过钻杆测井系统研制*

曹宇欣 童茂松 张 敏 段雅静

(大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆)

0 引 言

目前，非常规油气和难以有效开采的低品质(低孔、低渗、低丰度)储层已成为重点开发对象，其主要求产方式是水平井［1］，例如美国页岩气井钻井主要包括直井和水平井两种方式。直井主要目的用于试验，了解页岩气藏特征，获得钻井、压裂和投产经验，并优化水平井钻井方案，而水平井主要用于生产，可以获得更大的储层泄流面积，得到更高的天然气产量［2］。非常规油气的水平井，具有井深大、水平段长、位垂比大、井眼情况相对恶劣等特点，采用传统的水平井测井工艺施工的风险大，甚至无法完成生产任务［3］，例如湿接头式水平井测井工艺，存在对接失败的风险［4］，下井仪器易受钻杆重量的作用而损坏［4］;泵入式水平井测井工艺的最长水平段为700 m［5］。过钻杆测井是近几年发展起来的新技术，施工工艺简洁，可靠性高，适用的水平段长(大于1 000 m)［6］，并且能够在井眼坍塌、页岩膨胀等复杂井眼条件下完成测井作业，技术发展迅速。国外代表性的仪器有斯伦贝谢的Multi Express、哈里伯顿的Ultra Slim、威德福的Compact 以及ThruBit 公司(2011 年底被斯伦贝谢收购)的SureLog、Xtream 公司的XP 等。国内开展过钻杆测井技术研究的公司主要有胜利伟业的Sl -6000LWF系列、北京信远华油的过钻杆系列。

国内外过钻杆测井系统及配套工艺的应用，提高了勘探开发测井施工效率，同时降低了工程风险，但也存在不能监控井下仪器工作状态，以及由于井下仪器的直径小，仪器测量受井眼等的影响较大，测井系列不全等诸多新问题。针对上述情况，大庆钻探工程公司测井公司开展研究，研制了过钻杆测井系统，本文分析了研发过程中的关键技术。

1 过钻杆测井系统概况

1.1 系统构成

过钻杆测井系统包括地面计算机采集系统、井下配套工具、测井仪器串，图1 所示为系统示意图。

井下配套工具包括马笼头、吊挂系统(内置无线传输)、储能短接(电池组)、柔性短接、旋转短接、绝缘短接、偏心器、扶正器等。

提供以下测井服务:

自然伽马/自然电位/连续测斜;

岩性密度;

阵列感应;

阵列声波(带水泥胶结测井);

微电位/微梯度;

补偿中子;

双侧向;

四臂井径;

三参数(井温、张力、泥浆电阻率)

图1 系统示意图

该系统兼具电缆测井和过钻杆测井(存储测井)两种方式，能够实现一串下井，取得合格的资料。

1.2 主要技术指标

耐压:140 MPa;

耐温:175℃;

最大外径:57 mm;

适应井眼范围:91.4 mm ～466.4 mm;

测速:549 m/h;

全集成仪器串的总长度:32.88 m;

测井仪器的测量范围与精度:与常规仪器相同。

1.3 施工过程

过钻杆测井系统所完成测井任务与有线裸眼井测井是一样的，它的工作方式有别于电缆式裸眼井测井，其施工过程如下:

1)钻具与定制钻铤

在地面将定制钻铤与最下一节钻杆连接，然后下井。

2)仪器串安装

当钻具和定制钻铤组合下到预定测量井段深度位置时(预留仪器下放深度)，在地面组装集成串(马笼头+遥测+吊挂系统+测井仪器)，并置于钻杆内部，电缆鱼雷从钻杆旁通，进入钻杆，与集成串连接，地面系统判断仪器工作状态，正常后，进入集成串输送阶段。

3)集成串输送

集成串向井底输送时，在钻杆内部，初期靠重力下放，当重力不足以使集成串下放时，采用泥浆泵送的方式，推动集成串下放。

4)集成串着陆

集成串下到相应深度后，吊挂系统在定制钻铤上安全着陆。

5)仪器状态检测

通过地面系统向集成串下发指令，置仪器于自诊断模式，收到回复，判断仪器工作正常后，进入上下吊挂分离阶段。

6)上下吊挂器分离

电机推动上下吊挂器分离，仪器由储能短接供电，测井仪绞车通过电缆将马笼头、遥测、上吊挂收回至地面。

7)上提钻具开始测井

仪器在预设开始测井时刻进入测井模式，上提钻具，进行存储测井，各支仪器的测井信息统一存储在遥测短节的存储单元(双存储)中，同时每支仪器备用存储单元也对单支仪器数据进行备份。

