郭福祥，鄧勝聰，李　旭，谷玉堂，李銳峰

隨鉆測井系統(tǒng)泥漿脈沖影響因素研究及故障診斷

郭福祥，鄧勝聰，李旭，谷玉堂，李銳峰

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163000）①

以無線隨鉆測井系統(tǒng)工具（MWD、LWD、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等）泥漿脈沖信號為研究對象，在分析泥漿脈沖器結(jié)構(gòu)、原理以及信號傳輸過程的基礎(chǔ)上，推算出信號衰減的主要因素，并結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗總結(jié)出可能造成解碼失敗的各類干擾因素，最終歸納出一套針對泥漿脈沖信號解碼故障的診斷方案。該方案通過觀察壓力波形圖的微弱變化把故障進(jìn)行分類，再根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)、泵壓、泵沖等參數(shù)的變化規(guī)律以及泥漿性能、返砂和水龍帶抖動等綜合信息逐步縮小影響因素的范圍，快速準(zhǔn)確地確定故障原因。經(jīng)現(xiàn)場實踐，參照該方案可以解決現(xiàn)場98%的解碼故障。

無線隨鉆測井系統(tǒng)；泥漿脈沖信號；信號衰減；干擾因素；故障診斷

定向井、水平井等特殊工藝井技術(shù)已廣泛應(yīng)用于低滲、致密等復(fù)雜油藏的開發(fā)中，大幅提高了油藏裸露面積和油氣采收率。以LWD（井下無線隨鉆測井儀器）為代表的隨鉆測井儀器是水平井技術(shù)必備的工具，是獲得井下實時信息的重要技術(shù)手段，利用特殊的立管壓力傳感器，可以實時監(jiān)測工程參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)和儀器狀態(tài)參數(shù)。利用上述參數(shù)，定向、地質(zhì)以及儀器工程師可以在實現(xiàn)精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的同時有效規(guī)避風(fēng)險。其高效無故障的工作是鉆井提速提效的重要保障，而作為隨鉆儀器的核心部件——脈沖發(fā)生器在實際應(yīng)用中卻由于配件損耗、信號衰減以及外界干擾等原因，時常出現(xiàn)解碼失敗等情況，是儀器不能正常工作的主要原因。據(jù)不完全統(tǒng)計，大慶油田在2013—2014年度的水平井施工中，脈沖器故障占儀器故障總量的45.6%。

因此，本文針對泥漿脈沖信號的產(chǎn)生、衰減過程以及各類復(fù)雜的干擾因素進(jìn)行分析，用以指導(dǎo)現(xiàn)場快速準(zhǔn)確地排除故障。

1　泥漿脈沖器功能簡介

泥漿脈沖發(fā)生器作為隨鉆儀器的井下信息傳輸工具，可以將井下信息實時地通過壓力信號傳到地面，是隨鉆測井系統(tǒng)的重要組成部分，其傳輸方式主要有正脈沖、負(fù)脈沖和連續(xù)脈沖3種方式［1-2］。雖然3種脈沖器結(jié)構(gòu)不同，但原理都是通過改變流道的過流面積，改變鉆桿內(nèi)部的泥漿壓力，進(jìn)而產(chǎn)生泥漿壓力脈沖信號；然后通過安裝在地面管匯上的壓力傳感器，把檢測到的壓力脈沖信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸?shù)降孛娴臄?shù)據(jù)處理系統(tǒng)做進(jìn)一步的處理并對信號進(jìn)行解碼。因此，無論是信號衰減還是外界干擾，都會影響信號質(zhì)量，導(dǎo)致解碼失敗。

2　信號衰減因素分析

泥漿脈沖信號沿鉆桿傳播的能量損失大部分來自于管壁的摩阻，同時鉆桿會發(fā)生彈性形變，與其他物理傳輸現(xiàn)象相似。根據(jù)Lamb定律，泥漿脈沖信號也符合指數(shù)衰減規(guī)律［3-4］，即

