劉業(yè)文

摘 要：無線隨鉆測量技術(shù)是復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井技術(shù)的重要組成部分，近年來，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅猛，技術(shù)水平不斷提高;但是與隨鉆測量有關(guān)的各類復(fù)雜情況同樣層出不窮。筆者以X8井為例分析了隨鉆測量應(yīng)用技術(shù)主要影響因素，對該井無線隨鉆測量儀器失效情況進行了統(tǒng)計，對造成儀器失效和損壞的原因進行分析，進而提出了無線隨鉆測量技術(shù)需要在測量設(shè)備和應(yīng)用環(huán)境可靠性、建立更加完善的無線隨鉆測量應(yīng)用管理體系，提高測量系統(tǒng)應(yīng)用的合理性方面的建議，希望有助于推動無線隨鉆測量技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：X8井、無線隨鉆測量、失效、損壞、高溫高壓、震擊、鉆井液

Abstract：WirelessMeasurement-While-Drilling（MWD） technology， is an important part of drilling technology for complex structure wells. In recent years， related technologies have developed rapidly in China， and the technical level has been continuously improved.However， all kinds of complicated situations about MWD application happened one after the other. Taking well X8 as an example， the author analyzes the main influencing factors of MWD application technology， makes statistics on the failure of wireless MWD instruments in the well， analyzes the causes of instrument failure and damage， then puts forward suggestion that wireless MWD technology needs to establish a more perfect wireless MWD application management system in terms of the reliability of measurement equipment and application environment and also suggested ?improving the rationality of the application of measurement system to help to improve the MWD technology development。

Key Words： Well X8; MWD; Failure; Damage; High temperature and pressure; Shock; Drilling mud

隨著復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井技術(shù)需求的日益高漲，無線隨鉆測量技術(shù)發(fā)展迅猛，得以大面積普及、應(yīng)用，大大提高了鉆井效率，簡化了定向操作難度[1-3]。近年來，隨著應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，特別是深井和高溫高壓井的增多，無線隨鉆測量儀器失效的現(xiàn)象層出不窮。但無線隨鉆測量應(yīng)用技術(shù)也是一項環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)工程，任何環(huán)節(jié)不匹配都將影響隨鉆測量的效果，甚至是能否應(yīng)用成功。從國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用情況來看，無線隨鉆測量不能正常實施的影響因素很多，主要包括地面設(shè)備的功能性、井下測量設(shè)備的可靠性、測量環(huán)境的惡劣程度、循環(huán)系統(tǒng)的工況條件、操作人員的使用水平等。本文以X8井為例對各種影響因素進行剖析。

X8井是四川地區(qū)的一口高溫高壓致密砂巖長水平段水平井，該井三開和四開定向施工過程中，累計出現(xiàn)了16次無線隨鉆測量系統(tǒng)無法正常工作情況，其中有測量儀器性能方面的問題，也有工況環(huán)境評價方法缺失、工程應(yīng)用技術(shù)不完善等方面的問題，對該井隨鉆測量情況的分析將有助于總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，促進應(yīng)用技術(shù)水平提高。

1、X8井概況及隨鉆測量技術(shù)難點

1.1X8井概況

X8是四川地區(qū)的一口致密砂巖長水平段開發(fā)水平井，設(shè)計目的層須二段TX22砂組，埋藏深度4823～4887m，須家河組二段巖性主要為灰、淺灰色細、中粒巖屑砂巖、長石巖屑石英砂巖、中粒長石巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、巖屑長石砂巖、粗粒石英砂巖夾黑色頁巖，須家河組地層設(shè)計壓力預(yù)測如表1所示。

須家河組地層為高溫高壓地層，設(shè)計地層壓力預(yù)測情況見下表，須二氣藏地層溫度為125～141℃之間，地溫梯度為2.22～2.45℃/100m，由地層溫度與氣藏埋深關(guān)系，預(yù)測實鉆井底地層溫度可達130℃左右。

