随钻测井系统泥浆脉冲影响因素研究及故障诊断

郭福祥，邓胜聪，李　旭，谷玉堂，李锐峰

随钻测井系统泥浆脉冲影响因素研究及故障诊断

郭福祥，邓胜聪，李旭，谷玉堂，李锐峰

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163000）①

以无线随钻测井系统工具（MWD、LWD、旋转导向等）泥浆脉冲信号为研究对象，在分析泥浆脉冲器结构、原理以及信号传输过程的基础上，推算出信号衰减的主要因素，并结合现场施工经验总结出可能造成解码失败的各类干扰因素，最终归纳出一套针对泥浆脉冲信号解码故障的诊断方案。该方案通过观察压力波形图的微弱变化把故障进行分类，再根据转子转数、泵压、泵冲等参数的变化规律以及泥浆性能、返砂和水龙带抖动等综合信息逐步缩小影响因素的范围，快速准确地确定故障原因。经现场实践，参照该方案可以解决现场98%的解码故障。

无线随钻测井系统；泥浆脉冲信号；信号衰减；干扰因素；故障诊断

定向井、水平井等特殊工艺井技术已广泛应用于低渗、致密等复杂油藏的开发中，大幅提高了油藏裸露面积和油气采收率。以LWD（井下无线随钻测井仪器）为代表的随钻测井仪器是水平井技术必备的工具，是获得井下实时信息的重要技术手段，利用特殊的立管压力传感器，可以实时监测工程参数、地质参数和仪器状态参数。利用上述参数，定向、地质以及仪器工程师可以在实现精准地质导向钻井的同时有效规避风险。其高效无故障的工作是钻井提速提效的重要保障，而作为随钻仪器的核心部件——脉冲发生器在实际应用中却由于配件损耗、信号衰减以及外界干扰等原因，时常出现解码失败等情况，是仪器不能正常工作的主要原因。据不完全统计，大庆油田在2013—2014年度的水平井施工中，脉冲器故障占仪器故障总量的45.6%。

因此，本文针对泥浆脉冲信号的产生、衰减过程以及各类复杂的干扰因素进行分析，用以指导现场快速准确地排除故障。

1　泥浆脉冲器功能简介

泥浆脉冲发生器作为随钻仪器的井下信息传输工具，可以将井下信息实时地通过压力信号传到地面，是随钻测井系统的重要组成部分，其传输方式主要有正脉冲、负脉冲和连续脉冲3种方式［1-2］。虽然3种脉冲器结构不同，但原理都是通过改变流道的过流面积，改变钻杆内部的泥浆压力，进而产生泥浆压力脉冲信号；然后通过安装在地面管汇上的压力传感器，把检测到的压力脉冲信号转化为电信号，传输到地面的数据处理系统做进一步的处理并对信号进行解码。因此，无论是信号衰减还是外界干扰，都会影响信号质量，导致解码失败。

2　信号衰减因素分析

泥浆脉冲信号沿钻杆传播的能量损失大部分来自于管壁的摩阻，同时钻杆会发生弹性形变，与其他物理传输现象相似。根据Lamb定律，泥浆脉冲信号也符合指数衰减规律［3-4］，即

由文献［5］，泥浆脉冲的传输速度为

由式（2），L可化简为

通过式（1）和式（3）可以推导出：泥浆脉冲信号的衰减程度主要与井深、钻柱的尺寸以及材料特性、脉冲频率以及钻井液的类型、组分、黏度和压缩性有关。在目前常规的钻井作业中，钻柱的材料和尺寸不易变化，而钻井液体系的选择主要是以地质条件、油藏土程和钻井工艺的要求为依据［6］。所以，本文主要分析了井深、气泡含量、信号频率和钻井液黏度对钻井液脉冲信号衰减程度的影响。图1～5分别给出了常规ø127 mm钻杆中信号衰减的分析结果。

