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1、随钻测量仪器原理及地质导向技术目目 录录一一.概述概述二二.随钻测量仪器数据传输随钻测量仪器数据传输三三.CGMWDCGMWD正脉冲随钻仪器原理正脉冲随钻仪器原理四四.地质导向钻井技术及随钻测井地质导向钻井技术及随钻测井五五.结束语结束语一.概述概述 MWD（Measurement While Drilling）随钻测量系统是在钻井过程中进行井下信息实时测量和上传的技术的简称。LWD（Logging While Drilling）随钻测井系统是在MWD基础上发展起来的一种功能更齐全、结构更复杂的随钻测量系统。与MWD相比，LWD传输的信息更多，在MWD的基础上，增加若干用于地层评价的参数传感器
2、，如补偿双侧向电阻率、自然伽马、方位中子密度、声波、补偿中子、密度等。20世纪80年代中期在定向井中首次使用MWD，80年代末LWD问世，90年代以来MWD和LWD技术有了进一步的发展，应用日趋普遍，它们是信息化和智能化钻井的基础和重要组成部分。Exxon Mobil公司在前几年钻井勘探开发中45以上大斜度井占45%，70 以上的井占36%。近年来，海洋钻探、大斜度井、水平井钻井活动推动了随钻测井技术的发展,随钻测量及其相关技术发展迅速，应用领域不断扩大，在海上钻井中几乎100使用随钻测井。当前，国内油田水平井数快速增长，2005年完成201口，2006年完成522口，2007年完成806口。
3、2008年集团公司实施水平井1000口以上，力争达到1100口。各油田定向井服务公司对普通随钻测量仪器的应用已经普及，随钻测井仪器的应用已逐步展开。二二.随钻测量仪器数据传输随钻测量仪器数据传输 MWD是一项把井底钻头附近测得的信息，不需中断正常钻井施工而将信息传送到地面上来的技术。信息的种类有以下几种：(1)定向数据(井斜角、方位角、工具面角等)；(2)地层特性(伽马、电阻率等)；(3)钻井参数(井底钻压、扭矩、每分钟转数等)。信号遥测通道 MWD随钻测量仪井下测量数据主要以无线方式传输。MWD按传输通道分为钻井液脉冲、电磁波、声波、导线传输四种方式。其中泥浆脉冲和电磁波方式已经应用到生产实
4、践中，以泥浆脉冲式使用最为广泛。传输速率用bps表示（bits per second）。2.1 钻井液脉冲传输方式 目前普遍应用的是钻井液脉冲法，这是因为此法简单，对正 常钻井作业影响很小。它是借助MWD井下脉冲发生器使钻井液压力变化，由此形成的钻井液压力波以12001500 ms的速度通过钻杆内液柱向地面传输。2.1.1 连续波方式 连续波脉冲发生器的转子在泥浆的作用下产生正弦压力波，由井下编码后的测量数据通过调制系统控制的定子相对于转子的角位移使这种正弦或余弦压力波在时间上出现相位移或角位移。在地面连续地检测这些相位或频率的变化，并通过译码、计算得到测量数据。优点：数据传输速度快，传输速率
5、最高可达25bps。立管压力泥浆时间叶片连续转动，波形连续变化2.1.2 负脉冲方式 泥浆负脉冲发生器安装在专用的无磁短节中使用，开启泥浆负脉冲发生器的泄流阀，可使钻柱内的泥浆经泄流阀从无磁钻铤上的泄流孔流到井眼环空，从而引起钻柱内部泥浆压力降低，泄流阀的动作是由井下编码的测量数据通过驱动控制电路实现。在地面通过连续地检测立管压力的变化，并经过译码转换成不同的测量数据。传输速率最高可达5bps。泥浆泥浆阀门关阀门开立管压力时间阀门关，立管压力不变阀门开，立管压力降低2.1.3 正脉冲方式 泥浆正脉冲发生器的针阀与小孔的相对位置能够改变泥浆流道在此的截面积，从而引起钻柱内部泥浆压力的升高，针阀的
