油氣井隨鉆測量技術發展思考與展望

蘇義腦，竇修榮，高文凱，劉珂

1 中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206

2 油氣鉆完井技術國家工程研究中心，北京 102206

0 引言

廣義地講，油氣井鉆井過程中的測量包含了隨鉆測量和隨鉆測井，即MWD(Measurement While Drilling)和LWD(Logging While Drilling)，此兩術語起源于國外并歷經了反復認識和發展過程，分別在1970年前后和1980 年左右成為了業界的規范技術術語。實現隨鉆測量和隨鉆測井的裝置，均由地面和井下兩大部分組成，總稱為MWD/LWD系統，井下的部分稱為MWD儀器或工具、LWD儀器或工具(也稱隨鉆測井儀)。根據MWD/LWD的初始定義，其技術內涵側重點具有明顯不同：MWD僅包含井眼軌跡測量(井斜/方位/工具面)和隨鉆傳輸(硬導線有線方式和鉆井液壓力脈沖無線方式)，主要目的是實現井眼軌跡實時監控和調整；LWD主要是克服鉆后電纜測井的不足，如井型或井眼質量等原因導致測井儀器下放困難、因井壁坍塌或井眼堵塞難以取得測井資料、鉆井液侵入地層影響測井數據等，把適用于鉆井工況的測井儀器融入井底鉆具組合中，將新鉆開地層的測量數據，通過MWD系統傳輸到地面和存儲(用于起鉆回放)于井下儀器中，用于指導按最佳井眼位置鉆進和地層評價。

隨著技術的發展，MWD/LWD儀器測量參數不斷擴展、測量能力不斷提升且相互融合，如：MWD系統擴展到可測量鉆壓/扭矩、柱內/環空壓力、轉速、振動、沖擊和井徑等工程參數，傳輸通道發展到高速鉆井液壓力脈沖通道、電磁波通道、鉆柱聲波通道和新型“有線”通道等；LWD儀器由起初的電阻率和自然伽馬參數簡單測量，發展到功能完備的隨鉆自然伽馬測井、隨鉆地層電阻率測井、隨鉆成像測井、隨鉆井徑測井、隨鉆密度中子及其他放射性測井、隨鉆核磁測井、隨鉆地層測試、隨鉆聲波測井和隨鉆地震 測 井 等[1]；Bake Hughes的OnTrak和Schlumberger EcoScope是經典的MWD和LWD相互融合的多功能一體化隨鉆儀器系統。隨鉆測量和隨鉆測井技術廣泛應用于安全、高效和優化鉆井，以及地質決策和儲層評價。

我國MWD/LWD技術研究起步相對較晚，歷經近40 年的發展，已取得了長足進步，但與國際先進水平相比，尚存在較大差距。當前MWD/LWD儀器自身固有4 個基本問題：測量(工程參數和地質參數等)、供電(井下大功率供電)、傳輸(高速實時上傳)和溫度(抗井下高溫超高溫極高溫)等，無論現在的儀器測量功能多么完備(附錄2)、工具尺寸多么齊全，且未來不斷完善和發展。但是，為滿足油田現場日益增加的生產需求，若上述基本問題中涉及到的關鍵技術突破不了、解決不了，則會演變成瓶頸難題，最終阻止MWD/LWD儀器的進步。本文在梳理隨鉆測量技術發展和現狀基礎上，結合多年從事井下控制工程理論與技術研究[2]的經歷，重點針對“傳輸”和“溫度”兩個基本問題所面臨的高速傳輸和抗高溫技術難題，提出了幾點“破題”的思考，希望能夠對從事隨鉆測量技術自主研發的科研人員有所啟發。

1 技術發展與現狀

文獻[3]是國內首篇較詳細和準確介紹上世紀國外MWD/LWD技術發展史的文章，文獻[4]通過對全球LWD技術專利申請及趨勢分析，將MWD/LWD技術的發展階段進行了大致劃分。基于以上文獻，并通過對Schlumberger、Baker Hughes、Halliburton三大公司的技術發展史[5-7]及其當前的主導隨鉆測量技術與產品[8-12]和歷年的“MWD/LWD Services Directory”[13-33]進行了研究、分析與梳理，MWD/LWD技術發展劃分為3 個階段：1930s—1970s的起源與初級技術階段，1980s—1990s的技術蓬勃發展階段，2000s—現在的技術縱深融合發展階段。

