电磁波传输存储式测井系统工作原理及应用

刘 俊

(中国石化西南石油工程有限公司测井分公司 四川 成都 610100)

0 引 言

在超深的大斜度井、水平井和小井眼多分支井中，以及井壁严重失稳等复杂情况下，电缆测井甚至水平井测井技术往往无能为力。电磁波传输存储式测井是近年发展起来的新技术。该技术通过电磁波将井下部分测井数据发送到地面以监控下井仪器的工作状态，同时将主要的测井数据存储在下井仪器存储器中从而完成测井施工。仪器串连接在钻具底部，通过起下钻具输送仪器，不需要测井绞车和电缆配合作业，起下过程中能够开泵以及旋转钻具，避免了水平井湿接头工艺因电缆的存在而导致的复杂情况。通过在四川地区部分井的实验和应用，该技术一定程度上提高了复杂井的施工能力，但同时也还存在一些问题需要进一步改进。

1 测井原理和仪器结构

1.1 地面系统工作原理

1.1.1 系统简介［1］

SEMLS-1000 电磁波传输存储式测井地面系统(以下简称SEMLS-1000 地面)是根据油田需求开发的便携式测井地面系统，是一种钻具输送无电缆存储式测井系统，配合相应的下井仪器完成井况条件恶劣的大斜度井和长位移水平井测井作业。

地面接收处理机箱通过采集两个接收地矛间的电磁波信号，解码出相应的系统状态信息，显示在计算机桌面上，同时将系统状态信息发送到司钻显示器。当下井仪器有遇阻遇卡状态时，通过声光报警来提醒司钻。系统主要实现五个功能，即电磁波信号的接收和解码;实时深度数据的采集及处理;为车间刻度和测井数据读取提供所需的通讯接口和工作电源输出;具有司钻显示、通讯、监控和报警的功能;具有地面系统与井台工作区音频通信功能。

1.1.2 系统结构

系统机柜从下往上依次安装UPS 电源、打印机、SEMLS-1540 地面接口箱、工控机、KVM 组件。其中SEMLS-1540 是地面接口箱，采集和处理传感器信号，并将处理后的信号通过串口发送到工控机;采集和处理电磁波信号，并将处理后的信号通过USB 口发送到工控机。工控机为系统综合控制、实时深度跟踪与测后处理数据的中心。

1.1.3 深度测量原理

电磁波传输存储式测井系统中的深度测量要求地面仪器采集的井深数据始终要与井队下钻(下测)、起钻(上测)、“等待”三种基本状态时下井仪器最下端的位置保持一致。深度测量是通过对下井仪器和所有已下钻钻具的测量长度累积得到的，钻柱之间的测量通过记录钻井钢绳绞车码盘输出的脉冲来实现。井队提供的准确的下钻钻具组合表就是做为实时深度跟踪以及误差对比和校正处理的依据。实时采集得到的井深数据通过软件记录和修正，为后期深度匹配和处理提供准确的原始数据。

SEMLS-1000 测井地面系统的深度跟踪是通过绞车传感器感应钻机的滚筒转动，利用滚筒参数、大绳参数参与计算、校正系数参与微调的处理方式，并结合大钩负荷传感器的轻、重载状态判断来实现深度准确跟踪的。深度板原理框图如图1 所示。

图1 深度板工作原理框图

1.1.4 电磁波信号的接收和解码原理

电磁波信号的接收和解码是SEMLS -1000 地面系统的重要功能。在测井作业过程中井下发射机主控单元发射垂直激励的电磁信号，经地层传输至地面，地面最佳接收方式为水平电位接收，即井筒和径向分布的某参考点之间的水平电位差。实际接收设备包括地矛(作为参考电极)、线缆以及井筒的连接器等。线缆将参考电极与井筒之间接收的信号输入到SEMLS -1540 地面接口箱，机箱内电路通过对这些信号的放大、滤波及信号的解调解码，最终将得到的数据送入SEMLS-1000 系统深度跟踪软件中进行数据恢复，并将张力、伸缩、仪器状态等信息送入司钻显示器进行显示，方便现场操作人员实时了解井下仪器状况。接收井下发射电磁波信号的流程框图如图2 所示。

图2 接收井下发射电磁波信号的流程框图

1.2 下井仪器工作原理

下井仪器包括主控发射单元和其他测井仪器两部分，之间主要通过CAN 总线建立通讯并传输数据。

1.2.1 SEMLS-1040 发射机主控单元工作原理［2］

SEMLS-1040 发射机主控单元主要包括功放电路和主控采集电路两大部分。原理图如图3 所示。

图3 发射机主控单元原理框图

功放电路将来自主控采集电路的数据进行编码、载波调制、功率放大，以电磁波形式经发射天线发射，地层为传输介质，通过地面接收机恢复数据，实时向地面人员提供井下仪器的受力、遇阻以及工作状态。

