一種新型近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、一種新型近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)摘 要：隨著油田開發(fā)進入后期，開發(fā)油層越來越薄，難度逐漸增加。為了在薄油層中保持較高的油層鉆遇率，采用近鉆頭隨鉆儀器是十分必要的。本文介紹一種新型近鉆頭隨鉆儀器，采用井下無線短傳技術(shù)將近鉆頭數(shù)據(jù)短傳到螺桿上方的常規(guī)隨鉆LWD，通過泥漿脈沖器將數(shù)據(jù)實時發(fā)送地面。主要功能包括近鉆頭井斜測量、近鉆頭電阻率測量、以及方位伽馬成像等。關(guān)鍵字：近鉆頭，短傳通信，電阻率一、 近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)的意義隨著油田開發(fā)進入后期，開采油層越來越薄，常規(guī)隨鉆測井系統(tǒng)LWD由于測量地層數(shù)據(jù)測點距離井底有10-15m的零長，不能滿足超薄油層鉆井技術(shù)服務(wù)需求，只有采用測量參數(shù)零長很短的近

2、鉆頭隨鉆測量儀器才能有效的提高超薄油層鉆遇率1。目前三大石油公司都有自己的近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)，而我國目前還沒有自己的近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)，研制自己的近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)不僅可以滿足超薄油層水平井鉆井的技術(shù)需要還可以提高我國石油工程技術(shù)服務(wù)企業(yè)在國際石油市場上的競爭力。近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)是超薄油層水平井鉆井必不可少的鉆井利器。二、 近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)的實現(xiàn)下圖是近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)總體框圖，主要包括常規(guī)隨鉆測井系統(tǒng)LWD、近鉆頭接收短節(jié)、近鉆頭測量儀。圖1 近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)總體框圖左邊是常規(guī)LWD，中間是鉆井螺桿，右面部分是近鉆頭測量工具。近鉆頭測量儀通過無線短傳，將近鉆頭的測量數(shù)據(jù)跨越螺桿傳輸?shù)絃

3、WD模塊中，然后通過泥漿脈沖編碼的傳送到地面。近鉆頭隨鉆儀器安裝在常規(guī)LWD的通訊短節(jié)中，這樣可以不增加傳統(tǒng)LWD長度的同時實現(xiàn)與近鉆頭測量儀器的通信功能。近鉆頭測量儀，長1m，扣型431430，內(nèi)徑44.5mm，外徑178mm。主要由短傳通信模塊、方位伽馬模塊、井斜工具面模塊、電阻率測量模塊及供電系統(tǒng)組成。圖2為近鉆頭測量儀組成結(jié)構(gòu)框圖。圖2 系統(tǒng)功能模塊電阻率測井儀器采用單發(fā)單收的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計，屬原創(chuàng)性的設(shè)計結(jié)構(gòu)，該技術(shù)實現(xiàn)了近鉆頭不同深度的地層電阻率的測量。近鉆頭伽馬測井儀為方位伽馬成像測井儀，在鉆井過程中，不但能夠?qū)崟r判斷地層巖性，還能夠分辨上下界面巖性特征。近鉆頭測量儀采用電池供電方

4、式，2節(jié)10AH高溫鋰電池串聯(lián)，單節(jié)電池供電電壓為14.4V，儀器工作電壓為28.8V，預(yù)計井下工作時間為200h。2.1. 電源控制模塊近鉆頭測量儀的主控部分由電池和控制電池的電路板兩部分組成。系統(tǒng)采用鋰電池供電方式，兩個特殊設(shè)計的高溫鋰電池懸掛在近鉆頭測量儀無磁外殼內(nèi)壁，總電池容量為10AH，能夠在井下工作150h以上。該鋰電池能夠在140MPA和155的環(huán)境下正常工作，能滿足高溫高壓井的作業(yè)需求。近鉆頭測量儀有四種工作模式：正常工作模式、調(diào)試模式、休眠模式、深度休眠模式。默認(rèn)情況下近鉆頭測量儀處于深度休眠模式，下井前可以通過喚醒工具將儀器設(shè)置成調(diào)試模式或者正常工作模式，當(dāng)儀器沒有振動時3

5、0秒自動進入休眠模式，當(dāng)有振動時自動恢復(fù)到正常工作模式，儀器起出后可以通過喚醒工具將儀器設(shè)置成深度休眠模式。圖3為近鉆頭測量儀工作模式轉(zhuǎn)換框圖。圖3 近鉆頭測量儀工作模式2.短傳通信模塊信號的傳輸是隨鉆測井系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨鉆測井系統(tǒng)的信號傳輸方式主要有電磁波和泥漿脈沖2種，電磁波在傳輸時，受地層的影響信號強度會被嚴(yán)重衰減，只能以較低的頻率發(fā)送信號，因此國內(nèi)應(yīng)用不多；利用泥漿脈沖進行信息傳輸，可靠性較好，距離傳輸遠，更符合鉆井施工的實際需求，泥漿脈沖信號傳輸系統(tǒng)主要由井下的定向測量儀、脈沖發(fā)生器和地面的壓力傳感器、地面處理器等部分組成。井下儀器工作時，由隨鉆測井系統(tǒng)測得井斜、方位、工具面等