1.1 1930s—1970s，起源與初級技術階段

“隨鉆”測量的嘗試，最早可追溯到1929 年Jakosky申請的井斜檢測裝置專利[34]，以及在20 世紀30 年代和40 年代工程師們將電纜測井的導電電極捆綁在鉆桿上和Stanolind公司將電纜穿在鉆桿內進行測量等；在50 年代，由于泥漿錄井和電纜測井成為地層評價的主流技術，早期“隨鉆”技術被放棄而出現停滯。在這30 年時間里，主要受井下鉆井工具機械性能的限制，隨鉆技術被認為是難以實現的理想技術，因而沒有明顯的發展，同時第二次世界大戰也極大地影響了石油新技術的開發。

在60 年代初期，ARPS公司基于Arps發明的泥漿正脈沖傳輸系統[35]，成功進行了自然伽馬測量和電阻率測量，這是可以查閱到的關于隨鉆測量技術成功實施的首次記載[36]。在60 年代后期，Redwine和Osborne發明了單電極電阻率測量儀器[37]，并配套開發出泥漿正脈沖機械式測斜儀；Mobil Godbey公司也開發出了簡單的泥漿連續波脈沖隨鉆傳輸系統；ELF石油公司積極推廣使用泥漿正脈沖隨鉆傳輸系統。從此，“隨鉆”概念正式以一項成功技術(即MWD技術)全面浮出水面，其中泥漿脈沖傳輸技術的成熟與應用[36]起到了關鍵推動作用。在70 年代，MWD技術得到了充分關注和發展，OPEC企業聯合體對MWD系統產生了濃厚興趣，ELF公司也加大推廣使用；1972年，ELF與Raymond工程公司合資組建的Teleco公司，發布了關于MWD技術以工業化基準的服務標準、以及MWD系統可靠性與性能標準，在MWD技術發展史上具有劃時代的意義。

當時的MWD技術水平是，測量功能極為單一，儀器質量難有保障，數據實時傳輸速度緩慢，小尺寸儀器尚屬空白。典型技術指標為：井下儀器尺寸7.75～9 in，測斜時間4～5 min，工具面角更新頻次2 min，儀器平均無故障工作時間(MTBF，Mean Time Between Failure)僅50 h。具有標志性的MWD儀器見附錄1。

1.2 1980s—1990s，技術蓬勃發展階段

80 年代，是MWD技術發展的革命性年代，隨著油田生產現場對儀器功能需求的不斷提高，LWD技術開始嶄露頭角并相繼投入試驗和商業化應用，眾多公司相繼成立并推出了自有的MWD/LWD產品(附錄1)，產品的品質與質量得到了有效保障。具有標志性意義的是，1980 年Schlumberger在墨西哥灣完成了將電纜測井元素與實時數據傳輸相結合的首次MWD作業[5]；1983 年Teleco首 先 推 出 了2 MHz RGD(Resistivity Gamma Directional)集電阻率、自然伽馬與定向參數測量于一體隨鉆測量儀器；1984 年Teleco、Exlog、Anadrill、Gearhart公司都相繼推出了RGD商業化服務；1989 年Sperry Sun首次開發出第一套三組合LWD井下儀器，可以對地層的物性和孔隙度、滲透率、飽和度特性進行全面的評估；Teleco公司對隨鉆電阻率測量儀器也進了理論更新，開發了雙極電磁波傳播電阻率隨鉆測井儀。

90 年代，MWD和LWD技術快速發展，各公司研發實力和服務能力顯著增強，從事隨鉆儀器開發及服務的公司也經歷了一場較大規模的并購與重組，如Halliburton公司先后購入Smith International、Pathfinder和Sperry Sun等 公 司，Baker Hughes兼 并 重 組Eastman、Teleco、Develco、Milpark、Drillingfluids、Exlog和Baker Sand Control等，新成立了Baker Hughes INTEQ公司，最終形成了Schlumberger、Halliburton和Baker Hughes公司“三雄爭霸”的格局。隨著地質導向概念的誕生、旋轉導向技術的出現，三大公司努力推陳出新、開發新技術，擁有了各具特色的商業化MWD/LWD產品，在隨鉆電阻率成像、隨鉆聲波成像、隨鉆核磁共振、隨鉆地震等研發方面也取得了較大進展(附錄1)。

90 年代末的MWD/LWD技術呈現出6 個顯著特點：儀器種類更多、體積更小、數據傳輸更快、測量信息量更大、可靠性更高、地面解釋軟件功能更強。典型技術指標為：井下隨鉆儀器直徑3.125～9.5 in，測斜時間90～130 s，工具面更新時間9～18 s，MTBF達到純定向300 h以上、隨鉆測井200 h以上。

