MWD泥漿正脈沖信號傳輸特性及現(xiàn)場應(yīng)用分析

王 永，余 敏,張黨生

(1.東營市非公有制經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)中心，山東 東營 257091；2.中共勝利石油管理局有限公司委員會(huì)黨校(培訓(xùn)中心)，山東 東營 2570003;中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 井下作業(yè)分公司，河北 滄州 062552)

目前，國內(nèi)外鉆井過程中普遍采用無線隨鉆測量(MWD)方式實(shí)時(shí)獲取井眼軌跡參數(shù)，通過井下信號發(fā)生器產(chǎn)生泥漿壓力波來傳輸數(shù)據(jù)，常用的有正脈沖、負(fù)脈沖和連續(xù)波3種信號傳輸方式。正脈沖MWD具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)傳輸速度相對較慢；負(fù)脈沖MWD數(shù)據(jù)傳輸速度較快，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)需要使用專門的無磁鉆鋌；連續(xù)波MWD數(shù)據(jù)傳輸快、精度高，但對井隊(duì)設(shè)備要求較高，譯碼效果相對較差[1]。3種信號傳輸方式以正脈沖MWD穩(wěn)定性最好、性價(jià)比最高、應(yīng)用最為普遍，為此展開對正脈沖信號傳輸特性的研究，了解信號傳輸過程中主要影響因素及影響程度對現(xiàn)場施工具有較大意義。

1 正脈沖信號傳輸原理

鉆井過程中應(yīng)用較為普遍的哈里伯頓公司MWD無線隨鉆設(shè)備采用正脈沖泥漿壓力傳輸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)、解碼能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其工作時(shí)，通過泥漿正脈沖發(fā)生器針閥伸縮，實(shí)現(xiàn)與上部孔板處小孔相對位置發(fā)生變化，從而改變泥漿流動(dòng)在此處的橫截面積，引起鉆柱內(nèi)部泥漿產(chǎn)生壓力波。針閥運(yùn)動(dòng)方式由探管進(jìn)行控制，探管根據(jù)實(shí)時(shí)測得的井眼軌跡參數(shù)進(jìn)行編碼，依據(jù)編碼序列控制脈沖發(fā)生器針閥有序伸縮(圖1)。在地面，通過壓力傳感器連續(xù)檢測立管壓力變化并傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，經(jīng)過譯碼還原出井底測量數(shù)據(jù)，完成井眼軌跡參數(shù)測量[2]。井下儀器所測量的井斜角、方位角和工具面角等數(shù)據(jù)可以顯示在地面顯示器和司鉆閱讀器上，供技術(shù)人員施工使用。

圖1 泥漿正脈沖工作原理示意圖

2 正脈沖信號傳輸特性

2.1 曼徹斯特碼編碼

正脈沖MWD采用曼徹斯特編碼技術(shù)進(jìn)行編碼，編碼后通過控制脈沖發(fā)生器處的泥漿流動(dòng)橫截面積變化產(chǎn)生脈沖實(shí)現(xiàn)碼元傳輸。曼徹斯特碼用電平跳變來表示二進(jìn)制碼0或1，變化規(guī)則相對簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)，每個(gè)碼元都由2個(gè)不同相位的電平信號表示，0和1相位正好相反。從低到高的跳變一般表示為二進(jìn)制碼中的“0”，從高到低的跳變表示為“1”。曼徹斯特編碼提供一個(gè)簡單而可靠的二進(jìn)制序列，沒有較長的轉(zhuǎn)換和周期級別，可以有效防止時(shí)鐘同步時(shí)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。編解碼過程為先將井下儀器測量的各類井眼軌跡參數(shù)以不同位數(shù)的二進(jìn)制字節(jié)組成相應(yīng)的字符串，其中最后一位為奇偶校正位，前面為數(shù)據(jù)位。只有當(dāng)字符串通過奇偶校正后，才能被識(shí)別為有效數(shù)據(jù)，進(jìn)而解碼得到實(shí)際測量數(shù)據(jù)，無法通過奇偶校正則視為無效數(shù)據(jù)丟棄處理。

在實(shí)際施工中，工具面角由7位曼徹斯特碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，井下渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由9位曼徹斯特碼組成，井斜角、方位角都是由12位曼徹斯特碼組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，圖2為勝利油田義944—斜4現(xiàn)場施工時(shí)系統(tǒng)界面顯示的相關(guān)參數(shù)。由井下脈沖發(fā)生器按照編碼進(jìn)行伸縮產(chǎn)生壓力波，地面立管上的壓力傳感器接收壓力信號，由于信號不會(huì)突變，因此接收界面波形呈現(xiàn)為正弦曲線，通過檢測軟件將波形曲線轉(zhuǎn)化為曼徹斯特碼，然后進(jìn)行解碼得出井眼軌跡參數(shù)。圖2中數(shù)據(jù)對應(yīng)曼徹斯特碼如圖3所示。