由文獻(xiàn)［5］，泥漿脈沖的傳輸速度為

由式（2），L可化簡為

通過式（1）和式（3）可以推導(dǎo)出：泥漿脈沖信號的衰減程度主要與井深、鉆柱的尺寸以及材料特性、脈沖頻率以及鉆井液的類型、組分、黏度和壓縮性有關(guān)。在目前常規(guī)的鉆井作業(yè)中，鉆柱的材料和尺寸不易變化，而鉆井液體系的選擇主要是以地質(zhì)條件、油藏土程和鉆井工藝的要求為依據(jù)［6］。所以，本文主要分析了井深、氣泡含量、信號頻率和鉆井液黏度對鉆井液脈沖信號衰減程度的影響。圖1～5分別給出了常規(guī)?127 mm鉆桿中信號衰減的分析結(jié)果。

圖1　井深和頻率對信號強度的影響

圖2　塑性黏度對信號強度的影響

圖3　同一口井井口測試和井底測試的信號強度對比

圖4　清水測試和鉆井液測試信號強度對比

圖5　氣泡含量對信號強度的影響

上述研究表明：井深、脈沖頻率、塑性黏度以及氣泡含量都與信號強度成反比關(guān)系。但是一般情況下，井深在工程開始前已經(jīng)確定，而脈沖頻率在儀器下裝時也已經(jīng)設(shè)定，塑性黏度要滿足工程上攜砂的需求也只能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，只有氣泡含量在工程上可以通過增加泥漿罐液面高度和加入消泡劑等方式消除。由于以上影響因素中井深為不可控因素，而脈沖頻率和塑性黏度調(diào)整范圍有限，所以就需要通過增強井下原始信號強度的方式抵消信號衰減帶來的影響。原始信號公式為［7］

式中：K為常數(shù)；ρ為泥漿的密度；Q為排量；A為流通面積。

工程上，泥漿密度要滿足平衡環(huán)空壓力的要求，調(diào)整范圍有限。因此，一般通過排量和過流面積來調(diào)整信號強度。

譯文：Stability is of overriding importance.We should ensure stable growth,maintain employment,and prevent risks.To ensure overall economic and social stability,we must not allow the redline to be crossed concerning financial security,people’s well-being,or environmental protection.

3　信號干擾因素分析

由于立管壓力傳感器是通過檢測立管壓力的變化接收信號的，所以當(dāng)其他因素對立管壓力產(chǎn)生影響時，就會干擾信號解碼。根據(jù)干擾因素的位置不同，可以把干擾因素分為循環(huán)系統(tǒng)、井下鉆具和儀器3部分。

3.1循環(huán)系統(tǒng)

3.1.1鉆井泵

鉆井泵存在一系列的易損零件（缸套、活塞、閥等），當(dāng)某個易損件損壞如缸套刺漏或閥阻卡等，就會造成水龍帶上水不好，進(jìn)而產(chǎn)生大量噪聲；而大量的泵噪聲波疊加在泥漿脈沖信號上，就會加大有效信號的分離難度，造成解碼失敗。泵沖也是干擾解碼的一個主要因素：如果泵沖變化過快，使得立管壓力變化幅度超過了脈沖信號的幅值時，就會淹沒脈沖信號；如果泵沖的頻率和脈沖器發(fā)生頻率接近，就會增加帶通濾波器的分離難度，干擾解碼。同時在鉆井過程中，如果泥漿罐的液面低于泥漿進(jìn)水管線就會抽入大量空氣，不僅會造成脈沖信號衰減，同時大量氣泡上升到進(jìn)口破裂還會產(chǎn)生眾多微小的干擾源，這些壓力改變通過反射、疊加，會進(jìn)一步加大信號的分離難度［1］。

3.1.2空氣包

空氣包的主要作用是減少鉆井泵順勢排量變化而產(chǎn)生的壓力波動，使泵壓平穩(wěn)。其正常工作壓力大小一般為鉆井泵出口壓力的1／3。當(dāng)空氣包壓力不足或內(nèi)部氣囊損壞時，就會導(dǎo)致立管壓力不穩(wěn)定，增大有效信號的分離難度；當(dāng)泵壓變化劇烈時，甚至可以淹沒脈沖信號，導(dǎo)致解碼失敗。