1.3 2000s—現在，技術縱深融合發展階段

近20 多年來，隨著油氣勘探開發新需求的不斷增長，特別是上世紀90 年代誕生的地質導向和旋轉導向技術的不斷發展和商業化服務，推動了MWD/LWD技術進一步細化并不斷催生新的技術，且發展迅速、競爭激烈[13-33]，Schlumberger、Baker Hughes、Halliburton三大公司仍主導著全球MWD/LWD技術的發展方向，在儀器研發(附錄2)和技術水平等方面都處于領先地位，MWD系統向高速率、高精度、模塊化和抗高溫方向發展，LWD系統向多參數高度集成、寬量程、深探測、抗高溫方向發展，簡言之，技術向縱深發展且高端儀器與裝備不斷涌現。

所謂縱深發展，指隨鉆儀器的種類和功能不斷完善、技術不斷迭代升級、技術指標不斷提升。如，Schlumberger公 司VISION系 列LWD儀 器 自1994 年起投入商業化應用，逐步發展為adnVISION、arcVISION、geoVISION、proVISION Plus、sonicVISION和seismicVISION共6 種儀器，幾乎包括了全部的常規測井項目：自然伽馬、電磁波電阻率、側向電阻率、中子、密度、光電截面指數、聲波、核磁共振、垂直地震剖面等；進入21 世紀后，為滿足“高效高產”鉆井的迫切需求，在VISON系列LWD儀器基礎上，自2005 年起開始推出了新一代LWD儀器，即Scope系 列， 包 含12 種 儀 器：StethoScope、TeleScope、PeriScope、EcoScope、NeoScope、MicroScope、DigiScope、MicroScope HD、SonicScope、PeriScope HD、TeleScope ICE和PeriScope Edge；自2014 年 起 又 對Scope系列LWD儀器進行升級，迭代出了GeoSphere、SpectraSphere、GyroSphere、TerraSphere、IriSphere、OmniSphere、GeoSphere HD 和MagniSphere等8 種Sphere系列LWD儀器(圖1)。

圖1 Schlumberger LWD儀器變化[1,5,9]Fig.1 The changes of Schlumberger LWD instrument[1,5,9]

所謂高端儀器與裝備，指其性能指標已達到當前極限技術水平的單種MWD/LWD儀器、或者此類多種儀器集成的裝備。如，Schlumberger公司的PeriScope Edge儲層多層邊界隨鉆描繪測井儀(探深半徑＞25 ft，識別＜3 ft薄層邊界，探測8 個邊界層)、IriSphere隨鉆前探測井儀(前探30m)、GeoSphere HD 儲層高清晰度隨鉆描繪測井儀(探測深度＞250 ft)、TerraSphere高分辨率電阻率和超聲雙隨鉆成像儀(電阻率分辨率＜1.0 in、72 扇區，超聲＜0.2 in、180 扇區)；Baker Hughes StarTrak(256 扇 區)和Halliburton PixStar?高 分 辨 率超聲隨鉆成像儀；抗200 °C超高溫的Schlumberger TeleScope ICE高 速 傳 輸MWD，Halliburton Quasar Pulse? 超高溫多工程參數和自然伽馬隨鉆測量儀和Halliburton Quasar Trio? 超高溫電阻率、孔隙度和密度三參數集成隨鉆測量儀；Halliburton公司集成BrightStar?、StrataStar?、BaseStar?、ResiStar?、LithoStar?形成的iStar? 智能鉆井和測井平臺[12](圖2)等。

圖2 Halliburton iStar? 智能鉆井和測井平臺[12]Fig.2 Halliburton iStar? Intelligent drilling and logging platform[12]

目前的MWD/LWD技術水平是，儀器種類齊全、功能完整，隨鉆測井能力達到了電纜測井的水平，指導地質導向鉆井作業實現了由“線”(測量曲線)向“面”(井眼成像、井壁成像)和“體”(儲層描繪)的跨越，向鉆頭前看得更遠、往井眼徑向探得更深，為智能導向決策提供了全面、完整、細致的數據支撐；隨鉆信息實時上傳速率，泥漿壓力波通道達到40 bps(物理)、256 bps(壓縮)；幾乎所有儀器與工具抗溫指標達到150 °C，部分達到175 °C，極少達到200 °C及以上。

