钻头测井仪的研制与应用

谢涛+姚文彬+王晓鹏+邓月+李红星

【摘 要】本文介绍了中海油田服务股份有限公司自主研发的随钻近钻头测井仪的工作原理、系统结构及关键技术。通过现场实钻试验测试表明，随钻近钻头测井仪的通过性能和数据测量精度均能够满足现场作业要求，有较好市场应用前景。

【关键字】随钻测量；近钻头；井斜；方位伽马

中图分类号： TE927 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）35-0034-002

Development and Application of Drill Tool

XIE Tao1 YAO Wen-bin2 WANG Xiao-peng1 DENG Yue2 LI Hong-xing2

（1.Bohai Petroleum Research Institute， Tianjin Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.， Tianjin 300459， China；

2.Oilfield Technology Group， China Oilfield Services Co.， Ltd.， Langfang 065201， Hebei， China）

【Abstract】This paper introduces the working principle， system structure and key technologies of the LWD drill independently developed by China Oilfield Services Limited. The field drilling test shows that the drilling performance and data measurement accuracy of the near-by-drilling tool can meet the requirements of on-site operation and has a good market prospect.

【Key words】Measurement while drilling； Near bit； Well inclination； Azimuth gamma

0 引言

由中海油田服务股份有限公司研发的随钻近钻头测井仪是一种具有较大应用前景和经济效益的新型随钻测井仪器。该仪器具备近钻头井斜测量、近钻头方位伽马测量、跨马达无线传输，可无缝接入公司的Drilog？誖随钻测井系统。在高造斜井段作业时，随钻近钻头测井仪配接高造斜率马达能更好地实时监控钻头走向，方位伽马测量能够提供实时地质导向数据，避免“出层”。和旋转导向相比，随钻近钻头测井仪配接马达的作业模式有着非常好的价格优势。在当前油价低迷的大环境下，随钻近钻头测井仪在非常规、低效井、短半径油田高造斜段等方面都有较好的应用前景[1-2]。

本文中介绍了随钻近钻头测井仪器的工作原理、结构及关键技术，并结合近钻头测斜组合通过性和实际测斜数据精度两个方面的现场试验进行效果评价。

1 随钻近钻头测井仪

传统的随钻测井仪器（MWD）由于测点与钻头距离较远，在薄油层或者复杂地层中使用时，当发现测点数据异常的时候，钻头已经穿出地层很远。而回调的过程会增加作业的成本、时间和作业难度，从而钻遇率较低。

中海油田服务股份有限公司自主研发的随钻近钻头测井仪位于钻头和马达之间，测点距钻头距离只有0.35米，可以在钻进过程中实时采集并存储近钻头井斜、方位伽马、温度等数据，大大提高作业效率。同时可根据现场作业情况，配置仪器选择必要的实时数据，利用无线跨传通讯的方式，把数据传递位于马达上方的接收短节，接收短节接收并解码后，交给MWD模块进行编码，最终将近钻头测量数据上传到地面。系统组合示意图如图1。

1.1 仪器组成

随钻近钻头测井仪由测量短节和接收短节组成，其中测量短节主要功能有测量近钻头井斜、方位伽马和温度数据，并将数据无线发送给接收短节，仪器总长约800mm。井斜测量选用MEMS三轴加速度计，具有尺寸小、重量轻、功耗低、可靠性高、抗冲击振动性能强等优点。方位伽马测量选用高频响的磁通门和NaI晶体伽马探测器，测量8/16扇区，实时上传上下左右伽马数据，可以分辨地层边界信息，如果穿出地层，能够确定穿出方向。

1.2 无线跨传

无线跨转通讯模块使用超低频的频率，实现近钻头测量短节测量数据到马达上方接收短节的数据传输功能。地层通讯主要采用了偶极子天线结构，采用甚低频频段调制数据，实现在井眼中的无线电磁信号传输。利用了甚低频信号在地层中可以传导的特性完成电磁波通讯。信号的传递效果主要受地层电阻率和泥浆电阻率影响。低频信号经过地层传递后，会大幅度衰减，当遇到高阻地层或高盐度泥漿等恶劣条件都会产生高约-100dB的信号衰减。系统采用高灵敏度运算放大器收集和放大信号，然后通过数据卷积和频域放大的方法，提取有效信号。

