范業(yè)活, 李天祿, 楊志強

(1.電子科技大學, 四川 成都 611731; 2.中國電波傳播研究所, 河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

水平井鉆井和壓裂技術是提高單井產量的主要技術手段,因此近年來新鉆井中水平井所占的比例逐年增大[1-3]。隨鉆測量技術是水平井鉆井的關鍵技術之一,該技術在鉆井過程中實時測量井下的地質和工程信息,并將測量的信息及時傳輸?shù)降孛?用于控制鉆井軌跡和優(yōu)化鉆井。隨著技術進步,國外幾大公司已基本實現(xiàn)常規(guī)測井項目的隨鉆測量,井下測量項目越來越多,信息量越來越大。信息量的增加及優(yōu)快鉆井對測量信息實時性需求的增高,都對隨鉆信息傳輸提出了更高的要求。隨鉆傳輸技術的傳輸率相對較低已成為隨鉆測量技術的瓶頸之一。

隨鉆傳輸技術可以分為有線和無線2類,其中常規(guī)線纜有線傳輸方式現(xiàn)場操作復雜,對鉆井正常作業(yè)有影響,應用越來越少,類似特種鉆桿的有線傳輸方式雖然傳輸率高,但成本高,制作工藝復雜,還沒有得到有效推廣。實現(xiàn)隨鉆傳輸?shù)臒o線傳輸方式主要有泥漿壓力波、電磁波和聲波,其中泥漿壓力波應用最廣,電磁波也已推廣應用,聲波傳輸還處于試驗或試用階段[4]。本文對泥漿壓力波、電磁波、聲波傳輸方式的工作原理、影響信號傳輸?shù)囊蛩剡M行分析和比較。

1 3種傳輸方式的工作原理

1.1 泥漿壓力波傳輸方式的工作原理

如果改變鉆柱內泥漿循環(huán)通道的面積,鉆柱內就會產生壓力變化,且這種壓力變化在鉆柱內傳遞,在地面立管處可用壓力傳感器測量這一壓力變化,根據(jù)井下測量信息,由控制電路和驅動電路控制脈沖發(fā)生器動作,產生攜帶有信息的壓力波,地面通過測量立管壓力進行信號接收和采集,進行處理和解碼,完成信息井下到地面的傳輸[5-6]。根據(jù)產生的壓力波波形不同,將泥漿壓力波傳輸方式分為正脈沖、負脈沖和連續(xù)波3種。產生信號時,泥漿循環(huán)通道面積減小,則壓力增大,為正脈沖;泥漿循環(huán)通道面積增大,則壓力變小,為負脈沖;若泥漿通道面積能逐漸連續(xù)地實現(xiàn)變大和變小,則產生的壓力幅度也連續(xù)變化,則為連續(xù)波。

1.2 電磁波傳輸方式的工作原理

隨鉆電磁波傳輸使用的天線形式常為如圖1所示短節(jié)(絕緣天線),該短節(jié)是利用特殊工藝處理的鉆鋌短節(jié),其在機械上能夠滿足鉆井(壓、拉、扭等)的強度要求,并且使1和2之間電氣絕緣。在實際作業(yè)中將該短節(jié)串接在鉆柱中,短節(jié)與整個鉆柱一起構成一個極不對稱的偶極天線(短節(jié)下方鉆柱長約10～20 m,上部鉆柱隨鉆井加深逐漸增加,一般在幾百米以上)。在1和2之間依據(jù)測量信息施加變化的電壓或電流,從而產生變化的電磁場,地面通過測量井口和距井口一段距離(通常為100 m左右)2點之間的電位差拾取電磁場變化的信息,完成井下到地面的信息傳輸[4]。

圖1 絕緣天線示意圖

1.3 聲波傳輸方式的工作原理

聲波傳輸方式通過井下控制壓電陶瓷或其他類型的換能器產生聲波,聲波在鉆柱中傳播,地面接收裝置一般接在鉆臺以上的鉆柱上,將接收到的信號通過無線方式傳到地面計算機,由計算機實現(xiàn)信號的進一步處理和數(shù)據(jù)分析,完成信息從井下到地面的傳輸[7]。

