王 興 姜天杰 尚 捷

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院 北京 101149)

0 引 言

隨著海上油氣田勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步深入，各種復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造對(duì)鉆井提出了更高要求，大斜度井、水平井和多分支井鉆井已經(jīng)成為油氣田開(kāi)發(fā)的常規(guī)方法［1］。在定向井、水平井和大位移井中進(jìn)行測(cè)井，常規(guī)電纜測(cè)井儀器很難下放到目的層，并且風(fēng)險(xiǎn)大，亟需隨鉆測(cè)井儀器來(lái)作業(yè)。隨鉆測(cè)井是在鉆井液侵入地層之前或侵入很淺時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下溫度、壓力、鉆井工具的井斜角、方位角和工具面角等井眼軌跡參數(shù)［2］。隨鉆測(cè)井能更加真實(shí)地反映原狀地層的地質(zhì)特征，可以提高地層評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。隨鉆測(cè)井在鉆井的同時(shí)完成測(cè)井作業(yè)，節(jié)省了測(cè)井成本［3］。中海油田服務(wù)股份有限公司自主研發(fā)的DRILOG 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)和Welleader 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)已經(jīng)完成了多井次陸地和海上油田的實(shí)鉆試驗(yàn)及生產(chǎn)井的作業(yè)，各項(xiàng)功能指標(biāo)滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求［4］。

1 DRILOG 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)簡(jiǎn)介

DRILOG 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)如圖1 所示，主要由以下七部分組成:脈沖器、定向探管、井下儀器總線控制器、鉆柱振動(dòng)模塊、自然伽馬測(cè)井儀、電磁波電阻率測(cè)井儀和IDEAS 地面系統(tǒng)。

圖1 DRILOG 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)組成

DRILOG 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)采用的是渦輪發(fā)電式的脈沖器，可以根據(jù)定向探管的指令信號(hào)，產(chǎn)生泥漿脈沖。脈沖器利用泥漿流動(dòng)使線圈在旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)中切割磁力線，產(chǎn)生的電能供給定向探管。井下儀器總線控制器給整個(gè)儀器串提供井下供電，管理井下儀器總線，實(shí)現(xiàn)自然伽馬測(cè)井儀、電磁波電阻率測(cè)井儀、隨鉆中子測(cè)井儀、隨鉆密度測(cè)井儀、隨鉆聲波測(cè)井儀和隨鉆測(cè)壓儀器的掛接［5］。自然伽馬測(cè)井儀通過(guò)測(cè)量地層中放射性元素產(chǎn)生的自然伽馬射線強(qiáng)度，來(lái)進(jìn)行地層的巖性識(shí)別和估算泥質(zhì)含量。綜合對(duì)比多口井的井下伽馬測(cè)井資料，就可以了解某油田區(qū)塊的地下地質(zhì)面貌(層厚、巖性的縱向和橫向變化)，進(jìn)一步研究地下構(gòu)造、巖相和斷層等，進(jìn)行地層對(duì)比。電磁波電阻率測(cè)井儀通過(guò)不同頻率和收發(fā)天線的組合，可獲取不同測(cè)量深度的地層電阻率曲線。IDEAS 地面系統(tǒng)用于隨鉆測(cè)井儀器和地面?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、顯示和測(cè)井出圖［6］。

在鉆井過(guò)程中，定向探管可以連續(xù)測(cè)量鉆頭附近的井斜角、方位角和工具面角等井眼姿態(tài)參數(shù)，井下儀器總線控制器獲取隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。然后將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，最后根據(jù)一定的編碼規(guī)則對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行泥漿脈沖編碼和驅(qū)動(dòng)脈沖器工作。脈沖器產(chǎn)生的泥漿脈沖信號(hào)，通過(guò)鉆柱與井壁(或套管)之間的環(huán)空泥漿通道被傳輸?shù)降孛婧螅蒊DEAS 地面系統(tǒng)對(duì)泥漿脈沖編碼信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、濾波、波形識(shí)別、解碼和解析處理，實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)井眼軌跡。

根據(jù)DRILOG 定向探管提供的實(shí)時(shí)地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)工程師能夠隨時(shí)監(jiān)控地層的變化情況，對(duì)可能出現(xiàn)的地層變化作出準(zhǔn)確的判斷。在大斜度井和水平井鉆井中，進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向，能準(zhǔn)確地控制井眼軌跡穿行于儲(chǔ)集層中有利于產(chǎn)油的最佳位置，有效地避開(kāi)油/水界面，可以大幅度地提高單井產(chǎn)量和儲(chǔ)集層采收率。

