SEMWD-2000电磁波随钻测量系统及现场试验

                               龙行天下 XXX XXX

摘要：欠平衡钻井与气体钻井技术的快速发展，使电磁随钻测量技术成为研究的热点。中国电波传播研究所推出的SEMWD-2000是自主研发的，具有独立知识产权的，国内首套工程化的电磁波随钻测量系统。简述了电磁随钻测量技术的工作原理和发展趋势；介绍了SEMWD-2000的系统构成和试验情况，试验表明该系统已能满足实际作业需求，达到国际同类产品水平。

关键词：欠平衡钻井；电磁随钻测量；地质导向；现场试验

中图分类号：TE249.5                   文献标识码：A

0  引言

     在钻井过程中，将井底的工程参数与地质参数实时传输至地面，利于井眼轨迹实时监测与纠偏。目前现场应用的随钻信息传输方式主要有泥浆脉冲和电磁波两种，由于电磁波方式不受钻井介质的影响，更适用于欠平衡钻井与气体钻井。近年来，随着欠平衡钻井技术与气体钻井技术的推广，欠平衡钻井和气体钻井占新钻井比例逐渐增加，这为电磁随钻测量（EM-MWD）系统提供了广阔的发展空间，因此，电磁随钻测量技术也再次成为研究的热点。

    中国电波传播研究所于2006年启动了电磁随钻测量系统研制的工作，历经理论研究、原理样机研制、工程样机研制几个阶段，2010年推出SEMWD—2000电磁波随钻测量系统，现场试验表明该系统已满足现场施工的要求，标志着我国已拥有独立知识产权的、工（商）业化的电磁波随钻测量系统。 

1  EM-MWD的工作原理、技术特点及应用领域

1．1 工作原理

 如图1所示的电磁波随钻测量系统，发射机将井下传感器测量的信息调制激励到用特殊工艺绝缘的上下钻柱之间，信号经由钻柱、套管、钻井介质、地层构成的信道传输到地面，地面接收系统通过测量地面两点之间的电位差的变化获得相关信息，指导工程施工。

                图1 电磁波随钻测量系统示意图

1.2 主要技术特点

（1）信息以电磁波的形式传输，受钻井介质影响小；

   （2）井下没有活动部件，可靠性高；

   （3）仪器结构形式对传输率选择限制少，传输率选择更灵活；

   （4）不受泥浆循环和开停泵的限制，可连续传输信息节省钻井时间；

   （5）传输深度受地层电阻率影响较大，有些区块不能满足深度要求；

   （6）不受堵漏剂限制，适于漏失地层钻井；

   （7）结构简单，装卸方便；

   （8）容易实现双向通信。

1.3 主要应用领域

   （1）欠平衡钻井；

   （2）气体钻井或泡沫钻井；

   （3）煤层气钻井；

   （4）泥浆中需加入堵漏材料，不适合泥浆脉冲传输的高侵入地层钻井；

   （5）适合电磁波传输的定向井和水平井；

   （6）垂直钻井控制。

2   SEMWD-2000的系统构成及技术指标

2.1 SEMWD-2000的系统构成

     SEMWD-2000电磁波随钻测量系统主要有井下工具、地面系统及系统软件构成。其中井下工具主要包括绝缘天线、控制模块、功放模块、电池组件、测量模块（定向、伽马、环空压力等）；地面系统主要包括专用接收天线、地面接收机、工业计算机、深度系统、打印机、司钻显示器及辅助设备；系统软件主要包括系统设置、仪器刻度、数据采集和处理、工程应用模块。SEMWD-2000电磁波随钻测量系统构成及信息传递流程如图2所示。

             图2 SEMWD-2000电磁波随钻系统构成及信息传递框图

2. 2  SEMWD-2000的技术指标

       SEMWD-2000电磁波随钻测量系统详细技术指标见表1。

表1 SEMWD-2000电磁波随钻测量系统技术指标

3 现场试验

 为了检验系统的传输能力、稳定性、可靠性、测量精度与实用性，先后做了传输深度对比试验、绝缘天线强度试验和实际作业试验。试验表明，系统工作稳定可靠，且测量精度能够满足现场施工需求，具备了推广的条件。

3.1 传输深度对比试验

 为了检验系统的传输性能，选地层电阻率较低的区块进行了试验，2010年1月在胜利油田XX井进行了SEMWD-2000与GE公司的E-Link电磁波随钻测量系统传输性能对比试验，两套系统在各下一次，SEMWD-2000的传输深度为1460m，E-Link传输深度为1420m，两系统的传输深度相当，说明SEMWD-2000系统传输性能已达到国际同类产品水平。

3.2 绝缘天线强度实用性试验

 发射天线是经特殊工艺将钻柱分成绝缘的两部分，两部分之间的连接既要保证电气上的绝缘，又要满足机械强度要求，制作难度较大。且绝缘天线还是电磁波随钻传输系统是否可靠和实用的一个关键环节。因此，为了检验绝缘天线的强度是否满足现场施工的要求，2010年3月在胜利油田XXX井进行绝缘天线实际打钻试验，共进尺1000m。起出后进行了仔细的检查，没有发现绝缘天线有受损的痕迹，且绝缘良好，表明绝缘天线强度已满足现场施工要求。

