MWD無線隨鉆測(cè)斜儀信號(hào)傳輸方式及問題處理方法

■胡明

（渤海鉆探定向井分公司河北任丘062552）

MWD無線隨鉆測(cè)斜儀信號(hào)傳輸方式及問題處理方法

■胡明

（渤海鉆探定向井分公司河北任丘062552）

MWD是定向井井眼軌跡控制中一種常用的測(cè)量?jī)x器，主要用于測(cè)量井斜角、方位角、工具面角等參數(shù)。當(dāng)MWD在井下工作出現(xiàn)異常時(shí)，能否迅速判斷和處理，避免因儀器故障造成停工，影響鉆井正常施工，是每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工程師都必須慎重對(duì)待的現(xiàn)場(chǎng)問題。MWD無線隨鉆測(cè)斜儀是在有線隨鉆測(cè)斜儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的隨鉆測(cè)量?jī)x器。它與有線隨鉆測(cè)斜儀的主要區(qū)別在于井下測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸方式不同

MWD常 見故障 分析 處理

1　目前我國(guó)多數(shù)井中使用的MWD施工主要包括下面兩種方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸

1.1負(fù)脈沖方式

泥漿負(fù)脈沖發(fā)生器需要組裝在專用的無磁鉆鋌中使用，開啟泥漿負(fù)脈沖發(fā)生器的泄流閥，可使鉆柱內(nèi)的泥漿經(jīng)泄流閥與無磁鉆鋌上的泄流孔流到井眼環(huán)空，從而引起鉆柱內(nèi)部的泥漿壓力降低，泄流閥的動(dòng)作是由探管編碼的測(cè)量數(shù)據(jù)通過調(diào)制器控制電路來實(shí)現(xiàn)。在地面通過連續(xù)地檢測(cè)立管壓力的變化，并通過譯碼轉(zhuǎn)換成不同的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖1　泥漿負(fù)脈沖方法工作原理示意圖

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳輸速度較快，適合傳輸定向和地質(zhì)資料參數(shù)。

缺點(diǎn)是：下井儀器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，組裝、操作和維修不便，需要專用的無磁鉆鋌。

1.2正脈沖方式

圖2　泥漿正脈沖方式工作原理示意圖

如圖2所示，泥漿正脈沖發(fā)生器的針閥與小孔的相對(duì)位置能夠改變泥漿流道在此的截面積，從而引起鉆柱內(nèi)部的泥漿壓力的升高，針閥的運(yùn)動(dòng)是由探管編碼的測(cè)量數(shù)據(jù)通過調(diào)制器控制電路來實(shí)現(xiàn)。在地面通過連續(xù)地檢測(cè)立管壓力的變化，并通過譯碼轉(zhuǎn)換成不同的測(cè)量數(shù)據(jù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：下井儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，使用操作和維修方便，不需要專門的無磁鉆鋌。缺點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳輸速度慢，不適合傳輸?shù)刭|(zhì)資料參數(shù)。

1.3電磁波傳輸方式

因空氣鉆井的項(xiàng)目，將引進(jìn)兩套電磁波信號(hào)傳輸MWD。

電磁波信號(hào)傳輸主要是依靠地層介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。井下儀器將測(cè)量的數(shù)據(jù)加載到載波信號(hào)上，測(cè)量信號(hào)隨載波信號(hào)由電磁波發(fā)射器向四周發(fā)射，如圖3所示。地面檢波器在地面將檢測(cè)到的電磁波中的測(cè)量信號(hào)卸載并解碼、計(jì)算，得到實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖3　電磁波信號(hào)傳輸示意圖

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳輸速度較快，適合于普通泥漿、泡沫泥漿、空氣鉆井、激光鉆井等鉆井施工中傳輸定向和地質(zhì)資料參數(shù)。

