MWD泥浆正脉冲信号传输特性及现场应用分析

王 永，余 敏,张党生

(1.东营市非公有制经济发展促进中心，山东 东营 257091；2.中共胜利石油管理局有限公司委员会党校(培训中心)，山东 东营 2570003;中国石油集团渤海钻探工程有限公司 井下作业分公司，河北 沧州 062552)

目前，国内外钻井过程中普遍采用无线随钻测量(MWD)方式实时获取井眼轨迹参数，通过井下信号发生器产生泥浆压力波来传输数据，常用的有正脉冲、负脉冲和连续波3种信号传输方式。正脉冲MWD具有结构简单、尺寸小的优点，但数据传输速度相对较慢；负脉冲MWD数据传输速度较快，但是其结构复杂，同时需要使用专门的无磁钻铤；连续波MWD数据传输快、精度高，但对井队设备要求较高，译码效果相对较差[1]。3种信号传输方式以正脉冲MWD稳定性最好、性价比最高、应用最为普遍，为此展开对正脉冲信号传输特性的研究，了解信号传输过程中主要影响因素及影响程度对现场施工具有较大意义。

1 正脉冲信号传输原理

钻井过程中应用较为普遍的哈里伯顿公司MWD无线随钻设备采用正脉冲泥浆压力传输系统进行数据传输，具有可靠性高、传输距离远、解码能力强等特点。其工作时，通过泥浆正脉冲发生器针阀伸缩，实现与上部孔板处小孔相对位置发生变化，从而改变泥浆流动在此处的横截面积，引起钻柱内部泥浆产生压力波。针阀运动方式由探管进行控制，探管根据实时测得的井眼轨迹参数进行编码，依据编码序列控制脉冲发生器针阀有序伸缩(图1)。在地面，通过压力传感器连续检测立管压力变化并传输到地面数据处理系统进行处理，经过译码还原出井底测量数据，完成井眼轨迹参数测量[2]。井下仪器所测量的井斜角、方位角和工具面角等数据可以显示在地面显示器和司钻阅读器上，供技术人员施工使用。

图1 泥浆正脉冲工作原理示意图

2 正脉冲信号传输特性

2.1 曼彻斯特码编码

正脉冲MWD采用曼彻斯特编码技术进行编码，编码后通过控制脉冲发生器处的泥浆流动横截面积变化产生脉冲实现码元传输。曼彻斯特码用电平跳变来表示二进制码0或1，变化规则相对简单，比较容易实现，每个码元都由2个不同相位的电平信号表示，0和1相位正好相反。从低到高的跳变一般表示为二进制码中的“0”，从高到低的跳变表示为“1”。曼彻斯特编码提供一个简单而可靠的二进制序列，没有较长的转换和周期级别，可以有效防止时钟同步时导致的数据丢失。编解码过程为先将井下仪器测量的各类井眼轨迹参数以不同位数的二进制字节组成相应的字符串，其中最后一位为奇偶校正位，前面为数据位。只有当字符串通过奇偶校正后，才能被识别为有效数据，进而解码得到实际测量数据，无法通过奇偶校正则视为无效数据丢弃处理。

在实际施工中，工具面角由7位曼彻斯特码进行数据传递，井下涡轮发电机的转子转速由9位曼彻斯特码组成，井斜角、方位角都是由12位曼彻斯特码组进行数据传递，图2为胜利油田义944—斜4现场施工时系统界面显示的相关参数。由井下脉冲发生器按照编码进行伸缩产生压力波，地面立管上的压力传感器接收压力信号，由于信号不会突变，因此接收界面波形呈现为正弦曲线，通过检测软件将波形曲线转化为曼彻斯特码，然后进行解码得出井眼轨迹参数。图2中数据对应曼彻斯特码如图3所示。

图2 义944-斜4施工中地面系统显示界面

图3 义944-斜4施工测得参数对应曼彻斯特编码

2.2 泥浆脉冲信号传播速度

在无线随钻测量中，脉冲信号的传输速度是一个重要参数，稳定而快速的数据传输有利于提高钻井效率，避免钻井事故。由于泥浆中含有黏土、岩屑、重晶石粉等固相物质，并且存在着可能会形成气泡的游离状态气体，这些多样组分增加了信号传输速度问题的复杂性。根据刘修善[3-4]等研究，泥浆脉冲传播速度取决于系统弹性模量和流体密度，具体计算公式为

(1)

式中，ρg为气体的密度，kg/m3；ρl为液体的密度，kg/m3；ρs为固体的密度，kg/m3；βg为体积含气率，m3/m3；βs为固体的体积分数；Kg为气体体积弹性模量，Pa；Kl为液体体积弹性模量，Pa；Ks为固体体积弹性模量，Pa；E为管材的弹性模量，Pa；D为钻杆内径，m;e为钻杆壁厚，m；μ为钻杆材料的泊松比。

根据式(1)计算得出，正常工况下正脉冲信号在泥浆中传播速度约为1 100 m/s。影响信号传输速度的因素主要有钻具尺寸及材料特性、泥浆组分及性质、环境参数等。泥浆密度和泥浆中不同组分含量直接影响泥浆比重和压缩性。通常随着泥浆的密度和压缩性提高，信号传输阻力增大，传输速度降低。另外，泥浆中气体含量是影响脉冲信号传输速度的一个重要参数，随着气体含量变化，传播速度变化明显。图4～6为215.9 mm井眼不同因素对传输速度的影响曲线。

