DREMWD电磁波随钻测量系统及现场试验

王 磊 李 林 盛利民 窦修荣 张连成

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100083）

在石油与天然气勘探开发领域，对于随钻仪器而言，地面能够实时、连续、准确地监测和控制井眼轨迹是其能否在工程中普及应用的首要条件，因此，选择合理的井下与地面信息通道是仪器设计之初首要考虑的问题。

近20 年里，水力脉冲MWD 传输技术取得了快速、全面的发展，借助于钻井液压力脉冲或连续压力波，实现了地面与井下双向通信，不足之处是对钻井液的含气量及含砂量有严格的要求，在泡沫钻井和空气钻井时，水力脉冲通道难以解决信息的有效传输问题［1］。

电磁波随钻测量是通过发射电磁波进入地层来传输井下数据的，它不受钻井液介质、井斜角大小、钻井方式（旋转钻或滑行钻）等条件的限制［2-3］，传输地层参数及井眼轨迹的速度快、数据量大，并且使用成本较水力脉冲方式更低。其主要缺点是电磁波传输的质量受钻井设备的电磁干扰以及电阻率较低地层的影响，但在工程应用方面较水力脉冲MWD的传输通道有自己独特的优势。

1 技术原理

根据电磁场理论对媒质特性的分类如下：

式中，σ 为电导率，S；ε 为介电常数，F/m；ω 为媒质中电磁场的角频率，rad/s。

通常地层多表现为半电介质特性，在电磁波传输通道中，钻柱是回路中的导线，地层相当于回路中的电阻，电流信号在钻柱和地层所构成的回路中传导，由于钻柱是导电体，在钻井过程中通过钻井液或直接接触井壁与地层联通就像埋入地下的裸导线，或是更像深埋入地层的长电极，这样用长电极上电流扩散的数学模型来描述电磁波传输通道更为简洁、清晰、易于计算。只不过长电极的源在地表上，电极的电流由上向下扩散，而电磁波系统的源在地下，电流由下向上扩散，由此得出电流由下向上传导时，在钻柱上各深度的电流幅度

式中，I0为源点处信号电流的最大幅度，A；Z 为钻柱上某点距信号电流源点的距离，m；δ 为电流在地层中的屈服系数；μ 为磁导率，一般取4π×10-7H/m；ρ 为地层电阻率，Ω·m；ƒ 为信号电流频率，Hz 。

因此，电磁波随钻测量的技术特点可以说是围绕着1 个基础，2 个方面，4 个核心模块展开的。一个基础就是以建立“钻柱—地层”电磁信道方法为基础；2 个方面的一方面是研究如何通过电磁信道发射井下信号；另一方面是研究如何在地面接收井下传上来的弱电磁信号；4 个核心模块是：（1）井下绝缘钻铤式电偶极子发射天线；（2）井下大功率自适应电磁信号发射器；（3）井下大功率电源；（4）地面弱信号接收机和接收天线（图1）。

图 1 电磁波随钻测量系统原理框图

2 系统结构及工作原理

2.1 系统结构

主要包括井下系统及地面接收系统两部分，其中，井下系统构成井下钻具组合的一部分，地面接收系统用来实时接收、分离、转换和记录有用信号。

2.1.1 井下系统构成

（1）井下仪器总成，包括电源系统［4-6］（发电机及电池组）、数据调制与发射电路、测量传感器总成；

（2）绝缘电偶极子发射天线；

（3）钻铤系，包括无磁钻铤、绝缘钻铤和动态方位伽马钻铤（图2）。

图 2 电磁波随钻测量系统井下结构

2.1.2 地面接收系统的构成

（1）地面接收机，包括前置放大器、低通滤波器、阈值调节器和DSP 处理器；

（2）计算机，包括信号滤波及数据解调软件、数据及图形显示界面软件；

（3）司钻显示器（图3）。

图3 地面接收系统

2.2 工作原理

井下测量仪器由绝缘的电磁发射天线分隔为2个电极，其中一个电极经由钻柱传导至地面井台，另一个电极则由地层传输至地面的接收天线，地面接收机分别与这2 个电极连接构成闭合回路［7］，在井下随钻测量仪器工作时，接收天线和钻柱之间的地层中有电流通过，地面接收到的信号是两者之间的电位差，被接收到微弱电压信号经地面接收机降噪、放大及解码后发送到计算机，并在屏幕上显示及存储［8］。