在测井过程中，可以将马笼头、遥测、上吊挂下放，与下吊挂连接，检测仪器工作状态，避免出现问题而返工。

8)仪器返回地面、测井结束

由钻井深度标识，目的层测井完成后，下放马笼头、遥测、上吊挂下放，与下吊挂连接，取出集成串，并收回地面，施工过程结束。

9)数据回放

仪器返回地面后，通过地面读取装置读取存在存储单元的测井信息，并进行时深转换等数据预处理，至此完成测井施工过程。

2 系统设计

2.1 吊挂系统可靠性设计

为了确保仪器安全测井，吊挂系统是仪器串着陆、上下吊挂器可靠分离与对接的关键，过钻杆测井系统的吊挂系统设计灵巧、可靠，其结构如图2 所示，其工作原理如下:

1)下井时，上吊挂与马笼头连接，上吊挂与下吊挂在“挂接点A”处挂接，下吊挂底部连接仪器串;

2)到底指定深度，下吊挂挂接在“挂接点B”，此时通过“无线通讯”检查仪器状态，一切正常后，在“挂接点A”使上吊挂与下吊分离;将上吊挂提出井口;

3)需要将下吊挂及仪器串从钻杆处取出时，通过电缆放入上吊挂，通过泵送以很小的速度保证上吊挂与下吊挂在“挂接点A”挂接，取出仪器串或通过“无线通讯”检查仪器。

图2 吊挂系统示意图

2.2 仪器关键技术实现

由于仪器直径减小，导致仪器的开发难度急剧增大，通过理论研究和原理验证相结合的方式，解决了井下仪器和配套工具的技术关键，形成了过钻杆测井系统。

遥测是系统实现电缆测井和存储测井的保证，实现与地面系统、吊挂系统中的无线通信模块以及井下仪器总线通讯。传统的井下仪变压器尺寸较大，由于仪器内部空间的尺寸限制，无法放置。通过提高工作频率(400 Hz)、优选磁芯，实现了大功率电源变压器的小型化。

自然伽马测井仪器中集成了自然电位、连续测斜以及存储单元。在NaI 晶体径向和轴向均采取减震措施，充分保障了仪器抗震性能。存储单元选择大容量的高温可靠的存储芯片，容量为8 G(单片4 G，双片备份)，数据存储平均速度:360 KB/min;数据读取速度:10 MB/min。优化伽马传感器的封装，尽量保证晶体的直径以及晶体与光电倍增管的耦合面积，确保自然伽马的计数率。仪器外壳为无磁的铍青铜材料，而且测斜传感器磁参考点的上下50 cm 内均为无磁性材料，充分保证了连续测斜仪器的精度。

通过有限元数值模拟技术，优化双侧向电极系，并计算了井眼、泥浆电阻率、层厚等影响因素的校正图版，经过地层电阻网络、室内刻度系统、电法模拟井测井验证，该仪器的探测深度与常规双侧向相当，经过校正后，电阻率测量范围、测量精度以及纵向分辨率均能够满足需求。

三参数测井仪器集成了井温、张力和泥浆电阻率测井，通过优选小型传感器，合理设计测量方式，满足了这三个参数的精确测量要求。

对于补偿中子和岩性密度测井仪器，通过MCNP 蒙特卡洛数值模拟软件进行理论计算，并结合机械实现，在保障机械强度的前提下，优化了源距和探测器尺寸，并计算了井径等环境因素的校正图版，保障了测井效果。

阵列感应测井属于成像测井，该仪器的直径减小，导致仪器实现非常困难，通过理论计算，优化线圈系，开发了趋肤效应校正、井眼校正等算法。在电路测量上，通过有效屏蔽、极微弱信号处理、温漂自动补偿，实现了超小直径的阵列感应测量，提供1 ft、2 ft、4 ft 三种纵向分辨率，每种纵向分辨率下提供10 in、20 in、30 in、60 in、90 in 五种径向探测深度的曲线。

2.3 低功耗设计

过钻杆测井系统兼有电缆测井和存储测井两种模式，在存储测井模式下，整个系统由储能短接(电池组)提供电源，为了实现长时间可靠测井，必须进行系统低功耗设计，在具体的设计过程中，采用以下方式实现:

(1)发射功率与测量信号匹配设计

在保证测量信号幅度、确保测井质量的前提下，尽量降低发射功率，尤其是对于电法测井仪器和声波测井仪器。

(2)电路模块化设计

仪器直径变小后，电路板的空间有限，为了保证仪器串长度，降低功耗，需要电路进行高度集成化，并且尽量选择低功耗元器件。

(3)系统间歇式工作

由于仪器测井速度较慢(取决于起钻速度)，因此仪器不需要连续工作，可以通过间歇式工作，只要保证测井数据不丢失即可。

经过测试，井下集成串的功率如表1 所示。

表1 过钻杆测井系统的功耗

由表1 可以看出，集成串各单项的功耗都非常低，总功耗小于30 W，能够满足存储测井的需求。

3 系统特点与优势

与目前国内外过钻杆测井系统相比较，过钻杆测井系统具有以下显著特点与优势。

3.1 测井可靠性高

3.1.1 测井仪器的状态可实时检测

可在仪器进行测井前，检测仪器的工作状态:井下仪器具备工作状态是否正常的诊断功能，在上吊挂器与下吊挂器分离前，各井下仪器启动后，进入自诊断模式，通过上、下吊挂器之间的无线通信、遥测短接向地面系统上传工作状态，地面系统在判断所有井下仪器均工作正常后，上、下吊挂器分离，电缆带着马笼头、遥测以及上吊挂器回到地面，井下仪器开始转入测井模式。否则，如果有仪器在输送过程中导致工作不正常，则上、下吊挂器不分离，电缆重新将仪器带到地面，进行维修或更换相应仪器，避免在测井结束时发现有仪器工作不正常，而出现二次测井情况出现。

可在测井过程中实现监测测井仪器工作状态:在测井过程中，可以将马笼头、遥测、上吊挂下放，与下吊挂连接，仪器停止测井，转入自诊断模式，上传各自的工作状态，通过地面系统判断各仪器是否正常，避免仪器出现问题而返工。

3.1.2 吊挂系统可靠性高

经过多次试验，吊挂系统能够实现可靠着陆、分离、对接，充分保证井下仪器的安全可靠。

3.1.3 数据存储的可靠性高

自然伽马仪器内部集成了整个系统的存储模块，两片芯片，每个4 GBit 容量，共8 GBit 容量，充分保证测井数据的足够的存储空间，同时进行备份存储。另外各井下仪器的通信模块自带一个1GBit 的存储芯片，不仅向自然伽马仪器内的存储模块上传数据，同时能够存储本仪器的测井数据，因此，对于每一支仪器的测井数据而言，有三个存储空间，确保数据存储的可靠性。

3.2 测井时效高

3.2.1 井下仪器输送时效高

仪器向井底输送时，在钻杆内部，初期靠重力下放，当重力不足以使仪器下放时，采用泥浆泵送的方式。整个仪器输送工艺简洁、快速。

对于水平井、大斜度井，仪器靠自重无法下去，可通过泥浆将仪器泵送到位，避免了需要钻杆输送等耗时耗力的举措。

3.2.2 可以实现组合下井

过钻杆测井仪器采用标准的机械接口与电气接口，可以自由组合，能够实现一串下井，测井速度取决于起钻速度。

当测井项目增加，需要多串下井时，可以将马笼头、遥测与上吊挂重新下井，取出前次测井仪器串，再通过这套吊挂系统将第二串仪器下井，从而可以减少起下钻次数，提高水平井测井效率。

3.3 适用范围广

3.3.1 兼有电缆测井和存储测井两种模式

具有电缆测井的实时测井数据的传送，也可采用存储的方式测井，从而消除了使用电缆而带来的限制。

该系统包含的仪器本身就是超小井眼仪器，因为该系统具备所有的实时测井功能，只是比常规小井眼仪器更细、更轻，所以其优点将更突出，在井况复杂的情况下，超小直径测井仪器能够可靠获取地层参数。

3.3.2 可实现恶劣井况下测井

在恶劣的井况下，例如高狗腿肚井、大斜度井或长水平段的水平井中，下钻杆或起下设备时岩层不稳定等情况下，就显得尤其重要和可靠。测井仪器在输送和测井过程中，受钻杆的保护，从而避免仪器卡住或丢失的危险性，也免除为单独下井而需要的多次滑眼通井的需要，从而在这些“以往不可能测井”的井况下，可提供地层测井数据，有效避免了用随钻测井(LWD)和钻杆输送测井(PCL)的高昂的成本和风险。

3.4 测井项目全

井下仪器包含常规的测井仪器，也包括高端的阵列感应、阵列声波、岩性密度等测井仪器，能够满足油田勘探开发对储层评价的需要，也可以视客户要求开发低端的或某些特殊项目。

4 结 论

通过吊挂系统的可靠性设计、关键技术实现以及低功耗设计，开发了过钻杆测井系统，兼有电缆测井和存储测井功能，结合了传统水平井测井工艺和随钻测井的优点，具有可靠性高、时效高、适用范围广、测井项目全等显著特点，测井精度满足要求，能够实现常规裸眼井、小井眼直井和疑难复杂井况的测井任务，尤其适用于长水平段水平井、大斜度井的测井任务，必将为测井市场服务、能力拓展又提供一套全新的解决方案。

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