EM-MWD信號在泡沫中透射機理及其應用研究

摘要自2003年以來，我國成為居美國之后的第二大石油消費國。2005年我國成為繼美國、日本之后的第三大石油進口國。大量石油消費和進口已嚴重影響我國的經(jīng)濟增長速度并嚴重威脅我國國防安全。因此，我國必須采取積極有效的措施發(fā)展石油鉆采新技術，提高石油產(chǎn)量。欠平衡鉆井具有減少產(chǎn)層傷害、有利于及時發(fā)現(xiàn)和評價低壓低滲油氣層、大幅度提高機械鉆速、有效控制漏失、減少壓差卡鉆等優(yōu)點，因此欠平衡鉆井成為目前國內(nèi)開發(fā)低壓、低滲、低產(chǎn)油氣層的一種趨勢。采用欠平衡鉆井技術與定向井、水平井、大位移井技術結合可以大幅度提高經(jīng)濟效益。這種結合技術的關鍵問題之一是鉆進過程中的井底測量信號傳輸問題，欠平衡鉆井所采用的配套鉆井液技術之一為氣基流體低壓鉆井介質(zhì)系列（空氣鉆井、霧、泡沫、充氣泥漿），然而國內(nèi)常用的泥漿脈沖式MWD由于信號通道存在多相流體狀態(tài)干擾導致難以向地面?zhèn)鬏敎y量信號達到實時監(jiān)測井眼軌跡和識別地層的要求。電磁波式MWD（又可簡稱為EM-MWD）是通過井底儀器發(fā)射電磁波信號到地面天線獲取數(shù)據(jù)，對鉆井液要求遠沒有泥漿脈沖式MWD要求高，所以電磁波式MWD在欠平衡鉆井中具有廣闊前景。與歐美等國的電磁波式MWD相比，俄羅斯電磁波式MWD價格相對低廉，中國地質(zhì)大學（武漢）是國內(nèi)首個引進俄羅斯電磁波式MWD（ZTS系列）的單位，已在勝利油田、大陸科鉆、遼河油田使用常規(guī)鉆井液的鉆井中進行了生產(chǎn)試驗，并取得了一定的成績。電磁波式MWD儀器上下兩端通過電隔離器絕緣，發(fā)射的信號以鉆桿柱為一路，地層為一路在地表形成回路，地面接收裝置接收信號進行解碼。向地層傳播的這一路信號必須首先穿透環(huán)空介質(zhì)，再向地層中傳播。國內(nèi)的欠平衡鉆井中還未采用電磁波式MWD系統(tǒng)進行鉆井作業(yè)，特別是國內(nèi)欠平衡鉆井廣泛采用泡沫鉆井液，電磁波式MWD發(fā)射的電磁波信號能否穿透鉆井環(huán)空的泡沫介質(zhì)再向地層中傳播還沒有研究。本文旨在通過分析電磁波式MWD工作原理，泡沫鉆井液的結構以及在實驗室中配制油田常用泡沫鉆井液并測試其電導率；同時以超低頻電磁波近場電路特性、電磁波衰減理論、電磁波反射理論分析欠平衡鉆井中環(huán)空介質(zhì)為泡沫時，影響電磁波MWD向地層透射信號的機理。介紹了美國電磁波式MWD在欠平衡井的應用，并詳細介紹俄羅斯電磁波式MWD（ZTS系列）在中國的應用，分析其適用于欠平衡鉆井需解決的問題。全文共分七章，各章的研究內(nèi)容如下：第一章緒論部分。主要介紹課題的來源、課題研究的目的和意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、課題的難點以及課題主要研究內(nèi)容及技術路線。第二章泥漿脈沖式MWD應用局限性。主要介紹欠平衡鉆井的類型、優(yōu)越性，泥漿脈沖式MWD工作原理，以及其在欠平衡鉆井中的局限性。第三章電磁波式MWD相關理論。首先介紹了電磁波式MWD工作原理，然后分析電磁波式MWD通信的等效線傳輸法。最后分析影響電磁波式MWD信號傳輸?shù)囊蛩?，其中包括鉆桿的引導作用、激勵源頻率、地層電阻率、特制鉆桿天線參數(shù)與激勵電流關系、表層金屬套管以及環(huán)空介質(zhì)電阻率。第四章泡沫及其電導率研究。首先在介紹泡沫流體組成的基礎上，分析了泡沫鉆井液的結構。詳細介紹了筆者進行的室內(nèi)泡沫鉆井液的電導率測試實驗，結合國內(nèi)外學者對泡沫鉆井液電導率研究所獲得的數(shù)據(jù)進行了分析,確定了泡沫電導率（電阻率）值的范圍。第五章電磁波在泡沫中的傳輸模型。通過超低頻電磁波近場電路特性、電磁波在介質(zhì)傳播的衰減理論和反射理論建立的模型，分析了環(huán)空泡沫影響電磁波信號向地層透射的因素。因素之一是泡沫電阻使電磁波分流，之二是泡沫對電磁波吸收，之三是泡沫的多相結構對電磁波的嚴重反射。第六章EM-MWD應用研究。首先介紹了美國幾家公司生產(chǎn)的EM-MWD系統(tǒng)在欠平衡鉆井現(xiàn)場的應用，然后詳細分析俄羅斯EM-MWD（ZTS系列）的結構特征，以及在勝利油田、遼河油田生產(chǎn)試驗情況，最后分析俄羅斯EM-MWD適用于欠平衡鉆井需解決的問題。第七章結論與建議。在總結和歸納全文的基礎上，對今后的工作提出建議和對策。關鍵詞：電磁波式MWD；環(huán)空泡沫；電導率；透射；應用StudyonEM-MWDsignaltransmissionmechanisminfoamandapplicationMasterCandidate：JIFengSupervisor：YANTai-ningAbstractSince2003,ChinahasbecomeasthesecondlargestoilconsumingcountriesafterUnitedStates.In2005,ChinahasbecomeasthethirdlargestoilimportingcountriessubsequenttoUnitedStatesandJapan.LargeoilconsumptionandimportseriouslyimpactedtheeconomicgrowthrateofChinaandthreatenedournationalsecurity.Therefore,Chinamusttakepositiveandeffectivemeasuresforthedevelopmentofnewoildrillingandproductiontechnologytoincreaseoilproduction.Underbalanceddrillinghavemanyadvantagessuchasreducepayformationharmed,timelyidentifyandevaluatelowpressureandlowpermeabilityreservoirs,significantlyenhancethepenetrationrate,effectivecontrolleakageandreducedifferentialpipesticking,soithasbeentrendasthecurrentdomesticdevelopmentoflowpressure,lowpermeabilityandlowreservoir.Underbalanceddrillingtechnologyassociatedwithdirectionalwell,horizontalwell,andextendedreachwelltechniquecangreatlyimproveeconomicefficiency.Oneofthekeyproblemsinthiscombinativetechnologyisthemeasuredsignaltransmissiondownholeindrilling.Oneofthefluidtechniquesusuallyusedinunderbalanceddrillingisthelow-pressuregas-baseddrillingfluidmediumSeries(air,mist,foam,aeration).However,mud-pulseMWDcommonlyusedinChinaisdifficulttotransmitmeasuredsignaltosurfacetoachievereal-timemonitoringwelltrajectoryandidentifyingformationbecauseofdisturbancefrommultiphasefluidinsignalchannel.InEM-MWD,thedownholeinstrumentsendselectromagneticsignalstothesurfaceantennaandreceivesdata,therequirementoffluidismuchlowerthanmud-pulseMWD,andthereforeEM-MWDhasboardprospectsinunderblanlanceddrilling.ComparedwithEuropeandUnitedStates,RussianEM-MWDispaidlower.ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan)firstlyimportedtheRussianEM-MWD(ZTS)inChina,whichhasproductiontestedinShenglioilfield,CCSD,Liaoheoilfieldandhaveachievedsomeresults.EM-MWDtopandbottomendsareinsulatedbyelectricaldivider,electromagneticsignalsbuilduploopthroughdrillstringandformation,thesurfaceequipmentreceiveanddecodesignals.Thesignalstransmissionbyformationmustfirstlypenetrateannularmedium,thenspreadformation.Inchina,thereisnoEM-MWDusedinunderblanceddrilling,itiswidelyusedfoamdrillingfluidinunderbalanceddrillingandtheelectromagneticsignalsofEM-MWDwhethercanpenetrateannularfoamtoformationhasnotbeenresearched.ThispaperseekstoanalyzetheoperatingprinciplesofEM-MWD,thestructureoffoam,makeupfoamusedinoilfieldandtestitselectricconductivity.Meanwhile,studyonthemechanismofimpactEM-MWDsignaltransmissiontoformationwhenusingfoaminannularmediuminunderbalanceddrillingbyultralowfrequencyelectromagneticwavenearfieldelectriccircuitcharacteristic,theattenuationandreflectiontheoriesofelectromagneticwave.ItintroducestheUnitedStatesEM-MWDapplicationintheunderbalanceddrilling,detaileddescribestheRussianEM-MWD(ZTStype)applicationinChina,analyzeshowtosolveproblemswhenRussianEM-MWDappliedinunderbalanceddrilling.Thepaperhassevenchapters,andthemaincontentsofeachchapterareasfollows:,researchgoal,significance,domesticandforeignresearchpresentsituation,theresearchdifficulties,themainresearchcontentsandtechnicalroute.Thesecondchapterthemud-pulseMWDlimitationinunderbalanceddrilling.Itcontainstheunderbalanceddrillingtypes,advantages,theprincipleofmud-pulseanditslimitationusedinunderbalanceddrilling.ThethirdchapterdiscussestheEM-MWDrelatedtheories.FirstintroducetheoperationalprinciplesofEM-MWD,andthenintroducetheeffectivetransmissionlinemethod.Finally,analyzestheaffectingfactorsofEM-MWDsignaltransmission，includingtheleadroleofdrillpipe,excitationfrequency,formationresistivity,therelationshipbetweenspecialdrillpipeantennaparametersandexcitationcurrent,surfacemetalcasingandannularmedium.Theforthchapterfoamanditsconductivityresearch.First,analyzesthefoamdrillingfluidstructureonthebasisofintroductioninthecompositionoffoam.Thenitintroducesthefoamconductivitytestinthelaboratoryindetailandanalyzestheobtaineddatacombinedwiththepresentsituationofthedomesticandforeignscholars’researchonfoamconductivity.Thefifthchapterdiscussestheelectromagneticwavetransmissionmodelinfoam.Makingmodelbyultralowfrequencyelectromagneticwavenearfieldelectriccircuitcharacteristic,theattenuationandreflectiontheoryofelectromagneticwave,andanalyzestheinfluencesofEM-MWDsignaltransmissionfromannulartoformation.Itincludesthreefactors.Thefirstiselectromagneticwavepartialcurrentbecauseoffoamresistivity,thesecondiselectromagneticwaveabsorbedbyfoamandthethirdiselectromagneticwavebeingreflectedseriouslybecauseoftheheterogeneousstructureoffoam.ThesixthchapterEM-MWDapplication.FirstitintroducesapplicationintheUnitedStatesseveralcompanies’EM-MWDsysteminunderbalanceddrilling.ThendetailedanalyzestructuralcharacteristicoftheRussianEM-MWD(ZTStype)andtheproductiontestsinShengliOilfieldandLiaoheoilfield.FinallyanalyzeshowtosolveproblemswhenusingRussianEM-MWDinunderbalanceddrilling.Theseventhchapterisconclusionsandrecommendations.Tosumupthewholepaperandgivesomesuggestionsforfurtherstudy.KeyWords：EM-MWD;annularfoam;conductivity;transmission;application