微弱信号主要受大地噪声和工频噪声干扰。干扰解决主要依靠模拟滤波器和数字滤波器完成，但是微弱信号受到噪声干扰，依旧会产生大量误码信息，我们采用了前向纠错编码解决这个问题，通讯系统采用了BCH编码，纠错能力为可以纠正每21比特之中的3个任意误码。

1.3 方位伽马

以往的自然伽马仪器，接收到的是圆周的伽马强度数据，没有方向特性，无法据此来正确判断和修正轨迹。而随钻近钻头测井仪使用的伽马探管，在某个方向开窗，其余方向使用合金包裹，确保晶体只能接收到某个方向的伽马辐射，这就是方位伽马。把圆周分为若干的扇区，最常用的就是上下左右，在实际作业中，主要关注上伽马和下伽马。将上下伽马不同的变化趋势结合起来，就可以判断轨迹是从上还是从下穿出了，那么定向井工程师就可以正确地采取措施，引导钻进轨迹重新回到油气层中[5]。endprint

方位伽马仪器的设计难点在于保证方位和扇区计数的准确性，这两点至关重要，如果方位信息错误，就会引起定位错误，无法准确返回储集层。

2 现场试验及效果评价

实钻试验于2016年8月在天津塘沽海能发工程技术中心东沽某井进行，该井窗口套管外径为9-5/8″，内径8.681″，窗口顶深386m，底深390.23m，窗口段测深390m，井斜16.33°，方位231.59°。該窗口进行过取芯试验作业，取芯井段最后深度421.55m。

选用1.75°的高造斜率马达，马达入井间隙为1mm，与随钻近钻头测井仪组合进行试验，钻具组合为PDC+近钻头测量短节+SUB+MOTOR+DC+近钻头接收短节+UBHO+DC*2+F/J+JAR+HWDP*8。首先用1.75°弯角马达滑动钻进至486.3米，井斜41.40°，方位247.21°，平均狗腿度13.44-14.02°/30m，局部最大狗腿16.15°/30m。而后复合钻进至526.5米，循环出井，接着下入陀螺测斜仪测量轨迹。试验现场照片见图2。

近钻头测斜试验组合使用1.75°弯角马达，过窗口时马达高边与开窗方向一致，可以顺利通过。伽马测量内存数据正常，扇区测量功能正常。无线跨传累计工作15个小时，数据发送1852帧，成功接收1760帧，接收成功率95%以上，成功接收数据帧基本无误码。随钻近钻头测井仪与陀螺测斜仪的井斜测量结果对比见图3，可以看出两者测量数据重合性较好。

图4是井下无线通讯的状态结果，1代表传输正确，0代表传输错误丢帧。随钻近钻头仪器在入井39小时，井下实钻28.5小时，无线传输149673byte，实时钻进时通讯正确率91.8%，下钻时通讯正确率 93.4%，满足现场应用要求。

3 结论和建议

随钻近钻头测井仪与高造斜率马达配套使用，井下通过性良好，测斜数据与其它测斜数据基本吻合，跨马达无线通讯性能良好，环境适应性及工程可靠性满足现场应用要求。

【参考文献】

[1]杨志坚，齐悦，吴党辉，等.DQNBMS-1型近钻头随钻测量系统的研制与应用[J].石油钻采工艺，2013（1）：48-50.

[2]朱博，孙衍，梁耀.一种用于近钻头测井仪的无线短传系统设计[J].石油仪器，2016，2（2）：7-9.

[3]王银生，杨锦舟，韩来聚，等.井下工程参数随钻测井仪的研制[J].石油仪器，2009，23（1）：35-36.endprint