DRILOG 随钻测井系统中定向探管的测量质量分析*

王 兴 姜天杰 尚 捷

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院 北京 101149)

0 引 言

随着海上油气田勘探开发的进一步深入，各种复杂地质构造对钻井提出了更高要求，大斜度井、水平井和多分支井钻井已经成为油气田开发的常规方法［1］。在定向井、水平井和大位移井中进行测井，常规电缆测井仪器很难下放到目的层，并且风险大，亟需随钻测井仪器来作业。随钻测井是在钻井液侵入地层之前或侵入很浅时，实时监测井下温度、压力、钻井工具的井斜角、方位角和工具面角等井眼轨迹参数［2］。随钻测井能更加真实地反映原状地层的地质特征，可以提高地层评价的准确性。随钻测井在钻井的同时完成测井作业，节省了测井成本［3］。中海油田服务股份有限公司自主研发的DRILOG 随钻测井系统和Welleader 旋转导向钻井系统已经完成了多井次陆地和海上油田的实钻试验及生产井的作业，各项功能指标满足现场作业要求［4］。

1 DRILOG 随钻测井系统简介

DRILOG 随钻测井系统如图1 所示，主要由以下七部分组成:脉冲器、定向探管、井下仪器总线控制器、钻柱振动模块、自然伽马测井仪、电磁波电阻率测井仪和IDEAS 地面系统。

图1 DRILOG 随钻测井系统组成

DRILOG 随钻测井系统采用的是涡轮发电式的脉冲器，可以根据定向探管的指令信号，产生泥浆脉冲。脉冲器利用泥浆流动使线圈在旋转的磁场中切割磁力线，产生的电能供给定向探管。井下仪器总线控制器给整个仪器串提供井下供电，管理井下仪器总线，实现自然伽马测井仪、电磁波电阻率测井仪、随钻中子测井仪、随钻密度测井仪、随钻声波测井仪和随钻测压仪器的挂接［5］。自然伽马测井仪通过测量地层中放射性元素产生的自然伽马射线强度，来进行地层的岩性识别和估算泥质含量。综合对比多口井的井下伽马测井资料，就可以了解某油田区块的地下地质面貌(层厚、岩性的纵向和横向变化)，进一步研究地下构造、岩相和断层等，进行地层对比。电磁波电阻率测井仪通过不同频率和收发天线的组合，可获取不同测量深度的地层电阻率曲线。IDEAS 地面系统用于随钻测井仪器和地面传感器的数据采集、处理、存储、显示和测井出图［6］。

在钻井过程中，定向探管可以连续测量钻头附近的井斜角、方位角和工具面角等井眼姿态参数，井下仪器总线控制器获取随钻测井数据。然后将测量数据进行存储，最后根据一定的编码规则对测量数据进行泥浆脉冲编码和驱动脉冲器工作。脉冲器产生的泥浆脉冲信号，通过钻柱与井壁(或套管)之间的环空泥浆通道被传输到地面后，由IDEAS 地面系统对泥浆脉冲编码信号进行实时采集、滤波、波形识别、解码和解析处理，实现连续监测井眼轨迹。

根据DRILOG 定向探管提供的实时地质参数数据，现场工程师能够随时监控地层的变化情况，对可能出现的地层变化作出准确的判断。在大斜度井和水平井钻井中，进行地质导向，能准确地控制井眼轨迹穿行于储集层中有利于产油的最佳位置，有效地避开油/水界面，可以大幅度地提高单井产量和储集层采收率。

定向探管主要由主控电路MCM、电源管理电路PWR 和定向测量数据处理电路DMP 组成。MCM 主要完成MWD 井眼姿态参数获取、LWD 测量数据脉冲编码和驱动脉冲器等功能。PWR 主要完成电源管理功能，根据钻井工况可以切换供电模式。DMP 主要通过加速度计和三轴磁通门传感器完成井斜角、高边工具面角、磁性工具面角、方位角和地磁倾角等参数的测量、解算和输出。PWR 模块产生的电源给MCM、DMP、加速度计及磁通门供电。DMP 解算后的姿态数据传给上位机MCM。磁通门及加速度计的测量信号传给DMP，DMP模块实现信号的调理、AD 采集、解算及数据存储。