缺點(diǎn)是：地層介質(zhì)對(duì)信號(hào)的影響較大，低電阻率的地層電磁波不能穿過，電磁波傳輸?shù)木嚯x也有限，不適合超深井施工。

2　儀器測(cè)試和組成

2.1MWD測(cè)量?jī)x器的精度要求

（1）井斜角≤±0.1。

（2）方位角≤±1。

（3）溫度≤±1。C

（4）磁場(chǎng)強(qiáng)度≤±0.075μT

（5）重力工具面≤±0.5。

（6）磁性工具面≤±1。

（7）組裝測(cè)量?jī)x器

2.2測(cè)量?jī)x器

（1）外觀無損傷，無彎曲，無變形；

（2）連接端清潔無損傷；

（3）脈沖發(fā)生器測(cè)試要求按表1執(zhí)行；

表1　脈沖發(fā)生器測(cè)試要求

（4）驅(qū)動(dòng)短節(jié)充電電流在規(guī)定的范圍之內(nèi),充電電流在300mA～400mA,測(cè)試正常；

（5）定向電池電壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按表2執(zhí)行。

表2　定向電池電壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

（6）定向儀器地面串接測(cè)試，工作正常；

（7）記錄各部分編號(hào)。

2.3組裝測(cè)量?jī)x器總成

（1）組裝脈沖發(fā)生器總成；

（2）組裝驅(qū)動(dòng)短節(jié)總成；

（3）組裝定向電池總成；

（4）組裝定向測(cè)量總成；

（5）將脈沖發(fā)生器總成、驅(qū)動(dòng)短節(jié)總成、定向電池總成、定向測(cè)量總成用專用電纜連接，組成測(cè)量?jī)x器總成。

2.4測(cè)量?jī)x器組合測(cè)試

（1）將組裝好的測(cè)量?jī)x器總成通過探管并口測(cè)試盒與計(jì)算機(jī)連接，在車間對(duì)儀器組合進(jìn)行測(cè)試；

（2）通過地面確認(rèn)測(cè)試，確保測(cè)量?jī)x器的參數(shù)符合要求,在測(cè)試報(bào)告上填寫各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)；

（3）在測(cè)量?jī)x器專用無磁鉆鋌和接頭兩端裝入護(hù)絲。

2.5地面系統(tǒng)

（1）各地面儀器外觀無損傷；

（2）地面接口箱通電，測(cè)試各功能鍵正常；

（3）將壓力傳感器用電纜與地面接口箱連接，使用壓力泵測(cè)試壓力傳感器0MPa～30MPa的規(guī)定壓力范圍內(nèi)工作正常；

（4）將司鉆閱讀器通過電纜與司鉆閱讀器電源箱連接，通電測(cè)試司鉆閱讀器正常。

2.6地面系統(tǒng)測(cè)試

將地面系統(tǒng)各部分連接起來，打開電源，進(jìn)行整體測(cè)試。

3　MWD地面系統(tǒng)接地和壓力傳感器使用技術(shù)

地面系統(tǒng)接線圖：

GAMMA連接線:

4　MWD無線隨鉆儀器信號(hào)異常分析處理方法

（1）現(xiàn)象：在停泵狀態(tài)下，觀察到計(jì)算機(jī)屏幕上的柱狀壓力顯示區(qū)出現(xiàn)壓力值波動(dòng)。例如：在3～5Mpa上下規(guī)律性波動(dòng)，開始正常定向時(shí)會(huì)與正常的脈沖信號(hào)疊加，導(dǎo)致不能解碼，且通過標(biāo)定壓力傳感器無法克服。

分析:鉆井設(shè)備更新有電驅(qū)替代柴油機(jī)的趨勢(shì)，例如：電動(dòng)轉(zhuǎn)盤，液壓鉗，頂驅(qū)等。交變干擾信號(hào)在計(jì)算機(jī)屏幕上的出現(xiàn)，說明電機(jī)存在電磁外泄。