定向探管主要由主控電路MCM、電源管理電路PWR 和定向測(cè)量數(shù)據(jù)處理電路DMP 組成。MCM 主要完成MWD 井眼姿態(tài)參數(shù)獲取、LWD 測(cè)量數(shù)據(jù)脈沖編碼和驅(qū)動(dòng)脈沖器等功能。PWR 主要完成電源管理功能，根據(jù)鉆井工況可以切換供電模式。DMP 主要通過(guò)加速度計(jì)和三軸磁通門傳感器完成井斜角、高邊工具面角、磁性工具面角、方位角和地磁傾角等參數(shù)的測(cè)量、解算和輸出。PWR 模塊產(chǎn)生的電源給MCM、DMP、加速度計(jì)及磁通門供電。DMP 解算后的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)MCM。磁通門及加速度計(jì)的測(cè)量信號(hào)傳給DMP，DMP模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)理、AD 采集、解算及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2 軸向干擾分析方法

隨鉆測(cè)量要求測(cè)量模塊既能承受油氣井下巨大的振動(dòng)沖擊，又能保證在信噪比極低的狀態(tài)下具有較高的姿態(tài)測(cè)量精度。由于鉆井中鉆桿旋轉(zhuǎn)，會(huì)引起儀器串帶轉(zhuǎn)，出現(xiàn)工具面角較快變化，并且井斜角隨著井深也有緩慢變化，因此要求測(cè)量模塊能適應(yīng)多種復(fù)雜工況，具有較高的動(dòng)態(tài)測(cè)量性能。

定向探管在井下的空間位置如圖2 所示。定義定向探管軸線方向?yàn)樽鴺?biāo)系的Z 軸方向，X 軸和Y 軸方向在定向探管的橫截面上，并且X 軸和Y 軸方向互相垂直。Hx 表示定向探管X 軸方向上的磁場(chǎng)分量，Hy 表示定向探管Y 軸方向上的磁場(chǎng)分量。Hx 與Hy 兩分量的矢量和記為Hoxy，按照公式(1)計(jì)算。Hoxy 表示定向探管檢測(cè)到來(lái)自橫向方向上的磁場(chǎng)分量。如果存在套管等鄰井干擾，將會(huì)影響Hoxy 的數(shù)值。Hz 表示定向探管檢測(cè)到來(lái)自軸向的磁場(chǎng)分量。如果有來(lái)自上部鉆具或下部鉆具的磁干擾，將會(huì)影響Hz 的數(shù)值大小。

圖2 定向探管在井下的空間位置

采用短鉆鋌測(cè)量修正方法對(duì)定向探管的測(cè)量得到的重力場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量進(jìn)行分析。首先，根據(jù)井口已知的真實(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度H0和當(dāng)?shù)氐拇艃A角φ，以及重力加速度在X、Y、Z 三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的分量Gx、Gy、Gz，按照公式(2)、(3)、(4)計(jì)算出真實(shí)的鉆具軸向的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量Hzc。其中INC 是井斜角，AZI 是方位角。

其次，利用(4)式計(jì)算得到的Hzc 和測(cè)量的磁場(chǎng)在X、Y 軸方向上的分量Hx、Hy，計(jì)算得到新的Htc。

再次，比較計(jì)算得到的Htc 和測(cè)量得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度Ht。如果兩者差別較大，說(shuō)明磁干擾來(lái)自儀器橫向。此時(shí)，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

最后，如果Htc 和Ht 吻合，說(shuō)明磁干擾確實(shí)來(lái)自儀器軸向。此時(shí)，采用方位角校正方法。根據(jù)Hzc，按照公式(6)可計(jì)算出方位角AZIc，即采用修正后的方位角作為最終的方位角。

3 加速度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析

考慮到油氣井下高溫、高壓、強(qiáng)振動(dòng)等條件限制，定向探管中要使用耐高溫高壓、抗振動(dòng)、精度高的加速度計(jì)和三軸磁通門傳感器。定向探管中安裝的加速度計(jì)主要敏感重力加速度在三個(gè)相互正交的敏感軸方向上的分量。在地球上的任何位置，重力加速度的方向總是垂直指向地心的。加速度計(jì)的測(cè)量原理如下:當(dāng)沿加速度計(jì)敏感軸方向有加速度輸入時(shí)，傳感器內(nèi)部的機(jī)電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生正比于輸入加速度的一個(gè)平衡力，使得傳感器內(nèi)部的敏感質(zhì)量保持在平衡位置。相對(duì)于該平衡力，傳感器有一個(gè)與之正比的電壓輸出，對(duì)該電壓進(jìn)行采集即可測(cè)定輸入加速度。