近3 年，受新冠疫情、油價起伏、能源轉型、低碳減排等多重因素影響，國外油田技術服務公司加速轉型布局[38-43]，呈現出數字化智能化程度增強、協同化一體化技術突出、低碳化清潔化轉型的特點，如Schlumberger公司在2022 年10 月24 日宣布更名為SLB，并發布企業數據解決方案，依據開放地下數據空間技術標準，為全球能源行業提供最全面的井下數據處理能力，志在成為推動未來能源發展的科技公司。

1.4 國內技術現狀

隨著國外隨鉆測量技術的興起，國內在上世紀70年代末和80 年代初開始了技術跟蹤、初步研究與隨鉆測斜儀研制的嘗試。在90 年代，尚無自主研發的MWD/LWD產品，主要依靠技術引進和國外技術服務，1992 年西安石油勘探儀器總廠從Halliburton公司引進了BGD型MWD的全套生產線，1997 年中油北京地質錄井技術公司由Halliburton引進了國內首套隨鉆測井裝備(Pahfinder LWD系列)并組建了作業隊伍。根據文獻[4]對全球MWD/LWD專利檢索，直至2000 年左右國內才有相關專利申請出現，自2005 年開始我國在該領域的申請量也顯著增長，此趨勢與通過中國知網檢索“隨鉆測井”相關論文的發文數量趨勢基本一致(圖3)。

圖3 2004 年—2023 年6 月國內關于LWD論文數量及主題分布Fig.3 The number and topic distribution of domestic papers on LWD from 2004 to June 2023

近20 年來，中石油、中石化、中海油、石油行業高等院校、從事石油技術服務的有關民營企業和機構以及中科院，均在自主研發MWD/LWD技術與裝備，努力追趕世界先進水平，特別是依托國家自然科學金課題，國家“863 計劃”、國家重點研發計劃、國家科技重大專項等項目與課題，取得了較大突破與明顯進展[44-103]。具有標志性的是，中石油的“CGDS”近鉆頭地質導向鉆井系統(圖4)和中海油的“璇璣”旋轉導向鉆井與隨鉆測井系統，均屬國內首家、全球第4 家公司具有完全自主產權的產品[47-49]。“CGDS”于1999 年立項攻關，2006 年研制成功[47]，2007 年通過產品鑒定并產業化，至目前已在國內在大慶、吉林、四川、長慶和新疆等16 個油田推廣應用，2009年獲得國家技術發明獎二等獎和國家自主創新產品證書[48]。“璇璣”于2007 年正式立項攻關，2011 年實鉆試驗成功，2014 年首次海上試作業成功，2015 年定型制造，2022 年正式建成生產線投產，正式邁入大規模產業化階段[49]。當前，國內MWD/LWD整體技術水平簡述如下。

圖4 CGDS近鉆頭地質導向鉆井系統Fig.4 CGDS near bit geosteering drilling system

(1) 隨鉆傳輸[50-57]：泥漿壓力波傳輸通道，普遍采用正脈沖傳輸方式，傳輸速率在5 bps以下；連續波傳輸速率方式已試驗成功，最高上傳速率可達到20 bps[56]，并開始初步應用。電磁波傳輸通道，無接力一次傳輸井深不低于3000 m，最高上傳速率11 bps。已嘗試泥漿脈沖和電磁波通道的組合傳輸儀器研發，但尚無應用產品。

(2) MWD儀器與工程參數測量[58-64]：鉆壓/扭矩、柱內/環空壓力、振動、轉速、井徑等單工程參數MWD儀器或多個工程參數集成測量MWD儀器，基本成熟并現場應用，但工作可靠性、測量精度和準確度有待進一步提高。

(3) LWD儀器與地層/地質參數測量[65-96]：傳播型電磁波電阻率測量、自然伽馬測量與成像、近鉆頭電阻率/方位電阻率測量、近鉆頭自然伽馬測量與成像等LWD儀器與工具，以及隨鉆方位電磁波電阻率測井儀、隨鉆中子密度測井儀、隨鉆地層壓力測試器等已廣泛應用；新研制出的隨鉆地層流體取樣測井儀、隨鉆四極子聲波測井儀、隨鉆可控源中子孔隙度測井儀等已在現場初步應用；用于儲層描繪和地質導向的多層邊界隨鉆描繪測井儀、儲層流體隨鉆描繪測井儀、儲層高清晰度隨鉆描繪測井儀、隨鉆前探測井儀，以及隨鉆核磁共振測井儀、隨鉆地震測井儀等高端隨鉆儀器，正在攻關研發，盡管取得了不同程度進展，但離現場應用尚有一定差距。