6、运动是由井下编码的测量数据通过驱动控制电路来实现。由于用电磁铁直接驱动针阀需要消耗很大的功率，通常利用泥浆的动力，采用小阀推大阀的结构。在地面通过连续地检测立管压力的变化，并经过译码转换成不同的测量数据。传输速率国内5bps，国外1012bps。立管压力时间针阀上升，立管压力升高针阀不动，立管压力稳定泥浆泥浆针阀不动针阀上升2.2 电磁波传输方式 电磁波信号传输主要是依靠地层介质来实现的。井下仪器将测量的数据调制到载波信号上，测量信号随载波信号由电磁波发射器向四周发射。地面检波器在地面将检测到的电磁波中的测量信号解调并译码、计算，得到实际的测量数据。这种方法的优点是：数据传输速度较快，可达10
7、bps左右，适合于 泡沫泥浆、空气钻井等钻井施工中传输定向和地质资料参数。缺点是：地层介质对信号的影响较大，低电阻率的地层电磁波衰 减明显电磁波传输的距离有限，不适合深井和海上施工。下面几种商业应用的电磁遥测系统：Precision Drilling Computalog公司的区域扩展电磁随钻测井系统。Schlumberger的E-pulse电磁遥测系统，应用垂深4183m时能有效传输数据。Halliburton的SperrySun公司的电磁随钻测井系统 Weatherford在2004年推出TrendSET。俄罗斯地平线有限责任公司生产的ZTS系列电磁波随钻测量系统 EM-MWD，其测量最大
8、深度已接近6000m。俄罗斯EM-MWD系统2.3 声波传输方式 利用声波或地震波通过钻杆或地层来传输信号是一种传输方法。声波遥测能显著提高数据传输率，使随钻数据传输率提高一个数量级，达到100bps。声波遥测和电磁波遥测一样，不需要通过泥浆循环，该系统利用声波传播机理来工作。由于信号在钻杆柱中传播衰减很快，所以在钻杆柱内每隔 400500m要装一个中继站。声学信息通道的缺点：井眼产生的低强度信号和由钻井设备产生的声波噪声使探测信号非常困难；信号随深度衰减很快。2.4 导线传输方式 在美国天然气研究所的测试中，光纤传输成功达到915m深度。光纤遥测技术能以大约1M bps的速率传送数据，比其它
9、商用的随钻遥测技术快5个数量级。法国一家公司曾研制在钻杆壁中安装电缆来传输信号，传输速度高，缺点是钻杆是特制的。GrantPrideco公司的Intellipipe钻杆传输系统是一种在井下随钻测井仪与地表之间通过钻杆快速传输数据的连接系统。利用非接触式耦合器，通过每根钻杆连接来传输数据，无需进行特别定位。沿钻柱每隔304米放置一个放大器以放大衰减的信号。与传统的泥浆脉冲测井仪和新近出现的110bits的电磁遥测相比，它的数据传输速度高达1106bits。双向传输可以使指令从地面传到井下仪。俄罗斯采用在每根钻柱内吊电缆，在钻杆接头处加插头方式进行信号传输，1997年已开始商业应用。三三.CGMW
10、DCGMWD正脉冲随钻仪器原理正脉冲随钻仪器原理 CGMWD正脉冲无线随钻测量仪是机械、电子和泥浆脉冲技术融合为一体的综合测量系统,它利用惯性导航原理来测量井眼姿态，井下通过正泥浆脉冲将信息传输到地面。CGMWD由地面和井下两部分组成：地面系统由工控机、前置箱、司钻显示器、打印机和各种传感器组成；井下系统由脉冲发生器、驱动短节、定向测量短节、电池短节组成。3.1 地面系统 3.1.1 功能 前置箱完成地面各传感器信号的预处理；工控机内装有无线随钻系统软件和采集卡，负责对前置箱预处理后数据的采集和解码显示；司钻显示器是用来给钻井平台实时提供井眼的倾角、方位、工具面等信息。地面传感器由立管传感器、