该系统可以分别在3.5 Hz、6 Hz 和11 Hz 的发射频率下工作，频率越高，通过地层的信号衰减越大，传输距离相应也就越浅，但传输速率更快。

3 应用实例

3.1 HN10-D3 井定向应用

2011 年10 月DREMWD 电磁波随钻测量工具在陕西省韩城市薛峰乡HN10- D3 井进行定向应用。该井海拔882 m，区块构造位置为鄂尔多斯稳定地块东南缘，井型为定向井，造斜点120 m，造斜至320 m井斜20.03°、方位314.11°，后稳斜钻至靶点，钻探目的是建煤层气产能，获取目的煤层的埋深、厚度、煤层结构等参数。

根据定向设计要求，DREMWD 无线电磁波随钻测量工具应用于造斜井段，现场钻具组合为Ø215.9 mm 钻头×0.25 m+Ø165 mm（1.25°）单弯螺杆×5.79 m+Ø172 mm 浮阀接头×0.48 m+Ø172 mmDREMWD 无磁钻铤×9.72 m（无动态方位伽马钻铤）+Ø159 mm 通用无磁钻铤×18.72 m+Ø127 mm 钻杆，施工过程中定向钻进与复合钻进交替进行，地面接收信号清晰、准确（见表1），良好的软件接收界面更方便了定向工程师的现场判断与决策。

表1 现场随钻测量数据

DREMWD 无线电磁波随钻测量工具此次现场定向应用累计入井时间81 h，其中纯钻进工作时间67 h，随钻进尺335 m，螺杆钻定向钻进时，DREMWD 工具测出井斜角跳动小于0.3°、方位角跳动小于0.5°、工具面角跳动小于2°，较高的传输数据稳定性，显著减少了无效钻时。随钻时，301～455 m井深处遇二叠系石千峰组砂岩地层，井下振动剧烈，仪器出井后检测依旧完好无损。

3.2 郑4 平-8H 井煤层水平导向应用

2012 年4 月30 日至2012 年5 月5 日DREMWD电磁波随钻测量工具在山西省晋城市郑4 平-8H 井进行了煤层水平导向应用。该井是沁水盆地南部斜坡沁水煤层气田郑庄区块的一口煤层气多分支水平井，郑庄区块主要含煤地层为二叠系下统山西组地层，该地层由深灰色—灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩夹煤系地层组成，底部普遍发育灰色中细粒砂岩、含细砾粗砂岩，厚度34～72 m，一般60 m 左右，本组有煤层4 层，自上而下编为1～4 层，其中3#煤层（表2）地层宽阔平缓，地层倾角2～7°，其内断层较少，局部小型构造发育，以狭长褶曲为主，延伸长度数百至数千米，这为通过多分支水平井方式增加煤层内井眼长度，扩大煤层泄气面积，提高煤层产气能力创造了良好条件［9-11］。

表2 郑4 平-8H 井山西组3#煤层特征

该井与洞穴直井连通后井深904 m，井斜91.3°，此时钻头位于山西组3#煤层，由表2 可以看出， 3#煤层好煤厚度仅为1.6 m，为提高煤层钻遇率，要求随钻仪器的地层伽马测点尽量靠近钻头，因此，接有动态方位伽马钻铤的DREMWD 无线电磁波随钻测量工具直接接于螺杆上方，方位伽马钻铤短节测点距钻头5.6 m，定向单元测点距钻头8.7 m。方位伽马短节在钻具旋转转进时可以分别输出其上下两端地层的伽马值，而在定向钻进时可以测得地层的平均伽马值，这样的设计有利于在任何随钻状态测得地层伽马值，不会存在导向盲区。

