LWD信號、干擾分析及故障判斷處理方法

薛曉衛(江漢油田鉆井二公司技術服務中心, 湖北 潛江 433121)

LWD信號、干擾分析及故障判斷處理方法

薛曉衛(江漢油田鉆井二公司技術服務中心, 湖北 潛江 433121)

正脈沖無線隨鉆測量儀器是利用鉆井液作為傳輸介質的一種隨鉆測斜儀。根據儀器的工作原理，采用系統的分析方法，制定切實可行的檢查方法，幫助施工人員查找儀器故障，提高工作效率。在無線隨鉆的使用過程中，分析鉆井液對信號傳輸造成的影響和鉆井液對儀器的沖蝕造成主要磨損很有意義，采用評估對于儀器整體狀態進行檢查，使現場工作人員做到心中有數，適時采取措施。

正脈沖；LWD；信號傳輸；干擾分析；磨損

0 前言

無線隨鉆測斜儀是定向井、水平井施工中必不可少的測量工具，近年來隨著定向井、水平井的增加，對無線隨鉆測斜儀的需求越來越大。本文意在根據儀器原理和特點進行測量檢查和方法的使用，提高正脈沖儀器的使用水平和效果。

1 正脈沖工作原理

泥漿正脈沖發生器的針閥通過限制井筒內泥漿流通來產生壓力脈沖。當針閥阻礙泥漿流通時，鉆柱內泥漿壓力增加；當針閥復位，不阻礙泥漿流通時，鉆柱內泥漿壓力也恢復到初始狀態，從而產生正壓力脈沖。LWD系統的信號接收部分安裝在立管上，其壓力傳感器可測出的壓力脈沖幅值。壓力傳感器將其轉換為電信號傳輸到地面計算機，經計算機解碼、處理、還原成原始的測量數據。通過專用計算機進行解碼計算，得到井下測量探管測量出的井斜角、方位角和工具面角等數據，供現場技術人員使用。原理圖如圖1所示。

2 儀器信號分析及處理方法

(1)HT—MWD是利用蘑菇頭的伸縮控制泥漿流量造成泵壓變化而傳遞信號，通過推升泥漿壓力來傳遞信號的。泥漿的壓力變化造成泥漿循環系統的立管一定幅度的壓力變化，這個壓力變化被安裝于立管的傳感器感知，變成電信號傳遞給地面儀器進行解碼，獲得真實井底測斜數據。判斷傳感器到地面傳輸系統的問題，可以通過短接傳輸線等方式觀察這個系統正常與否，或者通過開停泵來檢測計算機上的壓力值變化情況來辨識這條線鏈接和工作正常情況。如果出現壓力不變的情況，逐個進行傳感器、滾子線、防爆箱、接口箱等環節檢查。

圖1 HT—MWD工作原理

(2)通過鉆臺立管泵壓表進行脈沖信號的判斷 由于井下儀器工作造成泥漿壓力變化，能夠體現在鉆臺泵壓表上，對于井下儀器情況判斷，可以通過觀察立管壓力表在泥漿泵開泵情況下的泵壓變化情況進行分析。因為此時泥漿泵和儀器發出的脈沖信號不是同頻率，泵壓出現一定的疊加，造成泵壓變化不同于泥漿泵造成的泵壓表的跳動。當我們觀察到一個不同于泥漿泵的變化頻率且時間周期類似于正脈沖儀器發出的疊加信號的時候，說明井下儀器目前是正常工作的。如果我們觀察不到這個波動，說明井下儀器很可能是不工作的，那么需要進行檢查。

(3)鉆井液對脈沖信號傳輸的影響 最影響鉆井液脈沖無線隨鉆儀器信號傳輸的是傳輸介質不穩定，壓力脈沖在鉆井液中傳輸衰減嚴重，且易受到外界噪聲干擾。

①井深對脈沖信號的影響：泥漿脈沖信號傳輸過程是自身壓能與動能的轉化，傳輸路徑越長，丟失能量越多，最終被接收到的信號就越弱。對HT—L WD儀器而言，傳輸的頻率范圍為0.5-1Hz，在井較深時可選擇0.5Hz作為信號傳輸頻率，以提高信噪比。