3.3 实际作业试验

  2010年12月8日~12月10日，在大牛地气田D61-27井，进行了SEMWD—2000实际作业试验。实现3049m~3304m实际钻进，信号传输稳定、系统工作正常、地面系统可靠接收信号并正确解码，深度系统稳定准确的跟踪钻头深度，并在钻井状态下与起下钻过程中测得井斜方位信息。与普利门公司的电子多点测斜仪测得井斜方位信息进行了对比，一致性很好，说明SEMWD-2000电磁波随钻测量系统的测量精度已满足工程要求。与电子多点测斜仪的测量结果比较的具体情况见表2。

表2 SEMWD-2000测量结果与电子多点测量结果比较表

 仪器起出后进行了全面的检查，仪器工作正常，绝缘天线没有明显的磨损和破坏痕迹，绝缘良好满足系统要求。图3为井深3265m时地面工程应用软件与信号处理软件界面。

              图3井深3265m时地面工程应用软件与信号处理软件界面

 2011年9月12日至10月17日，在山西吕梁三交区块和忻州保德区块连续进行了5口煤层气丛式定向井作业，仪器性能稳定，一次下井成功率100%。表3为保5-10向4井设计和中靶数据。图4和图5分别为保5-10向4定向井井眼轨迹投影图（其中红线为实钻轨迹，绿线为设计轨迹），从表3、图4、图5可以看出使用SEMWD-2000作业完成的定向井作业，实钻轨迹按设计行进，顺利中靶，达到了施工预期，表明SEMWD-2000已具备实际作业的能力。 

表3 保5-10向4井设计和中靶数据表

图4 保5-10向4井实钻水平投影图

                              图5保5-10向4井实钻垂直剖面图

 2011年9月28日至10月17日，在延长油矿西平1井，进行了水平井施工，实现了随钻自然伽马测量及与ACE综合录井仪一体化作业。在施工过程中，井深700m时下入仪器，980m开始造斜，完钻井深1770m，其中水平段307m，仪器工作稳定，顺利实现中靶，未出现因仪器故障引起的起下钻事故。所测自然伽马曲线与电测伽马曲线对比如图6所示，图中只给出了井深从980m到1150m的曲线比较 (其中红线为SEMWD-2000测量Gr曲线，蓝线为电测Gr曲线)。从图中可以看出，两种仪器所测曲线变化趋势吻合较好，表明SEMWD-2000自然伽马仪器测量数据可信。

图6 西平1井随钻与电测自然伽马曲线比较图

4 电磁波随钻测量技术的发展趋势

 由于电磁波随钻测量系统的传输深度受地层电阻率影响较大，限制了其推广应用，因此提高传输深度扩大应用范围是其主要发展趋势之一。在工作频率一定的前提下系统传输深度主要取决于发射机的功率、发射效率、信道衰减大小和地面信号处理能力等几个方面。目前使用提高传输深度的方法主要有有线接力、无线中继、地面信息融合几种。俄罗斯ZTS系列电磁波随钻测量系统井下使用大功率涡轮发电机解决发射功率增大带来的耗能问题，但目前涡轮发电机对泥浆要求较高，如果高性能涡轮发电机（适合于气体钻井或对泥浆要求低）研制成功，提高发射功率也是一种可供选择的方法。

     随着新型泥浆脉冲发生器的出现，泥浆脉冲式随钻测量系统的传输速率大幅度提高，电磁波随钻测量系统传输率高的优势逐渐消失，如何提高信息传输率成为其发展趋势之一。利用集成芯片进行中继转发的研究已经起步，这种方法以中频或高频电磁波为载波，在井底安装发射器，在地面安装接收器，在钻孔中设置多个中继转发器。利用电子集成技术把转发器制成集成芯片，每个芯片都有电池、天线和其他部件，电池可使用几个星期甚至几个月。芯片间仅有几米的距离，传输速率可达几兆比特每秒。此技术一旦试验成功，降能很好的解决随钻测量的传输问题。

地质导向技术让钻头长上了“眼睛”，推动了钻井技术的发展。如何拓展电磁随钻测量系统使其具有近钻头测量和方位测量功能，为地质导向提供技术支撑，成为电磁波随钻测量技术的另一个发展趋势。目前国外几家大公司的产品已具备了此功能。

通过增加工程参数的随钻测量，如：钻压、钻速、环空压力、扭力/反扭力等，可以实时监控了解钻具的实际工况，帮助钻井工程师指导现场施工, 降低作业风险，实现优快钻井，这也是电磁波随钻传输测量技术的一个发展趋势。

5 结论

（1）电磁波随钻测量技术具有结构简单、可靠性高、受钻井介质及开关泵的影响小、节省钻井时间等特点，欠平衡钻井技术与气体钻井技术的推广，为电磁随钻测量技术的发展提供了广阔的空间。

（2）SEMWD-2000电磁波随钻测量系统传输能力已达到国际同类产品水平，绝缘天线强度已满足现场施工要求，测量精度能够满足工程需要，具备了工业化的条件。目前，环空压力与电阻率测量短节的仍在研制之中。

（3）提高传输深度，增加信息传输速度，拓展测量功能等是电磁波随钻测量技术的主要发展趋势。

（4）国内技术瓶颈的突破，将会加快电磁波随钻测量技术在浅层油气资源、煤层气、适合电磁信息传输的油气田开发中的推广速度。

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