浅谈无线随钻在钻井实践中的应用

高伟

(宁夏矿业开发勘查院第三钻井队,宁夏银川 750021)

浅谈无线随钻在钻井实践中的应用

高伟

(宁夏矿业开发勘查院第三钻井队,宁夏银川 750021)

无线随钻主要的特点就是能够在钻井的过程中完成测井的工作。无线随钻具有结构简单、操作方便的特点,在钻井工程中有着较为广泛的应用,一方面能够满足钻井质量要求,另一方面能够实现钻井成本的节约。本文对无线随钻的工作原理及关键技术,并对其在钻井实践中应用及改进进行了分析。

无线随钻 钻井时间 技术改进

随着钻井技术的发展和对钻井要求的提高，各种各样的测斜仪器相继出现，不同的测斜仪器分别具有不同的优缺点，适用于不同的场合。无线随钻在钻井行业中已经得到了较为广泛的应用，属于较为先进的测量工具。随着钻井技术的不断发展与对钻井技术的不断提高，对井斜测量的要求也不断提高。无线随钻具有操作方便、费用较低及适应性较强的特点，在钻井实践中有着极大的好评与应用。随着无线随钻应用范围的扩大，其所面临的井下环境与钻井工况都更为复杂，无线随钻在实践应用的过程中也出现了一些问题，本文对其实践应用及改进措施进行了分析，为无线随钻的完善提供了参考与借鉴。

1 无线随钻概述

1.1 无线随钻的工作原理

无线随钻属于测斜仪器，主要是依靠精密机械对井斜进行测量，通过井液脉冲技术对信息进行传输。无线随钻的功能主要是对直井进行无线随钻测量井斜，主要的结构组成包括井下仪器、地面信号接收系统、井下与地面信息传输系统等。井下部分主要用来测量井斜和产生脉冲信号，地面部分主要是接收信号，从而读出井斜数据。

1.2 无线随钻的关键技术

第一，测斜技术。主要是通过精密机械对井斜进行测量，主要的原理为摆锤在重力作用之下呈现出自由垂直状态，如果其位置出现倾斜的情况，可以通过摆锤挂合阶梯环来对井斜进行确定与测量。第二，控制技术。控制技术主要指的是在将测斜机构所测得的井斜信息向宜偏移量转换与放大的过程中，依据井斜信息的不同选择不同的脉冲信号。第三，信息传输技术。通过控制信息对井下仪器的脉冲发生器进行控制，从而促进钻井液产生压力方面的变化。第四，密封技术与润滑技术。密封技术与润滑技术指的是将关键仪器密封在一个外壳中，使得壳内的压力要略高于外部压力，只能够让润滑油外泄而确保外部物质不能够进入仪器中，通过润滑油的作用降低零件之间存在的摩擦。

2 无线随钻在钻井实践中的应用及完善

2.1 无线随钻在钻井实践中的应用

无线随钻具有耐高温、抗高压、适应性强、随钻测斜等特点。首先，操作简单。无线随钻为纯机械结构，不需要电源及相关的复杂电路、电子元件等，在使用的过程中操作非常简便。其次，测量所需时间段。利用无线随钻对井斜进行测量的过程中，所需时间仅为3-5分钟，测量的结果即时就能够进行显示。第三，适应性较强。在高温井、深井中都能够运用，满足了特殊井井斜测量的需要。最后，测量结果稳定可靠。无线随钻是接卸结构，不存在温漂等情况，测量结果非常稳定，而且较为准确。

其适用的场合主要包括：第一，深井、超深井、高温井、高压井中进行应用，对这些较为特殊的井的测斜问题进行了解决；第二，与防斜纠斜钻进行配合使用，促进了随钻监测的防斜效果与纠斜效果；第三，在山前、高陡构造中的易斜井中进行应用，随钻对井斜的变化进行检测，一方面能够确保井身的质量，另一方面能够加快钻井的速度。无线随钻先后在我国煤田的350多口井中得到了应用，推广仪器150多套，取得了非常良好的应用与推广效果。

2.2 无线随钻在钻井实践中的完善

2.2.1 实践应用中抗冲刷能力的改进

无线随钻的井下仪器与底部钻具组合连接在一起，始终处于地下工作，在与钻井液进行接触的过程中不可避免的会遭受到冲刷，其中脉冲发生器受冲刷的影响最为严重。脉冲发生器是无线随钻中的关键组成部分，一旦出现故障将导致无线随钻无法继续工作，甚至还会对仪器的寿命造成影响。