解決：壓力傳感器內(nèi)裝有抗干擾的濾波電容，施工現(xiàn)場(chǎng)一旦出現(xiàn)交變干擾，只能從干擾源著手。

（2）現(xiàn)象：波形顯示區(qū)脈沖波形時(shí)斷時(shí)續(xù)，無法正常解碼，出井地面測(cè)試正常。

分析：電池筒減震組件虛接，振動(dòng)導(dǎo)致儀器間歇斷電。

解決：更換電池筒減震組件。

提示：此類故障具有隱蔽性，極端情況時(shí)，鉆頭提離井底，信號(hào)正常，鉆頭到底加壓，信號(hào)全無。此外，連續(xù)發(fā)停泵序列，也要特別注意電池筒減震組件。

（3）現(xiàn)象:波形顯示區(qū)突然出現(xiàn)大量雜波。

分析:首先詢問井隊(duì)泥漿人員，確認(rèn)泥漿中是否添加了藥劑。將配漿注入循環(huán)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鉆具水眼上部形成稠塞。

解決:下鉆到底循環(huán)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)雜波多的情況，這與井底含砂大有關(guān)，與泥漿中添加處理劑不同之處在于前者發(fā)生在井口，后者在井底。

（4）現(xiàn)象：在儀器出井的拆卸過程中，發(fā)現(xiàn)扶正器有粘扣現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)加力能導(dǎo)致勾扳手打折。

分析：核實(shí)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，嚴(yán)重超標(biāo)達(dá)95轉(zhuǎn)每分鐘，過高的轉(zhuǎn)速對(duì)井下儀器起到了緊扣作用，導(dǎo)致粘扣。

解決：將轉(zhuǎn)速控制在60轉(zhuǎn)每分鐘左右。

提示：井下儀器串從坡道提升到鉆臺(tái)的過程中，要防止打撈頭撞擊坡道，造成打撈頭下的扶正器粘扣甚至損傷扶正器，嚴(yán)禁用釋放矛提升儀器。

（5）現(xiàn)象：定向時(shí)軟件上泵壓顯示不正常總是突然超過30兆帕然后恢復(fù)正常。

分析：只有定向時(shí)出現(xiàn)，復(fù)合和測(cè)斜時(shí)正常。

解決：更換螺桿鉆頭后正常。

（6）現(xiàn)象：壓力數(shù)值波動(dòng)不正常，雜波過多無法解碼。

分析：井隊(duì)和錄井壓力顯示正常。

解決：更換壓力傳感器后正常。

（7）現(xiàn)象：儀器入井井口測(cè)試信號(hào)正常，中途測(cè)試正常，1100米到底開泵，正常波形中有雜波干擾無法檢測(cè)到數(shù)據(jù)。

分析：當(dāng)時(shí)懷疑地面設(shè)備引起波形不正常，檢查泵正常、循環(huán)處理泥漿90分鐘后波形仍然不正常，決定起鉆檢查儀器，懷疑脈沖發(fā)生器引鞋部分可能出現(xiàn)故障。

解決：取出儀器檢查引鞋正常。取下篩屏發(fā)現(xiàn)伺服閥閥頭對(duì)著的閥套Ⅱ損壞。

（8）現(xiàn)象:脈沖波形時(shí)斷時(shí)續(xù)。

分析：觀察泵壓變化也是如此，判斷為砂卡。

解決：循環(huán)處理泥漿，降低含砂，信號(hào)逐漸恢復(fù)正常。

（9）現(xiàn)象：軟件上無壓力顯示。

分析：泵壓表正常，判定為地面設(shè)備故障，對(duì)司顯進(jìn)行通訊測(cè)試全部失敗，室內(nèi)單獨(dú)測(cè)試司顯正常，檢查線路，發(fā)現(xiàn)30米電纜被砸斷。