1.2隨鉆測量技術(shù)難點

（1）地層壓力高，鉆井液密度高（三開井段鉆井液密度2.04～2.05g/cm3），井底壓力較高，儀器抗壓能力要求高。

（2）地層溫度在125°～141°之間，預(yù)測地層溫度130°，常規(guī)無線隨鉆測量已經(jīng)無法滿足施工的要求，需要采用抗高溫儀器進行施工。

（3）巖石可鉆性差，鉆井時效低，易發(fā)生井下事故。如掉牙輪、斷鉆具等[4、5]，儀器使用風(fēng)險高。

（4）鉆井液性能要求高，固相含量需要保持較低水平，避免儀器沖蝕，造成儀器破壞。

2、隨鉆測量儀器組成及工作原理

常用的隨鉆測量儀器主要有3種類型，正脈沖、負脈沖和電池波傳輸類型，X8井采用負脈沖無線隨鉆測量儀器。負脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)主要包括地面接收處理系統(tǒng)、井下儀器以及鉆井液脈沖監(jiān)測系統(tǒng)。地面接收處理系統(tǒng)主要由立管壓力傳感器（SPP）、泵沖傳感器（PUMP）、地面接口箱（SIB）、司鉆閱讀器（RFD）、便攜計算機和應(yīng)用軟件等設(shè)備組成。井下儀器包括脈沖發(fā)生器（TX）、驅(qū)動短節(jié)（APC）、電池短節(jié)（PSA）、測量短節(jié)（SEA）[6]。

脈沖發(fā)生器由閥門組成，當(dāng)閥打開時，一小部分鉆井液從鉆柱內(nèi)流向環(huán)形空間，因此，快速開閉這個閥就會引起立管中的壓力下降，并通過立壓傳感器檢測。為了將數(shù)據(jù)傳到地面，多次操作閥門，產(chǎn)生一系列脈沖，由傳感器檢測出信號并由地面計算機譯碼，計算機首先識別出一組參考脈沖，隨后是數(shù)據(jù)脈沖。通過在特定的時間幀內(nèi)檢測有沒有脈沖來對信息進行譯碼。然后將這個十六進制碼轉(zhuǎn)換為十進制的結(jié)果。脈沖順序由一個圖表記錄儀來監(jiān)視，同時，將信號傳輸給上位機譯碼系統(tǒng)，譯碼系統(tǒng)根據(jù)譯碼規(guī)則將信號轉(zhuǎn)換成井斜（INC）、方位（AZI）、工具面（GTF或TTF）等數(shù)據(jù)，并在上位機及鉆臺司鉆閱讀器（RFD）上顯示出來，給定向井工程師提供實時可靠的井身軌跡數(shù)據(jù)，以更好地指導(dǎo)鉆井工作。當(dāng)譯碼機構(gòu)發(fā)生電誤障時，可由技術(shù)人員根據(jù)圖表記錄儀上的脈沖順序進行人工譯碼[6、7]。

3、新8-1H井隨鉆測量情況分析

3.1隨鉆測量失效情況統(tǒng)計

3.1.1 隨鉆測量儀器失效統(tǒng)計

X8井三開自井深4400m開始定向，至5112.70m三開結(jié)束，四開5915m完鉆，累計鉆次50余趟，其中出現(xiàn)失效的有16趟鉆，約占總鉆次的30%，其中三開井段儀器失效10趟鉆，四開井段儀器失效6趟鉆。三開井段有兩次井口淺測試無信號，其余均為下井之后儀器失效。累計損失鉆井周期16.55d，如表2所示。

3.1.2 隨鉆測量儀器損失統(tǒng)計

X8井儀器失效除了延后鉆井周期，也帶來了巨大的儀器損失，經(jīng)統(tǒng)計，該井三開井段共使用新維修脈沖器16根，新電池12根，沖壞鉆桿濾清器8根。因驅(qū)動外筒破裂損壞井下定向儀器3套;四開井段共使用新維修脈沖器9根，新電池9根，沖壞311×310負脈沖懸掛短節(jié)2根，脈沖器3根，直接經(jīng)濟損失220余萬元。

3.2失效原因分析

X8井儀器隨鉆測量儀器失效頻發(fā)，其原因也是多方面的，根據(jù)失效現(xiàn)象并結(jié)合現(xiàn)場情況，總結(jié)失效原因如下。

3.2.1 驅(qū)動器外筒抗壓能力不足導(dǎo)致破裂

X8井總共發(fā)生三次（第1、7、8次儀器失效）儀器外筒破裂的情況（見圖1），均發(fā)生于三開井段，垂深在4485～4862m之間，鉆井液密度2.00～2.05g/cm3，地面泵壓約15～22Mpa，設(shè)計地層壓力94.22Mpa，井底壓力在100Mpa左右，而采用的隨鉆測量儀器抗壓能力僅15000psi，約103Mpa，又由于部分井段采用PDC鉆頭鉆進，且定向鉆進時由于鉆壓不均勻?qū)е骂l繁憋泵，地面泵壓最高達到30MPa，完全超出儀器抗壓能力，又由于驅(qū)動器外筒抗壓能力為隨鉆測量儀器抗壓能力最薄弱處，因此導(dǎo)致三套儀器破裂損毀。后來更換抗壓筒，抗壓能力達到18000psi，則再無儀器破裂發(fā)生，證明隨鉆測量儀器抗壓能力選擇方面風(fēng)險考慮不足，選擇失誤。

