張宇飛 趙昆 王攀 孫瑞娜 阮小飛

1.中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院；2.中國石油華北油田公司勘探部

阿北凹陷位于馬尼特坳陷東部，面積約600 km2，是二連盆地勘探潛力較大的凹陷之一［1］。該凹陷發(fā)育有欣蘇木、扎拉格、阿東以及阿西4 個正向構造。已發(fā)現(xiàn)油藏為構造油藏，凹陷構造活動劇烈，地層破碎，地震資料品質(zhì)較差，且存在稠油油藏，成藏規(guī)律不清［2］。針對阿北凹陷復雜斷塊油藏，尋找一種更加有效的地層測試技術，進一步增強測試資料的針對性、可靠性、實用性，指導儲層措施改造、合理認識儲層，成為下一步勘探部署的關鍵工程。地層測試數(shù)據(jù)實時監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)井下關井狀態(tài)下的數(shù)據(jù)直讀，是及時判定工藝有效性、制定下步生產(chǎn)決策的有效手段之一。但目前陸地試油常規(guī)測試無法對井底數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，通常需要起出管柱工具儀器才能得到測試數(shù)據(jù)，導致在試油測試某一環(huán)節(jié)(如射孔、開關井)出現(xiàn)問題時不能及時監(jiān)測或因開關井時間不合理導致測試資料錄取不到有效參數(shù)而重復測試。最新研究發(fā)展的井下無線傳輸測試技術可在射孔后實時監(jiān)測井底壓力變化情況，對保障測試成功率和試油成效具有重要意義［3-6］。

國外井下無線傳輸測試系統(tǒng)研制始于上世紀70 年代初，但受當時技術條件所限，該系統(tǒng)技術極不成熟，存在傳輸速率低、傳輸距離短、數(shù)據(jù)通訊不可靠等問題。隨后，國外眾多公司在該技術的相關研究上投入了大量的精力及經(jīng)費，取得了一定的成果，特別是在無線隨鉆領域取得了可喜的進展。2000 年美國IntelliSrev 公司在美國能源部的支持下經(jīng)過7 年的工程實踐和研發(fā)，成功研制了傳輸速率可達2 M/s 的智能鉆桿系統(tǒng)。但采用該技術的測試系統(tǒng)，如高山公司的“無線傳輸測試系統(tǒng)”、先鋒公司PLS、McAllister 的“無線實時”系統(tǒng)，以及哈里伯頓公司的ATS(聲波無線測試技術)無線傳輸系統(tǒng)等多處于研發(fā)試驗階段，其無線傳輸速率和通訊距離均不理想，無法滿足油氣井測試的需求。目前較為成熟的產(chǎn)品為Schlumberger 公司的DataLatch 工具及法國地質(zhì)服務公司的EMROD 工具［7-9］。Data-Latch 工具通過電磁耦合方式，實現(xiàn)DST 測試閥上下接收器與電子壓力計的雙向無線通訊。其技術核心為耦合通訊磁芯結(jié)構，最高工作壓差120.68 MPa，數(shù)據(jù)存儲能力可達960 000 個數(shù)據(jù)點；EMROD 工具采用低頻電磁波數(shù)據(jù)傳輸方式進行跨測試閥無線通訊，其壓力量程為103.4 MPa，溫度量程175 ℃［10-11］。我國對井下無線傳輸測試系統(tǒng)的研究始于上世紀80 年代，其中最具代表性的為中國電波傳播研究所承擔的“隨鉆測量電磁波傳輸信道可行性研究”項目，其設計最大無線傳輸深度可達3 280 m，為當時同類研究之首。渤海鉆探測試公司自1994 年起對井下無線傳輸測試系統(tǒng)進行研究，陸續(xù)形成了SG-1、JJ-1、SG-2 和JJ-2 系列。SG-1 和JJ-1 系列采用美國PANEX1500 直讀式電子壓力計，無存儲數(shù)據(jù)功能，當井下未能對接時，外掛壓力計所采數(shù)據(jù)將全部丟失；SG-2 系列能夠?qū)崿F(xiàn)井下和地面的雙單向通訊，也具有數(shù)據(jù)存儲功能，但井下無線通訊距離很短，耐溫只有125 ℃，適應范圍小；JJ-2 系列采用電磁耦合傳輸方式［12］，可實現(xiàn)每秒10 個數(shù)據(jù)點的全雙工雙向通訊，整體耐溫150 ℃，壓力精度0.02%，單芯鎧裝電纜驅(qū)動長度≥7 000 m，但井下無線通訊距離較短(最大通訊距離只有1 m)，實際關井時因井內(nèi)壓力劇減，會使接收器與發(fā)射器位置發(fā)生變化，導致對接超出范圍的現(xiàn)象。同時受通訊距離短的限制，該系統(tǒng)只能與APR 測試工具進行配合使用，施工成本高，不適合陸地油田應用，造成其推廣使用受到嚴重限制。