②鉆井液中的雜物造成的衰減：鉆井液中有雜物，當累積到一定程度時，會使泵壓不穩定，干擾儀器脈沖信號傳輸，還會堵塞蘑菇頭與限流環之間的間隙，使蘑菇頭不能做滿行程運動，從而降低初始脈沖的幅度，降低信噪比，甚至造成信號丟失。在施工過程中，必須使用鉆桿濾清器，以防止此類事情發生。

③鉆井液含氣量對信號傳輸的影響：鉆井液的含氣量對壓力脈沖的傳輸有直接影響，含氣量達到7%時會對壓力脈沖產生較大的衰減，甚至使地面無法接收到脈沖信號，因此要處理好泥漿，降低泥漿中的含氣量。

④鉆井泵空氣包的影響：由于鉆井泵凡爾的往復運動使泥漿流動呈周期性變化，所以立管處的壓力也是正弦周期性變化。空氣包的用途就是減少壓力變化和機械震動，使泥漿流動平穩，同時也會影響井下脈沖發生器傳上來的壓力脈沖信號，造成對泥漿脈沖信號的干擾。為避免這狀況，空氣包充壓壓力應為立管壓力的1/4～l/3。

⑤壓力傳感器的安裝對信號的影響：壓力傳感器的安裝位置對于在低的信噪比情況下也很關鍵，應安裝在主管線上，距離方鉆桿越近越好，避免安裝在管線末端、閥門和其它傳感器附近。

(4)噪聲對脈沖信號傳輸的影響 由于鉆井施工中有許多噪聲，要想減少噪聲強度，就要清楚噪聲產生的根源，同時了解脈沖信號和噪聲的頻率特性，進而采取相應措施消除、壓制噪聲，以獲取高信噪比。

①鉆井泵噪聲的特性：一般情況鉆井泵工作良好時，在立管上產生的噪聲，一是較弱的泵沖程噪聲，可忽略不計；二是較強的凡爾往復運動噪聲。泵工作不正常時，若發現異常雜波，應及時排除泵的故障。

②扭矩噪聲的特性及采取的降噪措施：堅硬巖層、高陡構造、PDC鉆頭、穩定器都有可能產生扭矩噪聲，如果鉆頭的剪切力是主要的扭矩噪聲源，提起鉆具時噪聲將消失，應改變鉆進參數，使扭矩噪聲頻率遠離泥漿脈沖信號頻率，以排除噪聲干擾，或者改變儀器脈寬，提高信號傳輸頻率。

③螺桿噪聲及采取的降噪措施：一般情況下螺桿失速可能造成脈沖信號錯誤，從而造成地面解碼失敗。當地層加在鉆頭上的阻力大于螺桿所能產生的最大扭矩力時，螺桿將停轉，這時地面立管壓力將突然升高，淹沒了壓力脈沖信號或者產生錯誤的脈沖波形，導致地面解碼錯誤，所以鉆進時應平穩加壓。

④活動鉆具產生的噪聲：活動鉆具過于猛烈，將會在鉆具內產生一個較強的壓力波動，從而造成泥漿脈沖信號丟失，一般情況下活動鉆具時要輕提慢放，使泥漿信號能有效傳輸。

3 鉆井液對井下儀器的沖蝕圖標

井下儀器始終工作在鉆井液環境中，受到泥漿的不斷沖蝕，隨著時間儀器及配件會受到一定的損害，這是井下儀器配件損壞的一個主要原因。含沙量和排量是影響儀器沖蝕程度最主要的因素。

(1)淺井由于地層相對比較軟，鉆機的機械鉆速快，造成泥漿含沙量的提高，對于井下設備的沖蝕極為明顯，排量相對比較大，這個因素會造成儀器配件和本身的損壞速度大為提高。