3.2.2 鉆井液雜質(zhì)導(dǎo)致脈沖器堵塞

無線隨鉆測量測量儀器完全浸泡在鉆井液中，并通過鉆井液壓力傳遞信號，因此對鉆井液性能要求較高，特別是對雜質(zhì)和含砂量的要求要高，否則極易造成儀器工作不正常和儀器損壞。X8井鉆井液處理和凈化設(shè)備使用不合理導(dǎo)致鉆井液中含有大量雜質(zhì)，且含砂量較高，導(dǎo)致儀器多次不能正常工作（第3、5、9、10次儀器失效，其中第9和第10為儀器井口淺測試即失效），鉆井液雜質(zhì)和儀器砂卡示意圖如圖2所示（左上為砂卡后脈沖器現(xiàn)場圖片;右上為砂卡后脈沖器處于常開狀態(tài)，無法關(guān)閉;左下為鉆井液雜質(zhì)圖片，右下為撈出的雜質(zhì)圖片）;后來對振動篩、除砂器、除泥器等凈化設(shè)備進行徹底整改，后續(xù)2個月未發(fā)生類似儀器失效，證明鉆井液雜質(zhì)和含砂量導(dǎo)致儀器失效的問題得到解決。

3.2.3 多種因素結(jié)合導(dǎo)致儀器沖蝕嚴重

儀器的沖蝕程度主要取決于鉆井液排量的大小，儀器所處鉆鋌環(huán)空間隙的大小以及鉆井液含砂量高低3個方面。X8井儀器沖蝕主要體現(xiàn)在四開井段（第11、16次儀器失效），四開井段為Φ165.1mm井眼，采用Φ120mm內(nèi)徑57～60mm無磁鉆鋌，鉆井液排量通常在16～18L/s，屬于小鉆鋌間隙和高排量環(huán)境，再加上鉆井液含沙量居高不下，因此對無線隨鉆儀器脈沖器、扶正器和外筒均形成了嚴重的沖蝕和損壞，儀器沖蝕圖形如圖3所示（左邊為MWD短節(jié)沖蝕圖，中間為脈沖器沖蝕圖，右邊為扶正塊沖蝕圖），類似沖蝕情況在其它地區(qū)小井眼（中）深井鉆井中也常有發(fā)生。

3.2.4 井底振動劇烈導(dǎo)致探管參數(shù)錯誤

X8井屬于川西地區(qū)具有較大施工難度的一口水平井，施工過程中復(fù)雜情況頻繁，主要體現(xiàn)在煤層、頁巖井段掉塊較多，卡鉆，摩阻扭矩大，牙輪掉牙齒和軸承損壞等方面，現(xiàn)場施工時為了確保鉆井安全，接入了震擊器;定向時由于鉆時較慢，長時間未能活動鉆具卡鉆現(xiàn)象頻繁，因此上提下放解卡過程中激發(fā)震擊器工作，對儀器造成影響，過渡的震擊導(dǎo)致測量探管元器件損壞，測量數(shù)據(jù)不準確而起鉆（第13次儀器失效）;同時由于大部分井段采用牙輪鉆頭進行鉆進，鉆頭使用中后期，掉牙齒現(xiàn)象頻發(fā)（如圖4所示），鉆頭受力不均勻也導(dǎo)致儀器振動劇烈，最終使得探管測量參數(shù)不準確（第6次儀器失效），現(xiàn)場曾在井深5000m附近連續(xù)兩趟鉆未下入震擊器，儀器工作正常，未出現(xiàn)失效，但后來由于考慮到鉆井安全，仍然不得不繼續(xù)下入震擊器。

3.2.5 隨鉆測量儀器本身原因?qū)е率?/p>

無線隨鉆測量儀器本身工作存在失效率的問題，新8-1H井也不例外，本井施工第2次、第4次、第12次、第14次、第15次儀器失效均為儀器本身原因?qū)е碌氖?，主要存在的問題在于電池失效、測量探管死機等，第2次和第4次儀器失效后檢查發(fā)現(xiàn)電池加載無電量，第12次失效為測量探管死機，第14次電池加載無電量，測量探管也死機，第15次失效井底無信號，但地面測試正常，更換全部井下組件后下井工作正常，原因不明，證明儀器可靠性存在一定的問題，尚需改進。