2 影響信號傳輸?shù)闹饕蛩?/h2>

由于信號產生、傳輸介質、接收方式的不同,影響3種傳輸方式通信效果的因素也不同。泥漿壓力波影響因素有脈沖發(fā)生器的性能,泥漿的成分,泥漿泵的泵壓、排量、穩(wěn)定性等;電磁波有發(fā)射效率、發(fā)射功率、工作頻率、地層電阻率、井場雜波等;聲波有換能器性能、鉆柱的相關參數(shù)、工作頻率、鉆柱與地層的接觸情況、不穩(wěn)定噪聲等。

2.1 影響泥漿壓力波傳輸?shù)闹饕蛩?/h2>

泥漿壓力波傳輸信號的產生通過控制機械活動部件動作改變通道面積實現(xiàn),影響活動部件動作的因素將影響信號的品質,比如泥漿中加入堵漏劑,可能造成活動部件的動作困難,無法產生信號或產生的信號幅度很小,不能滿足信號傳輸?shù)男枰?。泥漿中含沙量大將容易損壞井下的活動部件,泥漿壓力波傳輸方式一般都對泥漿的含沙量有比較嚴格的要求。

泥漿壓力波的傳輸介質為鉆柱內泥漿,建立泥漿循環(huán)是信號傳輸?shù)谋匾獥l件,且泥漿的成分影響壓力波的傳輸,比如固相和氣相含量,傳輸過程中可能因氣相的不均勻,造成泥漿壓力波變形,帶來解碼困難。

地面通過測量立管壓力實現(xiàn)信號的接收,引起立管壓力變化的因素都可能影響信號傳輸,如泥漿泵穩(wěn)定性,泥漿泵穩(wěn)定性差,將導致立管壓力波動較大,可能影響信號傳輸。同樣與泥漿循環(huán)相關的參數(shù),比如泥漿排量、泵壓、改變泥漿通道面積的活動部件等都會影響泥漿脈沖壓力波的波形和幅度。

2.2 影響電磁波傳輸?shù)闹饕蛩?/h2>

電磁波傳輸方式的天線為非對稱偶極天線,天線周圍的介質比較復雜,主要有泥漿、套管、地層等,且地層電阻率可能從幾歐姆米到幾千歐姆米或更大范圍內變化。天線周圍的介質影響發(fā)射天線的輸入阻抗,發(fā)射天線為發(fā)射機的負載,發(fā)射機在負載變化范圍較大的情況下能否實現(xiàn)高效發(fā)射是影響電磁波傳輸?shù)年P鍵因素之一。發(fā)射功率的大小是影響信號大小的最直接因素,但由于隨鉆儀器可能使用電池供電,受電池容量和工作時間的限制,發(fā)射功率不能太大,一般為幾瓦到幾十瓦[4,8-10]。