此次导向应用，DREMWD 工具1 次下钻完成1 个主支及2 个分支的全段导向作业，仪器井下连续导向112 h，水平段总进尺1 491 m，煤层钻遇率超过98%。在应用过程中，主支一及分支二分别遭遇大地层倾角煤层，倾角大于8°，地面工程师正是借助DREMWD 配置的动态方位伽马短节及时地判断煤层的上、下边界，保证了井眼轨迹一直在煤层中行进。仪器出井后，监测电池电量依然充足，说明了井下发电机在导向时正常运作，节约了电池电量，延长了工具一次下钻的工作寿命。

4 技术特点

（1）电磁波随钻测量技术数据传输速度快（6～11 bit/s），载波信息量大，虽受地磁特性影响明显，但在浅井应用尤其是煤层气井应用中有着明显优势。

（2）与传统的钻井液脉冲随钻测量工具相比，DREMWD 工具始终能够传输井下实时信号，并且无需停钻测量静态数据，显著减少了无效钻时，钻进效率至少提高15%。

（3）尾端配置有动态方位伽马短节的DREMWD工具在煤层水平导向中的优势得到体现，在随钻过程中，可以实时判断含煤地层上、下边界，提高了煤层钻遇率。

（4）DREMWD 工具的井下涡轮发电机与电池交替供电，延长了井下仪器的连续工作时间，降低了仪器的电池使用开销。

（5）DREMWD 工具根据定向或导向应用情况，入井前在地面设定井下仪器数据的传输结构及传输速率，提高了工具针对不同井况的数据传输效率。

5 结论

（1）DREMWD 电磁波随钻测量工具的现场试验表明，在浅井或煤层气井开发中，该工具可以满足定向轨迹测量要求，并且可以有效地控制井眼轨迹按设计地层钻进，同时，较高的传输速率及传输精度使其有着广泛的应用前景，工具系统结构之下细分的井下发电机技术、动态方位伽马短节技术也可作为独立的功能单元与其他随钻仪器结合应用，扩大了该系统工具的应用范围。

（2）DREMWD 电磁波随钻测量工具还需进行更多现场试验与应用，在工具信号传输深度与地层电阻率之间的关系以及在气体钻井中的应用效果等方面继续研究。

［1］ 张进双，赵小祥，刘修善.ZTS 电磁波随钻测量系统及其现场试验［J］.钻采工艺，2005，28（3）：25-27.

［2］ DE B R, NALSON M A.Ultra-band electromagnetic well logging∶ a potential future technology［J］. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 1992, 33∶ 14-17.

［3］ WEISBECH D, BLACKWELL G. First use of extendedrange EM-MWD in offshore underbalanced drilling［J］. World Oil, 2002, 223（10） ∶ 42-49.

［4］ 李林，张连成，王磊，等.随钻测量中井下大功率发电技术的研究与实验［J］.石油钻探技术，2008，36（5）：24-27.

［5］ 沈跃，苏义脑，李林，等.井下随钻测量涡轮发电机的设计与工作特性分析［J］.石油学报，2008，29（6）：907-912.

［6］ 王磊，李林，张连成，等.气体钻井井下发电机涡轮驱动器的设计与实验［A］//钻井基础理论研究与前沿技术开发新进展学术研讨会论文集［C］.北京：石油工业出版社.2010：244-248.

［7］ 吴翔，杨凯华，蒋国盛.定向钻进原理与应用［M］ .武汉：中国地质大学出版社，2006：153.

［8］ 彭烈新，苏义脑，盛利民，等.基于电磁随钻系统的功率自适应分配［J］ .钻采工艺，2010，33（4）：1-4.

［9］ 张公社，李永康，尹俊禄，等.沁水盆地煤层气井坍塌压力预测［J］ .石油钻采工艺，2010，32（4）：97-98.

［10］ 李梦溪，张建国，胡秋嘉，等.沁水盆地郑庄区块勘探现状及试采效果分析［J］.中国煤层气，2010，7（6）：5-9.

［11］ 杨焦生，刘大猛，李安启，等.井组数值模拟技术在沁水煤层气田开发中的应用［J］ .石油钻采工艺，2010， 32（4）：104-106.