(4) 抗高溫超高溫隨鉆儀器[97-103]：較普遍抗溫能力為150 °C，少量MWD系統及帶自然伽馬測量MWD系統可達到175 °C，超過175 °C的隨鉆儀器極少，超高溫隨鉆儀器為空白。

2 技術發展思考

2.1 有關隨鉆測量技術的基本問題

井下隨鉆儀器無論其種類多么完整、測量功能多么強大(圖1 和附錄2)，首先都要面對并適應其工作環境：地下深度數千米到萬米，直徑最大0.6 m左右至最小不足0.1 m的狹小井底空間，井底溫度可高達200 ℃甚至300 ℃以上，井底壓力最高可達200 MPa甚至更大；同時承受強振動(可高達20 g)、大沖擊(近鉆頭處可達500 g)、重載荷(鉆機最大提升力可達1000 t以上)的鉆井工況，以及有沖蝕和腐蝕(H2S和CO2酸性氣體等)的固液氣等多相流鉆井液環境。在此條件下，要求井下測量儀器與工具“測得出、測得準、傳得上”且“測得長”(一般要求MTBF 200 h以上)。

基于以上及多年的隨鉆技術研發經歷，總結出了隨鉆測量技術的有關4 個基本問題：①測量問題，主要包括地層/地質參數和工程參數測量等；②傳輸問題，即隨鉆傳輸信道與實時上傳速度問題，傳輸信道主要包括有線、泥漿脈沖、電磁波、鉆柱聲波、微波等傳輸方式信道；③供電問題，即解決為井下儀器或工具供電方式與能力的問題，主要包括電纜供電、電池供電和渦輪發電機供電等；④溫度問題，即解決井下儀器和工具的抗高溫能力問題(工作溫度指標：基礎125 °C，標準150 °C，高溫175 °C，超高溫200 °C，極高溫230 °C)。這4 個基本問題，缺一不可且相互支撐，其中：①是隨鉆的根本目標，只有“測得出、測得準”，才能為實現“安全高效高產鉆井”提供數據依據；②是實現隨鉆的重要條件，與①具有同等重要地位，只有“傳得上”，①的數據才能體現出其價值；③是①和②能夠正常工作的基本保障；④又是①②③的基本保障，只有解決了抗高溫問題，井下隨鉆儀器才能正常且長時間工作，才能實現“測得出、測得準、傳得上、測得長”。

從技術發展的角度講，由于油氣勘探開發新需求的驅動，在基本問題①中將會不斷創新研發出井下新儀器新工具，在基本問題②③④中關于提升隨鉆信息實時上傳速率、提高井下儀器抗高溫超高溫極高溫能力以及實現井下大功率供電也將是隨鉆測量技術的永恒命題。若由目前廣泛應用的無線傳輸方式“回歸”到有線供電和傳輸方式，不僅解決了井下實時測量數據種類越來越多和數據量越來越大導致的高速大容量傳輸難題，以及井下大功率供電問題，還將有力支撐數字化、自動化和智能化鉆井技術的發展。

2.2 關于提升隨鉆信息上傳能力的思考

文獻[104]對隨鉆傳輸技術的各種傳輸方式和傳輸速率、優勢和劣勢進行了詳細分析和對比，在此不贅述，需要補充和強調的是，近十多年來，無論國內還是國外在隨鉆傳輸技術方面沒有明顯實質性突破。

(1)思考一，基于現有通道最高傳輸速率，采用“多通道聯合接力傳輸”方式提高傳輸井深。

Schlumberger和Baker Hughes在前幾年分別推出了泥漿正脈沖(MP)與電磁波(EM)傳輸通道組合的雙通道傳輸MWD系統，即xBolt G2 MWD(圖5)、NaviTrak UT (Unified Telemetry) MWD，最高傳輸速率分別是4 bps(MP)或16 bps(EM)、1 bps(MP)或(和)16 bps(EM)。其優點是，①EM通道融入常規正脈沖MP通道，彌補了MP通道傳輸速率偏低的不足，提高了上傳速率；②具有冗余作用，克服了單通道傳輸因MWD儀器故障無法實時上傳信息導致不得不起鉆更換儀器的不足，提高了鉆井效率。其缺點是，MP通道脈沖發生器和EM通道信號發射天線置于同等井深位置(即“并聯”方式)，受井深增加的影響，各自上傳能力降低的問題仍沒有克服，尤其是EM通道受地層電阻特性影響更大。