目錄第一章緒論 1§1.1論文的來源 1§1.2論文研究的目的和意義 1§1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3.1電磁波式MWD系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 21.3.2電磁波傳輸特性研究現(xiàn)狀 41.3.3電磁波在欠平衡鉆井介質(zhì)中傳輸特性研究現(xiàn)狀 4§1.4課題研究面臨的困難 5§1.5課題主要研究內(nèi)容與技術路線 5第二章泥漿脈沖式MWD應用局限性 7§2.1欠平衡鉆井 72.1.1欠平衡鉆井的類型與應用范圍 72.1.2欠平衡鉆井的優(yōu)越性 8§2.2泥漿脈沖式MWD應用局限性 92.2.1泥漿脈沖式MWD工作原理 92.2.2含氣量對泥漿脈沖信號傳輸速度的影響 102.2.3泥漿脈沖式MWD在欠平衡井中的不適應性 11第三章電磁波式MWD理論 12§3.1電磁波式MWD的工作原理 12§3.2電磁波式MWD通信的等效線傳輸法 13§3.3影響電磁波傳輸?shù)闹饕蛩?16第四章泡沫及其電導率研究 21§4.1泡沫流體理論 214.1.1低密度流體及其分類 214.1.2泡沫流體優(yōu)點 214.1.3泡沫流體組成 224.1.4泡沫微觀結構 244.1.5泡沫雙層膜理論 26§4.2泡沫電導率室內(nèi)研究 264.2.1試驗準備 264.2.2試驗配方 274.2.3試驗步驟 28§4.3數(shù)據(jù)分析 31第五章電磁波在泡沫中傳播模型 33§5.1超低頻近場電路分析 33§5.2電磁波衰減特性分析 33§5.3電磁波反射特性分析 355.3.1電磁波在介質(zhì)中的阻抗 355.3.2電磁波在分層介質(zhì)介面處的反射與傳輸 365.3.3環(huán)空泡沫介質(zhì)中電磁波反射計算 39第六章EM-MWD應用研究 41§6.1美國電磁波式MWD應用 416.1.1Schlumberger公司EM-MWD 416.1.2weatherford公司EM-MWD 426.1.3其它公司EM-MWD 42§6.2俄羅斯電磁波式MWD應用 436.2.1儀器結構與特征參數(shù) 436.2.2ZTS在勝利油田應用 456.2.3ZTS在遼河油田應用 46§6.3ZTS適用于欠平衡鉆井需解決的問題 526.3.1電源問題 526.3.2減小電磁波衰減問題 536.3.3減小隔離器的磨損問題 536.3.4近鉆頭測量 54第七章結論及建議 55§7.1主要創(chuàng)新點與研究成果 557.1.1論文的主要創(chuàng)新點 557.1.2論文的主要研究成果 55§7.2展望與建議 56致謝 57參考文獻 58PAGE12季鋒：EM-MWD信號在泡沫中透射機理及其應用研究2007.052007.05中國地質(zhì)大學碩士學位論文PAGE11第一章緒論§1.1論文的來源欠平衡鉆井技術已成為二十一世紀鉆井的一種趨勢，由于目前泥漿脈沖式MWD不適合在欠平衡鉆井中使用，而電磁波式MWD對泥漿的要求不高，所以引進開發(fā)適合中國國情的電磁波式MWD迫在眉捷。本課題為中國地質(zhì)大學（武漢）、北京合康科技發(fā)展有限公司聯(lián)合引進俄羅斯沙瑪拉地平線公司電磁波式MWD項目及科學鉆探國家專業(yè)實驗室2006年開放課題—電磁波式MWD信號傳輸特性研究的重要組成部分。§1.2論文研究的目的和意義自2003年以來，中國成為居美國之后的第二大石油消費國。2005年我國進口原油1.27億噸，進口量仍居美國、日本之后，繼續(xù)成為世界第三大原油進口國。2006年我國原油進口量達到1.45億噸,專家預測2007年中國的石油進口量為1.55億噸。在當前形勢下，加速我國石油工業(yè)發(fā)展，提高國產(chǎn)石油產(chǎn)量，加強石油戰(zhàn)略儲備，已成為我國政府和人民關注的熱點?！笆晃逡?guī)劃建議”明確提出要加強國內(nèi)石油天然氣勘探開發(fā)，增強資源的地質(zhì)儲量，規(guī)范開發(fā)秩序，實行合理開采和綜合利用，健全資源有償使用制度，積極擴大資源開發(fā)和技術利用的國際合作。同時建議在工程技術和軟件、裝備研發(fā)領域提出要發(fā)展欠平衡鉆井、氣體鉆井和水平井技術，穩(wěn)定并加大研發(fā)頂驅(qū)、成套測井裝備等核心技術產(chǎn)品[1～7]。

基于目前能源的嚴峻形勢，我國必須采取積極有效的措施發(fā)展石油鉆采新技術，提高石油產(chǎn)量。然而，我國大部分油田處于開發(fā)后期，油層已動用多年，目的層壓力普遍偏低，在鉆井過程中，由于鉆井液密度遠遠大于儲層壓力系數(shù)，長時間的鉆井液浸泡，造成嚴重的油層污染。如何有效開發(fā)低壓、低滲油氣田，避免在鉆井過程中造成油層污染，甚至造成永久性污染，避免鉆井過程中的井漏、壓差卡鉆等問題是各油田急待解決的課題[8～9]。欠平衡鉆井能有效的解決上述問題，另外運用該技術還可以降低完井成本和及時發(fā)現(xiàn)油氣、提前生產(chǎn)油氣，提高油氣采收率[10～14]。然而，欠平衡技術鉆進定向井、水平井以及大位移井存在一個問題，即如何實時采集鉆井過程中的井眼軌跡參數(shù)。過去作業(yè)者采用不同的方式采集和分析井下數(shù)據(jù)，以便對該油層進行分析得出結論，其中國內(nèi)占主導地位的泥漿脈沖式MWD系統(tǒng)采用水力信息通道，通信的結果可靠，但對鉆井液有嚴格的要求（含砂量＜1%～4%，含氣量7%），且對含氣量特別敏感。在應用欠平衡鉆井技術鉆井時，所采用的循環(huán)介質(zhì)通常為氮氣、天然氣、霧、泡沫和充氣鉆井液，氣體的可壓縮性導致壓力脈沖信號變形使地面很難檢測到正確的信號[15～17]。欠平衡井具有常規(guī)鉆井不可比擬的優(yōu)勢，但是此技術在定向井、水平井、大位移井中的應用卻發(fā)展緩慢，究其原因之一是泥漿脈沖式MWD不適于欠平衡鉆井使用的循環(huán)介質(zhì)中工作，目前國內(nèi)在采用欠平衡鉆井技術鉆定向井、水平井、大位移井時，獲得井眼軌跡參數(shù)方法有兩個：一是，必須停鉆采用電子單點、多點測斜儀；二是，采用有纜式隨鉆測斜儀；這兩種方法費時費力[18～20]。電磁波式MWD（又可稱之為EM-MWD）是通過發(fā)射電磁波到地面的天線獲取返回的數(shù)據(jù)，天線捕捉到的信息為代碼，信息代碼又通過通信線傳送給安裝在鉆機上的電磁遙測隨鉆測量設備。電磁波式MWD工具不會受流量、固相含量和流體其它性能影響。系統(tǒng)由于對鉆井液沒有嚴格的要求，因此電磁波式MWD在欠平衡鉆井的應用具有較大的發(fā)展空間。電磁波式MWD工具不會受流量、固相含量和其它流體的性能等影響，主要是指它可以不借助鉆井介質(zhì)為信號通道。電磁波式MWD儀器中間通過電隔離器絕緣，發(fā)射的信號以鉆桿柱為一路，地層為一路在地表形成回路，地面接收裝置接收信號進行解碼。向地層傳播的這一路信號必須首先穿透環(huán)空介質(zhì)，再向地層中傳播。目前，國內(nèi)欠平衡鉆井廣泛采用泡沫鉆井液，電磁波式MWD發(fā)射的電磁波信號能否穿透環(huán)空中的泡沫介質(zhì)再向地層中傳播還沒有研究。本課題主要研究環(huán)空欠平衡泡沫鉆井液影響電磁波MWD信號向地層透射的機理，為電磁波式MWD適用于欠平衡泡沫鉆井的可行性提供理論依據(jù)?！?.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1電磁波式MWD系統(tǒng)研究現(xiàn)狀MWD系統(tǒng)的信號傳輸方式分為有線（電纜）和無線兩種。有線方式的優(yōu)點是可直接向井內(nèi)傳感器供電，實現(xiàn)井內(nèi)和地表設備之間的雙向通訊，實時性好，數(shù)據(jù)傳輸率高，但電纜往往影響正常鉆進過程。無線方式不使用電纜，是定向鉆井技術發(fā)展歷程中的一個里程碑。無線MWD系統(tǒng)按傳輸通道分為泥漿脈沖、電磁波和聲波三種方式。早在上世紀30年代，人們就開始了MWD技術的理論和試驗研究。1939年一種使用電纜的電測井系統(tǒng)試驗成功，但未能進行商業(yè)性的應用。1963年，J.J.Arps發(fā)明了泥漿脈沖的傳輸方法，才使MWD技術取得了突破性的進展。1977年，用泥漿壓力脈沖傳輸信息的隨鉆測量系統(tǒng)日趨成熟，已基本具備了商業(yè)價值。1978年，Teleco公司首次將批量生產(chǎn)的泥漿脈沖式MWD系統(tǒng)投入現(xiàn)場試用。1980年初，Schlumberger生產(chǎn)了一套比較實用的MWD系統(tǒng)，并在現(xiàn)場使用獲得成功。上世紀80年代初期，泥漿脈沖傳輸方式的無線MWD技術在世界范圍內(nèi)開始了推廣應用[21～24]。