11、绞车传感器、死绳传感器组成，他们的输出均进入前置箱进行预处理。立管传感器安装在井台立管上，完成立管泥浆压力变化到电信号的转换，绞车传感器把绞车位置信息转换为脉冲序列，死绳传感器安装在井台死绳处用于判断钻具的状态。工作原理框图如下：地面传感器1)立管压力传感器 用来测量粘稠易堵介质的压力，该传感器的敏感元件采用硬膜结构，与被测介质直接接触时能耐冲击和耐磨损；另外采用了离子束淀积技术，该传感器具有精度高、能长期在恶劣环境下工作。技术指标：量程：40MPa 输出：420mA 2)钩载压力传感器 该传感器由离子束溅射压力传感器与信号调制电路组成，适用于流体压力、差压或液位的检测。液体介质压力/差压，作
12、用于耐蚀不锈钢弹性膜片，使膜片产生变形。在膜片上制作了组成惠斯登电桥的合金薄膜应变电阻，膜片变形使电阻的几何尺寸和阻值发生改变，电桥输出相应的电信号。电子电路，将电桥输出的信号放大，并转换成标准420mA电流信号输出。技术指标：测量范围：6MPa 输 出：420mA 3）绞车传感器 绞车传感器安装在绞车轴上，可以监测整个钻进过程中绞车轴转动所产生的角位移。通过计算机就可以得到钻进过程中大钩的高度变化，从而得到当前的钻进深度。绞车传感器内部装有检测开关和一片铁质的齿片，当齿片随绞车轴转动时，齿片会分别穿过两只相位差为90的检测开关的采样通道，从而发出两组相应的电脉冲信号，此信号送入仪器经识别处理
13、后就可以得到相应的角位移方向和变化值。技术指标：工作电压：9VDC 输出信号：13mA 前置箱 前置箱完成地面各传感器信号的预处理，包括电流转换、放大滤波、信号整形等功能；给传感器和司显提供电源；与司显通讯。3.1.4 CGMWD地面软件 CGMWD地面软件的主要功能：井下仪器的配置和设置；泥浆信号的软件滤波和解码；测量数据的显示；绘制测井曲线；记录有关的测量信息等。配置界面3.2 井下系统3.2.1 功能 井下系统中的定向短节实时测量井眼的工程参数（井斜、方位、工具面、井温等），驱动器短节对测量参数按一定规律进行编码，并控制脉冲发生器电磁阀的关闭和打开，使脉冲发生器的主阀动作，从而控制钻杆内
14、泥浆流体流量的变化，使得在钻杆内产生泥浆压力正脉冲信号供地面仪器接收，实现利用泥浆压力脉冲变化完成井下数据的传输。3.2.2 脉冲发生器 正脉冲发生器是一个机电液一体化设备，它主要由主阀（针阀）、溢流阀和控制阀组成。它基于阀控式液压信号发生器工作原理设计，利用泥浆流体在脉冲发生器内产生的压差，通过电磁线圈控制小阀工作，推动脉冲发生器的阻流阀工作，改变了泥浆流道的大小，从而产生泥浆压力的波动。这种受控的泥浆压力的波动就包含了井下仪器上传的信息，从而完成井下测量数据的电信号到泥浆脉冲信号的变化。3.2.3 驱动短节 驱动短节完成测量数据的编码和对脉冲发生器的控制。驱动短节内安装了三个电路模块，他们
15、分别是主控模块、驱动模块和储能模块。功能：（1）接收所有下井仪器的数据信号，并进行数据处理、编码、存 储、发送格式制定等。（2）驱动脉冲发生器可靠工作，提供脉冲发生器足够的能量。（3）压力开关监测，通过监测压力来控制数据的采集和发送。（4）根据压力开关的关/开时间顺序来调整传输数据序列。主控模块是井下系统的控制中心，以它为核心，包括定向短节、电池筒短节为子单元共同构成了井下主从分布式微局域网控制系统。主控模块通过微局域网的单总线通讯通道与定向短节和电池短节建立通讯，向各单元广播信息，各子单元根据总线上的信息执行和响应主控模块的命令。主控模块获取井眼姿态信息和电池工作信息后对其进行编码，目前常用
