随钻测量信息传输方式的发展现状综述研究

闫宏亮 石文龙 李 琳

(西安石油大学陕西省钻机控制技术重点实验室，西安 710065)

随钻测量(measurement while drilling，MWD)，是指在钻井过程中对诸如井斜角、方位角和工具面角等井下参数进行实时测量，再将测量信息及时上传至地面，然后加以分析处理的过程。通过对井下测量信息的分析，可及时有效地进行地层综合评价，对钻井轨迹及时纠偏，完善钻进过程。信息传输技术是随钻测量的关键环节，对随钻测量技术的发展至关重要。

1 有线信息传输方式

有线信息传输方式通常包括电缆传输方式、钻杆传输方式和光纤传输方式。

1.1 电缆传输方式

电缆传输通过在钻杆内部放入电缆的方式来进行，电缆传输方法具体可分为感应法和硬连接法。由于井下作业环境特殊，该方式中的电导线一般选择铠装电缆。

目前，感应法传输已成功实现商业化应用，典型的产品如美国智能服务公司研发的钻杆遥测仪。BP公司在试验井中取得成功应用，其最高传输速度可达2 Mbit/s。但感应法传输并未广泛推广应用，而硬连接法传输也未成功实现商用。国内近年来的单芯电缆传输发展取得了一些成果。聂泳培等人发明了专利单芯电缆测井数据高速传输系统［1］，可应用于直径28 mm以上的测井仪器中，传输距离大于5 000 m，井下单元可耐高温125℃，传输速度可达到8 Mbit/s。

电缆传输方式的优点是传输速度高，可实现井下和地面之间的双向信息传递，传输距离远，无需钻井液，同时可由地面直接向井下传感器供电，无需井底额外提供;其缺点是制作工艺复杂，成本较高，钻进过程常受影响，电气连接件的耐磨性、抗腐蚀性有待提高。

1.2 钻杆传输方式

采用钻杆传输方式将连续导体附在钻杆内部使其成为钻杆的一部分［2］。钻杆顶部放置绝缘环，传感器安装在钻铤内，钻杆和地面设备通过滑环相连接，再通过铠装电缆将钻铤与钻杆下端连接起来，从而实现井下信息的传输。

该传输方式的钻杆接头是核心部分，传输方式包括感应法、湿接头法、霍尔效应传感器法等。由美国格兰特普里德库公司(Grant Predeco)研制的感应接头遥测钻杆系统，传输速度可达1 Mbit/s。由美国能源署资助，格兰特普里德库公司和诺瓦工程公司(Novatek)合作开发的智能钻杆传送系统［3］，以非接触感应方式传输钻杆接头之间的信息，传输速度高达2 Mbit/s。法国石油研究院(IFP)成功研制出适用于1 000 m浅井的电钻杆。而我国在这方面的研究仍处于起步阶段，尚无成品出现。

钻杆传输方式的优点是传输速度高，传输深度大，无需钻井液，可实现井下和地面之间的双向通讯;其缺点是开发成本高，接头处信号传输可靠性差，向井下供电困难。

1.3 光纤传输方式

光纤传输方式是将具有简单保护层的光纤下入到井眼中进行的信息传输，可实现井下和地面之间的双向信息传输。美国圣地亚国家实验室(Sandia National Lab)成功研制出适用于MWD的光纤遥测系统，信息传输速度约为1 Mbit/s。光纤传输的优点是传输速度高，无需钻井液;缺点是信号衰减较大，稳定性差，成本过高。

2 无线信息传输方式

无线信息传输方式通常包括电磁传输、声波传输和钻井液脉冲传输方式。

2.1 电磁传输方式

电磁传输方式的工作原理是:首先由井下传感器对所测数据进行处理，然后由发射器以电磁波形式向外发送数据，通过传输通道到达地面，地面接收设备检测接收到的信息，经过解码分析处理后得到井下实时测量信息。

电磁传输方式虽已实现商业化应用，但并未普遍推广。由俄罗斯沙玛拉地平线公司生产的ZTS系列电磁随钻测量系统(EM-MWD)，最大测量深度可达5 000 m，技术较为成熟，该产品堪称电磁传输商业应用的先进代表。此外，较成熟产品还有斯伦贝谢(Schlumberger)公司的E-Pulse系列电磁传输系统［4］，哈里伯顿斯佩里森(Halliburton Sperry-Sun)公司的 EM-MWD 系统［5］，威德福(Weatherford)公司开发的trend setTMMWD系统等。在国内，中石油勘探开发研究院研制的NBLOG-1型测量短节，可用于近钻头井斜角、底层电阻率和自然伽马的测量。与国外相比，国内的研究水平相距甚远。

电磁传输的优点是适用范围广，传输过程不受钻井液含气率等影响，装置简便易行，信息传输速度较高，可实现井下和地面之间的双向通信;缺点是信号衰减严重，只适用于浅井作业，易受干扰，且相关测量参数较少。