電磁波法可追溯到本世紀40年代初期，但最早是應用于煤礦安全和軍事方面。上世紀70年代初期，我國也曾獨立研究過無線MWD技術。當時采用的是通過大地傳輸電磁波方式，信號的傳輸深度達到了1200m。但是，后來研究工作因故停止[25～27]。上世紀70年代初實用型電磁波式MWD系統(tǒng)工具研制成功后，在鉆井工程中始終未得到廣泛的應用。當時的電磁波MWD系統(tǒng)有兩個主要問題使其應用范圍受到限制，一是遙測深度小于3000m；二是在可靠性方面不太穩(wěn)定。造成這兩個問題的主要原因是地層電阻率的變化，當同一深度的井處于不同的地層時其環(huán)空周圍的地層電阻率有著很大的差異，正是這種差異嚴重影響了鉆柱中的信號電流；另一方面，整個鉆柱是由單根鉆桿連接而成，鉆桿與鉆桿連接螺紋之間存在接觸電阻，由于接觸電阻的大小隨鉆井時產(chǎn)生的振動變化，進而影響了鉆柱中信號電流的穩(wěn)定性。為了解決這些問題，上世紀90年代電磁波式MWD系統(tǒng)研制的主要方向是：擴展井底發(fā)射器的發(fā)射范圍，由此出現(xiàn)了新一代Extended-Range電磁波隨鉆測量系統(tǒng)工具，即擴展限程電磁波隨鉆測量系統(tǒng)。從原理上看擴展限程電磁波隨鉆測量系統(tǒng)可分為兩種類型：一種是發(fā)射天線延伸型；另一種是信號中繼轉(zhuǎn)發(fā)型。發(fā)射天線延伸型電磁波式MWD系統(tǒng)的工作原理是：當井下發(fā)射器到達一定的深度接近于它的發(fā)射極限時由地面通過鉆柱的通道送下一長電纜，長電纜的下端與井下發(fā)射器的發(fā)射天線對接，使這根長電纜成為延伸發(fā)射天線，加裝延伸天線后它的上端更接近地面，從而達到減少信號衰減提高遙測深度的目的。信號中繼轉(zhuǎn)發(fā)型電磁波式MWD系統(tǒng)的工作原理是：當井下發(fā)射器到達一定的深度接近于它的發(fā)射極限時在鉆柱上加裝信號中繼轉(zhuǎn)發(fā)器，在這中繼轉(zhuǎn)發(fā)器中有接收器和發(fā)射器，當井底發(fā)射器發(fā)出數(shù)據(jù)信號被中繼轉(zhuǎn)發(fā)器的接收器接收后對信號進行功率放大，放大后的信號再由發(fā)射器發(fā)出，隨著深度的增加不斷加裝中繼轉(zhuǎn)發(fā)器[28～31]。目前歐美致力于研發(fā)這兩種類型的電磁波式MWD，具有代表性公司以及產(chǎn)品名稱見表1-1。表1-1歐美具有代表性電磁波式MWD生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品名稱國家公司名稱產(chǎn)品名稱美國ScientificDrillingE-FIELDMWDSperrySunEM-MWDSchlumbergerE-PulseWeatherfordTrendSETMWD加拿大RyanEM-MWDPhoenixCTLEM-MWDNQLBlackstarEM-MWD英國CryotonEM-MWDGeolinkEM-MWD俄羅斯也開展了電磁波式MWD系統(tǒng)的研究，在電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的開發(fā)上取得了突破。由于俄羅斯電磁波式MWD系統(tǒng)無需中繼站，技術更先進、實用。俄羅斯沙瑪拉地平線研制的ZTS系列電磁波式MWD系統(tǒng)于1987～1990年進行了生產(chǎn)試驗，在3個油田的20口井內(nèi)完成了93個井次的生產(chǎn)試驗，試驗的深度范圍為50～2200m。試驗表明，與傳統(tǒng)技術相比，電磁波隨鉆測量系統(tǒng)在控制定向斜井和水平井軌跡方面具有無可比擬的優(yōu)越性。隨后，俄羅斯不斷對該系統(tǒng)進行改進和完善，系統(tǒng)的各項性能不斷得到提高，測量的水平位移超過1000m，最大深度超過了4000m。電磁波隨鉆測量系統(tǒng)自80年代末研制成功以來，已有近140套用于獨聯(lián)體各國的油氣生產(chǎn)企業(yè)[32～33]。中國地質(zhì)大學（武漢）緊跟石油工業(yè)的發(fā)展步伐，在多方論證，反復比較的基礎上，在學?！?11辦”的支持下，于2002年引進了先進的俄羅斯沙瑪拉地平線公司的ZTS系列電磁波式MWD系統(tǒng)。ZTS電磁波式MWD系統(tǒng)可將反映井底軌跡方向、地層特性參數(shù)的低頻電磁波信號傳至地面。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力強，穩(wěn)定性好，而目前價格僅為歐美泥漿脈沖式MWD系統(tǒng)和電磁波式MWD系統(tǒng)的1/2左右。該系統(tǒng)購進后中石油、中石化、勝利油田、江漢油田等研究所和油田的專家對此非常感興趣。該系統(tǒng)分別于2002年10月、2003年11月和2006年4月在中國大陸科學鉆探現(xiàn)場、勝利油田和遼河油田使用常規(guī)鉆井液的鉆井中進行了生產(chǎn)試驗，三次生產(chǎn)試驗表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，各個參數(shù)的測量結果準確。1.3.2電磁波傳輸特性研究現(xiàn)狀電磁波式MWD的電磁波傳輸特性主要指電磁波信號傳輸?shù)淖畲罂蓽y深度、電磁波信號在不同地層電阻率、不同信號發(fā)射頻率時的衰減特性。國外對電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的電磁波傳輸特性提出了各種理論模型和數(shù)值計算的方法。如1978年，HillDa和WaitJr在提出了長電極模型；1971年，P.B.Johns提出了傳輸線模型；1992年，\o"one-clicksearch"MaekawaT和\o"one-clicksearch"ShimadaT等人提出了能模擬有耗媒質(zhì)中電磁波衰減特性的計算機模擬方法，1994年，ZhangYongmin在提出了電磁波傳輸特性的時域模型和計算機反演技術[34～40]。國內(nèi)對電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的電磁波傳輸特性也開展了大量的理論研究工作。上世紀90年代初，中國科學院電子學研究所陳志雨、夏明耀等人開展了有耗媒質(zhì)中的極低頻傳播及信息傳遞研究。該項目研究是針對電磁波隨鉆測量這一應用背景的，理論模型是有耗媒質(zhì)中的非對稱電偶極，該模型預測了在各種條件下地面的場強及其分布規(guī)律。在理論方法上，該項目采用了多種方法來研究這個模型，有由基爾霍夫公式出發(fā)的邊界元法；利用Banos關于半空間電短偶極的積分方程和矩量法；考慮了分區(qū)媒質(zhì)模型，通過鏡像法和廣義Heaviside函數(shù)得到電流分布積分方程法；直接由拉普拉斯方程出發(fā)的穩(wěn)流場法等。上世紀90年代，中國電波傳播研究所熊皓、胡斌杰等人討論了隨鉆測量電磁傳輸信道激勵方式及物理模型[41～43]；應用改進的等效傳輸線法與電極法，研究了影響地面電極檢測電壓的信道參數(shù)，給出了隨鉆電磁信道最大可測深度與地層電阻率、工作頻率及井場干擾噪聲的關系。與實測數(shù)據(jù)比較表明，所用理論模型能較好地預測隨鉆電磁信道的主要特性。國內(nèi)開展的上述研究主要側(cè)重于電磁波的理論研究，試驗也是在利用已鉆好的鉆井內(nèi)進行的，并未采用電磁波式MWD系統(tǒng)進行實鉆的隨鉆測量試驗。1.3.3電磁波在欠平衡鉆井介質(zhì)中傳輸特性研究現(xiàn)狀由前述可知，目前國內(nèi)外的學者對電磁波式MWD信號傳輸規(guī)律的研究主要集中在地層和發(fā)射頻率對電磁波信號的影響。電磁波信號首先要穿透井眼環(huán)空中的鉆井介質(zhì)，再向地層中傳播，如圖1-1。目前國內(nèi)外對于環(huán)空介質(zhì)影響電磁波信號向地層透射的機理研究還沒有相關文獻報道。圖1-1電磁波式MWD信號穿透環(huán)空介質(zhì)至地層示意圖§1.4課題研究面臨的困難目前國內(nèi)外主要是研究電磁波信號在地層中傳輸特性，而鉆井環(huán)空介質(zhì)影響電磁波信號向地層透射機理還未見有報道，特別是泡沫鉆井液是固、液、氣三相流體與常規(guī)連續(xù)流體介質(zhì)以及純空氣介質(zhì)相比存在較大區(qū)別。