主控采集电路完成对井下仪器受力、井温、泥浆电阻率、井下压力信号的采集与存储，以及完成中子、密度脉冲计数和存储功能，通过CAN 总线通讯对其它下井仪的测井数据进行传输并存储，测井前与地面配接通过CAN 总线通讯完成存储间隔、授时、压力门限、工作延迟时间等设置功能，测井结束，通过CAN 总线通讯或USB通讯完成存储数据的读取。

1.2.2 其他测井仪器的工作原理

用于测量地层物性及工程参数的测井仪器主要包括SEMLS-1070 伽马连斜短节、SEMLS-1080 双侧向短节、SEMLS-1050 补偿中子短节等，测井项目根据工区需要确定。辅助测量短接包括电池节、硬电极、底部伸缩短接等。由于测井仪器的工作原理与常规的仪器相当，下面仅对三种仪器和一种辅助测量短接进行简要描述。

1.2.2.1 伽马连斜短节

SEMLS-1070 伽马连斜短节是SEMLS -1000 电磁波传输存储式测井系统中的一个短节，主要完成自然伽马和井斜方位的测量，为电池短节B 的计时电路提供+5 V 电源，具备关闭自身±12 V 电路电源和双侧向短节工作电源的功能。该短节和电池短节B 一起作为双侧向短节的上A2 电极。

连斜测量部分采用的是固态惯性导航系统，以三个重力加速度计和三个磁通门传感器建立仪器的三维测量坐标系。通过测量三个重力加速度计和三个磁通门传感器的输出值，可以计算出井眼的倾斜角、方位角和相对方位角。

1.2.2.2 双侧向短节［3］

SEMLS-1080 双侧向短节用于完成深、浅侧向电阻率的测量，是一种聚焦式的电法测井仪器。在测井时，仪器可以测量深侧向(LLD)和浅侧向(LLS)两条曲线。该仪器采用两种工作模式同时工作，深侧向工作频率采用70 Hz，探测深度较深，用于测量原状带地层的电阻率值;浅侧向工作频率采用280 Hz，探测深度较浅，用于测量侵入带地层的电阻率值。

1.2.2.3 补偿中子短节［4］

SEMLS-1050 补偿中子测井仪为了减少井眼套管泥饼对测量的影响，下井仪将两个灵敏度不同的3He 探测器，布置在离中子源距离不同的位置上，用它们的两个计数率的比值来反映地层孔隙度的大小，提高了测量精度。

1.2.2.4 底部伸缩短接

SEMLS-1100 底部伸缩短接连接在仪器串的底部，其弹簧连杆机构带动电位器运动，测量仪器遇阻时上部施加的压力，该伸缩信号通过电磁波发送到地面，便于操作工程师观察和判断，及时提示司钻操作，避免仪器承受过大的压力而受损，提高了施工的安全性。

2 测井施工和资料采集

2.1 × ×-33-2 井与× ×-33-8 井的测井施工

2014 年3 月23 日XN312 测井队完成了川西某工区× ×-33-2 井的测井施工。该井位于四川德阳地区，井深3 040 m，垂深2 827m，造斜点1 900 m，最大井斜35.5°。2014 年3 月29 日XN312 测井队完成了川西某工区××-33-8 井的测井施工。该井位于川西德阳地区，井深2 963 m，垂深2 580 m，造斜点1 160 m，最大井斜35.9°。

施工过程大致如下:首先安装连接井口绞车深度传感器和钩载悬重传感器，连接电磁波信号接收点，在地面对仪器串的主要短节进行供电检查，然后在井口将仪器串连接到钻具底部，连接仪器的过程中再对仪器串进行总体通讯检查，工作正常后下钻试验。

现场调整完毕后开始正式钻具输送仪器下放测井，测井速度6 m/min，到达井底后继续上提测井。上提仪器到达井口开始读取数据，回放出图，资料验收合格，完成施工。

2.2 两口井测井施工过程的主要特点

2.2.1 测井资料质量

从两口井的测井资料看，GR 自然伽马、AC 声波时差、DLL 双侧向、DEV/DAZ 连斜方位测井曲线质量优秀，SP 自然电位数据干扰较大，× ×-33-2 井CAL 井径斜井段测值偏小，× ×-33-8 井正常，在直井段CAL 数据正常，CAL 曲线质量合格，SP 曲线参考。

将× ×-33-2 井的主要测井曲线与上部电缆测井资料进行对比分析。深浅侧向电阻率、井斜方位曲线对比见图4，自然伽马、声波时差曲线对比见图5。由对比图可以看出，GR、AC、DLL、DAZ/DEV 测井资料与电缆测井曲线有很好的一致性。DLL、DAZ/DEV 测井曲线与电缆测井曲线基本重合，但GR 和AC 曲线锯齿状统计起伏较大，经过5 点滤波之后AC 曲线正常，GR 曲线虽然有一定改善，还存在这种现象。

