■胡明

（渤海鉆探定向井分公司河北任丘062552）

MWD無線隨鉆測斜儀信號傳輸方式及問題處理方法

■胡明

（渤海鉆探定向井分公司河北任丘062552）

MWD是定向井井眼軌跡控制中一種常用的測量儀器，主要用于測量井斜角、方位角、工具面角等參數(shù)。當MWD在井下工作出現(xiàn)異常時，能否迅速判斷和處理，避免因儀器故障造成停工，影響鉆井正常施工，是每一個現(xiàn)場測量工程師都必須慎重對待的現(xiàn)場問題。MWD無線隨鉆測斜儀是在有線隨鉆測斜儀的基礎上發(fā)展起來的一種新型的隨鉆測量儀器。它與有線隨鉆測斜儀的主要區(qū)別在于井下測量數(shù)據(jù)的傳輸方式不同

MWD常 見故障 分析 處理

1　目前我國多數(shù)井中使用的MWD施工主要包括下面兩種方式實現(xiàn)信號的傳輸

1.1負脈沖方式

泥漿負脈沖發(fā)生器需要組裝在專用的無磁鉆鋌中使用，開啟泥漿負脈沖發(fā)生器的泄流閥，可使鉆柱內(nèi)的泥漿經(jīng)泄流閥與無磁鉆鋌上的泄流孔流到井眼環(huán)空，從而引起鉆柱內(nèi)部的泥漿壓力降低，泄流閥的動作是由探管編碼的測量數(shù)據(jù)通過調(diào)制器控制電路來實現(xiàn)。在地面通過連續(xù)地檢測立管壓力的變化，并通過譯碼轉(zhuǎn)換成不同的測量數(shù)據(jù)。

圖1　泥漿負脈沖方法工作原理示意圖

這種方法的優(yōu)點是：數(shù)據(jù)傳輸速度較快，適合傳輸定向和地質(zhì)資料參數(shù)。

缺點是：下井儀器的結(jié)構(gòu)較復雜，組裝、操作和維修不便，需要專用的無磁鉆鋌。

1.2正脈沖方式

圖2　泥漿正脈沖方式工作原理示意圖

如圖2所示，泥漿正脈沖發(fā)生器的針閥與小孔的相對位置能夠改變泥漿流道在此的截面積，從而引起鉆柱內(nèi)部的泥漿壓力的升高，針閥的運動是由探管編碼的測量數(shù)據(jù)通過調(diào)制器控制電路來實現(xiàn)。在地面通過連續(xù)地檢測立管壓力的變化，并通過譯碼轉(zhuǎn)換成不同的測量數(shù)據(jù)。這種方法的優(yōu)點是：下井儀器結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，使用操作和維修方便，不需要專門的無磁鉆鋌。缺點是：數(shù)據(jù)傳輸速度慢，不適合傳輸?shù)刭|(zhì)資料參數(shù)。

1.3電磁波傳輸方式

因空氣鉆井的項目，將引進兩套電磁波信號傳輸MWD。

電磁波信號傳輸主要是依靠地層介質(zhì)來實現(xiàn)的。井下儀器將測量的數(shù)據(jù)加載到載波信號上，測量信號隨載波信號由電磁波發(fā)射器向四周發(fā)射，如圖3所示。地面檢波器在地面將檢測到的電磁波中的測量信號卸載并解碼、計算，得到實際的測量數(shù)據(jù)。

圖3　電磁波信號傳輸示意圖

這種方法的優(yōu)點是：數(shù)據(jù)傳輸速度較快，適合于普通泥漿、泡沫泥漿、空氣鉆井、激光鉆井等鉆井施工中傳輸定向和地質(zhì)資料參數(shù)。