泡沫鉆井液對電磁波信號影響主要有以下幾個方面：泡沫鉆井液電阻率影響電磁波信號向地層透射的機理；泡沫鉆井液蜂窩狀結構影響電磁波信號向地層透射的機理；環(huán)空泡沫影響電磁波信號向地層透射模型的建立，可借鑒的資料少；在分析環(huán)空泡沫鉆井液影響電磁波信號向地層透射時將會用到大量復雜的電磁波理論公式?！?.5課題主要研究內(nèi)容與技術路線在收集和分析國內(nèi)外相關研究資料的基礎上，從泥漿脈沖式MWD在欠平衡井使用局限性出發(fā)到美國電磁波式MWD在欠平衡鉆井的應用，以及俄羅斯電磁波式MWD（ZTS系列）在國內(nèi)的應用及其適用于欠平衡井需改進問題，論文研究內(nèi)容與技術路線如圖1-2。電磁波式電磁波式MWD相關理論電磁波式MWD工作原理電磁波信號等效傳輸線法欠平衡鉆井應用范圍及優(yōu)越性泡沫流體理論泡沫及其電導率研究泡沫電導率室內(nèi)試驗泡沫影響電磁波傳輸?shù)哪Ｐ鸵噪姶挪▊鞑ニp理論分析以電磁波傳播反射理論分析EM-MWD應用研究欠平衡鉆井用ZTS系統(tǒng)需改進問題ZTS在勝利、遼河油田的使用情況結論及建議欠平衡鉆井及泥漿脈沖應用局限性泥漿脈沖式MWD應用局限性影響電磁波信號傳播的因素以超低頻電磁波近場電路分析圖1-2論文研究內(nèi)容與技術路線第二章泥漿脈沖式MWD應用局限性§2.1欠平衡鉆井2.1.1欠平衡鉆井的類型與應用范圍常規(guī)鉆井是井筒內(nèi)循環(huán)體體柱壓力大于地層的過平衡鉆井，而欠平衡鉆井就是在井筒內(nèi)循環(huán)體（鉆井液）的體柱壓力相當于或低于地層（油氣層）壓力下，保證鉆井作業(yè)繼續(xù)安全進行的鉆井工藝技術，也有人稱之為“負壓鉆井技術”。也可以說就是人為的控制泥漿密度使之既不至于因密度過小而引起井噴、又不至于因密度過大而壓死油氣層的“欠平衡或近平衡”狀態(tài)下進行的鉆井作業(yè)工藝技術。欠平衡鉆井分為兩種類型，即流鉆和人工誘導的欠平衡鉆井.所謂流鉆欠平衡鉆井，就是用合適密度的鉆井液（包括清水、混油鉆井液、原油、柴油、添加空心固體材料鉆井液等）進行欠平衡鉆井；而人工誘導欠平衡鉆井，就是用充氣鉆井液、泡沫、霧，甚至用氣體作為循環(huán)介質(zhì)進行的欠平衡鉆井。欠平衡鉆井按不同的方法可分為以下三種[12]：1、按鉆井循環(huán)的密度分類：一般而言，當?shù)貙訅毫Ξ斄棵芏却笥诨虻扔?.10g/cm3，用流鉆欠平衡鉆井，否則可用人工誘導欠平衡鉆井。這兩類方法不是絕對的，實際應用時應根據(jù)具體情況選擇。例如當井較深、環(huán)空截面積很小，即便地層壓力當量密度為1.10g/cm3，由于循環(huán)鉆井液時產(chǎn)生的循環(huán)壓耗很大，也可能要用人工誘導法才能實現(xiàn)欠平衡；若用原油（或油包水、水包油）作循環(huán)介質(zhì)，當井淺時，即使地層壓力當量密度低于1.00g/cm3，也能實現(xiàn)流鉆欠平衡鉆井。在美國奧斯汀，曾用密度高達1.80g/cm3的鉆井液欠平衡鉆開地層壓力當量壓力2.04g/cm3的儲層。我國青海油田開2井欠平衡鉆井液的密度達到1.50g/cm3以上。在有些探區(qū)，也有用欠平衡鉆井的設備和工藝解決部分井漏或又溢又漏的復雜鉆井問題，如國內(nèi)的塔里木探區(qū)就曾用密度為2.04g/cm3的鉆井液進行欠平衡鉆井，以解決又漏又溢的復雜情況；也有用欠平衡鉆井設備和工藝來針對一般較穩(wěn)定的地層或非主要產(chǎn)品進行搶鉆以提高機械鉆速，如四川地區(qū)就有用清水搶鉆的例子。實踐證明，只要條件允許，運用得當，這些都是可行的。2、按工藝分類：可分為液體、氣體、霧、泡沫、充氣欠平衡鉆井技術和泥漿帽鉆井技術。采用常規(guī)鉆井液（包括水基、油基以及有固相和無固相鉆井液）的欠平衡鉆井技術為液體欠平衡鉆井技術。欠平衡鉆井技術對應的密度為：①氣體鉆井：包括空氣、天然氣、廢氣和氮氣鉆井，密度適用范圍為0～0.02g/cm3。②霧化鉆井：密度適用范圍為0～0.02g/cm3，氣體體積混合物體積為96%～99%。③泡沫鉆井：密度適用范圍為0.04～0.6g/cm3，井口加回壓可達0.8g/cm3以上，氣體體積混合物體積為55%～99%。④充氣鉆井：包括通過鉆桿和井下注氣兩種方式。井下注氣是通過寄生管、同心管在鉆進的同時往鉆井液中連續(xù)注氣。密度適用范圍為0.7～0.9g/cm3或更高，氣體體積低于混合物體積的55%。⑤油包水或水包油鉆井液鉆井：密度適用范圍為0.8～1.0g/cm3。⑥淡水或鹵水鉆井液鉆井：密度適用范圍為1.0～1.30g/cm3。⑦常規(guī)鉆井：密度適用范圍大于1.10g/cm3。⑧泥漿帽鉆井：用于地層較深的高壓裂縫儲層或高含硫化氫的氣層，是另類欠平衡鉆井技術。3、按用途分類：IADC（國際鉆井承包商協(xié)會）欠平衡鉆井\完井和修井委員會提出的欠平衡鉆井分類：0級—只提高鉆井作業(yè)速度和保證鉆井作業(yè)安全，不存在含碳氫化合物的地層。1級—井內(nèi)流體依靠自身的能量不能流到地面，井眼穩(wěn)定并且從安全角度來說屬低級危險情況。2級—井內(nèi)流體依靠自身的能量可以流到地面，但是利用常規(guī)的壓井方法可以有效制止，并且在設備嚴重失效的情況下也只能產(chǎn)生有限的后果。3級—地熱和非碳氫化合物的開采。最大關井壓力低于旋轉(zhuǎn)控制頭等作業(yè)設備的額定工作壓力，設備嚴重失效會產(chǎn)生直接嚴重后果。4級—油氣開采。最大關井壓力低于旋轉(zhuǎn)控制頭等作業(yè)設備的額定工作壓力，設備嚴重失效會產(chǎn)生直接嚴重后果。5級—最大設計地面壓力超過旋轉(zhuǎn)控制頭的額定壓力，但低于防噴器組的額定工作壓力。2.1.2欠平衡鉆井的優(yōu)越性由于欠平衡鉆井具有許多優(yōu)勢，越來越多的井采用了該項技術，特別是在低壓、低滲、低產(chǎn)油氣田中。這些優(yōu)越性包括：提高機械鉆速、減少漏失、延長鉆頭壽命、減少粘卡、提高地層評價效果、減少地層損害、更早的油氣產(chǎn)出，海上鉆井可以得到更大的油層井眼和環(huán)境保護[12、44]。1、提高機械鉆速欠平衡鉆井避免了鉆頭底部對巖石的壓持效應。沒有壓持效應，鉆頭牙齒可以更好的切削井底，并把鉆屑帶離井底，這樣對清洗井底和提高機械鉆速都有好處。一個對氣體鉆井的評價顯示：在同樣的地層鉆進，欠平衡鉆井的鉆速可以達到普通泥漿鉆井的10倍以上。氣體和空氣鉆井，36m/h的機械鉆速很容易達到。2、減少漏失當鉆井液鉆遇天然裂縫地層或滲透性強的巖石體時，由于井眼壓力過高，鉆井液就會進入地層，引起漏失，并且這種過高的壓力會在壓力衰竭儲層產(chǎn)生裂縫而引起漏失。用傳統(tǒng)的方式鉆井，因為漏失引起的經(jīng)濟損失是非常嚴重的。欠平衡鉆井是減少天然裂縫儲層和壓力衰竭儲層鉆井漏失的一種有效有段。3、延長鉆頭壽命欠平衡鉆井的鉆頭壽命通常大于過平衡鉆井時的鉆頭使用壽命，原理在于鉆井液引起的過平衡壓力會增加巖石的抗壓強度。欠平衡鉆井不存在過平衡鉆井中的鉆井液施加在巖石上的壓持效應，因此，在欠平衡鉆井中巖石更容易被鉆頭破碎。另外，沒有壓持效應，鉆屑更容易被鉆井液帶離井底，減少了鉆頭對巖屑的重復破碎。3、粘卡的發(fā)生與過平衡鉆井中在滲透性地層的泥餅有關。當設備的載荷不能將井眼內(nèi)的鉆具或設備起出時，就認為發(fā)生了粘卡。欠平衡鉆井過程中沒有泥餅的形成，所以也不存在粘卡的事故。4、提高地層的評價效果通過直接觀測、檢測返出的鉆井液，欠平衡鉆井提供了一種及時檢測發(fā)現(xiàn)油氣儲層的方法，如果采用過平衡鉆井這些儲層就有可能被錯過。因為快速返出的鉆井流體中含有巖屑和儲層流體，所以欠平衡鉆井過程中就更容易精確辨別一定井深處的油氣儲層。另外，由于采用了欠平衡技術，減少了鉆井流體侵入地層，提高了裸眼井段的測井解釋效果和不穩(wěn)定試井測試的效果。5、減少地層損害過平衡鉆井過程中，鉆井流體容易進入滲透性地層對其造成損害。鉆井液的侵入會改變巖石的潤濕性，降低巖石的滲透性，堵塞地層孔隙。而欠平衡井則可以在很大程度上消除這種堵塞效應，油氣更容易流入井眼內(nèi)。6、更早的油氣產(chǎn)出通過使用合適的地面設備，在欠平衡鉆井過程中，一打開儲層就可以采收油氣。