杂,难度大,目前只有Shlumberger公司(Anadrill)拥有产品,并用于自己的工具系统中。连续波脉冲发生器是井下脉冲发生器的发展方向,由下列3个部件构成:(1)涡轮发电机。其作用是给系统供电,功率大约2W。(2)接收器。其作用是接收各部分传感器采集的数据。(3)连续波脉冲发生器。连续波脉冲发生器由转子和定子组成。在转子转动过程中,转子与定子之间切割钻井液,产生不同的钻井液压力差,再由钻井液连续传递到地面,形成了连续的脉冲波。地面的连续跟踪系统接收连续的脉冲波后,按规律将其转换成数据,用地面计算机进行处理。

脉冲发生器在多方面得到改善:(1)提高了工作的可靠性,环境适应能力增强,可工作在非常恶劣的环境下,如可承受堵漏剂,但在正常工作时,在井口还是应该加过滤装置;(2)更高的数据传输速度,可实现实时数据传递;(3)由脉冲信号变为连续波信号,信号更强,易于接收;(4)结构更完善,可选择不同涡轮发电机和不同叶片,以适应不同环境;(5)可根据不同的机械钻速选择不同频率的MWD,即传输速度可调。根据钻井的需求决定其数据的传输速度,然后在组装室根据需要组装;(6)工作温度为150℃(特殊需要和配置可达175℃);(7)工作寿命长,如M10可正常工作1200h。

1.4　井下电源

MWD的井下电源目前有2类,即电池组和涡轮式交流发电机。电池组其优点是结构紧凑、可靠;缺点是寿命有限,且受温度影响,同时更换电池费用也较高,在传输多参数时能力受限。涡轮式交流发电机电源的优点是可长时间为系统提供电力,工作寿命长,因而可传输更多参数,代表了测量技术的发展趋势;其缺点是产生的电流不稳,必须用稳压器控制,且一旦涡轮损坏就会导致断电故障,结构复杂,维护有一定难度。

1.5　工程参数传感器

普通的MWD主要是测量井眼轨道参数即井斜角(α)和方位角()以及用井下动力钻具滑动钻进时的工具面角(ω)。测量这些工程参数的传感器又称为定向传感器。关于定向传感器的详细介绍参见文献[3]。除了定向传感器外,一些MWD还配备有伽马传感器,用以检测岩性变化。为叙述方便起见,对伽马传感器放在LWD介绍。

1.6　MWD的地面系统

大多数MWD公司都用相当相似的地面设备来解释、记录和显示井下传感器测量的数据。地面设备的数量取决于各公司及所测量的参数的多少。如果只要求定向数据,MWD公司可只需要一个立管压力传感器和一套可安装在司钻值班房中的接收/处理系统。如果还要测量地层评价数据和钻井数据,那么将所有电子仪器和绘图设备装在钻井液录井室或钻台上特制的房子内是很实用的。地面系统的基本部件如图1所示。

图1　地面系统的主要部件

1.6.1　立管压力传感器在大多数钻机上,立管管汇有许多可装仪表的测压接头。卸掉一个仪表,传感器就可以安在这一便于装卸的点上。传感器内有个敏感的膜片可以检测压力的变化,并将液压脉冲转换为电压脉冲。其电压输出通过电缆传给其余的地面设备。

1.6.2　电子滤波器—放大器—地面计算机如同检测MWD的脉冲一样,传感器也要响应由钻井泵或井下马达引起的压力变化。这种背景噪音使它很难识别MWD的脉冲,有时变换钻井泵速度可能减少这种干扰。钻井泵上的压力缓冲器可以防止任何出口压力的大的波动。

从传感器中传出的信号可以通过滤掉不需要的压力变化而得到改善。因为需要的MWD的信号频率是已知的,所以就可以设置电子滤波器消除任何设定范围外的其它频率。然后,信号经放大以显示明显的波峰和波谷。放大后的脉冲顺序送入已编程的地面计算机,以识别出参考脉冲然后对数据脉冲译码。最终结果在计算机终端的打印机上列出并记录在磁带上。

定向测量结果(方位角、工具面角和井斜角)传到钻台上后,为方便定向井司钻,将数据显示在一个表盘上。地层评价数据是随着钻进过程连续地打印出来。另外还要用一个深度跟踪系统来画出相对于深度的伽马射线或电阻率的响应值。

