近鉆頭隨鉆測量及其短傳技術的研究

劉 瀟

（長城鉆探鉆井技術服務公司， 遼寧 盤錦 124010）

1 隨鉆近鉆頭的原理及發展概況

相比于常規LWD 隨鉆測井儀器，近鉆頭地質導向儀器的主要優勢是測量參數距離鉆頭近，能夠及時反應鉆遇地層的地質情況，快速調整井眼軌跡，提高鉆遇率。因此該儀器特別適用于開發薄油層、復雜層區塊。近鉆頭地質導向儀器按照結構分為螺桿集成式、短節式兩種。目前有多家公司均推出了自己的隨鉆近鉆頭測量設備，雖然設計略有不同，但是其原理基本類似。螺桿集成式近鉆頭通訊方式采用FSK單總線，短節式近鉆頭通訊方式采用無線短傳方式。螺桿集成式近鉆頭、使用有線傳輸，使用泥漿類型不限，工作穩定可靠，但是測點離鉆頭距離稍遠，有2 m左右。短節式近鉆頭使用無線短傳，其測點離鉆頭的距離為0.5 m 左右。不論是那種近鉆頭設備，其原理都是將測量設備安裝在螺桿面，靠近鉆頭的的位置，測得隨鉆數據，然后使用有線或者無線的方式跨螺桿短傳給上部的隨鉆模塊，然后再通過上部的隨鉆模塊上傳至地面，具體方式如圖1 所示[1]。

目前，國際上主要是哈里伯頓、斯倫貝謝和貝克休斯等大型油服公司能夠提供近鉆頭隨鉆測量相關技術服務，且不同公司不同種類的近鉆頭儀器均已實現商業化應用。貝克休斯公司開發的NaviGator，該系統由可旋轉的泥漿馬達和隨鉆測量傳感器組構成，可用于地質導向和地層評價。其近鉆頭井斜傳感器位于鉆頭后面3.4 m 處，除了提供近鉆頭井斜角數據之外，還可提供包括方位、伽瑪射線、多頻率探測深度的電阻率等井下參數[2]。哈里伯頓公司的ABI系列產品，由其下屬子公司SPERRY 鉆井服務公司開發。20世紀90年代初，開發出近鉆頭井斜角傳感器ABI，隨后又推出了儀器馬達系統，該系統將ABI近鉆頭井斜角傳感器和電阻率（EWR-PHASE4）、自然伽瑪（DGR）共同組裝在同一個馬達中，形成了儀器馬達ABI/EWR-PHASE4 系統和ABI/DGR 系統，除測量近鉆頭井斜角外，還能夠提供伽瑪、電阻率等地質參數的近鉆頭測量功能[3]。斯倫貝謝公司的Eco Scope 多功能隨鉆測量系統。該系統將用于地層評價、確定井眼位置和優化鉆井的多種參數的測量集成在一根鉆具中，實現一體化測量。

相對于國外的近鉆頭地質導向技術發展情況而言，國內的發展還是比較落后，測量參數精度和整體穩定性還不足。中國石油集團鉆井工程技術研究院研制的CGDS-1 近鉆頭地質導向系統。該系統可測量鉆頭電阻率、方位電阻率、方位自然伽馬和近鉆頭井斜角、工具面角。山東勝利偉業石油工程技術服務有限公司研制SL6000-NWD，測量項目有：井斜、方位、深淺電阻率、自然伽馬（方向伽馬）。大慶鉆探鉆井工程技術研究院研制的DQNBMS-I 型近鉆頭隨鉆測量系統，可以測量近鉆頭方位伽馬、近鉆頭電阻率、近鉆頭井斜工程參數，且三個參數的測點距鉆頭小于1 m，具有多參數近距離測量的優點。大慶鉆探鉆井工程技術研究院研制的DQNBMS-I 型近鉆頭隨鉆測量系統，可以測量近鉆頭方位伽馬、近鉆頭電阻率、近鉆頭井斜工程參數，且三個參數的測點距鉆頭小于1 m，具有多參數近距離測量的優點。此外長城鉆探公司也分別研發了螺桿集成式和短節式兩種近鉆頭地質導向儀器。螺桿集成式近鉆頭測量參數包括電磁波電阻率、方位伽馬成像及井斜，使用泥漿類型不限，工作穩定可靠，鄰長2.5～2.9 m。短節式近鉆頭測量參數包括方位伽馬成像及井斜，鄰長0.5 m。

總的來說，國內近鉆頭隨鉆測量不論是在設備的穩定性、精確性方面，還是在近鉆頭成像、近鉆頭前探等前沿技術方面，均落后于國外同類產品。尤其是在近鉆頭成像、近鉆頭前探等前沿技術方面，目前國外已經有成熟的商業化產品，但是國內的研究還處于起步階段。

2 隨鉆近鉆頭井下短傳的研發概況

有線傳輸方式，主要是使用物理導線穿過螺桿進行傳輸。該方式需要對井下鉆具進行特殊設計，通常是使用滑環，將導線貫穿螺桿壁，逐級相連，進行能量傳輸和通信。因此在通用性和成本上有所欠缺，測點離鉆頭也稍遠，但是使用導線傳輸可以獲得很高的數據傳輸速率，適合于多參數、大數據量的測量，另外使用泥漿類型不限，工作穩定可靠；此外，有線傳輸可以從上部的渦輪獲取能量，和下部使用鋰電池提供能量的近鉆頭短接相比，該方式可以獲取更穩定和充沛的電能，工作時間也更持久。