發(fā)射天線產生的電磁波通過鉆柱、泥漿、地層、套管等構成的信道傳輸?shù)降孛?鉆柱、泥漿、地層和套管對信號傳輸都有影響,鉆柱的導電性越好,越利于信號傳輸;地層對于電磁波為有損介質,在工作頻率不變的情況下,地層電阻率越低電磁波衰減越快,因此地層電阻率較低的區(qū)塊,電磁波傳輸深度較淺。地層電阻率影響發(fā)射天線的輸入阻抗,發(fā)射機設計時很難滿足負載大范圍變化時的性能,一般考慮到低電阻率地層的傳輸衰減大,優(yōu)先考慮低電阻率地層的發(fā)射效率,這樣在地層電阻率較高時,發(fā)射效率降低,激勵到發(fā)射天線上功率和電流就會變小。在煤層氣鉆井的應用中,如果煤層電阻率太高,遠超出EM-MWD儀器設計范圍,儀器進入煤層就會出現(xiàn)地面信號太小無法解碼的情況,一旦儀器出煤層信號則會增大。對于普通泥漿,由于泥漿電阻率變化范圍不大,且徑向尺度與地層相比較小,對信號傳輸影響不明顯,但高導泥漿會使發(fā)射天線兩極之間的通過泥漿回流電流的比例增加使地面信號變小。對于油基泥漿和氣體鉆井時,由于鉆井介質的電阻率較高,信號隨深度的衰減變小,但鉆井介質對發(fā)射天線的輸入阻抗影響也很明顯,在鉆頭提離井底的時,鉆井介質包圍發(fā)射天線,發(fā)射天線輸入阻抗較高,效率變差信號變弱,在鉆進時由于鉆頭與地層接觸,發(fā)射天線的輸入阻抗變低,信號發(fā)射正常,信號變大。套管為金屬材料,如果作業(yè)井段為直井段,當發(fā)射天線(絕緣部分)在套管內時,套管對電磁波有屏蔽作用,與無套管時相比,信號變小;當發(fā)射天線在套管以下井段與無套管時相比信號變大。如果套管已經下到斜井段,發(fā)射天線在套管內時,由于套管的短路作用,則無法完成信號傳輸。

井場電磁干擾是影響電磁波傳輸?shù)闹匾蛩刂?井場50 Hz的干擾最大,但50 Hz的干擾與系統(tǒng)的工作頻率有一定間隔,相對容易處理。由井場機電設備的工作狀態(tài)變化引起的干擾與系統(tǒng)的工作頻率接近,處理比較困難。現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)井場電磁干擾與井場機電設備狀況及工作狀態(tài)息息相關,通常鉆進時電磁干擾較大,循環(huán)泥漿時次之,停鉆時最小。

2.3 影響聲波傳輸?shù)闹饕蛩?/h2>

由于隨鉆條件下,溫度、空間、功率等因素的限制,選擇適合隨鉆條件的高效換能器產生相對較大功率的信號利于傳輸,因此換能器的性能是影響聲波傳輸方式的因素之一。

鉆柱通常由鉆鋌、鉆桿、轉換頭等組成,單根鉆具材料是連續(xù)的,但尺寸可能有變化,一般接頭處外徑變大。整個鉆柱由單根鉆具通過螺紋連接而成,單根長度基本相同,連接接頭周期性的出現(xiàn),這種結構對沿鉆柱傳播的聲波有梳狀濾波器的特性,且鉆桿與接頭相對長度的變化會影響到這一特性,并影響工作頻率的選擇,在實際中需根據(jù)鉆柱優(yōu)選工作頻率。鉆具接頭的存在使得聲阻抗突變,在接頭處會產生高反射特性,使得鉆柱的脈沖響應持續(xù)長達數(shù)百毫秒,造成碼間干擾和信號衰減。鉆柱長度的增加、接頭增多基本不影響通頻帶的位置,但由于單根之間存在差異,會使得通頻帶縮小[7,11-12]。

鉆桿與地層接觸點增多,聲波衰減增大;鉆具的彎曲會影響聲波傳輸,通頻帶位置基本不變,但傳輸衰減變大。隨鉆鉆具隨著軌跡而彎曲,在水平井中聲波傳輸衰減比直井大。接收信號的接收點以后鉆柱的長度,影響信號接收的幅度;聲波發(fā)射換能器以下的鉆具長度也會對傳輸產生影響。

鉆井過程中產生的不穩(wěn)定噪聲會影響信號的傳輸,包括地面噪聲和井下噪聲,這些噪聲會隨鉆井參數(shù)的變化而變化,比如鉆頭的類型、鉆壓、鉆頭旋轉速度、泥漿流速和泥漿類型、儲層類型等。

3 傳輸方式的優(yōu)劣勢分析

泥漿壓力波、電磁波、聲波3種傳輸方式影響傳輸?shù)囊蛩夭煌?各有優(yōu)勢。泥漿壓力波不受地層電參數(shù)的影響,區(qū)塊適應性強;電磁波傳輸對鉆井介質要求低,且與泥漿循環(huán)無關,節(jié)省測量占用鉆井時間,工作效率較高;聲波傳輸率高,可用于欠平衡鉆井,且受地層影響小。