定向数据、地层参数和井下钻井参数是按预先确定的顺序传送的。测量结果的传送顺序和频率随制造厂家的不同而变化,它取决于仪器目前在如何操作。例如,在定向作业时可能只传送测量数据,而在旋转钻进时就可以传送伽马射线和电阻率。

1.7　MWD的使用

1.7.1　施工前的要求必须预先确定:(1)需要的基本参数;(2)现有的哪种系统可以满足这些要求;(3)所考虑系统的局限性和技术规范在这项使用中是否可以接受(如精度、传送速度、温度等)。

在有几种仪器都能满足所有作业要求的地方,有些作业者采用试验所有的不同系统的谨慎策略来评价其可靠性和成本—效益情况。被选来提供服务的MWD公司要从作业者处得到这些信息:(1)作业者预计如何使用MWD仪器(要有足够的时间进行车间试验,设备和人员运送,井场上的安装);(2)预期的流速、泵压、钻头水眼直径、钻井液密度和其它BHA组件(这将影响装在仪器内MWD部件的选择)。

仪器离开车间之前,都要对所有构件进行彻底检查。定向传感器要在能模拟预计方位角和井斜角的校准架上试验。有些公司能够在出厂前将所有必需的井下部件装在无磁钻铤内。提供一套以上的仪器是必要的,以便在一套损坏时,另一套仪器已在井场上作为备用。

1.7.2　组装及地面检验所有MWD系统都设计成便于组装的结构型式,以求不会严重妨碍正常钻进过程。服务公司提供所有必要的井下和地面设备。安装和操作一套MWD系统通常需要服务公司的2个工程师。

对地面系统,要求将压力传感器安装在立管管汇上的方便位置。然后将电缆连到MWD设备上。地面系统的安装需要井场电工或安全人员的帮助。其中钻台显示器是为了监视所测角度的变化。

如果井下仪器的构件已安装在钻铤中,组装就很简便,只要小心地吊装钻铤就行了。如果井下仪器要在井场上组装,就要分别检查每个组件。在连接钻铤时,要确保施加合适的扭矩。操作大钳和卡瓦可能会损坏钻铤内的灵敏器件。

如果MWD仪器是同井下动力马达和弯接头一起使用的,就要测量工具面偏差角,这是实际工具面和MWD仪器的工具面之间的差角。这可以在钻台上用量尺或特制的量规测得。工具面偏差角要存贮在地面计算机中,以便自动地将MWD的工具面转换成实际的工具面。同样,磁偏角也要存贮在计算机中以便将磁方位角转换为真正的方位角。

当仪器悬挂在钻台上时,应该进行功能测试,以确保所有元件工作正常,有关仪器可靠性的试验是每次下钻时都在一个特定的深度进行测量。这就是所谓的基准点测量,并且所有的结果应十分相符。基准点测量通常在套管鞋下部一点,以便在仪器给出的不是期望的结果时,起出仪器不会浪费太多的钻机时间。

1.7.3　正常测量程序对于定向的随钻测量有2种操作方式:(1)旋转钻进。在每次接单根后,进行静态测量(方位角和井斜角),如果需要可以间隔更密些。(2)定向作业。作业中使用弯接头和井下马达,此时当钻头钻进时监视工具面角更为重要。

对某些仪器,作业者必须确定需要哪种方式。另外,有些仪器是将静态和动态的测量结果按顺序传送。静态测量的常规过程是钻完方钻杆后,接单根,然后将钻头提离井底约1.5m进行测量。在传感器测量数据所需的2min期间,钻杆要保持静止。钻进时,4min以内脉冲可传到地面并将结果显示出来。

在定向作业时,MWD以很短的间隔(1min)将最新的工具面角传输上来。通常工具面角是参照井眼高边(即重力工具面角)的。而对小井斜角(小于8°)的井,工具面角参照磁北极(即磁工具面角)。但是,由于存在磁干扰,磁工具面角不能用在套管附近,井眼方位角也是一样。对在套管附近的造斜工具的测量或定向,必须使用陀螺测斜仪。MWD仪器只能用在作业者确信没有磁干扰的地方。(www.xing528.com)