16、的是PPM（Pulse Position Modulation）编码格式，即脉冲位置调制编码。其组成多为头码+脉冲数，其编码方式简单，易于识别，有利于泥浆信号微弱时的人工解码，缺点是有时码速稍慢。PPM编码12位字举例:下图说明如何用个脉冲构成一个12位字。12位字每4位由一个脉冲表示，不同位置的脉冲代表一个16进制数，数据按他们的有效位传送。第一个脉冲位于第三个脉宽槽代表十六进制的2,第二个脉冲位于第五个脉宽槽代表十六进制的4,第三个脉冲位于第1个脉宽槽代表十六进制的0。所以三个脉冲表示的十六进制是240，也就是十进制的576。3.2.4 定向短节 定向短节完成井眼姿态的测量。定向短节内安装
17、了三个电路模块和一个探管，它们分别是微处理器模块、电源模块和模数转换模块以及定向探管。功能：完成定向测量(测量参数及指标参看MWD技术指标)。A/D转换模块将探管传感器信号由模拟量转换为数字量，串行输出到微控制器模块。微控制器模块对采集到的数据进行处理、运算得到井斜、方位、工具面、温度等参数，在驱动器主控制器模块的控制下，按约定协议经进入通讯总线。电源模块提供各电路需要电源。4）定向探管 定向探管由三个两两正交安装的石英加速度计(Ax、Ay、Az)和磁通门(Mx、My、Mz)以及两个温度传感器构成，它基于惯导原理完成仪器姿态的测量。3.2.5 电池短节 由一个电池模块和两组高温锂电池组成，每组
18、电池25V。功能：在电池模块的控制下当主电池快耗尽时，将井下仪器供电切换到从电池组工作。3.2.6 井下仪器工作模式及序列 MWD开泵测量与停泵测量 开泵测量 开泵50秒后，MWD测量数据，在本次开泵第 60秒脉冲发生器开始传输本次测量的数据 停泵测量 停泵50秒后，MWD测量数据并保存，在下次 开泵第60秒脉冲发生器开始传输保存的数据 静态序列与动态序列 静态序列 每次开泵后传输的第一帧序列 动态序列 静态序列后一直到停泵发送的序列3.2.7 技术指标体设计技术指标 测量范围 方位：倾角：工具面角：测量精度 方位：(倾角=3时)(倾角6时)倾角：工具面角：(倾角=3时)(倾角6时)井眼尺寸：
19、8-1/2”12-1/4”最高传输速率：5bit/s 脉冲宽度：1.2、1.0、0.8、0.5、0.4、0.2 最高工作温度：+125 最大压力负荷：140 最大耐冲击：1000g(0.2ms,1/2sin)最大抗振动：15g(10Hz200Hz)泥浆含砂量：1%泥浆排量：1547L/s四.地质导向钻井技术及随钻测井LWDLWD技术发展的核心是将电缆测量方式成熟技术发展的核心是将电缆测量方式成熟的测井技术改造成为随钻测量方式，使其具的测井技术改造成为随钻测量方式，使其具有更大的应用价值。有更大的应用价值。地质导向钻井技术是近年来国内外发展起来的以井下实际地质特征来确定和控制井眼轨迹的前沿钻井技
20、术。它随着近几年随钻测井技术的迅猛发展和应用成为了现实。地质导向钻井技术的关键，是把以前的几何导向变为地质导向。以前打井，只要钻遇事先确定的几何目标，即使没有发现油层，钻井工作也算大功告成。而随着勘探开发一体化（称为滚动开发）的发展，钻井不再是单纯为了打井，“打井为了出油”的认识被更多人所接受。地质导向钻井让目标不再固定不变，而是根据油层的位置随时调整，并根据预测确定的固定“几何靶”变成了实际的不确定“移动靶”；同时，部分测井项目，也由原来的完井后进行，变为随钻随测，在钻进中进行，既缩短了钻井周期，又减少了部分测井费用。地质导向钻进技术的研制和开发，破解了国内钻井工程和技术难题。当今我国油气资
21、源整装“大而肥”的油田越来越少，剩余油资源的品位愈来愈差，勘探开发技术难度步步加大，为石油地质、工程、工艺勘探开发人员带来了更大压力。我国已开发数十年的玉门、大庆、胜利、中原、四川、延长、新疆等老油田所持有夹层、薄油层、低压低渗透低产储层、难产储层、非均质储层越来越多，钻井施工难度大、速度慢、周期长、成本高、单井产量低，已成为制约老油田勘探开发的“瓶颈”。广大石油勘探开发人员急呼来一次革命性的钻井技术，破解这些难题，既能拿储量、拿产量，又能提高钻井效率，降低勘探开发成本，实现双赢之目的，而地质导向钻井技术的开发成功，正好承担打破“瓶颈”、开创新局面的重任，成为解决上述问题的关键技术。随钻测井技
