欠平衡鉆井MWD信號的下降緣故及應對措施探討

張　燚（山東省東營市東營區鉆井工程技術公司定向井公司,山東　東營　257000）

欠平衡鉆井MWD信號的下降緣故及應對措施探討

張燚
（山東省東營市東營區鉆井工程技術公司定向井公司,山東東營257000）

摘要：欠平衡鉆井技術一種提高勘探開發效益的鉆井新技術，在油、氣、田勘探開發方面進行了技術鉆研和現場試驗，并取得了顯著效益。在充氣欠平衡鉆進中，隨鉆測量設備MWD在井下發射的鉆井液脈沖在傳播過程中衰減的程度很大，使得地面檢測設備難以對井眼軌跡進行檢測和控制。通過分析排除影響壓力波信號傳輸的因素，可以通過模擬建立充氣欠平衡鉆井MWD信號傳輸模型，提出解決方案并進行現場試驗。實驗結果證實：改變注氣方式將氣液充分混合后對信號傳輸有一定的改進作用，可以提升MWD的有效測量距離；地面傳感器的安裝位置對信號接收不會造成影響。

關鍵詞：充氣欠平衡鉆井；MWD；解決方法

EM-MWD技術主要用于油田、氣田等勘探同時的井下數據傳輸，該技術載體為電磁波，傳統技術會因為井下地質條件復雜、傾斜角過多、介質類型復雜以及鉆井方式的不同而導致數據傳輸受到影響，對工作效率有明顯的負作用。而EM-MWD技術能夠確保在鉆井同時，以鉆桿、井壁等載體作為信號傳輸通道無限制輻射，信號傳輸效果極佳。該技術對鉆井液沒有較高要求，且信號優劣與鉆井液的含氣量沒有相關性，泥漿屬性也不會對其造成影響，因此，該技術能夠有效應用于欠平衡鉆井工程，發展前景明朗。

1　分析充氣欠平衡鉆井信號衰減因素

一般而言，氣體具備可壓縮性，因此在充氣時，兩相界面間有大量且高頻率的動量交換現象，該問題也是目前欠平衡鉆井出現的首要技術難題[1]。MWD信號于井下發射，但隨著信號的反彈、傳遞，到達地面之后，很難檢測到較為強烈的信號源，因此可知，衰減明顯，同時，傳統的鉆井液脈沖測量工具也無法在此類條件下使用，大部分工程會選用電磁波工具，然而該技術的信號測量范圍有限，無法精確處理深度較大的單位，且技術復雜、所需成本過高。針對上述問題，本文研究在常規情況下的充氣使用問題，建立充氣欠平衡鉆，鉆柱充氣后，內部持氣率有所提升，那么鉆井液的脈沖發射速度會相應降低，相對應的衰減系數前期遞增，后期會有所遞減。

2　欠平衡鉆井解決MWD信號衰減應對措施

通過研究簡單的鉆井MWD信號傳輸模型，并了解信號發射原理，包括傳輸、分散、折射以及接收等問題，分析影響信號并導致衰減的原因，針對性地提出相應技術措施[2]。主要有兩點：第一，調整鉆井設備的注氣方法，第二，優化、提升地表信號接收設備的功能。具體方案如下：

（1）優化MWD信號的地面接收儀器安裝。鉆井液主要通過鉆井設備儀器提供能量，載體多為泥漿，鉆井液進入設備后，通過立管、水龍帶進入鉆桿中，從而達到使鉆頭冷卻、清洗污垢、潤滑設備以及輸送巖心等作用。一般而言，MWD接受設備（地面段）的安裝位置為立管中部，當設備注氣后，第二階段即水龍帶，有較大幾率出現氣塞現象，上文提到，空氣壓縮性較強，因此當MWD信號經過氣塞后，受到壓縮空氣的影響，就會產生明顯的衰減，立管上的接收設備所收到的信號較弱，影響工程正常運作。因此，優化MWD信號接收設備，將該設備放置于水龍帶前端，調整其距離，或直接安裝于鉆桿保護帶，這樣就能夠有效避免水龍帶中出現氣塞，影響信號的有效傳輸。

（2）擴大鉆井下信號頻率調節范圍。在欠平衡鉆井工作過程中，地層的不同也會導致MWD信號傳輸效果有所差異，例如地層差異會影響電阻率高低，鉆井設備工作頻率提升，若與此同時電阻率過低，那么信號的傳輸就會受到嚴重影響，直接導致可測量深度不足等問題。為了避免該問題，可采用調整地層電阻率的方式，以動態方法在寬頻內操作，保證信號載頻合適，從而降低數據傳輸過程中的流失、接收信號的滯后，確保工程測量的準確性。此外，還可以通過在地表與地下空間中額外安裝信號增強設備起到信號中轉、加強的作用，也能夠有效提升其精確度。

2.1 儀器的電源因素

由于電池組的內容量有限，電磁波所需要的發射功率巨大，并且對工作環境的溫度有明確要求，所以可充式電池無法完全用取代渦輪發電機[3]。以流體力學為依據，流體的流速及葉輪的角度決定渦輪的轉速，那么葉輪角度的設計合理程度十分重要，其必須配合中國鉆井現場往復泵所能承受的流體流速。并且，渦輪發電機的安裝強度也是需要確保的，以適應復合鉆井時帶來的強烈震動感。

2.2傳感器靈敏度的接受性

由電磁波傳播中存在的反射、衍射等現象引起的多個電磁波先后到達地表此種現象，是受地層的非均勻性影響的，因此相位、幅值等的疊加此種問題會在任一不確定的點出現。通過鉆柱傳達上來的信號電流和鉆柱上信號電流幅射出的橫電場波和橫磁場波，都可以在接收信號的靈敏度提高之后，被接受傳感器直接接收。

3　結論

通過模擬建立充氣欠平衡鉆井MWD信號傳輸模型，以及鉆井液脈沖衰減系數和傳播速度，歸納出影響信號傳輸的主要因素是鉆柱內持氣率，降低持氣率是解決隨鉆測量問題的根本方法。可以通過調整地面接收器安裝位置和改變注氣方式來作為基本的解決方案，通過現場試驗得出地面接收器安裝位置對信號傳輸不會產生影響，變更氣液兩相充分混合的注氣方式可減小壓力波信號的下降情況，可在一定程度上改進MWD信號傳輸，在充氣條件下可有效提升MWD信號的精準測量距離。就現狀來看，欠平衡鉆井技術是國內外各油田都重視的發展方向之一，各方在積極主動地在技術上鉆研。電磁波隨鉆測量系統隨著技術的不斷進步未來將取代泥漿脈沖隨鉆測量系統的使用，為了滿足欠平衡鉆井數據采集的需求，科學地為現場實時監測控制“欠平衡”技術提供依據。

參考文獻：

[1]魏納,孟英峰,李皋等.液基全過程欠平衡鉆井停止循環連續氣侵井筒瞬態流動[J].中國石油大學學報（自然科學版）,2012,36(06).

[2]史懷忠,李根生,王學杰等.水力脈沖空化射流欠平衡鉆井提高鉆速技術[J].石油勘探與開發,2010,37(01).

[3]李士斌,竇同偉,董德仁等.欠平衡鉆井井底巖石的應力狀態[J].石油學報,2011,32(02).