圖2 義944-斜4施工中地面系統(tǒng)顯示界面

圖3 義944-斜4施工測得參數(shù)對應(yīng)曼徹斯特編碼

2.2 泥漿脈沖信號傳播速度

在無線隨鉆測量中，脈沖信號的傳輸速度是一個(gè)重要參數(shù)，穩(wěn)定而快速的數(shù)據(jù)傳輸有利于提高鉆井效率，避免鉆井事故。由于泥漿中含有黏土、巖屑、重晶石粉等固相物質(zhì)，并且存在著可能會(huì)形成氣泡的游離狀態(tài)氣體，這些多樣組分增加了信號傳輸速度問題的復(fù)雜性。根據(jù)劉修善[3-4]等研究，泥漿脈沖傳播速度取決于系統(tǒng)彈性模量和流體密度，具體計(jì)算公式為

(1)

式中，ρg為氣體的密度，kg/m3；ρl為液體的密度，kg/m3；ρs為固體的密度，kg/m3；βg為體積含氣率，m3/m3；βs為固體的體積分?jǐn)?shù)；Kg為氣體體積彈性模量，Pa；Kl為液體體積彈性模量，Pa；Ks為固體體積彈性模量，Pa；E為管材的彈性模量，Pa；D為鉆桿內(nèi)徑，m;e為鉆桿壁厚，m；μ為鉆桿材料的泊松比。

根據(jù)式(1)計(jì)算得出，正常工況下正脈沖信號在泥漿中傳播速度約為1 100 m/s。影響信號傳輸速度的因素主要有鉆具尺寸及材料特性、泥漿組分及性質(zhì)、環(huán)境參數(shù)等。泥漿密度和泥漿中不同組分含量直接影響泥漿比重和壓縮性。通常隨著泥漿的密度和壓縮性提高，信號傳輸阻力增大，傳輸速度降低。另外，泥漿中氣體含量是影響脈沖信號傳輸速度的一個(gè)重要參數(shù)，隨著氣體含量變化，傳播速度變化明顯。圖4～6為215.9 mm井眼不同因素對傳輸速度的影響曲線。

圖4 固相體積分?jǐn)?shù)為0時(shí)含氣量對傳播速度的影響

圖5 體積含氣率為0.5%時(shí)泥漿類型對傳輸速度的影響

圖6 不同含氣率沿井深傳輸速度分布

從圖4～6可以看出，隨著含氣量的增加，脈沖信號傳輸速度快速下降，由此得出泥漿正脈沖無線隨鉆測量儀不宜在泡沫鉆井或氣體鉆井中使用。在含氣率相同的條件下，隨著固相的增加，脈沖信號傳輸速度明顯降低，且在油基泥漿中脈沖信號傳輸速度低于在水基泥漿中的傳輸速度，同時(shí)，隨著固相含量增加，油基、水基泥漿中信號傳輸速度差值越來越大。

2.3 泥漿脈沖信號強(qiáng)度衰減分析

由于鉆井施工中鉆具存在彈性變形，同時(shí)管壁對泥漿流動(dòng)存有阻力，因此脈沖信號在鉆具內(nèi)傳輸過程中脈沖強(qiáng)度將會(huì)不可避免地出現(xiàn)衰減。與鉆具軸向存在彈性變形相比，鉆具徑向則相對剛性，并且由于直徑相對較小，因此一般不考慮徑向?qū)π盘杺鬏攺?qiáng)度的影響。鉆具軸向作為脈沖信號傳輸通道，可以認(rèn)為幾乎所有脈沖能量都傳給鉆柱內(nèi)軸向運(yùn)動(dòng)。泥漿脈沖信號沿軸向傳播強(qiáng)度損失大部分是由于鉆具的管壁摩阻[5-7]，泥漿脈沖信號強(qiáng)度衰減與其他物理介質(zhì)傳輸現(xiàn)象類似，符合指數(shù)衰減規(guī)律，信號衰減計(jì)算公式為

(2)

其中，L計(jì)算方法為

(3)

式中，p0為信源信號強(qiáng)度，Pa；p為傳輸x米后的信號強(qiáng)度，Pa；x為傳輸距離，m；L為信號強(qiáng)度衰減到信源強(qiáng)度l/e時(shí)的傳輸距離，m；D為鉆桿內(nèi)徑，m；ρ為泥漿密度，kg/m3；μ為泥漿黏度，Pa·s；f為信號的頻率，Hz。

從式(2)、(3)可以看出，泥漿脈沖信號強(qiáng)度衰減度主要與鉆具材料性質(zhì)、鉆具尺寸、脈沖頻率和泥漿類型、黏度、組分和壓縮性等參數(shù)有關(guān)。在實(shí)際鉆井作業(yè)中，鉆柱材料和尺寸一般不會(huì)發(fā)生變化，泥漿體系主要是以地質(zhì)條件、鉆井工藝和安全環(huán)保要求為依據(jù)進(jìn)行選擇，調(diào)整幅度不大。因此，本文重點(diǎn)分析泥漿黏度、信號頻率和井深對泥漿脈沖信號強(qiáng)度衰減的影響，并以p/p0作為泥漿脈沖信號強(qiáng)度衰減評價(jià)指標(biāo)。