當繼續(xù)鉆進打開更多的油層時，油氣就可以收集起來，有可能足夠支付欠平衡鉆井階段的費用。7、環(huán)境保護空氣和氣體鉆井消除了鉆井過程中和完井后鉆井液對環(huán)境的潛在污染。霧化和泡沫鉆井中用到的化學處理劑是可生物降解，對環(huán)境友好的，它們不會帶來太大的環(huán)境問題?！?.2泥漿脈沖式MWD應用局限性國內(nèi)占主導地位的泥漿脈沖MWD系統(tǒng)采用水力信息通道來傳送井下參數(shù)。水力通訊通道指由井口經(jīng)過輸送鉆井液的鉆桿柱至井底的整個管路組成的一個封閉體系。泥漿泵往井內(nèi)壓送鉆井液，供給井底動力機，冷卻并潤滑鉆頭，并沿管外空間攜帶鉆出的巖屑返回泥漿池，鉆井液在泥漿池中被過濾，沿著高壓軟管，再送入鉆桿柱中，從而形成鉆井液的循環(huán)路徑。2.2.1泥漿脈沖式MWD工作原理泥漿脈沖式MWD的井底信息借助水力通道以壓力脈沖的形式傳輸，信號傳播的載體是鉆井液。其工作原理如圖2-1：井下儀器由井底渦輪發(fā)電機借助泥漿流發(fā)電或電池組供電；井內(nèi)的傳感器將井內(nèi)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號，經(jīng)過井內(nèi)MWD組件信號處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這些數(shù)字信號被送到信號發(fā)射器，經(jīng)編碼、壓縮等處理后，控制井內(nèi)儀器閥門的開閉產(chǎn)生的斷續(xù)或連續(xù)泥漿壓力脈沖信號；壓力脈沖信號通過水力通道被傳送到達地表，由MWD接收器（壓力傳感器）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺俳?jīng)過地面處理軟件解碼、濾波后得到所需的測量數(shù)據(jù)[32、45]。圖2-1泥漿脈沖式MWD水力通道泥漿脈沖式MWD的脈沖發(fā)生器是井下信號傳輸?shù)摹靶呐K”，是進行信號發(fā)送的關鍵部件。按照脈沖產(chǎn)生的原理共分為3類，即負脈沖發(fā)生器、正脈沖發(fā)生器和連續(xù)波脈沖發(fā)生器。2.2.2含氣量對泥漿脈沖信號傳輸速度的影響在泥漿脈沖式MWD系統(tǒng)中，信號的傳輸速度是一個基本參數(shù)。鉆井液可以認為是由氣、液、固三相組成的流體。鉆井液的組成對泥漿脈沖信號的傳播速度產(chǎn)生了一定的影響。漿體在管道中的流動通常分為偽均質(zhì)流和非均質(zhì)流。偽均質(zhì)流的固體顆粒較細，在液體中充分懸浮、濃度分布較均勻、固體顆粒的流速與液體的流速基本一致，當流速突變時，固、液相的流速基本上一致變化。非均質(zhì)流則不同，在定常流動時，固體顆粒的流速滯后于液體的流速，當流速突變時，由于固體顆粒的慣性較大，所以其流速的變化會滯后于液體。鉆井液屬于偽均質(zhì)流，并且含氣量通常很小，氣、液、固三相的流速基本一致，所以可按單向流來處理，應用非定常流動理論，由連續(xù)方程可以推導出鉆井液脈沖傳輸速度的計算公式[45～46]：（2-1）式中：a—鉆井液脈沖的傳輸速度，m/s；D—管道內(nèi)徑，m；e—管道壁厚，m；ρl—液體的密度，kg／m3；ρg—氣體的密度，kg/m3；ρs—固體的密度，kg/m3；βg—體積含氣率，m3/m3；圖2-2泥漿含氣量的影響βs—固體的體積濃度，m3/m3；圖2-2泥漿含氣量的影響E一管材的彈性模數(shù)，Pa；Kl—液體的體積彈性模數(shù)，Pa；Kg—氣體的體積彈性模數(shù)，Pa；Ks—固體的體積彈性模數(shù)，Pa；Ψ—影響因子，它與管道特性及支承情況有關。在上式中，對于正脈沖信號，取“＋”號，對于負脈沖信號，取“－”號。在常規(guī)的石油鉆井條件下，除管道特性、管道的支承情況以及有限的脈沖類型外，其它參數(shù)都有可能在較大的范圍內(nèi)發(fā)生變化。實例研究表明，鉆井液脈沖的傳輸速度對含氣量較敏感，隨著含氣量的增加，傳輸速度急速下降，如圖2-2。2.2.3泥漿脈沖式MWD在欠平衡井中的不適應性由前述分析可知，泥漿脈沖的產(chǎn)生首先需要連續(xù)的流體對脈沖閥進行驅(qū)動，而欠平衡鉆井常采用充氣泥漿、泡沫、空氣等鉆井介質(zhì)，他們對脈沖閥的驅(qū)動是非常不利的；并且由于泥漿脈沖信號對含氣量相當敏感，在這些含氣可壓縮的流體中，脈沖信號不僅速度急劇下降而且信號會嚴重失真。因此目前欠平衡技術與定向井技術是個矛盾體，國外在采用欠平衡鉆井技術鉆定向井、水平井、大位移井時，獲得井眼軌跡參數(shù)方法有四個：一是，電磁波式MWD；二是，有線隨鉆測斜儀；三是，使用帶蒙乃爾傳感器的單點測斜儀；四是，空氣鉆井系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是一種筒式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它使用一種特制的加固導向馬達，可在地表連續(xù)讀出井斜、方位角以及工具面向角，數(shù)據(jù)傳輸通道是一根從井口穿過方鉆桿、鉆桿再連接到導向馬達的電纜，導向馬達上傳的數(shù)據(jù)，經(jīng)地面計算機處理后轉(zhuǎn)換成可讀信息，利用這些信息對馬達方位做必要的調(diào)整以鉆達預期的靶區(qū)。而國內(nèi)在采用欠平衡鉆井技術鉆定向井、水平井、大位移井時，獲得井眼軌跡參數(shù)方法有兩個：一是，必須停鉆采用電子單點、多點測斜儀；二是，采用有纜式隨鉆測斜儀；這兩種方法費時費力限制了國內(nèi)欠平衡鉆井技術在定向井、水平井中的應用。并且，欠平衡鉆井與常規(guī)泥漿鉆井相比，由于前者是負壓鉆井，風險性更大,就更需要實時監(jiān)測井內(nèi)狀況。泥漿脈沖式MWD在欠平衡井中的不適應性將人們的希望寄托于對鉆井液要求不嚴格的電磁波式MWD上，筆者在后續(xù)章節(jié)詳細介紹電磁波式MWD。第三章電磁波式MWD理論§3.1電磁波式MWD的工作原理鉆進過程中，鉆桿、裸露的井壁和它們之間的空間以及周圍的地層組成了電磁波式MWD的電磁波傳輸通道。它是一個開放式的通道，電磁波在發(fā)射源處向周圍的無限空間輻射，隨著信號的吸收、衰減逐漸減弱、消失。由于傳輸通道介質(zhì)的非均勻性等因素的影響，電磁波的傳播是有方向性的。電磁波式MWD工作原理（如圖3-1）：井內(nèi)儀器由井底渦輪發(fā)電機借助泥漿流發(fā)電或直接使用電池供電；井內(nèi)的傳感器將井內(nèi)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號，經(jīng)過井內(nèi)MWD組件信號處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；這些數(shù)字信號被送到中央處理器（CPU），經(jīng)編碼、壓縮等處理后，由電磁波發(fā)射器發(fā)射出去；電磁波沿著電磁波傳輸通道傳播到地表，通過距離井口一定距離插入地下的專用天線接收電磁波信號；監(jiān)測專用天線和鉆桿之間的電壓就可以得到井內(nèi)傳輸?shù)挠杏眯盘?，信號?jīng)過解碼、濾波等計算機處理得到井內(nèi)測量數(shù)據(jù)。圖3-1電磁波式MWD工作原理示意圖由于地層的非均勻性，電磁波傳播過程中會存在反射、衍射等現(xiàn)象，從而導致多個電磁波先后到達地表，那么在任一點都會產(chǎn)生相位、幅值等的疊加，專用天線上接收的就是電磁波信號經(jīng)過電磁場在此點疊加后的信號波。圖3-1電磁波式MWD工作原理示意圖電磁波式MWD的信號發(fā)射裝置類似于在井底安裝了一個低頻電磁波發(fā)射天線。利用接近鉆頭的特制鉆桿，實現(xiàn)井下電磁激勵，首先必須考慮在鉆井條件下可實現(xiàn)的激勵方式，其次必須研究此種信道的最佳傳輸模式。由于鉆井空間狹小，且只能利用轉(zhuǎn)動的鉆桿作為結構上的支撐，因此，實際可行的只有垂直電天線（沿鉆桿的軸向電流）和垂直磁天線（繞鉆桿的水平電流環(huán)激勵沿鉆桿方向的磁場）兩種激勵方式，相應地激勵起電型（TM）和磁型（TE）場。求解這兩種場沿導電圓柱傳播的模方程，結果表明：對應TE波的軸向磁流其衰減率較TM波的軸向電流高3～4個數(shù)量級。