图1　井深和频率对信号强度的影响

图2　塑性黏度对信号强度的影响

图3　同一口井井口测试和井底测试的信号强度对比

图4　清水测试和钻井液测试信号强度对比

图5　气泡含量对信号强度的影响

上述研究表明：井深、脉冲频率、塑性黏度以及气泡含量都与信号强度成反比关系。但是一般情况下，井深在工程开始前已经确定，而脉冲频率在仪器下装时也已经设定，塑性黏度要满足工程上携砂的需求也只能在一定范围内进行调整，只有气泡含量在工程上可以通过增加泥浆罐液面高度和加入消泡剂等方式消除。由于以上影响因素中井深为不可控因素，而脉冲频率和塑性黏度调整范围有限，所以就需要通过增强井下原始信号强度的方式抵消信号衰减带来的影响。原始信号公式为［7］

式中：K为常数；ρ为泥浆的密度；Q为排量；A为流通面积。

工程上，泥浆密度要满足平衡环空压力的要求，调整范围有限。因此，一般通过排量和过流面积来调整信号强度。

译文：Stability is of overriding importance.We should ensure stable growth,maintain employment,and prevent risks.To ensure overall economic and social stability,we must not allow the redline to be crossed concerning financial security,people’s well-being,or environmental protection.

3　信号干扰因素分析

由于立管压力传感器是通过检测立管压力的变化接收信号的，所以当其他因素对立管压力产生影响时，就会干扰信号解码。根据干扰因素的位置不同，可以把干扰因素分为循环系统、井下钻具和仪器3部分。

3.1循环系统

3.1.1钻井泵

钻井泵存在一系列的易损零件（缸套、活塞、阀等），当某个易损件损坏如缸套刺漏或阀阻卡等，就会造成水龙带上水不好，进而产生大量噪声；而大量的泵噪声波叠加在泥浆脉冲信号上，就会加大有效信号的分离难度，造成解码失败。泵冲也是干扰解码的一个主要因素：如果泵冲变化过快，使得立管压力变化幅度超过了脉冲信号的幅值时，就会淹没脉冲信号；如果泵冲的频率和脉冲器发生频率接近，就会增加带通滤波器的分离难度，干扰解码。同时在钻井过程中，如果泥浆罐的液面低于泥浆进水管线就会抽入大量空气，不仅会造成脉冲信号衰减，同时大量气泡上升到进口破裂还会产生众多微小的干扰源，这些压力改变通过反射、叠加，会进一步加大信号的分离难度［1］。

3.1.2空气包

空气包的主要作用是减少钻井泵顺势排量变化而产生的压力波动，使泵压平稳。其正常工作压力大小一般为钻井泵出口压力的1／3。当空气包压力不足或内部气囊损坏时，就会导致立管压力不稳定，增大有效信号的分离难度；当泵压变化剧烈时，甚至可以淹没脉冲信号，导致解码失败。

3.1.3含砂和堵漏材料

含砂量和堵漏材料的直径都是水平井作业中需要严格控制的指标。含砂量过高会加快脉冲器损耗，降低脉冲器使用寿命，严重时甚至可能造成脉冲器零件损坏，导致脉冲器不能正常工作；含砂过高和堵漏材料直径过大容易堵塞脉冲器，使得脉冲器不能正常产生脉冲信号；同时，高含砂和堵漏材料还容易堵住压力传感器所在的管线，使传感器不能正常接收脉冲信号。以上3点都能够造成解码失败，影响施工进度。

3.1.4泥浆添加剂

向泥浆罐中添加药品时，一定要缓慢加入并充分搅拌循环，一般最少循环1周以上。一旦加入药剂过猛过快，就会因介质密度不均匀导致脉冲信号衰减，进而影响解码。过高的固相含量还会堵塞压力脉冲器所在管线，使其降低接受脉冲信号的敏感性，甚至不能检测脉冲信号。

3.2井下钻具

钻进过程中，如果钻压过大导致吃入地层过深，就可能使得钻头阻力大于动力钻具的转矩，进而导致动力钻具转子压死停转，造成因螺杆流道不畅而导致的泵压突升。而且由于立管压力的变化远大于泥浆压力脉冲的振幅，脉冲信号就会被淹没，导致地面解码失败。同理，当钻头水眼堵塞、环空不畅、钻具刺漏或者上提下放过猛过快，都会导致泵压突升淹没脉冲信号。