2.2 声波传输方式

声波传输方式的工作原理是:利用声波作为载体，测量井下参数，将处理后的参数送到井下声波信号发射系统，发出的声波信号沿钻柱传输到地面，地面接收设备接收信息，经解码分析后获得井下测量信息。

Drumheller等人对声波传输的基础理论作了研究。Halliburton公司开发了无缆声波遥传系统ATS(acoustic telemetry system)，但技术还不成熟，仍在试验完善中，尚未投入商业化应用。此外，贝克休斯(Baker Hughes INTEQ)公司研制出声波参数随钻测量系统APX(acoustic properties explorer)系统，斯伦贝谢公司研制出sonic vision系统。美国圣地亚国家实验室也进行了相关研究，但尚未投入实践应用。在国内，中国石油天然气股份有限公司已申请了近钻头随钻测量声波短距离传输方法和传输装置的专利［6］。此外还有部分理论研究，但总体上仍处于起步研究阶段。

声波传输方式的优点是无需钻井液，传输速度高，结构简单，操作简便，成本较低;缺点是传输能力易受环境和钻井作业中的噪声干扰，信号衰减明显。

2.3 钻井液脉冲传输方式

钻井液脉冲传输方式分为钻井液负脉冲、钻井液正脉冲和钻井液连续波传输方式。

2.3.1 钻井液负脉冲传输方式

负脉冲发生器在驱动电路的控制下，可以改变泄流阀的位置。当泄流阀关闭时，立管压力不变;当泄流阀开启时，钻井液从钻柱中经泄流阀和泄流孔流向环空，使立管压力下降，从而引起节流反应，形成钻井液压力脉冲。地面设备检测到立管的压力变化，经解码可得到井下测量信息。

由美国Teleco公司研制、英国Geolink公司生产的orienteer MWD无线随钻测量仪采用了负脉冲传输方式。负脉冲发生器信号相对稳定可靠，但其存在污染，传输速度低，能量损耗大，会使井壁受到较严重的腐蚀，且钻井工艺复杂，现已逐渐淘汰。

2.3.2 钻井液正脉冲传输方式

正脉冲发生器在驱动电路的控制下，改变针阀的位置。当针阀位置上升时，会使立管压力上升;当针阀位置下降时，会使立管压力下降。通过改变针阀和小孔的相对位置，可引起节流反应，形成钻井液压力脉冲。地面设备检测到立管压力的变化，经译码后获得井下信息。

目前，已推出钻井液正脉冲随钻测量系统的商业化应用产品。在国外，有Halliburton公司的HSDI(high-speed directional survey)系统，即新一代探路者MWD系统［2］;斯伦贝谢安纳聚尔(Schlumberger Anadrill)公司生产的slim 1 MWD仪器，目前已经升级到第三代slim MWD tool［7］，可测量更多参数;Halliburton Sperry-Sun公司的sperry-sun型正脉冲无线随钻测量DWD系统，是最先进的无线随钻测量系统之一。APS公司已获得专利的旋转脉冲发生器是业内最先进的泥浆正脉冲传输器，可在不同比重的泥浆中和不同的井内条件下使用，适用的泥浆比重范围广，能最大程度地降低阻塞几率。图1所示为APS旋转脉冲发生器。在国内，中国石油勘探开发研究院研制的新型正脉冲无线随钻测量系统CGMWD，是中国无线随钻测量的一个里程碑。大港油田的HM—MWD系统是国内首套由井下涡轮发电机供电的正脉冲无线随钻测斜仪器;北京海蓝科技开发有限责任公司2000年研制成功的YST-48X测斜仪，是首次大规模推广应用的国产无线随钻测斜仪。

正脉冲发生器具有结构简单，操作简便，性能稳定可靠的特点，应用广泛，但其传输速度不高，难以满足日益增长的钻井作业需求。

图1 APS旋转脉冲发生器

2.3.3 钻井液连续波传输方式

连续波脉冲器的节流阀由具有相同叶片数的定子和转子组成。在电机驱动下，转子对应定子的位置不断发生改变，使泥浆流通面积发生变化，由此引起节流反而形成钻井液连续压力脉冲;然后将井下测量信息调制在钻井液脉冲信号上，沿钻柱方向上传，由地面设备检测脉冲信号，通过解码结果分析了解井下实时工况。

目前仅国外几家公司拥有此类产品，且技术上严格垄断，产品只租不售。Schlumberger Anadrill公司的旋转阀式连续波信号发生器(power pulseTM)，以24 Hz的频率发送信号，数据传输速度为6～16 bit/s，可连续监测井斜角、方位角等，并通过其自有专利——零间隙调节器提高信噪比，最大限度地改善传输质量［8］。图2所示为power pulse随钻遥测系统工作原理。Baker Hughes公司的摆动剪切阀式连续波信号发生器(axcelerateTM)［9］能够为数据密集型钻井作业提供丰富的井下信息，以便用户做出合理决策，提高机械钻速，其传输速度最高可达40 bit/s，目前正在进行现场试验完善。