6、工程信息，以及地層電阻率、自然伽馬等地質(zhì)參數(shù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，信號傳至定向測量儀的數(shù)據(jù)控制器單元進行編碼，定向測量儀根據(jù)調(diào)制后的編碼信號，控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生動作，使鉆柱內(nèi)的泥漿壓力發(fā)生相應(yīng)的變化。立管處的壓力傳感器測量至這些壓力變化，從而獲取原始泥漿脈沖信號，再由地面處理器負責(zé)信號的采集和前端處理，最后傳送至地面主機由地面軟件系統(tǒng)進行隨鉆參數(shù)的計算，并實時顯示?？梢钥闯?，隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)的編碼是隨鉆測井系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對數(shù)據(jù)的傳輸速度和傳輸效率有很重要的影響。因此，研究出一套高效的脈沖信號編碼技術(shù)具有十分關(guān)鍵和重要的意義。圖4 隨鉆測量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)是在常規(guī)LWD隨鉆測井系

7、統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制長度為1m的近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向模塊，該測量模塊安裝在螺桿下方，通過其上短傳發(fā)射天線與LWD隨鉆測井系統(tǒng)的短傳接收天線進行通訊。數(shù)據(jù)短傳天線采用10kHZ頻率作為中心頻率進行調(diào)制解調(diào)信號，近鉆頭主控發(fā)出指令控制發(fā)射天線通電，金屬管壁會產(chǎn)生電流，接收天線接收管壁上的電流解調(diào)信號。圖5 短傳通信系統(tǒng)圖6是在實驗室制造的短傳天線系統(tǒng)，將發(fā)射天線和接收天線固定到9m長金屬桿兩端，進行模擬測試。 圖6短傳天線系統(tǒng) 3方位伽馬成像模塊伽馬傳感器由三部分組成，閃爍晶體、光電倍增管（PMT）和激勵電子測量裝置。圖7 伽馬測井儀原理圖當(dāng)伽馬射線通過地層向晶體內(nèi)部發(fā)射時，晶體將它的能量傳給串聯(lián)的次級電子，

8、它最終被介質(zhì)原子核捕獲。由于電子被捕獲，所以發(fā)射可見光或接近的可見光。這被稱作閃爍。然后，明亮的閃光被與晶體聯(lián)結(jié)的光電倍增管檢測到，并轉(zhuǎn)化為電脈沖。光電倍增管探測到來自晶體的可見光，并發(fā)射出兩個次級電子。最終的伽馬射線累加結(jié)果產(chǎn)生一個很強的信號，它被計數(shù)器讀取。自然伽馬測量儀在國內(nèi)外是比較成熟技術(shù)。近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)集成了高端美國進口伽馬傳感器，將伽馬傳感器偏心安裝，傳感器背面用特殊材料屏蔽，采用伽馬控制板與伽馬傳感器通訊，測量方位自然伽馬數(shù)據(jù)，然后通過短傳天線與常規(guī)LWD接收電路通信。圖8為方位伽馬成像原理框圖。圖8 方位伽馬成像原理框圖伽馬測井儀供電電壓為28.8V。上電后測井伽馬測井儀的

9、輸出，當(dāng)伽馬測井儀沒收到伽馬射線時，伽馬測井儀輸出直流5V電壓，當(dāng)接收到伽馬射線時將5V直流電壓下拉到0V。4電磁波傳播電阻率測量模塊隨鉆電磁波傳播電阻率測井儀器測量電磁波在地層中傳播的相位變化和幅度衰減。電磁波在均勻同性介質(zhì)中傳播，將發(fā)生幅度衰減和相位移動，電阻率不同的地層，電磁波變化情況不同，如下圖9所示。圖9 不同地層電磁波相位移和幅度衰減幅度按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減程度用衰減常數(shù)表示，相位移動大小用相位常數(shù)表示，、與介質(zhì)的電導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和交流電的角頻率有關(guān)，其關(guān)系如公式1，公式2所示。 (式1) (式2)其中，介電常數(shù)是反映介質(zhì)在外電場作用下發(fā)生極化能力。石油的介電常數(shù)為2.03

10、.0之間，水的介電常數(shù)與溫度和礦化度有關(guān)（見表1）。泥巖的介電常數(shù)很大，主要含有大量束縛水的原因。表1水的介電常數(shù)溫度（）020406080100888073676155在低頻高電導(dǎo)介質(zhì)中，1，式1，式2簡化為： (式3)在高頻高電導(dǎo)介質(zhì)中，1，式1，式2簡化為： (式4) (式5)從式（4）和式（5）中可以推出，測量記錄介質(zhì)的幅度衰減值和相位移動，可以計算出地層的電導(dǎo)率。近鉆頭測量儀長度1m，由于長度的限制，只能采用單發(fā)單收的天線結(jié)構(gòu)。由于傳播電阻率測量最少需要2個接收天線，因此采用天線復(fù)用技術(shù)進行電阻率測量，即在發(fā)射線圈上對信號進行耦合，從而可以計算出相位差和幅度比，利用常規(guī)電阻率技術(shù)進行測量。 圖9單發(fā)單收電磁波傳播電阻率測量原理三、 總結(jié)本文介紹了一種新近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)，采用電池供電及無線短傳方式實現(xiàn)近鉆頭井下