淺談無線隨鉆在鉆井實踐中的應用

高偉

(寧夏礦業開發勘查院第三鉆井隊,寧夏銀川 750021)

淺談無線隨鉆在鉆井實踐中的應用

高偉

(寧夏礦業開發勘查院第三鉆井隊,寧夏銀川 750021)

無線隨鉆主要的特點就是能夠在鉆井的過程中完成測井的工作。無線隨鉆具有結構簡單、操作方便的特點,在鉆井工程中有著較為廣泛的應用,一方面能夠滿足鉆井質量要求,另一方面能夠實現鉆井成本的節約。本文對無線隨鉆的工作原理及關鍵技術,并對其在鉆井實踐中應用及改進進行了分析。

無線隨鉆 鉆井時間 技術改進

隨著鉆井技術的發展和對鉆井要求的提高，各種各樣的測斜儀器相繼出現，不同的測斜儀器分別具有不同的優缺點，適用于不同的場合。無線隨鉆在鉆井行業中已經得到了較為廣泛的應用，屬于較為先進的測量工具。隨著鉆井技術的不斷發展與對鉆井技術的不斷提高，對井斜測量的要求也不斷提高。無線隨鉆具有操作方便、費用較低及適應性較強的特點，在鉆井實踐中有著極大的好評與應用。隨著無線隨鉆應用范圍的擴大，其所面臨的井下環境與鉆井工況都更為復雜，無線隨鉆在實踐應用的過程中也出現了一些問題，本文對其實踐應用及改進措施進行了分析，為無線隨鉆的完善提供了參考與借鑒。

1 無線隨鉆概述

1.1 無線隨鉆的工作原理

無線隨鉆屬于測斜儀器，主要是依靠精密機械對井斜進行測量，通過井液脈沖技術對信息進行傳輸。無線隨鉆的功能主要是對直井進行無線隨鉆測量井斜，主要的結構組成包括井下儀器、地面信號接收系統、井下與地面信息傳輸系統等。井下部分主要用來測量井斜和產生脈沖信號，地面部分主要是接收信號，從而讀出井斜數據。

1.2 無線隨鉆的關鍵技術

第一，測斜技術。主要是通過精密機械對井斜進行測量，主要的原理為擺錘在重力作用之下呈現出自由垂直狀態，如果其位置出現傾斜的情況，可以通過擺錘掛合階梯環來對井斜進行確定與測量。第二，控制技術。控制技術主要指的是在將測斜機構所測得的井斜信息向宜偏移量轉換與放大的過程中，依據井斜信息的不同選擇不同的脈沖信號。第三，信息傳輸技術。通過控制信息對井下儀器的脈沖發生器進行控制，從而促進鉆井液產生壓力方面的變化。第四，密封技術與潤滑技術。密封技術與潤滑技術指的是將關鍵儀器密封在一個外殼中，使得殼內的壓力要略高于外部壓力，只能夠讓潤滑油外泄而確保外部物質不能夠進入儀器中，通過潤滑油的作用降低零件之間存在的摩擦。

2 無線隨鉆在鉆井實踐中的應用及完善

2.1 無線隨鉆在鉆井實踐中的應用

無線隨鉆具有耐高溫、抗高壓、適應性強、隨鉆測斜等特點。首先，操作簡單。無線隨鉆為純機械結構，不需要電源及相關的復雜電路、電子元件等，在使用的過程中操作非常簡便。其次，測量所需時間段。利用無線隨鉆對井斜進行測量的過程中，所需時間僅為3-5分鐘，測量的結果即時就能夠進行顯示。第三，適應性較強。在高溫井、深井中都能夠運用，滿足了特殊井井斜測量的需要。最后，測量結果穩定可靠。無線隨鉆是接卸結構，不存在溫漂等情況，測量結果非常穩定，而且較為準確。

其適用的場合主要包括：第一，深井、超深井、高溫井、高壓井中進行應用，對這些較為特殊的井的測斜問題進行了解決；第二，與防斜糾斜鉆進行配合使用，促進了隨鉆監測的防斜效果與糾斜效果；第三，在山前、高陡構造中的易斜井中進行應用，隨鉆對井斜的變化進行檢測，一方面能夠確保井身的質量，另一方面能夠加快鉆井的速度。無線隨鉆先后在我國煤田的350多口井中得到了應用，推廣儀器150多套，取得了非常良好的應用與推廣效果。

2.2 無線隨鉆在鉆井實踐中的完善

2.2.1 實踐應用中抗沖刷能力的改進

無線隨鉆的井下儀器與底部鉆具組合連接在一起，始終處于地下工作，在與鉆井液進行接觸的過程中不可避免的會遭受到沖刷，其中脈沖發生器受沖刷的影響最為嚴重。脈沖發生器是無線隨鉆中的關鍵組成部分，一旦出現故障將導致無線隨鉆無法繼續工作，甚至還會對儀器的壽命造成影響。

