随钻仪器在大斜度定向井上的提速技术研究

张晶（大庆钻探工程公司钻井二公司）

1 概述

大庆油田进入开发后期，水平井和大斜度定向井逐年增多。随钻测量仪器是保障定向井和水平井顺利施工的主要设备之一[1-3]。目前，大庆油田在大斜度定向井上主要采用常规的无线随钻测量系统（简称MWD）进行定向钻进。大庆油田的大斜度定向井存在着靶点多、全程定向、地层硬度不一、造斜难度大、水平位移大和稳斜段长等施工难点，施工过程中容易出现泥包和卡钻等复杂事故。而且大斜度定性井的整体投资相对较低，钻井液含砂量高性能相对较差，导致常规MWD 在井下施工过程中容易因砂卡、仪器脱键等故障问题而频繁起下钻检修，不但影响建井周期，还增加了单井成本[4-7]。

为了解决大斜度定向井建井周期长，井下复杂多的问题，近年来大庆油田逐步开始使用电磁波随钻测量系统（简称EM-MWD）进行该类井型的施工作业。EM-MWD 没有井下活动部件，依靠地层作为传播媒介进行信号上传，在结构和信号传输原理上与MWD 有本质区别（MWD 井下易损部件多，依靠钻井液进行信号上传），可以在高含砂、高密度以及添加大量堵漏材料的钻井液体系中进行随钻测量[8-9]。此外，EM-MWD 不需要井口安装、循环测试，停泵接单根时的静态测量也不需要循环等待，使测量的井斜、方位和工具面等数据更为及时准确。

2 EM-MWD 技术原理及改进研究

2.1 EM-MWD 技术原理

EM-MWD 主要由井下仪器和地面系统两部分组成，EM-MWD 的工作原理如图1 所示。在现场施工过程中，首先将EM-MWD 按钻具组合设计接在钻柱中，下入井内，锂电池组对井下参数测量系统供电，其中井斜方位模块测量的参数通过各自数据采集通道发送给中控模块，中控模块将数据存储在存储模块中，在对数据进行分析和处理后发送给发射模块，发射模块以信源编码和信道编码的复合编码方式把信号加载到低频电磁波上由发射天线经传输信道传送到地表，地面采集装置通过离井口一定距离的插入地下的地面接收天线以及连在钻杆上的上电极天线接收电磁波信号，并将接收后的信号发送给信号处理装置进行模拟滤波、放大、A/D 转换后发送给地面计算机，滤波解码软件进行数字滤波和信源、信道复合解码后发送给测量数据分析软件实现井下数据的实时显示和存储[10-11]。

图1 电磁波仪器原理图

2.2 EM-MWD 改进研究

EM-MWD 前期已经在大庆油田的常规调整井上进行了大范围应用。但现有EM-MWD 在大斜度井上应用仍然面临着三方面难点：水平位移大，电磁波地面接收困难；施工时间长，电池供电不足；地面电磁干扰大。因此需要针对性的对EM-MWD进行改进完善。

1）井下供电效率的优化。在采用双锂电池结构的同时还设计了锂电池组电量监测电路，实时对锂电池组剩余电量进行检测，电量数据和测量数据一起向地面进行发送，系统可以实时监测电路各部分电流分配，实现了对各电路模块工作情况的独立监测，提高了锂电池组的使用寿命和井下仪器的可靠性。

2）仪器结构的优化。为了提高发射能力和发射效率，对锂电池组的位置进行了优化，如图2 所示。将电池模块的安装位置调整到中部，使用通讯线同时对上部组件和下部组件分别供电，该种供电方式一方面可以提高电磁波功率信号的输出效率，另一方面有利于EM-MWD 的整体通讯实施。此外，采用供电模块直接对上端发射器供电的方式，还可以避免以往因功率线缆穿过传感头而产生的大量电磁干扰，从而降低了仪器本身对信号的干扰，提高了信号传输精度。

图2 井下仪器优化

将EM-MWD 各模块的连接方式均改为旋转插头方式，在对各个模块进行上扣连接的同时即可完成电气及通信线路的连接，使连接方式大幅度简化。此外，在仪器串的下部预留通讯端口和供电端口，方便在下井前进行现场调试工作。预留的端口还可以挂接伽马、电阻率等其他测量模块，为后续增加测量参数提供了条件。通过对EM-MWD 的结构进行模块化优化后，所有连接单元都是以螺纹+旋转插头座的连接形式存在，大幅度提高了安装和拆卸的便利程度，使现场更换锂电池组的操作更为便利，当其他模块出现故障时，也能及时进行替换和维修。

3）锂电池组供电方式的优化。使用无线发射原理研制了井下高效供电智能开关，如图3 所示。该设计实现了对EM-MWD 供电系统的即时开关控制，使仪器在井下使用及出井时可以及时断电，将电池的使用效率由50%提高到90%以上，大幅度提高了仪器的井下使用时间，并可以推广到其他随钻仪器中应用。

图3 井下高效供电智能开关

4）发射功率的优化。研制了单发单收的近端地层电阻测量电路，通过高精度运放芯片将输出的电流和电压进行精确采集，在一定时间内取平均值后进行地层电阻的计算，地层电阻曲线的趋势与测井电阻率相对比，可以更好的分析地层电阻率对信号发射的影响，并通过对发射功率的调整，进一步提高发射效率[12-13]。

3 现场应用情况

3.1 单井应用实例

改进后的EM-MWD 在北-斜X 井进行了随钻测量技术服务。北-斜X 井井深2 200 m，井斜65.43°，水平位移1 200 m，该井设计方位67°，EM-MWD 二开下入， 二开的钻具组合为φ215.90 mm 钻头×0.29 m+φ172.00 mm 螺杆×7.91 m（1.5°） +φ165.00 mm 转换接头×0.50 m+φ172.00 mm EM-MWD×8.92 m+φ127.00 mm 加重钻杆×9.37 m+φ127.00 mm 钻杆×363.77 m。

由于该井方位横穿大广高速，EM-MWD 无法跨越大广高速进行布线，故使用了Y 型增强型地面接线方式和双电池的大功率发射。全井段随钻测量无故障，上传速率达到了10 Bit/s，地面解码率高达97.3%。比同区块使用MWD 施工的定向井节约纯钻时长27 h。现场试验证明，改进后的EM-MWD 能够实时、快速的为定向工程师提供精确有效的井下工程参数，实现了大斜度定向井提速、降本的目标，在施工中得到了现场工作人员的一致好评。

3.2 整体应用情况

2020 年EM-MWD 在大庆油田的头台地区和杏区共进行了12 口大斜度定向井随钻服务。EM-MWD 与常规MWD 的平均单井施工时间对比情况见表1。由表1 数据可知，由于EM-MWD 现场安装使用方便、测试时间短，工作效率高，平均单井的现场施工时间可缩短24.6 h。以30D 钻机日费8.75 万元计算，单井钻机日费即可节约8.97 万元，12 口井仅钻机日费就可以节约107 万元以上。

表1 平均单井现场使用时间对比 单位：h

4 结论及建议

1）大庆大斜度井使用的常规MWD 为下坐键结构，在使用过程中易发生砂卡、仪器脱键等故障问题，在影响建井周期的同时还增加了单井成本。

2）通过对现有EM-MWD 进行供电效率、仪器结构、供电方式和发射功率优化，使其满足了大斜度定向井的施工要求。

3） 在12 口井的应用中，改进后的EM-MWD取得了良好的提速效果，平均单井的现场施工时间缩短了24.6 h，有效降低了钻井成本，为保障大庆油田高效开发提供了有效的技术支撑。