解決:更換30米電纜，如重接30米電纜，注意要將屏蔽網(wǎng)也接好。

（10）現(xiàn)象：測(cè)斜時(shí)不出停泵序列。

分析：起鉆檢查儀器正常。井下螺桿旁通閥沖壞，泥漿從鉆具內(nèi)流失。流量開關(guān)感受不到開關(guān)泵。

解決：換螺桿后停泵序列正常。

（11）現(xiàn)象：儀器地面測(cè)試正常，井口測(cè)試無信號(hào)。

分析：儀器沒有正常座鍵。

解決：重新座鍵。其它情況：儀器座鍵困難，曾遇到的情況，定向接頭加工誤差，定向接頭接反，限流環(huán)沖翻。

（12）現(xiàn)象：雜波多。

分析：泵壓表正常，傳輸線路附近可能有干擾源。

解決：檢查30米電纜附近有電焊機(jī)施工，停掉電焊機(jī)后信號(hào)恢復(fù)正常。其它可能原因：壓力傳感器振動(dòng)松扣會(huì)直接導(dǎo)致雜波的出現(xiàn)。壓力傳感器與連接電纜插頭連接處進(jìn)水也會(huì)導(dǎo)致雜波多，該故障隱蔽，較難查找，因此電纜各插頭連接處務(wù)必用防水膠帶纏好。

5　地面系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)基線不穩(wěn)，信號(hào)突然不好的幾種情況及解決辦法

（1）首先檢查當(dāng)信號(hào)不好前，MWD地面系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)是否改變。如：泵沖開關(guān)位置是否改變；查看SIB電流表是否上下波動(dòng)；井隊(duì)是否進(jìn)行泥漿加重；鉆臺(tái)是否上下活動(dòng)鉆具。

（2）查看鉆臺(tái)水龍帶是否晃動(dòng)，泵壓表指針是否波動(dòng)，如果是泵上水不好，要求井隊(duì)修泵；如果空氣包壓力不夠，補(bǔ)充泵空氣包壓力；檢查兩個(gè)泵是否合用一個(gè)空氣包，將所有與高壓管線無關(guān)的閥門關(guān)緊。

（3）檢查泵壓信號(hào)線兩端是否松動(dòng)，導(dǎo)致+24V電源時(shí)斷時(shí)續(xù)。

（4）循環(huán)管匯是否有泄漏地方，如灌泥漿口，注意有的井隊(duì)裝了兩個(gè)水龍帶。

（5）壓力傳感器安裝處是否有空氣，換一個(gè)地方安裝。

（6）井隊(duì)發(fā)電機(jī)是否頻率不穩(wěn)（一般說，如果儀器開始工作正常，則電源應(yīng)正常）。也可能是井隊(duì)電機(jī)功率不夠，在開泵時(shí)基線不穩(wěn)。以前井出現(xiàn)此情況，改用后備電源UPS供電后，信號(hào)曲線正常。

另外，井場(chǎng)冬季環(huán)境溫度很低時(shí)，壓力傳感器可能被凍住，如用蒸汽噴容易損壞內(nèi)部電路，可加氈墊或用其它方式保護(hù)好壓力傳感器。

6　結(jié)論與建議

本文總結(jié)了我多年的工作經(jīng)驗(yàn)中對(duì)MWD無線隨鉆測(cè)斜儀信號(hào)傳輸方式及問題處理方法的理解，希望能為MWD無線隨鉆測(cè)斜儀信號(hào)傳輸?shù)陌l(fā)展貢獻(xiàn)一份有價(jià)值的力量。

[1]工程流體力學(xué)第二版陳卓如332～337高等教育出版社

[2]MWD旋轉(zhuǎn)閥連續(xù)壓力波發(fā)生器結(jié)構(gòu)研究及轉(zhuǎn)子受力分析 高敦升

[3]鉆井液連續(xù)壓力波QPSK信號(hào)的構(gòu)建及沿定向井筒傳輸特性的研究朱軍

P631.8+13[文獻(xiàn)碼]B

1000～405X（2016）～4～211～3

胡明（1983～），2008年畢業(yè)于中國(guó)民航大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，工程師，研究方向?yàn)槎ㄏ蚓畠x器測(cè)量。