通過研究可知，金屬材料在受到含有固體顆粒的流體沖刷時，磨損率與流體流動速度之間存在著一定的關系，當流體的流動速度達到臨界速度之后，磨損率會明顯升高。脈沖器在發送脈沖信號的過程中，脈沖頭與脈沖環之間的流速達到最大，而且在脈沖頭下方會出現較為嚴重的渦流，從而對脈沖器造成較為嚴重的沖刷，導致其出現故障。

針對這種情況，要對實現對脈沖環與脈沖頭結構的優化，實現流道形狀的改變，降低流速，減少脈沖器所受到的沖刷磨損。同時，要對脈沖環與脈沖頭的材料及加工工藝進行完善，促進臨界流速的提高，從而實現脈沖器內鉆井液流速始終保持在臨界流速之下，提高脈沖器的抗沖刷能力。

2.2.2 實踐應用中抗沖擊性能的改進

當儀器在尺寸較大的井眼中進行鉆進時，由于鉆井液的排量比較大，導致對儀器的沖擊也比較大，儀器在沖擊之下會出現振動甚至引發故障。通過對故障的原因進行分析可知，主要是由于儀器的阻尼系統性能不能夠適應井下工況的需要，從而導致內部零部件出現故障。當鉆井泵在工作的過程中，流速較高的鉆井液會對脈沖軸造成沖擊作用，導致與脈沖軸相連接的構件遭受到損壞，從而導致儀器出現故障。針對這種情況，在對其進行改造的過程中，要依據實踐中鉆井液的流量對脈沖軸受到的沖擊力進行確定，然后通過對阻尼環數量與節流孔直徑的優化，使脈沖軸速度保持在一定的范圍之內，從而確保儀器能夠正常的工作。

2.2.3 實踐應用中脈沖信號的衰減

鉆井液脈沖信號在傳輸的過程中是符合指數衰減規律的，依據脈沖信號在鉆井液中的傳播速度，其強度的衰減表達式為：

其中P、P0代表脈沖信號的初始強度與傳輸距離x之后的強度，單位為Pa；f代表脈沖信號頻率，單位為Hz；ag、as代表中氣體與固體的體積分數；Ks、Ki、Kg代表鉆井液固體、液體、氣體中的體積彈性模量，單位為Pa；μ代表鉆井液粘度，單位為Pa·s；D2代表鉆柱內徑，單位為m；E代表鉆柱材料彈性模量，單位為Pa；e底部鉆柱壁厚，單位為m。

從公式中可以看出，影響脈沖信號衰減的因素主要包括傳輸距離、鉆柱尺寸、鉆柱材料特性、脈沖頻率、鉆井液組分、鉆井液粘度等。鉆井液的粘度越高，脈沖的衰減更加嚴重；脈沖的頻率越高，其衰減更加嚴重。通過對脈沖頻率的提高能夠促進信息傳輸速度的提高，但是會加重信號衰減。因此，在脈沖器的設計過程中要對兩方面的因素進行充分的考慮，一方面要滿足數據傳輸速度要求，另一方面要確保脈沖傳播距離。

在導致脈沖衰弱的多種因素中，鉆井液性能，鉆具結構等需要依據地質條件、鉆井工藝等進行確定，是不能夠改變的；脈沖頻率、強度等與儀器存在一定的相關性，在對儀器設計的過程中要充分考慮。

2.2.4 實踐應用中地面信號接收裝置的改進

無線隨鉆的地面信號接收裝置主要是對立管壓力傳感器的壓力脈沖信號進行采集，對壓力的脈沖曲線進行顯示，依據壓力脈沖信號對井斜角進行計算與現實，并對結果進行打印。通過現場實踐情況進行分析，對地面信號接收裝置的改進措施主要包括：第一，對井斜角的計算方法進行改進，從而使計算結果更加精確；第二，對參數設置方法進行改進，為現場操作提供便利；第三，實現了數據存儲能力的強化，能夠同時存儲20-30組的測斜數據；第四，實現了數據傳輸接口的增加，實現了儀器與計算機之間的相連，能夠將測量所得的數據更加便捷地傳輸到計算機中；第五，實現了測量結果打印方式的轉變，能夠依據具體的測量結果與現場需要對測量結果是否打印及打印的方式進行判斷與選擇。對地面信號接收裝置實現了改進之后，實現了操作的便捷，實現了井斜測量結果準確性的提高，更加適用于實踐應用。

3 結語

機械式無線隨鉆測斜儀是一種新型的測斜工具，利用鉆井液脈沖技術與地面傳輸信息。它具有操作使用方便、測量時間短、適應性強、測量結果穩定、可實現隨鉆測量等優點。現場應用表明，機械式無線隨鉆測斜儀完全可以滿足直井，特別是深井、超深井、高溫井等特殊直井測斜的需要，實現了實時測量和井斜監控，克服了目前常用直井測斜儀器的不足。機械式無線隨鉆測斜儀的應用對改善井身質量、提高鉆井速度、降低鉆井成本等具有重要意義。

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高偉(1980—),男,漢族,寧夏西吉人。2012年7月畢業于長安大學,資源勘查工程專業。2008年就職于寧夏礦業開發勘查院第三鉆井隊,鉆探技術員,主要從事地質勘探及地質鉆探工作。