2 轴向干扰分析方法

随钻测量要求测量模块既能承受油气井下巨大的振动冲击，又能保证在信噪比极低的状态下具有较高的姿态测量精度。由于钻井中钻杆旋转，会引起仪器串带转，出现工具面角较快变化，并且井斜角随着井深也有缓慢变化，因此要求测量模块能适应多种复杂工况，具有较高的动态测量性能。

定向探管在井下的空间位置如图2 所示。定义定向探管轴线方向为坐标系的Z 轴方向，X 轴和Y 轴方向在定向探管的横截面上，并且X 轴和Y 轴方向互相垂直。Hx 表示定向探管X 轴方向上的磁场分量，Hy 表示定向探管Y 轴方向上的磁场分量。Hx 与Hy 两分量的矢量和记为Hoxy，按照公式(1)计算。Hoxy 表示定向探管检测到来自横向方向上的磁场分量。如果存在套管等邻井干扰，将会影响Hoxy 的数值。Hz 表示定向探管检测到来自轴向的磁场分量。如果有来自上部钻具或下部钻具的磁干扰，将会影响Hz 的数值大小。

图2 定向探管在井下的空间位置

采用短钻铤测量修正方法对定向探管的测量得到的重力场分量和磁场分量进行分析。首先，根据井口已知的真实磁场强度H0和当地的磁倾角φ，以及重力加速度在X、Y、Z 三个坐标轴方向上的分量Gx、Gy、Gz，按照公式(2)、(3)、(4)计算出真实的钻具轴向的磁场强度分量Hzc。其中INC 是井斜角，AZI 是方位角。

其次，利用(4)式计算得到的Hzc 和测量的磁场在X、Y 轴方向上的分量Hx、Hy，计算得到新的Htc。

再次，比较计算得到的Htc 和测量得到的磁场强度Ht。如果两者差别较大，说明磁干扰来自仪器横向。此时，无法进行数据修正。

最后，如果Htc 和Ht 吻合，说明磁干扰确实来自仪器轴向。此时，采用方位角校正方法。根据Hzc，按照公式(6)可计算出方位角AZIc，即采用修正后的方位角作为最终的方位角。

3 加速度计测量数据分析

考虑到油气井下高温、高压、强振动等条件限制，定向探管中要使用耐高温高压、抗振动、精度高的加速度计和三轴磁通门传感器。定向探管中安装的加速度计主要敏感重力加速度在三个相互正交的敏感轴方向上的分量。在地球上的任何位置，重力加速度的方向总是垂直指向地心的。加速度计的测量原理如下:当沿加速度计敏感轴方向有加速度输入时，传感器内部的机电系统会产生正比于输入加速度的一个平衡力，使得传感器内部的敏感质量保持在平衡位置。相对于该平衡力，传感器有一个与之正比的电压输出，对该电压进行采集即可测定输入加速度。

加速度计测得的Gz 为重力加速度在探管轴向的分量，Goxy 为重力加速度在定向探管的径向分量，GT为重力加速度三分量的矢量和，其数值为所测到的当地重力加速度值，经过归一化处理后，其数值为1。

在油田某井的二开井段使用DRILOG 定向探管，每钻完一根立柱，停顶驱、坐卡、停泵、接好下一根立柱后，开泵至正常钻进排量进行测斜，测得测斜点处GT、Goxy、Gz 随着测深的变化趋势如图3 所示。测量的总重力场强度GT值始终为1 左右，定向探管径向分量Goxy从993.69 m 测斜点处开始逐渐增大，到1 238.4 m 后开始保持相对稳定，说明该井段井眼轨迹的井斜逐渐增加，保持增斜钻进，达到一定井斜后开始稳斜钻进，与实际井眼趋势相符。说明定向探管加速度计的测量质量较好。