3.1.3含砂和堵漏材料

含砂量和堵漏材料的直徑都是水平井作業(yè)中需要嚴(yán)格控制的指標(biāo)。含砂量過高會加快脈沖器損耗，降低脈沖器使用壽命，嚴(yán)重時甚至可能造成脈沖器零件損壞，導(dǎo)致脈沖器不能正常工作；含砂過高和堵漏材料直徑過大容易堵塞脈沖器，使得脈沖器不能正常產(chǎn)生脈沖信號；同時，高含砂和堵漏材料還容易堵住壓力傳感器所在的管線，使傳感器不能正常接收脈沖信號。以上3點都能夠造成解碼失敗，影響施工進(jìn)度。

3.1.4泥漿添加劑

向泥漿罐中添加藥品時，一定要緩慢加入并充分?jǐn)嚢柩h(huán)，一般最少循環(huán)1周以上。一旦加入藥劑過猛過快，就會因介質(zhì)密度不均勻?qū)е旅}沖信號衰減，進(jìn)而影響解碼。過高的固相含量還會堵塞壓力脈沖器所在管線，使其降低接受脈沖信號的敏感性，甚至不能檢測脈沖信號。

3.2井下鉆具

鉆進(jìn)過程中，如果鉆壓過大導(dǎo)致吃入地層過深，就可能使得鉆頭阻力大于動力鉆具的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而導(dǎo)致動力鉆具轉(zhuǎn)子壓死停轉(zhuǎn)，造成因螺桿流道不暢而導(dǎo)致的泵壓突升。而且由于立管壓力的變化遠(yuǎn)大于泥漿壓力脈沖的振幅，脈沖信號就會被淹沒，導(dǎo)致地面解碼失敗。同理，當(dāng)鉆頭水眼堵塞、環(huán)空不暢、鉆具刺漏或者上提下放過猛過快，都會導(dǎo)致泵壓突升淹沒脈沖信號。

3.3儀器

3.3.1軟件

檢測頻率設(shè)置不匹配和帶通濾波器區(qū)間設(shè)置不當(dāng)是導(dǎo)致軟件解碼失敗的主要原因。如果井下儀器串傳輸頻率和地面軟件設(shè)置的檢測頻率不匹配，就會導(dǎo)致軟件不能正常解碼，導(dǎo)致解碼失敗。其次，如果帶通濾波器的濾波范圍過大，就不能有效地濾除噪聲信號，導(dǎo)致噪聲信號疊加在有效信號上，導(dǎo)致錯碼、亂碼；而如果范圍過小，就有可能濾除有效的脈沖信號，同樣會導(dǎo)致解碼失敗。

3.3.2硬件

脈沖器有許多和泥漿產(chǎn)生相對運動的零件（蘑菇頭、限流環(huán)、定子和轉(zhuǎn)子等），這就不可避免地對零件產(chǎn)生磨損。當(dāng)某個零件出現(xiàn)損壞，如轉(zhuǎn)子偏磨或定子支撐管脫落等，就會導(dǎo)致儀器工作不正常，使得脈沖器不能正常發(fā)送信號。同時由于井下環(huán)境惡劣（高溫、高壓、震動），可能造成儀器電路板虛接、硬連接松動等問題，影響儀器的正常工作。同時，由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜（電壓不穩(wěn)、震動、低溫等），傳感器、傳輸信號線等地面設(shè)備也極容易損壞。

4　故障診斷方案

通過以上對泥漿脈沖信號產(chǎn)生、衰減過程和現(xiàn)場干擾因素的分析，本文總結(jié)出一套針對解碼故障的診斷方案以及相應(yīng)的解決方法。該方案根據(jù)上述因素對壓力波形圖的影響有針對性地判斷排查方向，并通過觀察轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、泵壓、排量等參數(shù)的變化趨勢以及返砂、泥漿性能、磨阻等綜合信息，逐步確定故障原因，最終快速高效地解決問題。