圖5 Schlumberger xBolt G2 MWD儀器組成示意圖Fig.5 Schematic diagram of the Schlumberger xBolt G2 MWD instrument

為了最大程度發揮單通道傳輸的優點、克服因其自身傳輸原理限制所存在的不足，提出了“多通道聯合接力傳輸”的思路，即采用當前性能最優的各種單通道MWD系統，將其井下信號發生器或發射裝置置于不同井深位置，以“串聯”的方式實現井下隨鉆信息高速上傳，可以是2 種以上通道的聯合接力傳輸，如以Baker Hughes的MWD系統為例：aXcelerate PLUS(40 bps)+EM(16 bps)+ XACT(30 bps)聯合接力傳輸。需要注意的是：應盡量采用不同的通道以避免信號干涉，并選用同等傳輸能力的通道，以實現最高速率傳輸。需要解決的技術問題和難點主要包括：基于不同傳輸原理的“串聯式”隨鉆傳輸系統最優設計，各“接力點”的信號接收，以及如何實現信號下傳問題等。

(2) 思考二，采用“隨鉆分時數據高速交互與攜帶傳輸”方法，提高數據傳輸容量。

此想法是基于早期的“自浮式單點測斜儀”結構及其工作過程、以及當前的數據高速讀取與大容量存儲技術，而構思的一種及時或隨時獲取井下大容量隨鉆信息的方法，作為現有隨鉆傳輸技術的有益補充，尤其適用于陸上深井超深井復雜地層鉆井。其特點是不影響井下隨鉆傳輸儀器正常工作和儀器結構，其核心是“數據高速交互與存儲攜帶器”，應用場景及攜帶器示意結構如圖6 所示。

圖6 隨鉆分時大容量數據高速交互與攜帶應用場景、攜帶器結構示意圖Fig.6 Application scenarios and schematic diagram of high-speed interaction and portability of large capacity data while drilling and time sharing, as well as the structure of the carrier

工作過程是，當地面需要獲取井下隨鉆存儲的大容量數據時，攜帶器在泵壓作用下由井口位置被推送至井下隨鉆儀器與工具組合最上端的對接接口，然后快速交互井下存儲的大容量數據；一旦交互完成，井下儀器及時上傳停泵指令，當攜帶器檢測到停泵后，啟動返回推進器(如螺旋槳)，推進器將攜帶器快速推進至直井段，攜帶器在自身浮力(和推進器)作用下快速返回井口，最后由地面數據讀取器完成數據下載。

實現此方法涉及到的技術問題與難點主要包括：①在井下實現大容量數據高速讀取與存儲，②在井下鉆鋌水眼腔內部數據交互接口的設計與保護，③滿足長水平段要求的攜帶器返程推進器研制等。需要強調和說明的是：①交互接口應置于井下隨鉆儀器組合的最上端位置，此方法更適用于自主研發的隨鉆儀器及工具，不適用于直接外購的隨鉆儀器，但可提供結構設計及通信協議要求等，對外購儀器結構進行改造；②返程動力推進器研制可能有一定難度，尤其是要適用于長水平段，因此，攜帶器的研制可分無推進器和帶推進器的2 個階段開展。

(3) 思考三，采用“有線”供電與大容量數據高速傳輸是未來鉆井必然要求，經濟性、可靠性和實用性是影響有線方式廣泛應用的重要因素。

實際上，多年來國內外多家公司一直在現有鉆桿技術基礎上嘗試進行隨鉆電纜供電和數據實時傳輸。早在1976 年前蘇聯研制出電動鉆具，通過位于鉆桿兩端的雙接觸導電裝置“硬連接”電纜，實現了電能與井下信息的同傳[105-106]。上世紀90 年代中期，Grant Prideco公司和Novatek公司在美國能源部資助下，歷時7 年時間共同開發成功IntelliPipe(智能鉆桿)，于2003 年初在懷俄明州Rocky Mountain油田測試中心對IntelliPipe管柱進行了首次全面鉆井測試，2009 年國民油井華高(NOV)旗下的IntelliServ公司開始商業化應用[107]。IntelliPipe是通過鉆桿兩端的內置磁耦合環實現電纜的“軟連接”，其優點是解決了低傳輸速率的問題，不足之處是不能向井下供電，而且需要沿智能鉆桿串需要布置若干個信號中繼放大器。國內也有企業及研究機構研制智能鉆桿[108-110]，并取得了一定進展，如中國石油集團工程技術研究院自主研制的信息鉆桿(InforPipe)[111]，其中繼器同時具備鉆壓、扭矩、振動、轉速、黏滑、環空壓力、環空溫度等多種分布式參數測量功能，已成功完成多次現場試驗。無論是“硬連接”還是“軟連接”方式的有纜傳輸，可靠性和經濟性等原因限制了其商業化推廣應用。