22、术的迅速发展使地质导向技术的实现成为了可能。LWD(Logging While Drilling)随钻测井技术是在钻井过程中利用的随钻测量系统进行实时跟踪监测，既能测量工程参数满足钻井需要，又能在钻进过程中进行实时测井，及时获取地质资料，从而准确判断地层特性，引导井眼轨迹钻达目的层，并在储层中穿行，实现地质导向的目的，达到油气开发利益的最大化。LWD随钻测井是钻井地质导向技术的关键部分，它主要包括MWD、深浅电阻率、自然伽马、中子密度、近钻头传感器等。应用LWD技术具有以下优点：1）在钻井过程中，不需要起下钻、通井、电测，大大 节省了钻井施工时间，降低成本；2）在钻井过程中，可以实时监测，根据
23、随钻地质参 数的变化，随时指导工程施工。3）由于地层暴露时间短，影响因素少，消除了泥浆 浸入和泥饼对测井质量的影响，所获得的地质特性 更加真实可靠，因此随钻测井的及时性，能够提供 高质量的测井曲线。4）满足地质对薄油层的开采。5）提高储层界面卡准率，引导井眼轨迹进入油层并在目 的层穿行，大幅度提高水平井的单井产量。6）利用LWD随钻测井资料，替代完井电测，导致的钻井 周期缩短，降低电缆测井所带来的风险，提高经济效 益。LWD技术发展的核心：是将电缆测量方式成熟的测井技术改造成为随钻测量方式，使其具有更大的应用价值。国外对LWD技术的研究始于20世纪60年代，但在80年代以前一直未得到较大发展。
24、80年代初，在原来MWD系统的基础上增加了补偿双电阻率、自然伽马和补偿密度-中子测井仪组成了LWD系统。此后多种形式的电阻率、方位密度、中子和声波等仪器也逐步随钻化。到90年代后期，目标向着核磁共振、随钻地震、随钻声波成像、随钻电阻率成像发展，并取得了成功。近几年随钻实时地层压力测试系统的推出，完善了随钻测井系列，使其和电缆测井一样可以提供全套的电测井、声测井、核测井、核磁测井、成像测井和地层压力测试资料。LWD正越来越多地取代电缆测井而成为常规服务项目。服务领域从早期主要集中在海洋钻井平台服务逐步向陆地钻井服务中推进。在海上钻井作业中，几乎100%使用LWD。在国际测井服务市场，电缆测井的份
25、额在逐步减少，随钻测井的份额在迅速增加，这一趋势越来越明显。大力发展随钻测井技术是各大服务公司的一个主要方向。4.1 随钻测井仪器 随钻测井仪器多采用模块化设计，允许将各个测量单元的位置按照作业需要和用户要求进行改变。整套仪器由井下数据测量系统、数据传输系统、地面数据采集和处理系统组成。井下测量系统测量的地质和钻井工程数据经过编码后由数据传输系统通过遥测系统传输至地面。地面数据采集和处理系统通过相应的数据采集单元，把采集到的信号送到处理系统处理为数字信号，提供给现场工程师分析应用。同时井下存储单元也将地质信息存储起来，以供仪器起出地面后回放。目前Schlumberger、Halliburton
26、、Bake Hughes三家公司代表了随钻测井技术的最高水平，测量参数包括随钻电阻率、伽马、中子、密度、声波、地层压力、核磁共振、随钻地震等，并配套地质导向解释系统，完全能够满足各种井型随钻地层评价和地质导向钻井的需要。哈利伯顿公司的LWD仪器Bake Hughes公司的LWD仪器Schlumberger公司的地质导向系统CDR(补偿双电阻率)ADN（方位密度中子）*能识别非均匀性地层*与电缆测井测量的孔隙度、密度精度相同*四个象限的密度测量ISONIC（声波测井仪）*能自动记录四种波形信号，可以 在钻井过程中 求取纵波时差*可以与传统声波测井一样对地层孔隙度进行估算，随钻仪器的实时性使得声波