4.1信號衰減

信號衰減在壓力波形圖中的主要體現(xiàn)是脈沖信號振幅偏小。要解決信號衰減問題，首先要在鉆前對衰減程度做出評估，并通過限流環(huán)尺寸對衰減做出相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)式（4），通過調(diào)整限流環(huán)與蘑菇頭的配比尺寸改變流道面積，可以調(diào)整信號強度。如圖6所示，利用Winpull軟件，根據(jù)已知的脈沖器類型、鉆桿和鉆鋌內(nèi)徑、鉆頭水眼、鉆井液性能，可以得到推薦的限流環(huán)配比尺寸。Winpull同時會計算出信號強度和蘑菇頭承受的壓力，但由于Winpull計算信號強度時并未考慮由于井深增加造成的衰減，根據(jù)經(jīng)驗，在不考慮氣泡含量的情況下井深每增加1 370 m信號強度衰減1／2，所以要對推薦的配比尺寸做進(jìn)一步微調(diào)。信號強度增加的同時，蘑菇頭承受的壓力也會隨之增加，所以要綜合以上2項指標(biāo)，選擇最佳的限流環(huán)尺寸。

圖6　Winpull軟件計算界面

在現(xiàn)場遇到現(xiàn)場信號不能正常解碼且信號強度偏低的情況時（如圖7所示），則需要按以下步驟進(jìn)行調(diào)整：首先增加信號的放大倍數(shù)；其次根據(jù)式（4），可以通過增強排量的方式增強信號強度；同時，在工程允許范圍內(nèi)，還可以通過調(diào)整泥漿性能增強信號強度；最后，需要卸下壓力傳感器，看是否存在泥漿、氣泡或其他雜物堵塞傳感器所在管匯的現(xiàn)象。如果以上操作未能解決故障，則需要等儀器起出后，查看是否存在問題：如果原因是泥砂或雜物堵塞脈沖器，則需要在下一步施工中重點調(diào)整泥漿性能；如果存在脈沖器零件損壞等情況，則需要在下一步施工過程中著重改善固控條件，降低泥漿含沙量。

圖7　信號強度偏低的情況

4.2檢測不到壓力信號

鉆井過程中，如果遇到檢測不到壓力信號的情況（如圖8所示），則可以判定是地面?zhèn)鬏斣O(shè)備的問題。一般應(yīng)按照壓力傳輸信號線、傳感器、跨接線、barrier box的邏輯順序逐個檢查地面設(shè)備。

圖8　沒有壓力信號的情況

4.3壓力突變

如在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)泵壓突變（如圖9所示）造成信號不能解碼的情況時，一般按照泵壓的突升或突降的邏輯排除故障。當(dāng)泵壓突升時，要馬上停止鉆進(jìn)，并緩慢活動鉆具，如果泵壓恢復(fù)，則有可能是下放鉆具過猛、過快或螺桿壓死造成的故障；如果泵壓仍然偏高，則有可能是環(huán)空不暢或鉆頭水眼堵塞等帶來的泵壓突升。當(dāng)泵壓突降時，首先檢查是否因鉆具提起過猛造成的泵壓突降，其次要檢查地面管匯、鉆井泵缸套等循環(huán)設(shè)備是否有刺漏現(xiàn)象。如果上述步驟未能排除故障，泵壓仍然不恢復(fù)，則有可能存在井下鉆具刺漏的狀況。如果壓力波形圖出現(xiàn)短暫拉直線而又恢復(fù)正常的情況（如圖10所示），就要檢查轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和排量，若排量正常但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏低或忽高忽低，則可以判斷是轉(zhuǎn)子偏磨照成的故障，需要馬上起出儀器，以免影響施工進(jìn)度和對儀器造成進(jìn)一步損壞。