2018 年，挪威Reelwell公司基于其成熟的雙壁鉆桿技術，提出了有纜供電鉆桿(DualLink)概念[112]。在鉆桿兩壁之間的空腔內，采用銅線編織層取代傳統電纜，在編織層的兩端各安裝具有清除污染物能力的密封電聯通“單芯”接頭，鉆桿完成緊扣后相鄰兩連接頭進行硬連接，實現了在兩鉆桿之間的電力和信號傳輸(圖7)。由于采用了“銅線編織層”傳輸、“單芯”對接以及直流供電等，DualLink顯示出了多方面的優勢：①其有線物理通道的抗振動和抗彎曲能力比以前的有線通道顯著增強，大幅度提高了適應現場鉆井井下惡劣工況的可靠性；②鉆桿串沿程不需要中繼放大，不僅降低了成本，而且減少了傳輸中斷的風險點；③直流輸電更適用于長距離傳輸；④操作與常規鉆桿無異，實用性強。2023 年3 月，Equinor與Reelwell公司簽署了采購DualLink的框架協議，標志著DualLink有纜供電鉆桿正式進入商業化應用階段[113]。目前DualLink的傳輸速率不低于56 000 bps，輸電功率為500 W，有潛力提升至3000 W。根據其實現“有線”方式看，制造成本和使用成本(尤其應用于深井)將是限制其廣泛應用的重要因素。

圖7 Reelwell公司 DualLink的有關結構 (視頻截圖) [112]Fig.7 Relevant structure of Reelwell’s DualLink (video screenshot) [112]

由上可見，實現“有線”供電和信息傳輸的方法和途徑有多種，應綜合衡量多方面的因素選擇一種最優的實現方式和技術路線，概括為以下3 個方面：①經濟性，包括制造成本、應用配套的成本、應用產出效益評價等；②可靠性，包括適應于井下惡劣鉆井工況、適應于各種井型、尤其適應于深井和超深井等，MTBF應高于井下隨鉆儀器與導向工具的MTBF；③實用性，包括盡量不影響現場鉆井工藝、盡量不增加起下鉆NPT(non-production time)、現場操作簡單方便等。

2.3 關于克服井下超高溫極高溫難題的思考

我國陸上油氣資源勘探開發不斷向超深層領域發展，技術已成功突破9000 m，萬米深井井底溫度超過240 ℃，現有井下儀器與工具難以滿足超高溫鉆井需求。從附錄2 的表中看到，國外也僅有幾款隨鉆儀器達到抗200 ℃超高溫的能力，極少數傳感器達到抗230 ℃極高溫的能力。面對井下超高溫極高溫帶來的技術難題，近期內難以實現全面突破。鑒于此，基于逆向工程思維，由被動的“抗”不了，變為“直接降”和“調控降”，故提出了井下主動降溫和全井筒溫度調控的技術路線，旨在將井下隨鉆儀器與工具所在的內部和外部環境溫度降至當前“常規(150 °C)和高溫(175 °C)隨鉆儀器”能夠滿足高溫超高溫井極高溫井鉆探需求，并為今后1.3 萬m以上的深地鉆探打下基礎。

(1)思考一，采用“井下主動降溫”方法，“直接降”井下隨鉆儀器與工具的內部溫度，使常規和高溫儀器可用于超高溫極高溫環境。

自2017 年起，中國石油集團工程技術研究院就開始了井下主動降溫技術的研究[114-120]，至目前已完成了原理樣機試制和室內測試，今年年底將研制出井下主動降溫裝置下井樣機(研發人員形象地稱為“井下空調”)，其最鮮明的特點是利用鉆井液的流動動能作為“井下空調”制冷的動力，屬純機械式制冷裝置，已取得如下階段性創新成果：

① 探明了適用于井下惡劣鉆井工況和高溫超高溫環境的隨鉆主動降溫裝置運行機理。將鉆井液流動轉化為驅動動力，采用雙活塞結構，按“同頻不同步”規律運動，活塞壓縮腔內壓縮效應大于膨脹效應形成高溫區，膨脹腔內膨脹效應大于壓縮效應形成低溫區，高、低溫區的存在產生了溫度梯度，利用低溫環境可對隨鉆儀器進行主動降溫。