缺點是：地層介質(zhì)對信號的影響較大，低電阻率的地層電磁波不能穿過，電磁波傳輸?shù)木嚯x也有限，不適合超深井施工。

2　儀器測試和組成

2.1MWD測量儀器的精度要求

（1）井斜角≤±0.1。

（2）方位角≤±1。

（3）溫度≤±1。C

（4）磁場強度≤±0.075μT

（5）重力工具面≤±0.5。

（6）磁性工具面≤±1。

（7）組裝測量儀器

2.2測量儀器

（1）外觀無損傷，無彎曲，無變形；

（2）連接端清潔無損傷；

（3）脈沖發(fā)生器測試要求按表1執(zhí)行；

表1　脈沖發(fā)生器測試要求

（4）驅(qū)動短節(jié)充電電流在規(guī)定的范圍之內(nèi),充電電流在300mA～400mA,測試正常；

（5）定向電池電壓測試標準按表2執(zhí)行。

表2　定向電池電壓測試標準

（6）定向儀器地面串接測試，工作正常；

（7）記錄各部分編號。

2.3組裝測量儀器總成

（1）組裝脈沖發(fā)生器總成；

（2）組裝驅(qū)動短節(jié)總成；

（3）組裝定向電池總成；

（4）組裝定向測量總成；

（5）將脈沖發(fā)生器總成、驅(qū)動短節(jié)總成、定向電池總成、定向測量總成用專用電纜連接，組成測量儀器總成。

2.4測量儀器組合測試

（1）將組裝好的測量儀器總成通過探管并口測試盒與計算機連接，在車間對儀器組合進行測試；

（2）通過地面確認測試，確保測量儀器的參數(shù)符合要求,在測試報告上填寫各項測試參數(shù)；

（3）在測量儀器專用無磁鉆鋌和接頭兩端裝入護絲。

2.5地面系統(tǒng)

（1）各地面儀器外觀無損傷；

（2）地面接口箱通電，測試各功能鍵正常；

（3）將壓力傳感器用電纜與地面接口箱連接，使用壓力泵測試壓力傳感器0MPa～30MPa的規(guī)定壓力范圍內(nèi)工作正常；

（4）將司鉆閱讀器通過電纜與司鉆閱讀器電源箱連接，通電測試司鉆閱讀器正常。

2.6地面系統(tǒng)測試

將地面系統(tǒng)各部分連接起來，打開電源，進行整體測試。

3　MWD地面系統(tǒng)接地和壓力傳感器使用技術(shù)

地面系統(tǒng)接線圖：

GAMMA連接線:

4　MWD無線隨鉆儀器信號異常分析處理方法

（1）現(xiàn)象：在停泵狀態(tài)下，觀察到計算機屏幕上的柱狀壓力顯示區(qū)出現(xiàn)壓力值波動。例如：在3～5Mpa上下規(guī)律性波動，開始正常定向時會與正常的脈沖信號疊加，導致不能解碼，且通過標定壓力傳感器無法克服。

分析:鉆井設備更新有電驅(qū)替代柴油機的趨勢，例如：電動轉(zhuǎn)盤，液壓鉗，頂驅(qū)等。交變干擾信號在計算機屏幕上的出現(xiàn)，說明電機存在電磁外泄。

解決：壓力傳感器內(nèi)裝有抗干擾的濾波電容，施工現(xiàn)場一旦出現(xiàn)交變干擾，只能從干擾源著手。

（2）現(xiàn)象：波形顯示區(qū)脈沖波形時斷時續(xù)，無法正常解碼，出井地面測試正常。

分析：電池筒減震組件虛接，振動導致儀器間歇斷電。

解決：更換電池筒減震組件。

提示：此類故障具有隱蔽性，極端情況時，鉆頭提離井底，信號正常，鉆頭到底加壓，信號全無。此外，連續(xù)發(fā)停泵序列，也要特別注意電池筒減震組件。

（3）現(xiàn)象:波形顯示區(qū)突然出現(xiàn)大量雜波。

分析:首先詢問井隊泥漿人員，確認泥漿中是否添加了藥劑。將配漿注入循環(huán)時，會導致鉆具水眼上部形成稠塞。

解決:下鉆到底循環(huán)，經(jīng)常會出現(xiàn)雜波多的情況，這與井底含砂大有關(guān)，與泥漿中添加處理劑不同之處在于前者發(fā)生在井口，后者在井底。

（4）現(xiàn)象：在儀器出井的拆卸過程中，發(fā)現(xiàn)扶正器有粘扣現(xiàn)象，嚴重時加力能導致勾扳手打折。

分析：核實轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，嚴重超標達95轉(zhuǎn)每分鐘，過高的轉(zhuǎn)速對井下儀器起到了緊扣作用，導致粘扣。

解決：將轉(zhuǎn)速控制在60轉(zhuǎn)每分鐘左右。

提示：井下儀器串從坡道提升到鉆臺的過程中，要防止打撈頭撞擊坡道，造成打撈頭下的扶正器粘扣甚至損傷扶正器，嚴禁用釋放矛提升儀器。

（5）現(xiàn)象：定向時軟件上泵壓顯示不正常總是突然超過30兆帕然后恢復正常。

分析：只有定向時出現(xiàn)，復合和測斜時正常。

解決：更換螺桿鉆頭后正常。

（6）現(xiàn)象：壓力數(shù)值波動不正常，雜波過多無法解碼。

分析：井隊和錄井壓力顯示正常。

解決：更換壓力傳感器后正常。

（7）現(xiàn)象：儀器入井井口測試信號正常，中途測試正常，1100米到底開泵，正常波形中有雜波干擾無法檢測到數(shù)據(jù)。

分析：當時懷疑地面設備引起波形不正常，檢查泵正常、循環(huán)處理泥漿90分鐘后波形仍然不正常，決定起鉆檢查儀器，懷疑脈沖發(fā)生器引鞋部分可能出現(xiàn)故障。