加速度計(jì)測(cè)得的Gz 為重力加速度在探管軸向的分量，Goxy 為重力加速度在定向探管的徑向分量，GT為重力加速度三分量的矢量和，其數(shù)值為所測(cè)到的當(dāng)?shù)刂亓铀俣戎?，?jīng)過(guò)歸一化處理后，其數(shù)值為1。

在油田某井的二開(kāi)井段使用DRILOG 定向探管，每鉆完一根立柱，停頂驅(qū)、坐卡、停泵、接好下一根立柱后，開(kāi)泵至正常鉆進(jìn)排量進(jìn)行測(cè)斜，測(cè)得測(cè)斜點(diǎn)處GT、Goxy、Gz 隨著測(cè)深的變化趨勢(shì)如圖3 所示。測(cè)量的總重力場(chǎng)強(qiáng)度GT值始終為1 左右，定向探管徑向分量Goxy從993.69 m 測(cè)斜點(diǎn)處開(kāi)始逐漸增大，到1 238.4 m 后開(kāi)始保持相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明該井段井眼軌跡的井斜逐漸增加，保持增斜鉆進(jìn)，達(dá)到一定井斜后開(kāi)始穩(wěn)斜鉆進(jìn)，與實(shí)際井眼趨勢(shì)相符。說(shuō)明定向探管加速度計(jì)的測(cè)量質(zhì)量較好。

圖3 測(cè)斜點(diǎn)處GT、Goxy、Gz 隨測(cè)深變化趨勢(shì)

4 磁通門測(cè)量數(shù)據(jù)分析

三軸磁通門傳感器主要敏感三個(gè)相互正交的敏感軸方向上的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁通門由激磁線圈、感應(yīng)線圈和高導(dǎo)磁率鐵芯組成。激磁線圈繞在鐵芯上，供交變電流。感應(yīng)線圈繞在激磁線圈外面，在其上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。鐵芯的導(dǎo)磁率極高，有很強(qiáng)的聚磁能作用［7］。鐵芯的橫截面積是S，激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度是H，Hm是激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值，磁導(dǎo)率μ，感應(yīng)線圈的匝數(shù)是N，激磁電源頻率是f。對(duì)于理想變壓器的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算見(jiàn)公式(7)。

對(duì)于實(shí)際的變壓器，鐵芯是非線性的，磁導(dǎo)率μ 會(huì)發(fā)生變化，因此感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算見(jiàn)公式(8)。

三軸磁通門傳感器的測(cè)量原理如下:對(duì)某一個(gè)軸來(lái)說(shuō)，磁傳感器是由兩個(gè)同樣的核組成的一種裝置。這兩個(gè)核的主線圈纏繞方向相反，次級(jí)線圈纏繞著核和主線圈。每個(gè)核的激勵(lì)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。這些磁場(chǎng)強(qiáng)度相等，且方向相反。因此彼此抵消，并且在次級(jí)線圈中沒(méi)有電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)。當(dāng)把磁傳感器放置在敏感方向的外部磁場(chǎng)中時(shí)，不平衡狀態(tài)產(chǎn)生，并且在次級(jí)線圈中產(chǎn)生與外部磁場(chǎng)成正比的電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)采集次級(jí)線圈的電動(dòng)勢(shì)即可測(cè)定該方向上的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度。