27、测井对超压地层的预测有力实际应用价值 Scope系统下一代随钻测井仪 2005年2月，Schlumberger公司公布推出了“Scope”系统仪器，包括：EcoScope、StethoScope和TeleScope。EcoScope含有LWD全套标准的测量，加上少量以前没有的测量。StethoScope用于随钻地层测试，TeleScope是系统的遥测和电源组件。EcoScope将全套标准测井仪器装于一根26ft的钻铤中。EcoScope用脉冲中子发生器（PNG）取代了AmBe化学源。所有的传感器均可在钻头附近测量。钻井优化测量包括随钻环空压力、井径和振动。实时方位密度和自然伽马图像。TeleS
28、cope能够以4倍于现有遥测系统的速度传输数据。ADR随钻方位深探测电阻率技术 2007年6月哈里伯顿（Halliburton）公司在美国奥斯汀召开的SPWLA年会上发布了这项新技术。ADR采用多源距、多频率、倾斜天线（不同轴）。仪器长25英尺，6个发射线圈和3个接收线圈，6个发射线圈是同轴的，3个接收线圈是倾斜的，与仪器轴成45度角，间距从16英寸到112英寸，实现补偿源距16英寸，32英寸，48英寸。有3种工作频率，2MHZ，500KHZ，125KHZ。仪器旋转时，可在圆周32个方位区域获得相位差电阻率和幅度衰减电阻率。径向探测深度从井壁附近到离井壁18英尺。线圈系结构图 ADR以井下存储
29、模式工作。下图是在美国阿拉斯加一口井回放的实测测井图与模拟测井图对比。回放结果表明仪器不仅根据电阻率变化做地质导向，而且根据测出的不同方位电阻率值的大小判断进出地层。实测电阻率成像模拟电阻率成像模拟电阻率曲线实测电阻率曲线井眼轨迹CGDS-1近钻头地质导向系统CGDS-I近钻头地质导向钻井系统由3个子系统组成：1.CGMWDCGMWDCGMWDCGMWD新型正脉冲无线随钻测斜仪2.CAIMSCAIMSCAIMSCAIMSWLRSWLRSWLRSWLRS测传马达及无线接收系统3.CFDSCFDSCFDSCFDS地面信息处理与决策系统钻头电阻率技术指标 钻头电阻率传感器距钻头的深度：1.23m 测
30、量范围：0.22000-m 垂直分辨率：1.8m 探测深度：0.45m方位电阻率技术指标 方位电阻率传感器距钻头的深度：1.7m 测量范围：0.22000-m 垂直分辨率：0.1m 探测深度：0.3m自然伽马技术指标 自然伽马传感器距钻头的深度：1.88m 测量范围：0250API 探测深度：20cmCGDS-1地质导向系统冀东90-P2测井曲线 2007-10-1CPL随钻感应电阻率及方位伽马泥浆脉冲发生器泥浆脉冲发生器定向测量短节定向测量短节电池筒短节电池筒短节驱动器短节驱动器短节数据传输过渡短节数据传输过渡短节数据传输短节数据传输短节方方位位伽伽马马及及电电阻阻率率专用钻铤专用钻铤方位伽
31、马短节方位伽马短节电阻率短节电阻率短节*工作频率20KHz，可以显示井内更深 层的都数*具有方向性的真感应电阻率和伽马测量*实时传送*井下存储*采用模块化的线圈天线和电路单元感应电阻率技术指标 测量范围：0.22000-m 垂直分辨率：=1m自然伽马技术指标 测量范围：0250API 探测深度：20cm 垂直分辨率：0.3m 现在我国LWD仪器多为国外引进，主要以电阻率和伽马为主，随钻测井资料相对单一，影响了随钻测井资料解释精度和地质导向钻井技术的开展，我们应积极进行随钻中子密度、声波等研发项目，完善随钻测井仪器系列，以形成多参数LWD系统，满足当前国内油田地质导向应用的需求。五.结束语欢迎大家批评指正 谢谢！