解決：取出儀器檢查引鞋正常。取下篩屏發(fā)現(xiàn)伺服閥閥頭對著的閥套Ⅱ損壞。

（8）現(xiàn)象:脈沖波形時斷時續(xù)。

分析：觀察泵壓變化也是如此，判斷為砂卡。

解決：循環(huán)處理泥漿，降低含砂，信號逐漸恢復正常。

（9）現(xiàn)象：軟件上無壓力顯示。

分析：泵壓表正常，判定為地面設備故障，對司顯進行通訊測試全部失敗，室內(nèi)單獨測試司顯正常，檢查線路，發(fā)現(xiàn)30米電纜被砸斷。

解決:更換30米電纜，如重接30米電纜，注意要將屏蔽網(wǎng)也接好。

（10）現(xiàn)象：測斜時不出停泵序列。

分析：起鉆檢查儀器正常。井下螺桿旁通閥沖壞，泥漿從鉆具內(nèi)流失。流量開關(guān)感受不到開關(guān)泵。

解決：換螺桿后停泵序列正常。

（11）現(xiàn)象：儀器地面測試正常，井口測試無信號。

分析：儀器沒有正常座鍵。

解決：重新座鍵。其它情況：儀器座鍵困難，曾遇到的情況，定向接頭加工誤差，定向接頭接反，限流環(huán)沖翻。

（12）現(xiàn)象：雜波多。

分析：泵壓表正常，傳輸線路附近可能有干擾源。

解決：檢查30米電纜附近有電焊機施工，停掉電焊機后信號恢復正常。其它可能原因：壓力傳感器振動松扣會直接導致雜波的出現(xiàn)。壓力傳感器與連接電纜插頭連接處進水也會導致雜波多，該故障隱蔽，較難查找，因此電纜各插頭連接處務必用防水膠帶纏好。

5　地面系統(tǒng)檢測到信號基線不穩(wěn)，信號突然不好的幾種情況及解決辦法

（1）首先檢查當信號不好前，MWD地面系統(tǒng)各項參數(shù)是否改變。如：泵沖開關(guān)位置是否改變；查看SIB電流表是否上下波動；井隊是否進行泥漿加重；鉆臺是否上下活動鉆具。

（2）查看鉆臺水龍帶是否晃動，泵壓表指針是否波動，如果是泵上水不好，要求井隊修泵；如果空氣包壓力不夠，補充泵空氣包壓力；檢查兩個泵是否合用一個空氣包，將所有與高壓管線無關(guān)的閥門關(guān)緊。

（3）檢查泵壓信號線兩端是否松動，導致+24V電源時斷時續(xù)。

（4）循環(huán)管匯是否有泄漏地方，如灌泥漿口，注意有的井隊裝了兩個水龍帶。

（5）壓力傳感器安裝處是否有空氣，換一個地方安裝。

（6）井隊發(fā)電機是否頻率不穩(wěn)（一般說，如果儀器開始工作正常，則電源應正常）。也可能是井隊電機功率不夠，在開泵時基線不穩(wěn)。以前井出現(xiàn)此情況，改用后備電源UPS供電后，信號曲線正常。

另外，井場冬季環(huán)境溫度很低時，壓力傳感器可能被凍住，如用蒸汽噴容易損壞內(nèi)部電路，可加氈墊或用其它方式保護好壓力傳感器。

6　結(jié)論與建議

本文總結(jié)了我多年的工作經(jīng)驗中對MWD無線隨鉆測斜儀信號傳輸方式及問題處理方法的理解，希望能為MWD無線隨鉆測斜儀信號傳輸?shù)陌l(fā)展貢獻一份有價值的力量。

[1]工程流體力學第二版陳卓如332～337高等教育出版社

[2]MWD旋轉(zhuǎn)閥連續(xù)壓力波發(fā)生器結(jié)構(gòu)研究及轉(zhuǎn)子受力分析 高敦升

[3]鉆井液連續(xù)壓力波QPSK信號的構(gòu)建及沿定向井筒傳輸特性的研究朱軍

P631.8+13[文獻碼]B

1000～405X（2016）～4～211～3

胡明（1983～），2008年畢業(yè)于中國民航大學計算機科學與技術(shù)專業(yè)，工程師，研究方向為定向井儀器測量。