3.1 傳輸延遲

泥漿脈沖產生的壓力波需經鉆柱內泥漿傳遞到地面,在鉆柱內泥漿壓力波的傳輸速度為1 200 m/s左右,3 000 m深的井其傳輸延遲約2.5 s[13-14]。電磁波工作頻率一般為幾赫茲到十幾赫茲,從井下到地面小于1個波長,傳輸延遲為幾分之一秒,延遲較短。鋼鐵材料中縱波的傳播速度5 000 m/s以上,對于幾千米的井深傳輸延遲一般也小于1 s。

3.2 傳輸率

中國現(xiàn)場應用的泥漿脈沖傳輸率小于1 bit/s[6]。電磁波傳輸方式的傳輸率一般為幾個bit/s,稍高于常用的泥漿脈沖。聲波的傳輸率相對較高,可達幾十bit/s以上。傳輸率高,地面獲得井下信息滯后時間短,方便鉆井控制和作業(yè)。

3.3 泥漿的影響

泥漿壓力波傳輸方式受泥漿性能影響較大,電磁波受泥漿影響較小,能夠實現(xiàn)欠平衡鉆井和邊堵漏邊作業(yè)[15-16]。電磁波儀器井下沒有活動部件,且電磁波的傳輸不受泥漿固相含量的影響,可以實現(xiàn)邊堵漏邊作業(yè)。聲波傳輸不依賴泥漿循環(huán)受泥漿性能影響小,但鉆柱內與外環(huán)空充滿泥漿時,聲波的傳播衰減變大[11]。

3.4 作業(yè)時效

泥漿壓力波靠泥漿傳輸信號,依賴于泥漿循環(huán),需要測斜時要停泵30 s左右測量,然后開泵等待泥漿循環(huán)穩(wěn)定,傳輸信號,信號傳輸完畢才能接單根。電磁波在測斜時只需提離井底30 s左右測量,發(fā)現(xiàn)信號傳到地面就可以進行接單根操作,減少信號傳輸占用鉆井的時間,提高工作效率。每次測斜電磁波能節(jié)省2～3 min,文獻[17]中對電磁波提高效率情況進行了統(tǒng)計,同一區(qū)塊泥漿脈沖作業(yè)了25口井、電磁波作業(yè)了41口井,造斜段平均鉆時泥漿脈沖為每小時26 ft*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,電磁波為36 ft;水平段平均鉆時泥漿脈沖為每小時54 ft,電磁波為每小時72 ft。平均每口井作業(yè)周期泥漿脈沖為13.4 d,電磁波為10.54 d。作業(yè)周期能縮短13%。聲波傳輸不依賴泥漿循壞,且傳輸率高于電磁波和泥漿脈沖,其作業(yè)時效更高。

3.5 傳輸深度

電磁波傳輸深度受地層電阻率的影響,在比較適合電磁波傳輸?shù)膮^(qū)塊,不使用接力技術實現(xiàn)4 000 m的傳輸已是國際先進水平,因此電磁波更適合于中淺井作業(yè)。泥漿脈沖也存在傳輸衰減,千米衰減量與泥漿性質相關,但與電磁波相比其隨深度的衰減要小的多,不是制約泥漿脈沖傳輸深度的主要因素。隨著井深的增加井下溫度和壓力增高,有些脈沖發(fā)生器無法正常工作,脈沖發(fā)生器的高溫性能成為制約泥漿脈沖傳輸深度的主要因素。中國125 ℃的泥漿脈沖發(fā)生器比較成熟,175 ℃的泥漿脈沖發(fā)生器還不成熟。聲波沿鉆柱傳播過程中存在嚴重的衰減,傳輸深度每增加1 000 ft,聲波信號衰減4～7 dB。聲波傳輸深度已實現(xiàn)直井2 500 m,定向井1 500 m。