1 阿北凹陷井下無線傳輸測試技術

1.1 技術優(yōu)選

目前用于井下無線測試通信方式大致可分為4 種：鉆井液脈沖方式、聲波及應力波方式、電磁耦合方式、低頻電磁波方式。鉆井液脈沖方式數(shù)據(jù)傳輸速率較慢(每秒幾個比特)，信息量較小，傳輸信號受鉆井液的質(zhì)量和泵的不均勻性影響較大?；诼暡ǚ绞降臒o線傳輸系統(tǒng)，由于傳輸過程中信道結(jié)構不均勻，井內(nèi)聲場相互作用影響，信號接收微弱，存在回波振蕩、非線性失真，信號衰減嚴重等問題，信號提取較為困難?；趹Σǖ臒o線傳輸系統(tǒng)功耗較大，數(shù)據(jù)傳輸較慢。電磁耦合方式無線傳輸系統(tǒng)，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性，但其無線傳輸距離較短，需要與電纜通信結(jié)合使用。低頻電磁波方式的主要優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸能力較強、通訊距離遠，但難點主要為：(1)極低頻電磁信號的發(fā)射，對天線的絕緣度、天線與地層間的阻抗匹配要求很高，導致收發(fā)電路復雜程度提高；(2)地層衰耗和背景噪聲對信號的影響較大,需要比較復雜的信號檢測與數(shù)字處理方法。

在深入研究國內(nèi)外油田DST 測試特點的基礎上，結(jié)合阿北凹陷地質(zhì)特點和幾種無線傳輸方式技術特點，優(yōu)選了基于低頻電磁波方式的無線傳輸來跨越測試閥，并配合長距離電纜傳輸?shù)降孛娴脑O計方案來實現(xiàn)對測試閥下地層參數(shù)的實時監(jiān)測。

1.2 工作原理

阿北凹陷井下儀器系統(tǒng)對井下測試數(shù)據(jù)進行無線實時傳輸，采用低頻電磁波進行井下測試信號的無線傳輸。其中，井下電子壓力計采集的溫度和壓力數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)發(fā)射器傳送至井下電纜所攜帶的接收器上，繼而通過電纜傳輸至地面信號收發(fā)器及計算機系統(tǒng)上，而地面信號收發(fā)器則通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到基地客戶端和評價解釋中心，其結(jié)構組成及工作原理如圖1 所示。

圖1 儀器結(jié)構及工作原理Fig.1 Instrumental structure and working principle

2 電磁波無線傳輸技術優(yōu)化

該技術目前已在陸上其他地區(qū)展開應用，應用效果良好，但仍存在井下信號對接不成功、電磁波信號弱、傳輸距離短等問題，為進一步強化儀器可靠性和適用性，對電磁波無線傳輸測試工具及管柱結(jié)構和信號處理及發(fā)射電路進行改進。

2.1 測試工具及管柱結(jié)構優(yōu)化

電磁波無線傳輸技術在以往試驗中，經(jīng)常會出現(xiàn)井下信號對接不成功的問題。通過分析研究得出原因主要有3 個方面：(1)井斜過大、方位角變化的影響；(2)井下工具串尺寸及結(jié)構不科學，導致與套管內(nèi)壁接觸，使信號短路衰減；(3)信號接收的對接部位和方式需要改進。

2.1.1 測試管串結(jié)構短路位置分析

(1)以X16 井為例，測射聯(lián)作管柱結(jié)構如圖2 所示。根據(jù)圖2 所示內(nèi)外徑尺寸，假設水平放置，扶正器在充分靠近套管的情況下，計算工具管串與套管的間隙，具體數(shù)據(jù)見表1。將計算數(shù)據(jù)對比，液壓定位短節(jié)下部與套管的間隙最小，間隙值約3 mm。根據(jù)計算結(jié)果，分析液壓定位短節(jié)處易出現(xiàn)短路。此外，對管串各段的彈性及柔性進行分析，從液壓定位短節(jié)到測試閥管串的組合及外徑研究，短油管外徑最小僅為?73 mm，彈性彎曲度可能最大，也易造成短路現(xiàn)象。

表1 工具管串各儀器上下扶正器與套管間隙表Table 1 Clearance between casing and upper/lower centralizer of each instrument of tool string

圖2 X16 井下管柱組合示意圖Fig.2 Downhole string combination in Well X16

在不考慮井的斜度、方位角、套管形變等情況下，假設短路僅由測試管串與套管的間隙和管串彈性彎曲2 個因素造成，那么定位短節(jié)及其下部短路的可能性最大。因此，針對大斜度井的施工環(huán)境，在現(xiàn)有工具的基礎上，重點對定位短接、扶正器、接收器進行升級改造。