(2)井下儀器轉子偏磨情況出現原因分析 HT—LWD儀器施工使用過程中，轉子偏磨是一個發生比較大損失的情況，有時由于轉子的偏磨造成脈沖器本體的損壞，如果遇到轉子被卡住或者轉子中有下落的金屬物時，由于轉子的高速轉動，會造成脈沖發生器本體被割斷的情況。下軸承套和轉子內襯套的磨損造成，大斜度井中轉子旋轉發生中心的偏移，加之泥沙的在轉子內的存積從而造成局部磨損速度加快從而造成偏磨。

解決的辦法：

①檢查下軸承套的尺寸和下井轉子的襯套的磨損程度，將他們的尺寸控制在一個低磨損程度，讓轉子跟脈沖器本體留有足夠空間，降低偏磨。

②改變使用新式葉輪轉子，因為他的葉輪設計將橡膠的改成了鋼鐵材料，但這種改造對下軸承套的磨損嚴重，要及時檢查偏磨及下軸承套的磨損情況。

(3)在深井的HT—L WD的使用，往往受到泥漿排量小的影響，因為實際的泥漿排量往往比設想的要小，這是實際操作中很容易忽視的一個原因，造成了HT－L WD不出信號或者信號不好。正脈沖儀器，推升壓力波動需要能力比較大，由于泥漿靜液壓力的大幅度提升，造成脈沖器推動能力相對降低，于是壓力信號傳送的立管時已經比較微弱，當然這里有一個信號衰竭的問題。增加井下儀器脈沖信號強度，就是減小蘑菇頭跟限流環之間的間隙，從而增加脈沖信號強度。4.無線隨鉆儀器在泥漿中受到不斷的沖刷，造成配件沖蝕，這種沖蝕在開泵循環過程中始終存在，影響儀器的使用，達到相當程度就會造成儀器損壞和信號無法正常產生和發出。

①定子支撐管和定轉子的以及蘑菇頭等主要配件都影響到信號的產生和發出，直至信號的上傳。針對這種情況，采取在一定時間進行檢查，進行沖蝕程度的評價是很有必要的。

②對于儀器性能的評價，在首次儀器下井進行正常工作中，儀器初始波形對于未來對比有著重要意義。我們對于信號消失前的波形以及初始信號對比，可以基本判斷是脈沖發生器問題還是探管問題。因為探管發生問題前多數會表現出數據不穩定。而脈沖發生器問題多數表現是，脈沖信號幅度以及虛假信號增加現象以及波形的變化。

③參與鉆井技術參數，測量工程師參與水眼和排量的設置，泥漿泵空氣包沖壓情況，以及現場施工措施的落實是非常必要的。

4 結論

(1)逐個判斷儀器傳輸路徑狀態，能夠快速排除故障，分析故障原因，理清思路。

(2)分析信號在鉆井液傳輸的影響及噪音對儀器的影響，發現問題，仔細分析及時處理。

(3)重視轉子偏磨問題，檢查引起偏磨的原因，及時更換配件，降低偏磨造成的損失。

(4)重視泥漿對儀器配件的沖蝕，進行沖蝕檢查和評估，為儀器的使用預估使用時間。有效降低儀器損壞，防止儀器損失擴大化。

(5)參與泥漿性能和工程參數制定，使之達到儀器的需要，有效提高儀器的測量成功率，降低儀器故障發生。

[1]劉偉，任凌云，劉洪亮.鉆井液脈沖信號傳輸影響因素分析.石油鉆探技術.

[2]何樹山，劉秀善.鉆井液正脈沖信號的衰減分析.鉆采工藝.

[3]劉修善，蘇義腦.鉆井液脈沖信號的傳輸速度研究[J].石油鉆探技術，2000.

[4]鄢泰寧，郭香芬.定向斜井與水平井地質導向技術[M].石油工業出版社，2003.

[5]劉偉，劉洪亮.鉆井液脈沖信號傳輸影響因素分析[J].石油鉆探技術，2010.