LWD是在MWD的基础上,增加若干用于地层评价的参数传感器,如补偿双侧向电阻率、自然伽马、方位中子密度、声波、补偿中子密度等。随钻测井技术的发展与完善,使其成为电缆测井的一个重要补充手段,并因其“随钻”功能,使它具备以下的技术优势:(1)利用伽马射线确定页岩层来选择套管下入深度;(2)选定储层顶部开始取心作业;(3)钻进过程中与邻井对比;(4)识别易发生复杂情况的地层;(5)如果在电缆测井作业前报废井眼的话,至少还有一些地层数据可以利用;(6)对电缆测井不适合的大斜度井能够进行测井作业;(7)电阻率测井可以发现薄的气层的存在;(8)在钻进时利用伽马射线和电阻率测井可以评价地层压力;(9)在地层尚未有钻井液侵入污染前能获得真实的地层特性和最新资料,这对正确评价地层是绝对重要和必要的。

正是由于上述的这些技术优势,LWD在大位移井、水平井中获得了日益广泛的应用。

以下重点介绍LWD中采集地层参数的几种传感器。因为LWD比MWD传输的参数要多很多(除地层参数外,还有一些随钻录井采集的若干钻井工艺参数),所以它至少要采用正脉冲发生器,当然最好采用传输速率更高的连续波脉冲发生器。

2.1　自然伽马传感器

伽马射线是由放射性元素如钾、钍和铀的同位素发射出来的。这些元素在页岩中比其它岩石中更普遍地存在。因此,通过测量一岩石序列的伽马射线发射量,就能确定页岩区。装在LWD仪器中的伽马射线传感器可在钻头钻过地层时检测到发射量。为尽快地检测到岩性的变化,伽马射线传感器应尽可能地装在靠近钻头的位置,以便在仪器有反应之前只钻过1～2m的新地层。实际上,钻头与伽马射线传感器之间的距离大约为1.8m。由于在钻井液中和在钻铤中的衰减作用,实际上只有所发射的伽马射线中很小的百分数被检测出来。现在使用的传感器有2种:盖革—米勒管(Geiger-Muller Tube)和闪烁计数器(Scintillation Counter)。

LWD的控制系统将传感器的测量结果转换为数字码,并储存起来准备传递。同定向测量一样,数据作为一系列钻井液脉冲传送到地面。最终结果是以连续测井形式沿井深画出的伽马射线响应图。

2.2　电阻率传感器

电阻率是地层对电流阻抗的度量。地层的响应取决于孔隙空间的流体含量(油和气为绝缘体,而盐水为导体)。LWD仪器上的电阻率传感器是由等效的电缆测量仪器改装的。2个电极安在LWD仪器外侧的2个绝缘橡胶套上。上面的电极发出电流,流过地层并由下面的电极检测出来。实际结果是受井眼直径、钻井液浸蚀和地层厚度的影响的。这些影响必须采用某些修正系数来补偿。这种类型的传感器对使用油基钻井液的井眼是无效的。已经研制成功的电感式传感器可以装在LWD仪器里。如同伽马射线传感器的情况一样,电阻率装备也需尽量安在靠近钻头的位置以便对地层变化很快作出反应。以下以Anadrill公司的几种随钻测井工具短节为例,介绍几种地层特性传感器。

2.3　补偿双侧向电阻率(CDR)

由2个发射器、2个接收器、电池、伽马射线和电子线路构成。CDR自带放射性磁柱,发出球面波,通过分析球面波衰减差值可得电阻率。其主要特点:(1)高频感应(2MHz)能在各种钻井液中工作;(2)探测2种深度(中深通过相位测量,深井通过衰减测量);(3)补偿井眼的影响;(4)垂直分辨率大于0.4572m,其中相位测量能识别0.1524m以上的地层,衰减测量能识别0.3048m以上的地层;(5)伽马射线能谱分析;(6)可在井下储存测井数据;(7)可以通过MWD进行数据实时传送;(8)已有能在Ø165.1mm、Ø203.2mm和、Ø241.3mm钻铤中使用的CDR工具。

该工具的使用目的是对比所钻地层,对地层进行评估,并保证测到地层真实的数据。

2.4　补偿中子密度(CDN)