2.1.2 扶正器和扶正方式改進

目前，設計管柱結(jié)構中的最上部和最下部的金屬扶正器為一體結(jié)構，上部距離定位縮頸1.43 m，外徑112 mm，內(nèi)徑62 mm；管柱結(jié)構中間5 個尼龍扶正器為2 部分組成的分體結(jié)構，其尼龍部分內(nèi)徑82 mm，外徑114 mm，金屬軸部分內(nèi)徑62 mm，外徑76 m，尼龍部分和金屬軸之間的縫隙為3 mm，間隙過大，水平放置或在斜井時，導致管串靠緊井壁一側(cè)的管串與套管壁間隙變小。

針對尼龍扶正器和扶正器方式改進：一是將金屬軸光滑面部分的外徑由76 mm 增加為80 mm，扣型不變；尼龍部分大小不變，保持原來尺寸，便于拆卸時通過絲扣端；或者，將金屬軸更換為0.4 m 長平式油管短節(jié)，外徑73 mm，兩端為平式油管扣，再配合平式扣變加大扣接箍，尼龍件外徑114 mm 不變，內(nèi)徑變小為75 mm；二是將工具串最上部的金屬扶正器更換成尼龍扶正器或向上再增加一個或多個尼龍扶正器，保留中間的尼龍扶正器和WDT 載體最下部的金屬扶正器；或者不更換而調(diào)整定位短節(jié)的位置。

2.1.3 定位方式的改進

以往的定位方式是通過縮頸阻擋實現(xiàn)的，液壓定位內(nèi)徑56 mm，接收器外徑58 mm，當接收器下放到液壓定位短節(jié)縮頸處時，接收器遇阻停止下行，實現(xiàn)接收器與定位短節(jié)對接，形成通訊導通回路。這種定位方式存在不足:(1)定位短節(jié)外徑102 mm，外徑偏大，儀器入井后存在井下短路的重大隱患。(2)通訊回路的聯(lián)通點是唯一的，即只有在工具對接時通訊回路才能建立起來，離開定位點信號就會因斷路而消失。把區(qū)域通訊變成了單點通訊，掩蓋了WDT 的優(yōu)勢，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊揽侩姶挪ㄩL距離覆蓋的通訊性能不能充分體現(xiàn)。即使定位短節(jié)下部區(qū)域有電磁波信號，也會因接收器下不去而無法接收、通訊，限制了設備性能的發(fā)揮。(3)上部的金屬扶正器距離定位點或縮頸點只有1.43 m。在金屬扶正器處及以上部位會由于短路和反射電阻而信號衰竭，即金屬扶正器上部無信號。因為下有阻擋上有衰減，從而導致接收信號的可移動距離只有1 m 左右。這種結(jié)構削弱了WDT測試系統(tǒng)井下長距離無線通訊的優(yōu)點，限制了該項技術的特長。

根據(jù)以上問題對定位方式進行了升級完善：一是重新加工定位短節(jié)，設計長度0.4 m，本體外徑由102 mm 改為62 mm，以保障接收器與定位短節(jié)能有效對接；同時，兩端加厚油管扣設計外徑73 mm，內(nèi)部加工成兩端帶倒角的縮頸臺階，縮徑56 mm，厚度10 mm；二是將最上部的金屬扶正器和電阻環(huán)短節(jié)與定位短節(jié)分開，根據(jù)實際情況中間適當增加尼龍扶正器的數(shù)量。定位短節(jié)+短油管放到測試工具的泵返上部，保留金屬扶正器和反射短節(jié)；入井連接時定位短節(jié)連在尼龍扶正器上部，根據(jù)井況定位短節(jié)下部再連接一根1.5 m 長的短油管存放加重桿，防止加重桿進入測試工具內(nèi)部造成事故。

2.2 信號處理及發(fā)射電路優(yōu)化

2.2.1 電磁波信號增強改進

針對電磁波信號弱、傳輸距離短的問題，筆者經(jīng)過技術調(diào)研，與中國石油大學(北京)、北京、西安等地公司進行交流，確定從電磁波信號增強和弱信號檢測兩方面改進。一是為適應井下傳輸距離≥40 m，加強發(fā)送端發(fā)送功率，提高電磁波傳輸距離，進行地面仿真試驗，重新設計信號放大電路：二是升級微弱信號檢測及處理模塊(圖3)；對接收端濾波電路進行改進，以加強電磁波的傳輸距離；同時提高干擾信號的過濾技術，為增強傳輸距離，發(fā)送端采用振蕩信號；結(jié)果顯示，經(jīng)過改進在40 m 端可對接收信號進行有效解調(diào)。