图4 固相体积分数为0时含气量对传播速度的影响

图5 体积含气率为0.5%时泥浆类型对传输速度的影响

图6 不同含气率沿井深传输速度分布

从图4～6可以看出，随着含气量的增加，脉冲信号传输速度快速下降，由此得出泥浆正脉冲无线随钻测量仪不宜在泡沫钻井或气体钻井中使用。在含气率相同的条件下，随着固相的增加，脉冲信号传输速度明显降低，且在油基泥浆中脉冲信号传输速度低于在水基泥浆中的传输速度，同时，随着固相含量增加，油基、水基泥浆中信号传输速度差值越来越大。

2.3 泥浆脉冲信号强度衰减分析

由于钻井施工中钻具存在弹性变形，同时管壁对泥浆流动存有阻力，因此脉冲信号在钻具内传输过程中脉冲强度将会不可避免地出现衰减。与钻具轴向存在弹性变形相比，钻具径向则相对刚性，并且由于直径相对较小，因此一般不考虑径向对信号传输强度的影响。钻具轴向作为脉冲信号传输通道，可以认为几乎所有脉冲能量都传给钻柱内轴向运动。泥浆脉冲信号沿轴向传播强度损失大部分是由于钻具的管壁摩阻[5-7]，泥浆脉冲信号强度衰减与其他物理介质传输现象类似，符合指数衰减规律，信号衰减计算公式为

(2)

其中，L计算方法为

(3)

式中，p0为信源信号强度，Pa；p为传输x米后的信号强度，Pa；x为传输距离，m；L为信号强度衰减到信源强度l/e时的传输距离，m；D为钻杆内径，m；ρ为泥浆密度，kg/m3；μ为泥浆黏度，Pa·s；f为信号的频率，Hz。

从式(2)、(3)可以看出，泥浆脉冲信号强度衰减度主要与钻具材料性质、钻具尺寸、脉冲频率和泥浆类型、黏度、组分和压缩性等参数有关。在实际钻井作业中，钻柱材料和尺寸一般不会发生变化，泥浆体系主要是以地质条件、钻井工艺和安全环保要求为依据进行选择，调整幅度不大。因此，本文重点分析泥浆黏度、信号频率和井深对泥浆脉冲信号强度衰减的影响，并以p/p0作为泥浆脉冲信号强度衰减评价指标。

研究表明，泥浆黏度、信号频率和井深都对信号强度衰减程度有较明显影响，随着黏度和井深增大，信号强度明显降低。相对而言，信号频率比泥浆黏度对信号强度影响更大，即高频率信号更容易导致信号强度衰减。当脉冲频率较高同时泥浆黏度较大时，信号强度随井深增加衰减更快，图7～9为不同参数下信号衰减强度曲线。

图7 不同黏度下信号强度比随井深变化曲线

图8 不同频率下信号强度比随井深变化曲线

图9 不同频率、黏度下信号强度比随井深变化曲线

从图7～9中可以看出，提高泥浆脉冲信号,频率会导致信号快速衰减，想达到提高信号频率同时保证长传输距离难度很大。在现场应用中，信号传输频率提高一倍可以在相同时间内测得双倍数据，大大提高定向井、水平井施工效率。但是由于数据传输越快信号衰减越严重，在一些深井超深井施工中不能盲目追求高信号频率，同时需要调节无线测量仪器部分配件尺寸以提高信号强度，用以消减传播距离长导致信号强度降低值。

3 现场应用

(1)滨425—斜XX井采用正脉冲MWD随钻测量，该井完钻井深为3 185 m，自300 m开始下入随钻测量仪器，泥浆密度1.05～1.15 g/cm3，泥浆排量约为28 L/s，立管压力约为12 MPa，泥浆正脉冲传输频率为0.5 Hz，该井在施工过程中，初始泥浆压力差约为0.48 MPa，钻至2 000 m时压力差为0.42 MPa，钻至完钻井深时压力差约为0.34 MPa。随着井深增加2 875 m，压力波动降低值约为0.14 MPa，通过式(2)计算压力差应为0.16 MPa，基本吻合。该井压力差随井深变化曲线如图10所示。

图10 滨425—斜XX井压差随井深变化曲线

(2)T903—XX井是中石化西北油田分公司T903区块一口水平井，该井完钻井深为5 043 m，自4 300 m开始下入正脉冲MWD仪器，自4 361 m开始定向钻进。由于该井较深，组装仪器时为加强信号强度选用0.044 m寸孔板和42°定子，施工时泥浆排量约为32 L/s，立管压力约为16 MPa，泥浆漏斗黏度48 s，泥浆密度约为1.2 g/cm3，泥浆脉冲频率为0.5 Hz，初始泥浆压力差约为0.41 MPa，钻至完钻井深时压力差约为0.33 MPa，井深增加约600 m，泥浆压力差降低约0.08 MPa，其压力差随井深变化曲线如图11所示，其变化趋势与公式计算结果基本相符。

图11 T903—XX井压差随井深变化曲线

4 结 论

(1)正脉冲信号传播速度受泥浆组分及性质、钻柱的尺寸及材料特性、环境参数等因素影响。随着泥浆密度和压缩性增大，泥浆脉冲信号传输速度降低。泥浆脉冲传输速度对泥浆含气率非常敏感，随着含气率增加，传输速度快速下降。

(2)泥浆正脉冲信号强度衰减度受钻具材料特性、钻具尺寸、井深及脉冲频率等参数影响明显。脉冲频率对正脉冲信号强度影响相对较大，当脉冲频率、泥浆黏度同时较高时，信号强度快速衰减。

(3)在其他参数基本不变的情况下，信号压差随井深增加逐步减小，减小趋势与信号衰减计算结果吻合。因此在现场施工中，应充分考虑信号强度衰减影响，可根据计算结果和完钻井深合理选择孔板尺寸和大角度定子等配件，确保在不同井深条件下，都能够满足施工脉冲信号传输的强度，实现正常编解码，从而准确测得井眼轨迹参数。