圖9　泵壓突變

圖10　短暫拉直線又恢復(fù)正常的情況

4.4雜波較多而不能解碼

當(dāng)解碼失敗并伴隨波形圖有大量毛刺信號時（如圖11所示），故障通常是由于過多的噪聲信號干擾造成的。要解決噪聲問題，首先可以通過調(diào)整帶通濾波器的濾波范圍，濾除相近頻率的雜波；其次，觀察井隊的水龍帶是否跳動，如果跳動則證明上水不好；同時，需要排除鉆井泵的噪聲干擾，是否存在缸套刺漏、閥體和閥座損壞等情況，必要時維修、更換；再次要檢查空氣包壓力，看是否由于空氣包壓力不足，導(dǎo)致不能平復(fù)尖峰壓力而產(chǎn)生噪聲；最后，要檢測泥漿性能，檢查是否存在添加了新藥劑導(dǎo)致的泥漿不均勻、泥漿液面過低造成的氣泡含量過高等狀況，如果存在則要及時調(diào)整泥漿性能。

圖11　伴隨大量毛刺的波形

4.5壓差正常而不能解碼

如果波形顯示正常，但卻不能解碼時，可以通過以下步驟排除故障：首先檢查檢測序列頻率和脈沖器發(fā)生頻率是否使用同一頻率，排除不同頻率的干擾；第2步，要根據(jù)不同的波形調(diào)整解碼方式，如果高低壓比較明顯（如圖12所示），則采用M12解碼方式，如果時間間隔比較明顯（如圖13所示），則要采用Manchester解碼方式。

圖12　高低壓明顯的波形

圖13　時間間隔明顯的波形

5　結(jié)論

1）在隨鉆測井儀器施工過程中，由于井深增加或者調(diào)整泥漿性能，信號不可避免地會發(fā)生衰減。只有鉆前利用已知的工程設(shè)計對施工情況做出預(yù)判，對儀器的限流環(huán)尺寸、轉(zhuǎn)子定子角度等做出最優(yōu)化的配比，才能保證儀器的解碼質(zhì)量。

2）現(xiàn)場施工中，干擾信號解碼的因素眾多，且無法量化，只有通過觀察壓力波形圖的細(xì)微變化、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律以及泥漿性能、返砂和水龍帶抖動等綜合信息，并結(jié)合信號衰減理論，才能快速準(zhǔn)確地診斷故障原因。

3）通過本文的故障排查方法，能夠迅速確定故障原因，從而達(dá)到縮短施工周期、提高服務(wù)質(zhì)量的目的。

［1］盧春華，李海東，張濤.泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)［J］.地質(zhì)科技情報，2005，24（7）：30-32.

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［6］何樹山，劉修繕.鉆井液正脈沖信號的衰減分析［J］.鉆采工藝，2001，24（6）：1-3，12.

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Research to Influence Factor of Mud Pulse of LWD System and Fault Diagnosis

GUO Fuxiang，DENG Shengcong，LI Xu，GU Yutang，LI Ruifeng
（Drilling Engineering Research Institute，Daqing Oilfield Drilling Engineering Company，Daqing 163000，China）

This paper takes mud pulse signals of LWD，including MWD，LWD and geo-steering as the research object.Based on analyzing the structure and operating principles of mud pulsar and the process of signal transmission，it deduces the main factors of signal fading.Considering all kinds of interference factors that may cause decoding failure coming from field experience，we finally sum up a set of failure diagnosis scheme for mud pulse signal decoding which has been used in engineering practice.This scheme initially categorize the failures by observing the changes of pressure wave，and then gradually conform the possible influence factors according to the variation law of RAP，pump pressure，pump strokes and the integrated information of mud performance，return sad，hose jitter level.Finally the problem can be identified quickly and accurately，and 98 percent decoding failure can be confirmed by the scheme.

LWD；mud pulse signal；factor fading；interference factor；fault diagnosis

TE927

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.007

1001-3482（2015）10-0028-06

①2015-04-10

郭福祥（1965-），男，黑龍江牡丹江人，高級工程師，主要從事特殊工藝井鉆井工程及隨鉆測量儀器維修工作。

①2015-04-01

呂拴錄（1957-），男，陜西寶雞人，教授級高級工程師，主要從事石油管材和石油機械質(zhì)量檢驗及失效分析研究。