圖3 微弱信號檢測與處理模塊Fig.3 Weak signal detection and processing module

2.2.2 信號收發(fā)器通訊優(yōu)化

針對信號收發(fā)器進行了升級完善，保持原來的收發(fā)電路板的電氣接口(LEMO 接插件)、通信速率、數(shù)據(jù)幀結(jié)構、發(fā)送間隔(72 s)、命令等接口參數(shù)的兼容性，同時在保持原來的耐高溫等技術指標的前提下，對系統(tǒng)接收靈敏度進行優(yōu)化。

現(xiàn)在的接收器只能通過遇阻來實現(xiàn)金屬面碰金屬面的對接，電路導通點是單一的、唯一的，離開這個位置就會斷路，也就接收不到信號，即使向上區(qū)域的信號是存在的。固定點通訊是目前工藝的不足，限制了施工方式，把定點通訊改進為多點乃至縱向區(qū)域通訊，正是電磁波無線傳輸技術的主攻方向。針對此問題，在接收器的定位板兩側(cè)連接上4 根鋼絲，這種結(jié)構保證接收器在油管內(nèi)移動時始終與油管壁接觸，也就保證了無論在油管內(nèi)什么位置接收器通訊回路時導通，從而擴大了信號的搜索范圍，把原來的定點通訊變成了多點乃至區(qū)域通訊，只要有信號就能搜索到，方便了施工。

3 現(xiàn)場應用

優(yōu)選阿北凹陷欣蘇木構造帶X16 井作為試驗井，其測試段基礎數(shù)據(jù)見表2。該井完鉆井深1 200.0 m，測試目的為評價X8 東斷塊K1bt1油組的勘探潛力，采用電磁波無線傳輸測試工藝施工，監(jiān)測井底射孔、開/關井是否正常及關井是否達到徑向流以滿足出參條件，求取地層參數(shù)。

表2 X16 井測試段基礎數(shù)據(jù)Table 2 Basic data of the test interval of Well X16

3.1 施工工藝

本井測試段877.0～895.0 m，采用MFE 射孔聯(lián)作+WDT 無線傳輸測試工藝，二開二關二開抽汲工作制度。測試期間下入WDT 儀器進行對接，將實時錄取到的測試資料傳輸至地面，之后通過數(shù)據(jù)傳輸平臺發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。

3.2 測試效果

無線傳輸測試監(jiān)測射孔-開井-關井的施工過程，如圖4 所示。監(jiān)測到射孔震動曲線，射孔后流壓曲線緩慢上升，說明已經(jīng)射孔。關井壓力恢復曲線，關井后壓力恢復曲線平滑，測試曲線正常，判定測試工藝成功。電磁波WDT 無線傳輸數(shù)據(jù)是實時的，可根據(jù)實時監(jiān)測曲線判定是否達到徑向流，達到徑向流滿足出參條件時，即可進行下步施工操作。該井關井24 h，WDT 監(jiān)測14 h 出現(xiàn)徑向，后執(zhí)行下步操作。根據(jù)電磁波無線傳輸WDT 實時數(shù)據(jù)，用Ecrin 4.2 測試解釋軟件進行分析，得到了油井關鍵參數(shù)，877.0～895 m 井段，流壓折算產(chǎn)油量為11.38 m3/d，地層壓力為7.65 MPa，滲透率為323.0 ×10?3μm2，表皮因數(shù)為?1.14。

圖4 WDT 監(jiān)測射孔、關井曲線Fig.4 WDT monitored perforation and shut in curve

4 結(jié)論

(1)針對電磁波無線傳輸測試工具和管柱結(jié)構，在對管串短路位置進行分析的基礎上，對扶正器結(jié)構和安放位置進行優(yōu)化改造，針對載體與扶正器間隙過大的問題，將扶正器金屬軸內(nèi)徑由?76 mm 增至?80 mm；同時將最上部金屬扶正器改為尼龍扶正器，提高絕緣效果；對定位短節(jié)定位方式進行改進，將本體外徑由?102 mm 改為?62 mm，保障實現(xiàn)接收器與定位短節(jié)有效對接；同時將定位短節(jié)位置進行優(yōu)化，防止短路。

(2)針對電磁波信號弱、傳輸距離短的問題，優(yōu)化了信號放大線路設計和弱信號檢測技術，解決了井下遠距離傳輸問題，在40 m 端可對接收信號進行有效解調(diào)；同時改進信號接收器傳輸結(jié)構，由單點接收改為通訊回路雙向接收，信號搜索范圍增加。

(3)低頻電磁波無線傳輸測試技術在X16 井成功應用，實時監(jiān)測了井下測試數(shù)據(jù)，開關井正常，測試曲線光滑，滿足地層測試資料錄取要求，對阿北凹陷儲層和油藏進行及時、真實、有效的評價，提高了現(xiàn)場施工效率，為該凹陷下一步勘探部署提供高效測試技術支持。