图3 测斜点处GT、Goxy、Gz 随测深变化趋势

4 磁通门测量数据分析

三轴磁通门传感器主要敏感三个相互正交的敏感轴方向上的地球磁场强度。磁通门由激磁线圈、感应线圈和高导磁率铁芯组成。激磁线圈绕在铁芯上，供交变电流。感应线圈绕在激磁线圈外面，在其上会产生感应电动势。铁芯的导磁率极高，有很强的聚磁能作用［7］。铁芯的横截面积是S，激磁磁场强度是H，Hm是激磁磁场强度幅值，磁导率μ，感应线圈的匝数是N，激磁电源频率是f。对于理想变压器的数学模型，根据法拉第电磁感应定律可知，感应线圈上产生的感应电动势的计算见公式(7)。

对于实际的变压器，铁芯是非线性的，磁导率μ 会发生变化，因此感应线圈上产生的感应电动势的计算见公式(8)。

三轴磁通门传感器的测量原理如下:对某一个轴来说，磁传感器是由两个同样的核组成的一种装置。这两个核的主线圈缠绕方向相反，次级线圈缠绕着核和主线圈。每个核的激励电流产生磁场。这些磁场强度相等，且方向相反。因此彼此抵消，并且在次级线圈中没有电动势效应。当把磁传感器放置在敏感方向的外部磁场中时，不平衡状态产生，并且在次级线圈中产生与外部磁场成正比的电动势。通过采集次级线圈的电动势即可测定该方向上的地球磁场强度。

磁通门传感器测得的分量Hz 为地磁场强度在探管的轴向分量，Hoxy 为地磁场强度在探管的径向分量，HT为磁场强度三分量的矢量和，其数值为所测到的当地的地磁场强度。在油田某井的二开井段，每钻完一根立柱，开泵至正常钻进排量进行测斜，测斜点处HT、Hoxy、Hz 随测深变化趋势如图4 所示。该井段使用DRILOG 定向探管，测得磁感应强度HT 数值始终保持在0.562T(特斯拉)左右，和油井所在地的地磁场强度相符。径向分量Hoxy 从993.69 m 测斜点处开始逐渐增大，到1 238.4 m 后开始保持相对稳定，说明该井段井眼轨迹方位逐渐变化，到一定方位后开始稳定。实际的井眼轨迹是开始造斜，然后稳斜，因此，表现为方位开始变化后稳方位。Hoxy 的变化趋势与实际的井眼轨迹相符。油田所在地的地磁倾角为61.933°，在直井段或初始造斜时，井斜较小，地磁场强度的轴向分量Hz 大于径向分量Hoxy，符合实际情况。说明定向探管三轴磁通门传感器的测量质量较好。

图4 测斜点处HT，HZ，HOXY随测深变化趋势

5 方位角测量数据分析

地面系统对泥浆脉冲信号实时解码后，得到的方位角是R_AZI，内存中定向探管测得的方位角是M_AZI。根据油田某井二开井段的作业数据，绘出定向探管实时测得的方位角和内存数据分别随着测深的变化趋势如图5 所示。由图5 可知，地面系统实时解码后得到的方位角R_AZI 和定向探管的内存数据M_AZI 基本保持一致，并且方位角随测深变化不大，基本保持平稳，符合实际井眼轨迹。

图5 方位角AZI 随测深变化趋势

6 结 论

1)本文采用短钻铤测量修正方法，对DRILOG 随钻测井系统中定向探管的测量质量进行了分析，得到了方位角的校正计算公式。

2)采用轴向干扰分析方法，研究了定向探管内部的加速度计和三轴磁通门传感器的空间布局，以及定向探管相对井眼的空间位置，有效地降低了探管的轴向和径向干扰。

3)通过油田现场作业获得的探管测量数据，分析了测斜点处加速度计和三轴磁通门传感器各分量数值，研究了相对于井眼轨迹走势的探管轴向和径向分量数值及趋势，表明探管中加速度计和磁通门的测量精度较高。

4)通过对比分析DRILOG 随钻测井系统实时解码得到的方位角和定向探管内存中测得的方位角，表明DRILOG 定向探管的方位角测量精度较高。

5)中海油田服务股份有限公司自主研发的DRILOG随钻测井系统完成了多井次陆地和海上油田的生产井作业，定向探管测量精度较高，可以满足现场作业的要求，该系统已经达到了国际领先水平。

［1］王 兴.可控偏心器中非接触感应电能传输系统的研究和应用［D］.西安:西安石油大学，2012.

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