無線短傳方式按照傳輸介質可以分為泥漿傳輸、聲波傳輸及電磁傳輸三類。相比有線傳輸方式，無線短傳的優點是機械結構簡單，使用成本較低，距離鉆頭距離更近，但是在傳輸速率和穩定性方面稍差。

利用泥漿脈沖的無線傳輸技術已較成熟，并被廣泛地應用于生產現場，但是在近鉆頭短傳中并不適合，也很少使用。因為泥漿傳輸速率較低，一般在10 bits/s 以內；且對鉆井液有依賴性，而且最主要的是其壓力脈沖的產生機構的體積較大，使其在近鉆頭環境下幾乎無法應用，目前市場上并沒有使用泥漿脈沖進行短傳的近鉆頭商業化產品。

電磁波無線短傳是目前應用最普遍的一種無線短傳方式。在井下無線短程通訊系統中，電磁波的傳輸環境與地面完全不同，井下環境復雜，電磁波在電解質中傳播，比如大地、泥漿液等。因此，電磁波傳輸遇到了比較大的阻礙。根據電磁場理論，頻率較高的電磁波在電解質中傳輸時會有很大的衰減。因此，在選擇電磁波通訊頻率時與地面有很大差異，地面通信可以選擇比較高的電磁波頻率，速度更快，但是若在井下通信，因為井下的電磁波傳輸介質主要是泥漿液，泥漿液是鹽性的，電導率比較大，高頻電磁波在電解質中衰減很快，達不到傳輸的要求，因此只能選擇頻率較低的電磁波。近鉆頭系統使用電磁波短傳就是把一個類似低頻天線的電磁波發射器裝在近鉆頭短接中，近鉆頭模塊采集到數據后，經過數據處理后，通過發射器使用電磁波為介質將數據信號發出，通過螺桿上部的電極來接收由底部短接發送的信號，并利用上部的隨鉆模塊進一步將數據上傳至地面。電磁波傳輸方式的優點是：傳輸速度較快；對鉆井液的質量要求和泥漿泵的不均勻性要求低：對正常鉆進沒有干擾；與其它方法相比，準備工作簡單，起下鉆時也能傳輸井下資料。其缺點是：信號衰減大，只能傳播低頻電磁波，易受井場電氣設備的干擾和巖石電阻率的影響等。

聲波傳輸方式。聲波是靠傳播介質的機械振動進行傳輸，因此其在液體中傳播速度高于氣體中傳播速度，在固體中傳播速度高于液體中的速度，并且不受傳播介質的電導率的影響，因此聲波成為高電導率環境中無線通信系統的主要載體。同時在井下傳輸時，與其他傳輸形式相比，一方面聲波有一個得天獨厚的優勢：它可以把鉆具作為其傳輸通道，這樣其就可以不受鉆井液和地層巖石電阻率的制約了；另一方面，與在空氣中傳播相比，聲波在固體中速度更快。聲波的井下無線傳輸技術早在20世紀40年代就有人開始了該方面的研究。目前國外的投入商業應用的有威德福的4 維聲波系統。國內在該方面的研究起步較晚，針對鉆井隨鉆信息的聲波遙測的研究工作很少，大多以油管串作為研究對象，開展的是油井中的井下信息的數據傳輸的研究。1999年，青島海洋大學與勝利石油管理局合作研制了利用聲波實現油井參數無線傳輸的系統，實驗井深可達到1 780 m。華北油田采油工藝研究院2005年研制的聲傳輸油井測試系統，利用聲波在油管中的傳播傳輸油井參數信息，測量深度可達2 500 m。但是相比于通過油管傳輸鉆進參數，如果要使用聲波進行短傳，還需要克服井底的螺桿噪聲以及井底振動的影響。聲波短傳方式的優點是：成本較低、結構簡單、傳輸速率快。其缺點是：在鉆井時抗環境噪聲的干擾能力差。

此外近年來還有使用電磁波跨鉆具接頭絲扣短傳，然后在鉆具內部使用導線傳輸的無線+有線的混合式短傳方式。不過該方式結構復雜，成本較高，目前應用較少，如下頁表1 所示。

3 結語

1）和國外的同類產品相比，國產的隨鉆近鉆頭測量儀器在測量精度、穩定性方面還有待提高，另外在隨鉆近鉆頭測量前沿技術，例如近鉆頭成像、近鉆頭前探等技術方面也需要加強研發投入，以便盡快取得突破。

2）目前的各種短傳方式中，泥漿無線傳輸由于受到接收器體積和傳輸速率等限制，無法應用于近鉆頭；聲波短傳方式傳輸速率高，但是容易受到鉆進時的噪聲的干擾；電磁波無線短傳應用最為普遍，但是由于主要使用低頻傳輸，傳輸速率受限；有線短傳方式雖然結構復雜、使用成本高但是穩定性高、傳輸速率快，也有著一定的市場需求。