因此，最合適的井下激勵方式為激勵沿鉆桿引導的軸向電流。圖3-2實現(xiàn)雙極電磁激勵的方法示意圖美國EM-MWD在欠平衡井應用激勵軸向電流最簡單而有效的方法就是使特制的鉆桿成為用絕緣接頭連接的兩段結構，由鉆桿內(nèi)激勵器輸出的電壓通過密封接頭饋于兩段，形成一種類似雙極天線的地下非對稱雙極激勵裝置（如圖3-2a）。此方案的一個根本缺陷是其結構強度上可靠性差。在保持鉆桿結構完整的條件下，實現(xiàn)軸向電流激勵的一種方法是繞鉆桿安裝水平磁流環(huán)（如圖3-2b）。但是，即使用高磁導率磁芯，對于所用的超低頻段，要形成足夠強度的磁流也需要有大量的線圈匝數(shù)，這樣做不但磁流環(huán)體積不能適應鉆井中間安裝要求，同時線圈的歐姆損耗也將對源電流施以嚴重限制。另一種不需要截斷鉆桿而實現(xiàn)類似于非對稱雙極電壓激勵的方法是穿孔外接金屬環(huán)套激勵裝置，即將桿內(nèi)激勵器一端接至桿內(nèi)壁，另一端通過外壁上的絕緣小孔K圖3-2實現(xiàn)雙極電磁激勵的方法示意圖美國EM-MWD在欠平衡井應用在導電地層中的裸導體鉆桿上，激發(fā)超低頻段的軸向電流，地層中將出現(xiàn)很強的傳導性泄漏電流，鉆桿的引導作用將受到地層導電性和鉆桿本身電阻率的影響；特別是在電阻率為幾·m以下的地層中，傳輸深度將受到地層損耗的嚴重限制。鉆桿上軸向電流的大小及其分布，主要取決于地層電阻率垂直剖面特性、激勵器功率容量、激勵方式與激勵裝置及其與地層信道的匹配情況。在地面井口附近電極所測電位信息，將是鉆桿引導至地表層的電流所建立的電位場與鉆桿上電流輻射場的疊加。由于地下輻射場受地層衰減較大，地面電極所測電位主要是前者的貢獻。在地層電特性為均勻分布的情況下，鉆桿電流建立的電位場，是以井口為中心的同心圓，電位梯度沿射徑取向，愈近井口梯度愈大。因此，從激勵原理上講，本信道的物理模型類似于地球物理勘探所用交流電極法的情況，主要差別在于電極形式與幾何布局比較特殊，特別是作為發(fā)射極之一的上段鉆桿，其長度有可能達到半個甚至一個地下波長以上。如果考慮其上的電流引導與分布情況，問題更復雜?！?.2電磁波式MWD通信的等效線傳輸法在隨鉆電磁波傳輸通道的理論分析方面，有兩種方法：一是基于“路”概念的等效傳輸線法，另一是求解場方程的邊值問題。場與路在本質(zhì)上是—致的，但其應用的有效與簡便程度，視具體情況不同而異。對于隨鉆電磁傳輸信道，由于井下激勵裝置的邊界條件復雜，而關心的又是超低頻近場，嚴格求解場方程困難較大?？紤]到上面所述信道物理模型的分析，此種地下超低頻近場信道具有比較顯著的“電路”特點，因而采用近似的等效傳輸線法有可能較容易地獲得簡單而實用的結果[41～42]。等效傳輸線模型中，電流密度線設為垂直于鉆柱軸沿徑向方向至假想同軸外導體的直線族。為了更接近于實際情況，并能考慮井下激勵裝置有關結構參數(shù)的影響（如鉆桿外絕緣層長度l1，l2，下段裸導體長度△h，以及外層導電環(huán)套長度a，如圖3-3），我們采用圖中所示的電流密度線等效模型。圖中弧線表示鉆桿裸露部分和饋電孔處外層導電環(huán)套間通過地層泄漏的電流密度線。這里的導電環(huán)套相當于原等效同軸線模型中的外導體柱，它將所有電流密度線“扭曲”成圖示的情況。在均勻地層下，從鉆桿z處發(fā)出的這些電流密度線可近似地假設具有以z／2點為中心并以|z／2|為半徑的球形分布。根據(jù)這樣的機理可求出傳輸線單位長度上的串聯(lián)電阻、電感和并聯(lián)電容、電導分別為[41～42]圖3-3等效模型電流示意圖圖圖3-3等效模型電流示意圖圖（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）式（3-1）至式（3-4）中：ρs—鉆桿電阻率；τ—鉆桿的壁厚；b1—鉆桿的外半徑；εr—地層的相對介電常數(shù)；ρ—地層的電阻率；ε0—真空中的介電常數(shù)；μ0—真空中的磁導率。上面所得L1，C1，g1表示式，它們與載流鉆桿單元離源點的距離（即與z軸）有關，從物理概念上更為合理。本問題屬于非均勻傳輸線，其電流與電壓分布應滿足一階變系數(shù)聯(lián)立方程組（3-5）其中單位長度的導納與阻抗分別為（3-6）在—般情況下方程（3-5）難以獲得解析解。由于本情況下Z1（z）和Y1（z）變化緩慢，通過具體的數(shù)值計算，其電流與電壓分布仍很接近常系數(shù)方程時的指數(shù)規(guī)律。同時，基于實測結果，可設鉆桿在井口為終端開路情況。于是鉆桿上的電流與電壓分布可近似地由下列公式給出：（3-7）其中，I1為激勵源上部鉆桿的電流（如圖3-3），（3-8）現(xiàn)在我們來推導地面電極檢測電壓的計算公式。在距離井口d的位置上，設一埋地電極，當這個距離遠遠小于源到地面的深度h時，即滿足條件d<<h時，井口套管與埋地電極間的電位差為（3-9）其中（3-10）這里VT是激勵電壓，I0是激勵電流，Zi1和Zi2分別為激勵點上、下鉆桿的輸入阻抗（如圖3-3），其大小分別為（3-11）§3.3影響電磁波傳輸?shù)闹饕蛩赜捎诘貙?、鉆井液等的性質(zhì)和鉆井的結構不盡相同，電磁波傳輸通道就越顯得復雜。影響電磁波傳輸?shù)闹饕蛩赜校恒@桿的引導作用、激勵源頻率（即信號發(fā)射頻率）、地層電阻率、發(fā)射天線參數(shù)和表層金屬套管的影響。在上世紀末，我國對MWD電磁波傳輸通道進行了系統(tǒng)的研究，并做了大量的試驗。在實測與計算中，采用的特制鉆桿天線參數(shù)為：l1=7m，l2=2.5m，a=4m，△h=0.5m，取地面電極間距d=100m（參見圖3-3），鉆桿、金屬套管和鋼纜單位長度上的電阻分別為7×10－5/m，3.5×10－5/m，5×10－3/m。另外，除理論計算值與實測值比較時，取VT為實際值外，其余均假定VT=1V。下面利用我國MWD電磁波傳輸通道項目研究的理論計算和實測數(shù)據(jù)[41～42、47～48]進行對比來說明各因素對電磁波傳播的影響：1、鉆桿的引導作用圖3-4給出了鉆桿和鋼纜引導下，地面檢測電壓隨源深度衰減的理論曲線。圖中，縱坐標表示地面檢測電壓分貝值，即Vrec（dBV）=20log[Vrec（d）]，橫坐標表示激勵源的深度（以下各圖若無特別說明，其坐標含意均與此相同）。圖3-5給出了鉆桿和鋼纜引導下，地面檢測電壓的理論曲線和實測值。由此可見，鉆桿比鋼纜具有更強的引導作用，即鉆桿截面大小對信道衰減具有關鍵作用。2、激勵源頻率和地層電阻率的影響由衰減常數(shù)的表達式3-6可知，鋼纜引導時，電阻部分比電抗部分大得多，電抗部分作用很小，故地面電壓與激勵源的工作頻率關系不大。在鉆桿引導情況下，電阻與電抗比較接近，地面電壓與激勵源的工作頻率關系較大。圖3-6給出了鉆桿引導時，地面檢測電壓與激勵源工作頻率間的關系?？梢?，當頻率升高時，地面電壓隨源深度的衰減變快。圖3-4地面電壓與鉆柱電阻率的關系曲線族A：鋼纜結果r1=5×10-3/m；曲線族B：鉆桿結果r1=5×10-5/m圖3-5鉆桿和鋼纜引導作用比較（三角和圓符號表示實測值，虛線和實線表示理論值）圖3-6地面電壓與工作頻率的關系曲線族A：ρ＝2·m；曲線族B：ρ＝20·m；地層電阻率對地面檢測信號的影響主要表現(xiàn)在g1（z）項上。由3-6式可知，當激勵源工作頻率比較高時，低電阻率地層是限制信號最大可測深度的重要因素。圖3-7是考慮地質(zhì)分層時的理論計算結果。圖3-7地面電壓與地層電阻率的關系3、特制鉆桿天線參數(shù)與激勵電流的關系特制鉆桿天線參數(shù)尺寸變化對地面檢測電壓的影響，主要表現(xiàn)在a與l1對I1的影響上。圖3-8是10m與18m兩種鉆桿天線情況下的實測值與理論值的比較。10m與18m鉆桿天線有關參數(shù)分別為：l1=7m，l2=2.5m，a=4m，△h=0.5m和l1=13m，l2=4m，a=8m，△h=1m。4、表層金屬套管的影響金屬套管對傳輸信道的影響，要比其他因素的影響復雜得多?，F(xiàn)分兩種情況進行分析：一種是當激勵源位于金屬套管內(nèi)時，鉆桿上的電流I1和I2都出現(xiàn)兩條通道：一條是接近激勵源靠近絕緣段兩端的鉆桿電流被金屬套管所短路；另一條是沿鉆桿耦合至金屬套管，然后泄漏到地層空間。另一種是當激勵源出金屬套管以后，由于短路效應的消失，激勵電流I0分兩路進入大地：一路是經(jīng)上部鉆桿及金屬套管流入大地，然后回到電源的負極；另一路則由下部鉆桿流入大地，然后再回到電源的負極。