② 形成了指導主動降溫裝置關鍵參數計算和結構設計的方法。主要包括熱力學參數、結構參數、工作參數與阻尼參數最佳匹配關系，獲取最大制冷量的適用于井下狹小空間的各參數最優組合，適用于井下隨鉆儀器與工具結構的模塊化設計方法、設計準則和關鍵核心模塊結構等。

③ 試制了“井下空調”原理樣機并通過了室內測試。試制了多臺原理樣機，經測試，降溫幅度均超過了70 ℃(圖8)，且降溫效果一致性、重復性較好，驗證了井下主動降溫相關理論的正確性和純機械式降溫方法的可行性，為研制“井下空調”工程樣機奠定了基礎。

圖8 主動降溫原理樣機室內測試Fig.8 Indoor testing of active cooling principle prototype

(2)思考二，采用“全井筒溫度調控”方法，“調控降”隨鉆儀器與工具外部的井底工作環境溫度，使常溫和高溫儀器在高溫超高溫井(230 ℃以上)應用成為可能。

該方法的基本思路如圖9 所示，在實時更新的全井筒溫度場動態模型指導下，采用地面鉆井液大幅度降溫和井下隔熱(如隔熱鉆桿或熱障鉆桿)相結合的技術手段，將井底工作環境溫度調控至滿足井下隨鉆儀器正常工作溫度的要求。該方法涉及到3 項關鍵技術，即全井筒溫度場隨鉆動態模擬軟件、熱障鉆桿、地面鉆井液大幅度降溫與冷卻裝置，其中前2 項為關鍵核心。

圖9 全井筒溫度調控應用場景示意圖Fig.9 Schematic diagram of the application scenario of full wellbore temperature control

全井筒溫度場隨鉆動態模擬軟件的作用是，在鉆前建立全井筒溫度場模型，在鉆井過程中根據上傳的井下實際溫度，實時更新全井筒溫度場模型，并預測待鉆不同井深處的溫度以及預期完鉆井深處的溫度，為實時調整地面降溫裝置的出口溫度、下入熱障鉆桿串的數量提供重要依據。熱障鉆桿可基于雙壁鉆桿及其制造技術，在雙壁形成的腔體表面噴涂隔熱層或腔內填充隔熱材料，當多根鉆桿連接后可形成完整的隔熱鉆桿串。該方法的研究內容主要包括：①全井筒多介質耦合溫度場模型與傳熱規律研究；②全井筒溫度場模型實時更新算法研究及可視化軟件開發；③地面大幅度降溫與鉆井液冷卻經濟性評價、裝置設計與制造，以及熱交換能量回收與再利用；④高效隔熱材料研究與熱障鉆桿研制；⑤高阻熱涂層材料研制與工程應用研究；⑥配套現場作業鉆井工藝研究。

3 結論

(1) 通過梳理國內外隨鉆測量技術的發展史，得到了關于創新與發展的一個基本道理：需求推動創新，創新引領發展，不滿足就是需求。面對我國“深低海非”等領域高效勘探開發給油氣鉆井提出的系列技術挑戰、油氣鉆井向數字化智能化發展的必然趨勢、以及國家綠色低碳能源發展戰略新需求等，必將推動我國油氣井隨鉆測量技術的不斷創新和發展。

(2) 盡管目前我國隨鉆測量技術整體水平與國外尚有差距，但緊緊圍繞隨鉆測量技術本身固有的4 個基本問題，以滿足勘探開發需求為導向，不斷研發新儀器新工具，特別是在解決高速率傳輸和高溫超高溫問題上下功夫，有所創新性突破，仍有趕上甚至超越國際先進水平的機會。

(3) 在提升隨鉆信息上傳能力方面，以多通道聯合接力傳輸、隨鉆分時大容量數據高速交互與攜帶傳輸等作為現有技術升級和完善，應重點突破隨鉆有纜供電與大容量數據高速傳輸技術，真正實現“有線隨鉆”，可催生出新的井下儀器與工具，并推動我國地質導向和旋轉導向鉆井技術水平邁上新臺階。

(4) 在克服井下超高溫極高溫難題方面，井下主動降溫技術已取得階段性進展，全井筒溫度調控技術應盡快投入研發和驗證，若兩者組合應用，再加上各類抗高溫隨鉆儀器與工具不斷突破，有望全面實現超高溫極高溫鉆井，并為今后1.3 萬m以上深地鉆探提供強有力的隨鉆技術支撐。