3.3仪器

3.3.1软件

检测频率设置不匹配和带通滤波器区间设置不当是导致软件解码失败的主要原因。如果井下仪器串传输频率和地面软件设置的检测频率不匹配，就会导致软件不能正常解码，导致解码失败。其次，如果带通滤波器的滤波范围过大，就不能有效地滤除噪声信号，导致噪声信号叠加在有效信号上，导致错码、乱码；而如果范围过小，就有可能滤除有效的脉冲信号，同样会导致解码失败。

3.3.2硬件

脉冲器有许多和泥浆产生相对运动的零件（蘑菇头、限流环、定子和转子等），这就不可避免地对零件产生磨损。当某个零件出现损坏，如转子偏磨或定子支撑管脱落等，就会导致仪器工作不正常，使得脉冲器不能正常发送信号。同时由于井下环境恶劣（高温、高压、震动），可能造成仪器电路板虚接、硬连接松动等问题，影响仪器的正常工作。同时，由于现场环境复杂（电压不稳、震动、低温等），传感器、传输信号线等地面设备也极容易损坏。

4　故障诊断方案

通过以上对泥浆脉冲信号产生、衰减过程和现场干扰因素的分析，本文总结出一套针对解码故障的诊断方案以及相应的解决方法。该方案根据上述因素对压力波形图的影响有针对性地判断排查方向，并通过观察转子转速、泵压、排量等参数的变化趋势以及返砂、泥浆性能、磨阻等综合信息，逐步确定故障原因，最终快速高效地解决问题。

4.1信号衰减

信号衰减在压力波形图中的主要体现是脉冲信号振幅偏小。要解决信号衰减问题，首先要在钻前对衰减程度做出评估，并通过限流环尺寸对衰减做出相应的调整。根据式（4），通过调整限流环与蘑菇头的配比尺寸改变流道面积，可以调整信号强度。如图6所示，利用Winpull软件，根据已知的脉冲器类型、钻杆和钻铤内径、钻头水眼、钻井液性能，可以得到推荐的限流环配比尺寸。Winpull同时会计算出信号强度和蘑菇头承受的压力，但由于Winpull计算信号强度时并未考虑由于井深增加造成的衰减，根据经验，在不考虑气泡含量的情况下井深每增加1 370 m信号强度衰减1／2，所以要对推荐的配比尺寸做进一步微调。信号强度增加的同时，蘑菇头承受的压力也会随之增加，所以要综合以上2项指标，选择最佳的限流环尺寸。

图6　Winpull软件计算界面

在现场遇到现场信号不能正常解码且信号强度偏低的情况时（如图7所示），则需要按以下步骤进行调整：首先增加信号的放大倍数；其次根据式（4），可以通过增强排量的方式增强信号强度；同时，在工程允许范围内，还可以通过调整泥浆性能增强信号强度；最后，需要卸下压力传感器，看是否存在泥浆、气泡或其他杂物堵塞传感器所在管汇的现象。如果以上操作未能解决故障，则需要等仪器起出后，查看是否存在问题：如果原因是泥砂或杂物堵塞脉冲器，则需要在下一步施工中重点调整泥浆性能；如果存在脉冲器零件损坏等情况，则需要在下一步施工过程中着重改善固控条件，降低泥浆含沙量。

图7　信号强度偏低的情况

4.2检测不到压力信号

钻井过程中，如果遇到检测不到压力信号的情况（如图8所示），则可以判定是地面传输设备的问题。一般应按照压力传输信号线、传感器、跨接线、barrier box的逻辑顺序逐个检查地面设备。

图8　没有压力信号的情况

4.3压力突变

如在钻进过程中出现泵压突变（如图9所示）造成信号不能解码的情况时，一般按照泵压的突升或突降的逻辑排除故障。当泵压突升时，要马上停止钻进，并缓慢活动钻具，如果泵压恢复，则有可能是下放钻具过猛、过快或螺杆压死造成的故障；如果泵压仍然偏高，则有可能是环空不畅或钻头水眼堵塞等带来的泵压突升。当泵压突降时，首先检查是否因钻具提起过猛造成的泵压突降，其次要检查地面管汇、钻井泵缸套等循环设备是否有刺漏现象。如果上述步骤未能排除故障，泵压仍然不恢复，则有可能存在井下钻具刺漏的状况。如果压力波形图出现短暂拉直线而又恢复正常的情况（如图10所示），就要检查转子转速和排量，若排量正常但转子转速偏低或忽高忽低，则可以判断是转子偏磨照成的故障，需要马上起出仪器，以免影响施工进度和对仪器造成进一步损坏。

