发展中的我国电磁随钻测量技术

■ 敏 锐

勘探开发

发展中的我国电磁随钻测量技术

■ 敏 锐

钻井工程无疑是石油工业中采用先进技术思想、实施新科技最活跃的领域，近年来，气体钻井技术更加有利于发现和保护油气层，能大幅度地提高机械钻速和钻头使用寿命，为复杂地层油气勘探开发提供了新的工程技术手段。可喜的是这项技术在我国呈迅猛发展态势，形成了空气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、氮气钻井、天然气钻井、柴油机尾气钻井、充气钻井等配套装备和工艺技术，具备了3500米井深的气体钻井能力。

气体钻井中的钻井液可压缩性强，不能产生有效的钻井液脉冲，常规随钻测量技术（MWD）无法使用，因此斯伦贝谢、哈利博顿以及俄罗斯的一些石油公司相继推出了一系列的电磁随钻测量系统(EM-MWD)，并在欧洲、加拿大、南美洲和俄罗斯等地区推广应用。在我国，中国石化经过几年的技术储备和研究攻关，研制开发了具有独立知识产权的EM-MWD系统样机——CEM-1 (China Electromagnetic MWD)，填补了该项技术的国内空白。工区现场试验表明：在相近的地层条件下，CEM-1的主要技术指标达到了国外同类产品的先进水平。

CEM-1系统结构与工作原理

中国的石油钻井工程界从2002年开始跟踪国际电磁随钻测量技术，并于2003年初由中国石化所属的科研部门完成了调研报告。2003年11月，完成了俄罗斯ЗТС-172M型EM-MWD系统在我国的现场试验。试验井的地层电阻率为2～4Ωm，其有效测量深度为1600米。2006年，中国石化正式启动了“电磁随钻测量系统研制”项目的立项研究，经过连续攻关，攻克了一系列技术难点和技术关键，首次现场试验即获得圆满成功。

由于电磁波可以穿透包括大多数导体在内的若干介质并在这些介质中传播，因此基于电磁信号传输方式的CEM-1可用于各种钻井液。CEM-1的井下信号发射机将来自传感器的数据进行编码、调制、功率放大，由发射天线发出电磁信号；地面的信号接收机用信号接收天线来获取电磁信号，同时用噪声天线来接收电磁干扰；信号和噪声分别经低噪声放大后，由DSP(数字信号处理)模块进行数据处理，即经过数字滤波、自适应消噪、解调、译码后，送入数据处理计算机、司钻显示器等终端设备。CEM-1的通信系统构成框图如图1所示。

CEM-1可分为4个子系统：①井下数据采集(由加速度计和磁通门等传感器构成)；②井下信号发射机；③地面信号接收机；④地面数据处理及输出终端。与其它MWD系统相比，井下信号发射机和地面信号接收机是CEM-1的核心技术。CEM-1系统的基本构成如图2所示。

图3 CEM-1井下仪器总成示意图

现场试验成果显著

井下的信号发射有磁激励和电激励两种方式。由于磁偶极子的环形面积受到井筒横向尺寸的限制，且电激励比磁激励效率高，所以CEM-1系统采用了轴向电激励方式。井下发射天线由特殊设计的钻铤构成，形成一种类似于双极天线的非对称激励装置。CEM-1系统的井下仪器总成如图3所示。

除具有钻井液脉冲MWD的功能和特点之外，CEM-1系统还有如下特点：

（1）不受钻井液介质的影响，可用于各种水基钻井液、油基钻井液、气体及充气钻井液；

（2）不受钻井液流量、流变性能以及含砂量、含气量等方面的影响；

（3）无需循环钻井液(如停泵接单根时)，即可进行随钻测量和数据传输；

（4）系统结构简单，井下仪器总成无活动零部件，可靠性好；

（5）井下仪器总成无易损件，比钻井液脉冲MWD的使用成本低。

通过研究井下电磁信号的传输特性、EM-MWD系统设计、系统样机研制与测试、地面试验，中国石化石油勘探开发研究院于2007年3月初研制成功了电磁随钻测量系统样机。又经过多次的单元测试和系统集成测试，我国首台电磁随钻测量系统样机——CEM-1，于2007年3月19日至4月10日先后进行了5口井的现场试验。2007年3月19日在中原油田的两口井上进行试验。第一口井是井深为300米的测井教学井，地面接收到的电磁信号很强、接收效果良好。第二口井是井深为3800米的测井标定井——卫古1井，套管下深接近3700米，分别在井深500米、800米、1000米等处进行测试，EM-MWD系统测传正常并能正确解码，但是随着井深的增加信号强度减弱。这两口井都是使用测井电缆来下入井下仪器，验证了系统的功能性。

2007年4月8日，CEM-1系统样机在吉林省前郭县查干花乡的腰英台油田DB18-2-G1井上进行了现场试验。该井设计井深2270米，表层套管下深200米，钻井液密度1.2g/cm3，地层电阻率2～4Ωm。样机连续工作20小时，起钻后井下仪器完好无损。现场试验表明：在相近的地层和井筒条件下，采用相同的信号载波频率和更低的井下发射功率，我国研制的CEM-1系统样机其主要技术指标达到了国外石油公司产品的先进水平。

大有发展前景的技术

我国的油气勘探与开发对象是大面积的低孔、低渗、低压、低丰度油气藏，其中低渗透储层油气资源、煤层气资源、深层油气资源、复杂油气资源等约有500亿吨油当量。而且，随着油气勘探开发的不断深入，钻遇易漏失、高研磨性、极坚硬的地层越来越多。气体钻井技术是解决上述钻井技术难题、提高钻井速度的有效技术手段。有些国家的气体钻井进尺已占钻井总进尺的30%，而我国还不到1%，因此气体钻井的份额还有很大的增长空间和潜力。

无论是对于气体钻井的防斜打快还是定向井和水平井钻井，都必须有效地监测和控制井斜。由于EM-MWD系统基本上不受钻井液介质的影响，所以能够解决气体钻井中的随钻测量问题，被世界各国普遍采用和推广。

近年来，我国油气勘探开发解放思想，浅层油气资源开发呈现出快速发展的态势，在新疆的塔里木盆地、克拉玛依油田、东北的吉林油田以及渤海湾广大的滩海地区都收到了良好的效果。由于EM-MWD的费用远低于钻井液脉冲MWD，所以在浅层油气资源开发中用EM-MWD取代钻井液脉冲MWD将会带来良好的经济效益。

诚然，EM-MWD技术也有其自身的弱点。电磁信号在地层中传播会受到地层特性的影响，特别是低电阻率地层信号衰减快，因此其有效测量深度会受到一定的限制。

复杂地质条件所带来的钻井技术难题以及气体钻井等特殊工艺技术的推广应用，为EM-MWD技术提供了有利的契机和发展空间。随着EM-MWD技术的发展，其适应性问题将会得到克服或改善，EM-MWD技术的诸多优势将会更加突显，必将成为今后随钻测量领域中的一项重要技术。我国EM-MWD系统的商业化生产已为期不远，这将对石油勘探和开发产生重要影响，并带来巨大的经济效益和社会效益。