图4 深浅侧向电阻率、井斜方位曲线对比

图5 自然伽马、声波时差曲线对比

2.2.2 测井施工及资料质量问题分析

当仪器遇阻遇卡时，通过伸缩与张力信号，可以判断遇卡的状态，但是由于电磁波信号幅度等多方面的影响造成软件解码错误，信号易出现报错现象，报错频繁时容易使施工人员视觉疲劳，且影响对井下情况的判断，产生施工风险。同时，电磁波传输距离有限，在目前的条件下，井深大于3000 m 时传输较困难。

CAL 数据与电缆测井资料存在差异。返回基地清洗仪器后，对四臂井径进行检查。四臂井径为机械结构，四条臂相互独立，上提下放测井过程中，井径臂处于打开状态，泥浆内泥沙会对机械构造灵敏性造成影响。井径臂张开角度和推靠力量较大，下钻过程中可能受损变形导致测量误差。斜井段由于仪器重力的压迫导致井眼底边方向的井径腿不能完全打开，造成井径测量值比实际小。对于井径仪器存在的问题，厂家已经进行了改进。

自然电位测井曲线由于测量比较电极为井下钻具，处于运动状态，受到较大干扰。这是目前存储式测井较大的问题，如何有效地解决还有待探讨。

3 下一步仪器设计和施工的改进思路

3.1 增加有效传输距离

目前井下电磁波信号在川西地区中浅地层的传输距离不能超过3 000 m，这种传输距离的瓶颈严重影响了技术的发展与推广。就传输介质的影响而言，地层电阻率越低，有效传输距离越近，因此我们不宜在地层水电阻率很低的工区开展测井施工;就通用的传输技术而言，在一定的井下地层环境中增加电磁波传输距离的手段有两个方面。

第一是从发射功率方面考虑。发射信号的功率越高，发射电流越大，在远端接收的信号会越强，在接收信号达到一定的强度则能够避免干扰源的影响，有效地传输数据。就目前的仪器结构而言，电池节不只是供给测量、控制电路还要供给发射电路，过高的功率将导致仪器工作时间偏短。下一步需要为发射电路配置大容量独立电源，而且在发射电源变弱的时候能够及时接通主电源以确保发射正常。

其次是增加发射中继短接以延伸传输距离，这是一种有效的手段，但仪器设计结构较复杂。在当前有效传输距离以内连接中继，其作用是接收有效信号并放大处理，再次发射，将发射往上延伸，整体传输距离可以按照中继的个数成倍数增加。

3.2 抑制自然电位曲线的干扰和自然伽马曲线的统计起伏

SP 自然电位采集的是测量电极与比较电极之间的电位差，测量受到测量电极和比较电极的影响。要求测量电极连线接触良好，电极与泥浆耦合良好，比较电极电位稳定，不易受到外部干扰。由于比较电极为仪器串上部的钻具，测量过程中钻具处于运动状态，其电位受到较大干扰。下一步需要研究干扰源的规律，设计相应的滤波电路滤除干扰信号，同时选取更为合理的参考点，增加信号的稳定性。

自然伽马曲线的统计起伏偏大主要由于探测晶体与光电倍增管耦合不良或者晶体性能不良(潮解等)所致，进行及时的维护检查可以解决，我们将在进一步的实验中进行验证。

3.3 减少仪器串偏心对井径的影响

井径信号在斜度段和水平段偏小是在× × -33 -2井出现的。仪器在经过改进后减小了推靠力量从而减小井径臂受损的几率，在容易受到泥砂影响的位置注油润滑防护，有效地阻止了岩屑泥沙的进入使得井径臂能够有效地张开。同时在井径仪器的上下两侧安装大尺寸的扶正器(比钻头约小1 寸)以使仪器串居中，很大程度上减小了偏心的影响，也提高了测量精度。

4 结 论

1)电磁波传输存储式测井系统设计思路清晰，工作稳定。电磁波传输技术利用电磁波作为介质传输数据，与水平井湿接头相比，不需要测井绞车和电缆配合作业，起下钻过程中能够开泵以及旋转钻具，有效避免了湿接头工艺因电缆的存在而导致的复杂情况，减少了湿接头对接产生的各种问题，提高了测井施工时效和安全性，提高了复杂井的施工能力。

2)在四川地区部分井的实验和应用发现，该技术还存在一些瓶颈，主要是电磁波有效传输距离不足的问题，需要进一步改进才能推广应用。

［1］新乡22 所.SEMLS-1000 电磁波传输存储式测井地面系统操作维修手册.2013 年(资料)

［2］新乡22 所.SEMLS-1040 发射机主控单元使用维修说明书.2013 年(资料)

［3］新乡22 所. SEMLS -1080 双侧向短节使用维修说明书.2013 年(资料)

［4］新乡22 所.SEMLS-1050 补偿中子短节使用维修说明书.2013 年(资料)