图9　泵压突变

图10　短暂拉直线又恢复正常的情况

4.4杂波较多而不能解码

当解码失败并伴随波形图有大量毛刺信号时（如图11所示），故障通常是由于过多的噪声信号干扰造成的。要解决噪声问题，首先可以通过调整带通滤波器的滤波范围，滤除相近频率的杂波；其次，观察井队的水龙带是否跳动，如果跳动则证明上水不好；同时，需要排除钻井泵的噪声干扰，是否存在缸套刺漏、阀体和阀座损坏等情况，必要时维修、更换；再次要检查空气包压力，看是否由于空气包压力不足，导致不能平复尖峰压力而产生噪声；最后，要检测泥浆性能，检查是否存在添加了新药剂导致的泥浆不均匀、泥浆液面过低造成的气泡含量过高等状况，如果存在则要及时调整泥浆性能。

图11　伴随大量毛刺的波形

4.5压差正常而不能解码

如果波形显示正常，但却不能解码时，可以通过以下步骤排除故障：首先检查检测序列频率和脉冲器发生频率是否使用同一频率，排除不同频率的干扰；第2步，要根据不同的波形调整解码方式，如果高低压比较明显（如图12所示），则采用M12解码方式，如果时间间隔比较明显（如图13所示），则要采用Manchester解码方式。

图12　高低压明显的波形

图13　时间间隔明显的波形

5　结论

1）在随钻测井仪器施工过程中，由于井深增加或者调整泥浆性能，信号不可避免地会发生衰减。只有钻前利用已知的工程设计对施工情况做出预判，对仪器的限流环尺寸、转子定子角度等做出最优化的配比，才能保证仪器的解码质量。

2）现场施工中，干扰信号解码的因素众多，且无法量化，只有通过观察压力波形图的细微变化、转子转数等参数的变化规律以及泥浆性能、返砂和水龙带抖动等综合信息，并结合信号衰减理论，才能快速准确地诊断故障原因。

3）通过本文的故障排查方法，能够迅速确定故障原因，从而达到缩短施工周期、提高服务质量的目的。

［1］卢春华，李海东，张涛.泥浆脉冲随钻测量系统［J］.地质科技情报，2005，24（7）：30-32.

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［5］刘修善，苏义脑.泥浆脉冲信号的传输速度研究［J］.石油钻探技术，2000，28（5）：24-26.

［6］何树山，刘修缮.钻井液正脉冲信号的衰减分析［J］.钻采工艺，2001，24（6）：1-3，12.

［7］Malone，David.Sinussoidal pressure pulse generator for measurement while drilling tool：US，4847815［P］. 1989-07-11.

Research to Influence Factor of Mud Pulse of LWD System and Fault Diagnosis

GUO Fuxiang，DENG Shengcong，LI Xu，GU Yutang，LI Ruifeng
（Drilling Engineering Research Institute，Daqing Oilfield Drilling Engineering Company，Daqing 163000，China）

This paper takes mud pulse signals of LWD，including MWD，LWD and geo-steering as the research object.Based on analyzing the structure and operating principles of mud pulsar and the process of signal transmission，it deduces the main factors of signal fading.Considering all kinds of interference factors that may cause decoding failure coming from field experience，we finally sum up a set of failure diagnosis scheme for mud pulse signal decoding which has been used in engineering practice.This scheme initially categorize the failures by observing the changes of pressure wave，and then gradually conform the possible influence factors according to the variation law of RAP，pump pressure，pump strokes and the integrated information of mud performance，return sad，hose jitter level.Finally the problem can be identified quickly and accurately，and 98 percent decoding failure can be confirmed by the scheme.

LWD；mud pulse signal；factor fading；interference factor；fault diagnosis

TE927

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.007

1001-3482（2015）10-0028-06

①2015-04-10

郭福祥（1965-），男，黑龙江牡丹江人，高级工程师，主要从事特殊工艺井钻井工程及随钻测量仪器维修工作。

①2015-04-01

吕拴录（1957-），男，陕西宝鸡人，教授级高级工程师，主要从事石油管材和石油机械质量检验及失效分析研究。