图2 power pulse随钻遥测系统工作原理

国内关于连续波脉冲器的研究尚处于起步阶段。苏义脑等人研究了连续波信号处理方法，为中国石油集团钻井工程技术研究院申请了连续波压力脉冲发生器新型实用专利［10］，该专利数据传输速度可达10 bit/s。边海龙为中石油(集团)公司申请了随钻测量连续波信号发生器［11］。刘修善等人对钻井液脉冲信号在钻井液中的传输规律、传播速度等作了研究［12］。房军等人建立了随钻测量阀控式液压信号发生器的动态数学模型，并对信号产生原理进行了分析［13］。沈跃等人对井下钻井液发电技术进行了研究，为井下信号发生器电能的供应提供了技术支持，提出了井下数据的调制方法［14-15］。

相对于正脉冲器和负脉冲器，连续波脉冲器的传输速度有大幅度提高，但相对于其他传输方式仍有差距，且结构复杂，制造难度较大。

3 各传输方式的性能对比

基于以上研究，逐一对比分析各种传输方式的特点。表1所示为各种随钻测量传输方式的主要特点。

表1 各种随钻测量信息传输方式的特点

有线信息传输方式的传输速度普遍很高，可实现井下和地面之间的双向信息传输，无需钻井液，并且电缆和钻杆传输方式可由地面直接向井下传感器供电，无需额外供电。但有线传输方式普遍开发成本以及对系统仪器硬件的要求较高，制造工艺相对复杂，并未大面积投入商用。钻井液脉冲传输方式目前应用广泛，成本适中，性能可靠，制造工艺简单。但和有线传输方式相比，钻井液脉冲传输方式的传输速度过慢，在气体钻井和欠平衡钻井应用中受到限制。

4 结语

以上内容综合介绍了随钻测量信息传输方式的分类，分析了各方式的原理与特点。我们认为在今后的研究中，随钻测量信息传输发展大致方向为:钻杆传输方式需要重点解决钻杆接头之间的信息传输问题和无法长时间井下供电的问题，向智能钻杆方向发展，同时需要尽力压缩成本;电缆传输方式应着重解决电接触环的安装位置，改善电缆入口装置;电磁传输方式应重点解决信号衰减和传输可靠性问题;声波和光纤传输方式作为随钻测量的储备技术，应进一步积极研究;而目前应用较广的钻井液脉冲传输方式，则应重点实现更高的信息传输速度。连续波传输方式将成为发展的重点，这对于形成自主知识产权产品、满足我国日益增长的钻井作业需求、提高我国随钻测量技术都具有重要意义。

［1］聂泳培，郭翼义.单芯电缆测井数据高速传输系统:中国，CN101158284［P］.2008-04-09.

［2］刘新平，房军，金有海.随钻测井数据传输技术应用现状及展望［J］.测井技术，2008，32(3):250-253.

［3］Reeve M S，Macpherson J，Zaeper R，et al.High Speed Drill String Telemetry Network Enables New Real Time Drilling and Measurement Technologies［C］∥IADC/SPE Drilling Conference.2006.

［4］Schlumberger.E-Pulse［EB/OL］.［2015-03-01］.http:∥www.slb.com.

［5］Scott Wilhide，Jeremy Smith，Daniel Doebereiner，et al.First Rotary Steerable System Drilling with Dry Air is Used to Further Improve Low Cost Development of an Unconventional Gas Reservoir［G］.SPE135471，2010.

［6］中国石油天然气股份有限公司.近钻头随钻测量声波短距离传输方法和传输装置:中国，CN103696760A［P］.2014-04-02.

［7］Schlumberger.SlimPulse Retrieveable MWD Service［EB/OL］.［2015-03-01］.http://www.slb.com.

［8］Schlumberger.PowerPulse MWD Telemetry System ［EB/OL］.［2015-03-01］.http://www.slb.com.

［9］Baker Hughes.Axcelerate High-Speed Mud-Pulse Telemetry［EB/OL］.［2015-03-01］.http://www.bakerhughes.com.

［10］苏义脑，李林，石荣，等.连续波压力脉冲发生器:中国，CN202832518U［P］.2013-03-27.

［11］边海龙.一种随钻测量连续波信号发生器:中国，CN202832518U［P］.2013-03-27.

［12］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.

［13］房军，苏义脑.钻测量阀控式液压信号发生器动态数学模型［J］.石油机械，2004，32(6):26-28.

［14］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.

［15］沈跃.基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制方法及装置:中国，CN101949287A［P］.2011-01-19.