磁通門傳感器測(cè)得的分量Hz 為地磁場(chǎng)強(qiáng)度在探管的軸向分量，Hoxy 為地磁場(chǎng)強(qiáng)度在探管的徑向分量，HT為磁場(chǎng)強(qiáng)度三分量的矢量和，其數(shù)值為所測(cè)到的當(dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)強(qiáng)度。在油田某井的二開(kāi)井段，每鉆完一根立柱，開(kāi)泵至正常鉆進(jìn)排量進(jìn)行測(cè)斜，測(cè)斜點(diǎn)處HT、Hoxy、Hz 隨測(cè)深變化趨勢(shì)如圖4 所示。該井段使用DRILOG 定向探管，測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度HT 數(shù)值始終保持在0.562T(特斯拉)左右，和油井所在地的地磁場(chǎng)強(qiáng)度相符。徑向分量Hoxy 從993.69 m 測(cè)斜點(diǎn)處開(kāi)始逐漸增大，到1 238.4 m 后開(kāi)始保持相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明該井段井眼軌跡方位逐漸變化，到一定方位后開(kāi)始穩(wěn)定。實(shí)際的井眼軌跡是開(kāi)始造斜，然后穩(wěn)斜，因此，表現(xiàn)為方位開(kāi)始變化后穩(wěn)方位。Hoxy 的變化趨勢(shì)與實(shí)際的井眼軌跡相符。油田所在地的地磁傾角為61.933°，在直井段或初始造斜時(shí)，井斜較小，地磁場(chǎng)強(qiáng)度的軸向分量Hz 大于徑向分量Hoxy，符合實(shí)際情況。說(shuō)明定向探管三軸磁通門傳感器的測(cè)量質(zhì)量較好。

圖4 測(cè)斜點(diǎn)處HT，HZ，HOXY隨測(cè)深變化趨勢(shì)

5 方位角測(cè)量數(shù)據(jù)分析

地面系統(tǒng)對(duì)泥漿脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)解碼后，得到的方位角是R_AZI，內(nèi)存中定向探管測(cè)得的方位角是M_AZI。根據(jù)油田某井二開(kāi)井段的作業(yè)數(shù)據(jù)，繪出定向探管實(shí)時(shí)測(cè)得的方位角和內(nèi)存數(shù)據(jù)分別隨著測(cè)深的變化趨勢(shì)如圖5 所示。由圖5 可知，地面系統(tǒng)實(shí)時(shí)解碼后得到的方位角R_AZI 和定向探管的內(nèi)存數(shù)據(jù)M_AZI 基本保持一致，并且方位角隨測(cè)深變化不大，基本保持平穩(wěn)，符合實(shí)際井眼軌跡。

圖5 方位角AZI 隨測(cè)深變化趨勢(shì)

6 結(jié) 論

1)本文采用短鉆鋌測(cè)量修正方法，對(duì)DRILOG 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)中定向探管的測(cè)量質(zhì)量進(jìn)行了分析，得到了方位角的校正計(jì)算公式。

2)采用軸向干擾分析方法，研究了定向探管內(nèi)部的加速度計(jì)和三軸磁通門傳感器的空間布局，以及定向探管相對(duì)井眼的空間位置，有效地降低了探管的軸向和徑向干擾。

3)通過(guò)油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)獲得的探管測(cè)量數(shù)據(jù)，分析了測(cè)斜點(diǎn)處加速度計(jì)和三軸磁通門傳感器各分量數(shù)值，研究了相對(duì)于井眼軌跡走勢(shì)的探管軸向和徑向分量數(shù)值及趨勢(shì)，表明探管中加速度計(jì)和磁通門的測(cè)量精度較高。

4)通過(guò)對(duì)比分析DRILOG 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)實(shí)時(shí)解碼得到的方位角和定向探管內(nèi)存中測(cè)得的方位角，表明DRILOG 定向探管的方位角測(cè)量精度較高。

5)中海油田服務(wù)股份有限公司自主研發(fā)的DRILOG隨鉆測(cè)井系統(tǒng)完成了多井次陸地和海上油田的生產(chǎn)井作業(yè)，定向探管測(cè)量精度較高，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的要求，該系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

［1］王 興.可控偏心器中非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的研究和應(yīng)用［D］.西安:西安石油大學(xué)，2012.

［2］王 興，謝海明.高頻逆變電路在非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電工電氣，2011(9):31 -34.

［3］周 靜，王 興.穩(wěn)壓系統(tǒng)在非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電源技術(shù)，2012(4):550 -553.

［4］吳 超，菅志軍，郭 云，等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)鉆試驗(yàn)［J］.中國(guó)海上油氣，2012，24(3):52 -57.［5］尚 捷，姚文彬，李 輝.隨鉆井下儀器總線測(cè)試系統(tǒng)研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2011，34(8):118 -121.

［6］王智明，尚 捷，菅志軍，等.SPOTE 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的試驗(yàn)研究［J］. 承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2012，14(3):25-30.

［7］付鑫生，劉塞立，周 靜.磁通門測(cè)量原理與方法［J］.測(cè)井技術(shù)，1995，19(2):109 -116.