發展中的我國電磁隨鉆測量技術

■ 敏 銳

勘探開發

發展中的我國電磁隨鉆測量技術

■ 敏 銳

鉆井工程無疑是石油工業中采用先進技術思想、實施新科技最活躍的領域，近年來，氣體鉆井技術更加有利于發現和保護油氣層，能大幅度地提高機械鉆速和鉆頭使用壽命，為復雜地層油氣勘探開發提供了新的工程技術手段?？上驳氖沁@項技術在我國呈迅猛發展態勢，形成了空氣鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井、氮氣鉆井、天然氣鉆井、柴油機尾氣鉆井、充氣鉆井等配套裝備和工藝技術，具備了3500米井深的氣體鉆井能力。

氣體鉆井中的鉆井液可壓縮性強，不能產生有效的鉆井液脈沖，常規隨鉆測量技術（MWD）無法使用，因此斯倫貝謝、哈利博頓以及俄羅斯的一些石油公司相繼推出了一系列的電磁隨鉆測量系統(EM-MWD)，并在歐洲、加拿大、南美洲和俄羅斯等地區推廣應用。在我國，中國石化經過幾年的技術儲備和研究攻關，研制開發了具有獨立知識產權的EM-MWD系統樣機——CEM-1 (China Electromagnetic MWD)，填補了該項技術的國內空白。工區現場試驗表明：在相近的地層條件下，CEM-1的主要技術指標達到了國外同類產品的先進水平。

CEM-1系統結構與工作原理

中國的石油鉆井工程界從2002年開始跟蹤國際電磁隨鉆測量技術，并于2003年初由中國石化所屬的科研部門完成了調研報告。2003年11月，完成了俄羅斯ЗТС-172M型EM-MWD系統在我國的現場試驗。試驗井的地層電阻率為2～4Ωm，其有效測量深度為1600米。2006年，中國石化正式啟動了“電磁隨鉆測量系統研制”項目的立項研究，經過連續攻關，攻克了一系列技術難點和技術關鍵，首次現場試驗即獲得圓滿成功。

由于電磁波可以穿透包括大多數導體在內的若干介質并在這些介質中傳播，因此基于電磁信號傳輸方式的CEM-1可用于各種鉆井液。CEM-1的井下信號發射機將來自傳感器的數據進行編碼、調制、功率放大，由發射天線發出電磁信號；地面的信號接收機用信號接收天線來獲取電磁信號，同時用噪聲天線來接收電磁干擾；信號和噪聲分別經低噪聲放大后，由DSP(數字信號處理)模塊進行數據處理，即經過數字濾波、自適應消噪、解調、譯碼后，送入數據處理計算機、司鉆顯示器等終端設備。CEM-1的通信系統構成框圖如圖1所示。

CEM-1可分為4個子系統：①井下數據采集(由加速度計和磁通門等傳感器構成)；②井下信號發射機；③地面信號接收機；④地面數據處理及輸出終端。與其它MWD系統相比，井下信號發射機和地面信號接收機是CEM-1的核心技術。CEM-1系統的基本構成如圖2所示。

圖3 CEM-1井下儀器總成示意圖

現場試驗成果顯著

井下的信號發射有磁激勵和電激勵兩種方式。由于磁偶極子的環形面積受到井筒橫向尺寸的限制，且電激勵比磁激勵效率高，所以CEM-1系統采用了軸向電激勵方式。井下發射天線由特殊設計的鉆鋌構成，形成一種類似于雙極天線的非對稱激勵裝置。CEM-1系統的井下儀器總成如圖3所示。

除具有鉆井液脈沖MWD的功能和特點之外，CEM-1系統還有如下特點：

（1）不受鉆井液介質的影響，可用于各種水基鉆井液、油基鉆井液、氣體及充氣鉆井液；

（2）不受鉆井液流量、流變性能以及含砂量、含氣量等方面的影響；

（3）無需循環鉆井液(如停泵接單根時)，即可進行隨鉆測量和數據傳輸；

（4）系統結構簡單，井下儀器總成無活動零部件，可靠性好；

（5）井下儀器總成無易損件，比鉆井液脈沖MWD的使用成本低。

通過研究井下電磁信號的傳輸特性、EM-MWD系統設計、系統樣機研制與測試、地面試驗，中國石化石油勘探開發研究院于2007年3月初研制成功了電磁隨鉆測量系統樣機。又經過多次的單元測試和系統集成測試，我國首臺電磁隨鉆測量系統樣機——CEM-1，于2007年3月19日至4月10日先后進行了5口井的現場試驗。2007年3月19日在中原油田的兩口井上進行試驗。第一口井是井深為300米的測井教學井，地面接收到的電磁信號很強、接收效果良好。第二口井是井深為3800米的測井標定井——衛古1井，套管下深接近3700米，分別在井深500米、800米、1000米等處進行測試，EM-MWD系統測傳正常并能正確解碼，但是隨著井深的增加信號強度減弱。這兩口井都是使用測井電纜來下入井下儀器，驗證了系統的功能性。

2007年4月8日，CEM-1系統樣機在吉林省前郭縣查干花鄉的腰英臺油田DB18-2-G1井上進行了現場試驗。該井設計井深2270米，表層套管下深200米，鉆井液密度1.2g/cm3，地層電阻率2～4Ωm。樣機連續工作20小時，起鉆后井下儀器完好無損?，F場試驗表明：在相近的地層和井筒條件下，采用相同的信號載波頻率和更低的井下發射功率，我國研制的CEM-1系統樣機其主要技術指標達到了國外石油公司產品的先進水平。

大有發展前景的技術

我國的油氣勘探與開發對象是大面積的低孔、低滲、低壓、低豐度油氣藏，其中低滲透儲層油氣資源、煤層氣資源、深層油氣資源、復雜油氣資源等約有500億噸油當量。而且，隨著油氣勘探開發的不斷深入，鉆遇易漏失、高研磨性、極堅硬的地層越來越多。氣體鉆井技術是解決上述鉆井技術難題、提高鉆井速度的有效技術手段。有些國家的氣體鉆井進尺已占鉆井總進尺的30%，而我國還不到1%，因此氣體鉆井的份額還有很大的增長空間和潛力。

無論是對于氣體鉆井的防斜打快還是定向井和水平井鉆井，都必須有效地監測和控制井斜。由于EM-MWD系統基本上不受鉆井液介質的影響，所以能夠解決氣體鉆井中的隨鉆測量問題，被世界各國普遍采用和推廣。

近年來，我國油氣勘探開發解放思想，淺層油氣資源開發呈現出快速發展的態勢，在新疆的塔里木盆地、克拉瑪依油田、東北的吉林油田以及渤海灣廣大的灘海地區都收到了良好的效果。由于EM-MWD的費用遠低于鉆井液脈沖MWD，所以在淺層油氣資源開發中用EM-MWD取代鉆井液脈沖MWD將會帶來良好的經濟效益。

誠然，EM-MWD技術也有其自身的弱點。電磁信號在地層中傳播會受到地層特性的影響，特別是低電阻率地層信號衰減快，因此其有效測量深度會受到一定的限制。

復雜地質條件所帶來的鉆井技術難題以及氣體鉆井等特殊工藝技術的推廣應用，為EM-MWD技術提供了有利的契機和發展空間。隨著EM-MWD技術的發展，其適應性問題將會得到克服或改善，EM-MWD技術的諸多優勢將會更加突顯，必將成為今后隨鉆測量領域中的一項重要技術。我國EM-MWD系統的商業化生產已為期不遠，這將對石油勘探和開發產生重要影響，并帶來巨大的經濟效益和社會效益。