3.6 工作方式的靈活性

與泥漿脈沖方式和聲波方式相比,電磁波方式的參數(shù)改變不受機械結構的限制,可以比較靈活地設置工作頻率、發(fā)射機功率等參數(shù)。

雖然泥漿脈沖傳輸方式已實現(xiàn)連續(xù)波,但實現(xiàn)連續(xù)波的技術難度很大,目前只有斯倫貝謝公司、哈里伯頓公司擁有了連續(xù)波泥漿脈沖傳輸技術。電磁波方式可以容易地實現(xiàn)連續(xù)波方式,編碼與調制方式也更靈活。

3.7 使用與維護成本

泥漿脈沖發(fā)生器中活動零部件更容易損壞,且泥漿脈沖發(fā)射器的維護保養(yǎng)周期較短,一般的泥漿脈沖發(fā)生器維護保養(yǎng)周期僅幾百個小時。電磁波沒有活動部件,維護成本相對較低。聲波的工作壽命和可靠性要明顯優(yōu)于泥漿脈沖,使用維護成本也較低。

4 發(fā)展方向

井下測量項目逐漸增多,工程上對井下信息的及時性要求提高,對傳輸率提出了更高的要求,增加信號傳輸率是隨鉆傳輸技術的主要發(fā)展方向,如高傳輸率泥漿脈沖發(fā)生器、智能鉆桿、光纖傳輸技術的研究。

電磁波在傳輸深度能夠滿足的情況下具有明顯的優(yōu)勢,增加傳輸深度是其主要發(fā)展方向。已有文獻曾報道了增加傳輸深度多種方法,如延伸天線法[16]、有線無線結合法[18]、無線中繼法[19]、自適應消噪法[20]、數(shù)據(jù)融合信號處理技術[21]、Casing Link接收天線法[22]等。在一些特殊井(譬如欠平衡井)作業(yè)時,常規(guī)電磁波傳輸深度不能滿足要求時應采取增加傳輸深度的方法。

實現(xiàn)泥漿壓力波與電磁波雙傳輸功能的系統(tǒng)已投入現(xiàn)場應用,系統(tǒng)充分利用電磁波的優(yōu)勢,并用泥漿脈沖技術彌補電磁波傳輸深度的不足。

耐高溫高壓泥漿脈沖發(fā)生器的研發(fā),提高泥漿脈沖的深井作業(yè)能力及實現(xiàn)小直徑儀器的研發(fā),滿足小井眼的作業(yè)需要也是重要的發(fā)展方向。

聲波傳輸方式傳輸率高且能用于欠平衡井中的優(yōu)勢非常具有吸引力,如何提高聲波傳輸方式的傳輸深度是其主要發(fā)展方向。

5 結 論

(1) 3種傳輸方式工作原理不同,影響信號傳輸?shù)囊蛩匾膊煌?。影響泥漿脈沖傳輸?shù)闹饕蚴悄酀{性能、泥漿泵的穩(wěn)定性及泥漿脈沖發(fā)生器的性能;影響電磁波傳輸?shù)闹饕蛩貫榘l(fā)射效率、工作頻率、地層電阻率和井場電磁干擾;影響聲波傳輸?shù)闹饕蛩厥菗Q能器、鉆柱和接頭尺寸、噪聲。

(2) 電磁波傳輸技術在時效、傳輸率、泥漿的適應性方面優(yōu)勢比較明顯,適合于中淺井提高鉆井效率、井漏區(qū)塊的邊堵漏邊作業(yè)及欠平衡定向鉆井作業(yè)。

(3) 泥漿壓力波傳輸隨深度增加信號衰減小,在儀器溫度和壓力性能滿足的情況下,可實現(xiàn)深井的隨鉆作業(yè)。

(4) 聲波傳輸率高,可用于欠平衡井,且受地層介質影響小,是具有吸引力的技術。

(5) 提高信號傳輸率,增加傳輸深度是聲波和電磁波傳輸方式的發(fā)展方向;提高泥漿脈沖發(fā)生器的溫度性能是傳輸技術的主要發(fā)展方向。

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