經(jīng)過具體的數(shù)值計算和實際測量結果比較（如圖3-9），結果表明：由于金屬套管單位長度上的電阻小于實際鉆桿單位長度上的電阻，故激勵源在金屬套管內(nèi)時，地面檢測電壓的衰減率要比無金屬套管時地面電壓的衰減率慢；激勵源出套管后，地面檢測電壓隨源深度的衰減與無金屬套管情況下的衰減規(guī)律相類似。當激勵源處在金屬套管內(nèi)時，由于在源處的短路效應，地面檢測電壓要低于無金屬套管時的情況；源出金屬套管后，短路效應迅速解除，地面檢測電壓出現(xiàn)躍變現(xiàn)象，躍變的幅度與金屬套管的長度及其單位長度上的電阻率有關。圖3-8特制鉆桿天線參數(shù)不同的比較（三角和圓符號表示實測值，虛線和實線表示理論值）圖3-9金屬套管對激勵源和激勵信號的影響（圓符號表示實測值，虛線和實線表示理論值）環(huán)空鉆井介質(zhì)的影響。國內(nèi)外的學者在研究影響電磁波傳輸時沒有考慮到環(huán)空介質(zhì)對電磁波的的影響，如果考慮環(huán)空鉆井介質(zhì)的影響需要對式（3-11）進行修正，設環(huán)空介質(zhì)的電阻率為，那么環(huán)空介質(zhì)將相當于與地層形成串連電阻，可得到下式（3-12）此時，、會變大，導致圖3-3所示電路中的電流減小。第四章泡沫及其電導率研究§4.1泡沫流體理論4.1.1低密度流體及其分類泡沫流體是屬于低密度流體的一種類型。低密度流體是指那些密度小于1.0g/cm3的鉆井流體。低密度鉆井流體分為水基、氣基和油基三種。在實際工作中由于很少使用油基流體，因此，常說的低密度鉆進流體主要是指空氣、霧、穩(wěn)定泡沫、膠質(zhì)泡沫、充氣泥漿和充氣水等。在低密度鉆進流體中硬膠泡沫、穩(wěn)定泡沫、霧、空氣叫做氣基鉆進流體。氣基鉆進流體的一個共同特征是密度低，已破碎下來的巖屑易于從孔底清除，因此，采用氣基鉆進流體洗井機械鉆速會比較高。根據(jù)A.C.希龍佐夫的觀點，氣基鉆進流體的使用范圍取決于巖層的穩(wěn)定狀態(tài)和孔內(nèi)含水特征，各種氣基鉆進流體的使用范圍如圖4-1。圖4-1氣基鉆進流體使用范圍上述不同類型的氣基介質(zhì)因氣液比值不同，所含的相數(shù)也不同，各自的特征及攜帶巖屑的能力也不同。在實際使用時所要求的氣液混合流體的上返速度、適應的地質(zhì)條件、消耗功率的大小自然也不相同。4.1.2泡沫流體優(yōu)點[49]由前述可知，泡沫流體是氣體型鉆井液的一種，它由于密度低，具有流體靜壓力低，能形成緊密的氣泡結構兩個突出特點，因此，在鉆井中使用具有很多優(yōu)點：1、對巖心巖屑污染輕，有利于巖心分析和地層分析；2、粘度和切力高，攜帶巖屑的清洗井眼能力強；3、鉆頭壽命長，機械鉆速快；4、密度低，具有防漏和消除漏失的能力；5、耐溫隔熱能力強，高溫狀態(tài)下性能穩(wěn)定；6、可實現(xiàn)負壓狀態(tài)下鉆進，保護低壓油氣層。由于具有這些優(yōu)點，泡沫流體適用于以下情況：1、有效地防止漏失；2、鉆進堅硬的地層；3、嚴重缺水地區(qū)；4、地熱井及永凍地區(qū)；5、保護油氣層，尤其是低壓油氣層。對于泡沫流體的使用，由于各行各業(yè)用途不同，分類也有不同（見表4-1）[49]。就鉆探（井）工業(yè)范圍來看，泡沫流體主要分為硬膠泡沫和穩(wěn)定泡沫。硬膠泡沫是由氣體、粘土、穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑配成的分散體系。主要區(qū)別在于前者含有膨潤土。硬膠泡沫用于需要泡沫壽命長，攜屑能力強的場所。例如：解決大直徑鉆井攜帶鉆屑和清洗井底作用或防漏堵水等問題，成本較低。但它對電解質(zhì)、油田的污染敏感，一般不宜在油氣層作業(yè)應用。而穩(wěn)定泡沫則與各類電解質(zhì)、原油及鉆井過程的污染配伍，且能處理地層水，據(jù)美國空氣鉆井公司介紹，在10m3/h的出水情況用泡沫流體鉆井不會發(fā)生復雜問題，對鉆低壓易滲漏的地層特別有效。是目前較廣泛應用的泡沫流體。4.1.3泡沫流體組成氣相用于鉆探（井）工業(yè)的泡沫流體，其氣相多為空氣、天然氣、氮氣以及二氧化碳。由于空氣和天然氣存在易燃、易爆等不安全因素，應盡量避免用于油、氣層生產(chǎn)作業(yè)。此時，一般多采用氮氣或二氧化碳作為氣相。液相在泡沫流體鉆井液中基本上可分作為水基、醇基、烴基和酸基。1、水基淡水、地層水或鹽水均可用來配制泡沫，國外一些學者用地層水來配制泡沫，其發(fā)泡沫體積能力低于淡水配制的泡沫，地層水或鹽水配制的泡沫有助于防止地層粘土膨脹。因此，水基泡沫液相中常加入氯化鉀或有機抵制劑，羥基鋁或陽離子粘土穩(wěn)定劑。為了降低濾失量增加泡沫穩(wěn)定性，基液中常加入各種增粘劑。水基泡沫配制方便，價格便宜，并且與線性或交聯(lián)凝膠劑配合易形成穩(wěn)定的泡沫，除了水敏性特強的地層外，一般均可廣泛使用。2、醇基由于醇基表面張力強，易于揮發(fā)等特點，使醇基泡沫適用于極易水鎖及強水敏性地層，有利于保護油氣層。但此類泡沫基液易燃，成本很高，施工不安全不方便，攜巖能力差，且不適宜應在含瀝青、石蠟的油氣井中應用，因為在這些井中易形成固體沉淀，堵塞油層。表4-1泡沫鉆進技術的應用情況序號應用生產(chǎn)環(huán)節(jié)適用范圍優(yōu)越性效果1泡沫流體鉆井1）低壓中低滲透層2）堅硬地層3）缺水地區(qū)4）永凍地區(qū)（-30～-80℃）1）負壓鉆開儲層，保護油氣層2）鉆速快\鉆頭壽命長3）含液量少，適合各種特殊需要1）鉆速提高3～4倍2）某區(qū)試驗2口泡沫井，產(chǎn)量占全區(qū)24口井產(chǎn)量的69%2泡沫水泥固井1）易漏低壓力梯度地區(qū)2）熱采注蒸汽井油田3）氣層活躍的油井1）可保持水泥漿1.2～1.3g/cm3密度2）隔熱保溫效果好3）可防止氣竄，保證固井質(zhì)量國外實施注水泥成功率達88%～100%3泡沫礫石充填1）低壓易漏儲層2）水敏性強的儲層3）松散易破碎儲層1）礫石充填系數(shù)高，充填結實2）充填后孔隙度\滲透率高3）不堵塞篩管及裂隙4）可防漏及儲層中防粘土水化充填效果良好4泡沫試油中低壓中低滲油氣層1）濾失量低，靜流體柱壓力低2）對射孔炮眼及井底清洗效果好3）降壓后氣泡膨脹排液迅速前蘇聯(lián)進行大量試驗，多數(shù)井用泡沫試油后產(chǎn)量提高5～15t5泡沫洗井修井1）井底積水，油層含水率30%～60%2）儲層被堵塞，井眼不干凈1）泡沫體系可替出井筒積水形成自噴2）泡沫清洗和攜巖能力均強前蘇聯(lián)33口井試驗，增產(chǎn)4487.8t。美國試驗井復活，修井后獲得巨大效益6泡沫酸化可廣泛用于適宜酸化的儲層1）穿透能力強（體積大、濾失量大）2）緩速效果好3）易返排，可保護產(chǎn)層4）減輕腐蝕用泡沫酸化儲層一般增產(chǎn)5～16倍7泡沫壓裂1）水敏性中低滲透性儲層2）低滲透致密砂層1）造縫面積大（高粘、低濾失、低摩阻）2）裂縫導流能力大（懸砂能力強）3）返排迅速徹底產(chǎn)量一般增加4～10倍，個別井增產(chǎn)100倍8泡沫注蒸汽適用于稠油開采1）可降低蒸汽流動度2）泡沫粘度高，可控制蒸汽方向3）隔熱保溫效果好，可使熱能充分利用試用效果良好9泡沫驅(qū)提高采收率中低滲透油藏及枯竭油氣藏驅(qū)油前緣均勻推進國外試用均有效果3、烴基烴基泡沫基液可以是原油或經(jīng)加工后的柴油、煤油或凝析油。原油價格低廉，但含有石蠟、瀝青，且不易形成穩(wěn)定泡沫。煉制油與氨氣容易形成穩(wěn)定泡沫，但成本高，易著火，不安全，施工條件比較苛刻。烴基泡沫一般不宜用于天然氣井，因為其可能改變巖層的潤濕性和相對滲透率。4、酸基一般有機酸、無機酸以及它們的混合物均可形成泡沫酸。一般常用鹽酸、氫氟酸、甲酸、醋酸以及它們的混合酸作為基液。對基液可以加增粘劑有助于泡沫的穩(wěn)定。泡沫酸可用于含鈣質(zhì)砂巖或灰?guī)r。目前國內(nèi)研制的泡沫基本上是水基泡沫，也曾經(jīng)在四川油氣田采用過酸基泡沫。發(fā)泡劑對發(fā)泡劑的要求如下：1、起泡性能好，泡沫基液與氣體接觸后可產(chǎn)生大量泡沫，即泡沫體積膨脹倍數(shù)高；2、泡沫穩(wěn)定性強，即使在較長時間的泵送剪切條件下，仍能保持泡沫的穩(wěn)定性；3、抗污染能力強，與儲層巖石，液體及修井壓