研究表明，泥漿黏度、信號頻率和井深都對信號強(qiáng)度衰減程度有較明顯影響，隨著黏度和井深增大，信號強(qiáng)度明顯降低。相對而言，信號頻率比泥漿黏度對信號強(qiáng)度影響更大，即高頻率信號更容易導(dǎo)致信號強(qiáng)度衰減。當(dāng)脈沖頻率較高同時(shí)泥漿黏度較大時(shí)，信號強(qiáng)度隨井深增加衰減更快，圖7～9為不同參數(shù)下信號衰減強(qiáng)度曲線。

圖7 不同黏度下信號強(qiáng)度比隨井深變化曲線

圖8 不同頻率下信號強(qiáng)度比隨井深變化曲線

圖9 不同頻率、黏度下信號強(qiáng)度比隨井深變化曲線

從圖7～9中可以看出，提高泥漿脈沖信號,頻率會(huì)導(dǎo)致信號快速衰減，想達(dá)到提高信號頻率同時(shí)保證長傳輸距離難度很大。在現(xiàn)場應(yīng)用中，信號傳輸頻率提高一倍可以在相同時(shí)間內(nèi)測得雙倍數(shù)據(jù)，大大提高定向井、水平井施工效率。但是由于數(shù)據(jù)傳輸越快信號衰減越嚴(yán)重，在一些深井超深井施工中不能盲目追求高信號頻率，同時(shí)需要調(diào)節(jié)無線測量儀器部分配件尺寸以提高信號強(qiáng)度，用以消減傳播距離長導(dǎo)致信號強(qiáng)度降低值。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

(1)濱425—斜XX井采用正脈沖MWD隨鉆測量，該井完鉆井深為3 185 m，自300 m開始下入隨鉆測量儀器，泥漿密度1.05～1.15 g/cm3，泥漿排量約為28 L/s，立管壓力約為12 MPa，泥漿正脈沖傳輸頻率為0.5 Hz，該井在施工過程中，初始泥漿壓力差約為0.48 MPa，鉆至2 000 m時(shí)壓力差為0.42 MPa，鉆至完鉆井深時(shí)壓力差約為0.34 MPa。隨著井深增加2 875 m，壓力波動(dòng)降低值約為0.14 MPa，通過式(2)計(jì)算壓力差應(yīng)為0.16 MPa，基本吻合。該井壓力差隨井深變化曲線如圖10所示。

圖10 濱425—斜XX井壓差隨井深變化曲線

(2)T903—XX井是中石化西北油田分公司T903區(qū)塊一口水平井，該井完鉆井深為5 043 m，自4 300 m開始下入正脈沖MWD儀器，自4 361 m開始定向鉆進(jìn)。由于該井較深，組裝儀器時(shí)為加強(qiáng)信號強(qiáng)度選用0.044 m寸孔板和42°定子，施工時(shí)泥漿排量約為32 L/s，立管壓力約為16 MPa，泥漿漏斗黏度48 s，泥漿密度約為1.2 g/cm3，泥漿脈沖頻率為0.5 Hz，初始泥漿壓力差約為0.41 MPa，鉆至完鉆井深時(shí)壓力差約為0.33 MPa，井深增加約600 m，泥漿壓力差降低約0.08 MPa，其壓力差隨井深變化曲線如圖11所示，其變化趨勢與公式計(jì)算結(jié)果基本相符。

圖11 T903—XX井壓差隨井深變化曲線

4 結(jié) 論

(1)正脈沖信號傳播速度受泥漿組分及性質(zhì)、鉆柱的尺寸及材料特性、環(huán)境參數(shù)等因素影響。隨著泥漿密度和壓縮性增大，泥漿脈沖信號傳輸速度降低。泥漿脈沖傳輸速度對泥漿含氣率非常敏感，隨著含氣率增加，傳輸速度快速下降。

(2)泥漿正脈沖信號強(qiáng)度衰減度受鉆具材料特性、鉆具尺寸、井深及脈沖頻率等參數(shù)影響明顯。脈沖頻率對正脈沖信號強(qiáng)度影響相對較大，當(dāng)脈沖頻率、泥漿黏度同時(shí)較高時(shí)，信號強(qiáng)度快速衰減。

(3)在其他參數(shù)基本不變的情況下，信號壓差隨井深增加逐步減小，減小趨勢與信號衰減計(jì)算結(jié)果吻合。因此在現(xiàn)場施工中，應(yīng)充分考慮信號強(qiáng)度衰減影響，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果和完鉆井深合理選擇孔板尺寸和大角度定子等配件，確保在不同井深條件下，都能夠滿足施工脈沖信號傳輸?shù)膹?qiáng)度，實(shí)現(xiàn)正常編解碼，從而準(zhǔn)確測得井眼軌跡參數(shù)。