由2个中子源、1个中子探测器、1个密度探测器、1个扶正器和电子线路构成,该工具有如下特点:(1)Anadrill公司特别强调工具使用安全性,放射源放在钻铤里,而其它公司则由侧面放入,由螺钉密封,易落入井中,故Anadrill公司将源放到钻铤中间,并且有独特的安装方法。有一个专门的源安装平台,对周围的人员没有伤害。若钻铤卡死,很容易将放射源打捞出来;(2)使用2个探测器的目的是补偿井眼的影响;(3)补偿热中子密度;(4)补偿岩石的密度;(5)带全尺寸或欠尺寸的扶正器;(6)可在井下存储测量数据;(7)可用MWD工具实时传递数据;(8)可在Ø165.1mm和Ø203.2mm钻铤中使用。

2.5　方位中子密度(AND)

AND由中子源、中子探测器、密度源、密度探测器和超声探测器等构成,该工具具有如下特点:(1)是首创的方位核子测井工具;(2)方位核子测量能认识非均匀性地层,并且在不规则井眼中也能得到很好的应用;(3)与电缆测量的密度和孔隙度的精度相同;(4)可用超声波进行偏离间隙测量;(5)5Mb的大储存容量能储存更长的地层信息段,根据这些信息可实现井眼周围密度的安全方位图像显示。

该工具使用极为方便:(1)可用扶正器,也可不用;(2)可允许大排量钻井液,以保证井眼清洗更好;(3)可允许高钻速和和快速下钻;(4)放射源易于安装打捞;(5)振动、转速和温度的井下测量可改进钻井效率。

2.6　声波随测工具(ISONIC)

图2给出了声波随测工具示意图。ISONIC可在钻进过程中进行声波测量。

图2　ISONIC工具结构

随钻录井工具是由测量钻井工艺参数的若干种传感器做成独立的参数短节,装在MWD或LWD上实现随钻测量。这些钻井工艺参数主要有钻头处的钻压、扭矩,钻柱转速、环空温度、环空压力等。以下对这些传感器作简要介绍。

3.1　温度传感器

温度传感器通常装在钻铤的外壁,用来监测环空中的钻井液温度。传感元件是随温度变化的金属片(如铂)。温度测量范围为10～176.7℃。

3.2　井底钻压/扭矩传感器

这些是由装在靠近钻头的特制接头上的灵敏应变仪系统来测量的。应变仪能测钻压的轴向力和扭矩的扭力。将成对的应变片贴在接头的对边,会消除弯曲应力产生的影响。接头的设计必须可以补偿温度和压力的影响。

3.3　涡轮钻速传感器

用井下涡轮钻井时,在地面上并不知道钻头转动的实际速度。监视转速的唯一有效方法是用连接到MWD仪器上的涡轮转速计来提供实时数据。井下传感器是由一个非常靠近旋转的涡轮轴顶部的直径为50.8mm探测器组成。在轴的顶部装2个成180°的磁铁。当轴转动时,探测器内的线圈采集由磁铁引起的电压脉冲。计算某一时间内的脉冲数就可以计算出涡轮每分钟转数。将这些信息编码为一系列钻井液脉冲,每隔一段时间就传送到地面,使司钻知道转数是在如何变化。

(1)在钻大位移水平井时,MWD、LWD和录井工具是不可缺少的工具,应用这些高技术产品提高了大位移井、高难度水平井的工程控制能力和地层评价能力,提高了油层的钻遇率。

(2)目前国内有多家单位已研制出随钻测量工具,但技术水平参差不齐。在生产中应用的随钻测井工具主要靠引进国外产品或由国外公司进行技术服务。随着国内油气勘探开发难度不断增加,对LWD的需求将逐步增大,因此研制国内具有独立知识产权的随钻测井技术具有重要意义。认识、了解和掌握MWD/LWD系统的功能、特性和典型结构是用好及研究开发此类高新技术工具的前提和基础。

参考文献

[1] 苏义脑,盛利民,李林,邓乐,窦修荣.地质导向钻井技术及其在我国的研究进展.中国石油天然气集团公司钻井承包商协会论文集.北京:石油工业出版社,2003

[2] 苏义脑等.井下控制工程学研究进展.北京:石油工业出版社,2001

[3] Inglis T A著.定向钻井.苏义脑等译.北京:石油工业出版社,1995

(修改稿收到日期 2004-12-30)

〔编辑 景 暖〕

中图分类号：TE271

文献标识码：B

文章编号：1000-7393(2005)01-0074-05

(收稿日期：2004-07-30)