3.3 幾點認識

通過上述分析可以把新8-1H井無線隨鉆測量技術(shù)應(yīng)用存在的問題歸為三類，。一是無線隨鉆測量裝備的可靠性問題。受設(shè)計合理性、元器件質(zhì)量、機加工水平等國內(nèi)技術(shù)整體實力的影響，可靠性不足已經(jīng)是較長一段時期內(nèi)國內(nèi)無線隨鉆測量技術(shù)的通病。二是工況環(huán)境惡劣問題影響了測量系統(tǒng)應(yīng)用效果。鉆井液性能，特別是含沙量居高不下很大程度上影響了隨鉆測量的成功應(yīng)用，國外同類工具在國內(nèi)的應(yīng)用也在不同程度上出現(xiàn)了各種問題，有些服務(wù)商甚至考慮根據(jù)國內(nèi)鉆井液處理能力設(shè)計中國市場專用產(chǎn)品，其嚴重程度可見一斑。三是國內(nèi)隨鉆測量系統(tǒng)缺乏合理的安全應(yīng)用評價軟件和硬件。國內(nèi)相關(guān)技術(shù)更側(cè)重?zé)o線隨鉆測量的基本功能開發(fā)，對工具系統(tǒng)的保護性技術(shù)，如隨鉆震動安全評級、隨鉆測量減震工具等相關(guān)技術(shù)尚未成熟。

因此，無線隨鉆測量應(yīng)該針對上述問題從以下3個方面，即從可用、能用、會用方面開展更加細致、有效的技術(shù)攻關(guān)和管理開展攻關(guān)：一是對現(xiàn)有技術(shù)進行系統(tǒng)梳理，切實提高無線隨鉆測量系統(tǒng)的可靠性;二是開展無線隨鉆測量安全應(yīng)用評價方法研究，開發(fā)配套工具;三是建立更加完善的無線隨鉆測量應(yīng)用管理體系，提高測量系統(tǒng)應(yīng)用的合理性。

4結(jié)論與建議

（1）X8井是四川地區(qū)具有較大施工難度的一口長水平段致密砂巖水平井，國內(nèi)無線隨鉆測量裝備在抗高溫性能和抗壓能力兩方面已經(jīng)取得技術(shù)突破，滿足了川西地區(qū)深層水平井無線隨鉆測量的技術(shù)要求。

（2）無線隨鉆測量儀器在鉆井液環(huán)境中工作，又依靠鉆井液進行信號傳輸，因此對鉆井液性能要求較高，現(xiàn)場需要充分利用鉆井液處理設(shè)備，降低鉆井液雜質(zhì)和含砂量，從而確保儀器正常工作。

（3）無線隨鉆測量技術(shù)應(yīng)用環(huán)境惡劣，應(yīng)開發(fā)安全應(yīng)用評價方法研究并配套相關(guān)工具，同時加強應(yīng)用技術(shù)管理，降低無線隨鉆測量裝備使用風(fēng)險。

（4）國內(nèi)無線隨鉆測量裝備可靠性亟待提高，需要根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況對工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、元器件選擇、機加工要求等方面進行更加科學(xué)細致的優(yōu)化和改進。

參考文獻

[1]石榮.隨鉆測量鉆井液連續(xù)波發(fā)生器關(guān)鍵技術(shù)與穩(wěn)定性研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2018.

[2]李泉新，褚志偉，許超，等.煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)[J].煤礦安全，2021，52（7）：116-120.

[3]PENG Q，LI Q H，ZHANG Q.Application status of the technology of logging while drilling[J].Advanced Materials Research，2014，1010 /1011 /1012：1650-1653.

[4]李豪.一種無線MWD系統(tǒng)的測量儀設(shè)計[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2016.

[5]連杰，張冀冠.煤礦井下電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程.2020，28（13）：132-136.

[6]梁斌.無線隨鉆測量系統(tǒng)中信號處理分析[J].石化技術(shù).2020，27（11）：43-46.

[7]陳必權(quán)，王利斌，何萬通，等.保德區(qū)塊煤層氣叢式井無線隨鉆測量技術(shù)（MWD）快速鉆井施工工藝[J].中國煤炭地質(zhì).2020，32（4）：67-71.