通过研究可知，金属材料在受到含有固体颗粒的流体冲刷时，磨损率与流体流动速度之间存在着一定的关系，当流体的流动速度达到临界速度之后，磨损率会明显升高。脉冲器在发送脉冲信号的过程中，脉冲头与脉冲环之间的流速达到最大，而且在脉冲头下方会出现较为严重的涡流，从而对脉冲器造成较为严重的冲刷，导致其出现故障。

针对这种情况，要对实现对脉冲环与脉冲头结构的优化，实现流道形状的改变，降低流速，减少脉冲器所受到的冲刷磨损。同时，要对脉冲环与脉冲头的材料及加工工艺进行完善，促进临界流速的提高，从而实现脉冲器内钻井液流速始终保持在临界流速之下，提高脉冲器的抗冲刷能力。

2.2.2 实践应用中抗冲击性能的改进

当仪器在尺寸较大的井眼中进行钻进时，由于钻井液的排量比较大，导致对仪器的冲击也比较大，仪器在冲击之下会出现振动甚至引发故障。通过对故障的原因进行分析可知，主要是由于仪器的阻尼系统性能不能够适应井下工况的需要，从而导致内部零部件出现故障。当钻井泵在工作的过程中，流速较高的钻井液会对脉冲轴造成冲击作用，导致与脉冲轴相连接的构件遭受到损坏，从而导致仪器出现故障。针对这种情况，在对其进行改造的过程中，要依据实践中钻井液的流量对脉冲轴受到的冲击力进行确定，然后通过对阻尼环数量与节流孔直径的优化，使脉冲轴速度保持在一定的范围之内，从而确保仪器能够正常的工作。

2.2.3 实践应用中脉冲信号的衰减

钻井液脉冲信号在传输的过程中是符合指数衰减规律的，依据脉冲信号在钻井液中的传播速度，其强度的衰减表达式为：

其中P、P0代表脉冲信号的初始强度与传输距离x之后的强度，单位为Pa；f代表脉冲信号频率，单位为Hz；ag、as代表中气体与固体的体积分数；Ks、Ki、Kg代表钻井液固体、液体、气体中的体积弹性模量，单位为Pa；μ代表钻井液粘度，单位为Pa·s；D2代表钻柱内径，单位为m；E代表钻柱材料弹性模量，单位为Pa；e底部钻柱壁厚，单位为m。

从公式中可以看出，影响脉冲信号衰减的因素主要包括传输距离、钻柱尺寸、钻柱材料特性、脉冲频率、钻井液组分、钻井液粘度等。钻井液的粘度越高，脉冲的衰减更加严重；脉冲的频率越高，其衰减更加严重。通过对脉冲频率的提高能够促进信息传输速度的提高，但是会加重信号衰减。因此，在脉冲器的设计过程中要对两方面的因素进行充分的考虑，一方面要满足数据传输速度要求，另一方面要确保脉冲传播距离。

在导致脉冲衰弱的多种因素中，钻井液性能，钻具结构等需要依据地质条件、钻井工艺等进行确定，是不能够改变的；脉冲频率、强度等与仪器存在一定的相关性，在对仪器设计的过程中要充分考虑。

2.2.4 实践应用中地面信号接收装置的改进

无线随钻的地面信号接收装置主要是对立管压力传感器的压力脉冲信号进行采集，对压力的脉冲曲线进行显示，依据压力脉冲信号对井斜角进行计算与现实，并对结果进行打印。通过现场实践情况进行分析，对地面信号接收装置的改进措施主要包括：第一，对井斜角的计算方法进行改进，从而使计算结果更加精确；第二，对参数设置方法进行改进，为现场操作提供便利；第三，实现了数据存储能力的强化，能够同时存储20-30组的测斜数据；第四，实现了数据传输接口的增加，实现了仪器与计算机之间的相连，能够将测量所得的数据更加便捷地传输到计算机中；第五，实现了测量结果打印方式的转变，能够依据具体的测量结果与现场需要对测量结果是否打印及打印的方式进行判断与选择。对地面信号接收装置实现了改进之后，实现了操作的便捷，实现了井斜测量结果准确性的提高，更加适用于实践应用。

3 结语

机械式无线随钻测斜仪是一种新型的测斜工具，利用钻井液脉冲技术与地面传输信息。它具有操作使用方便、测量时间短、适应性强、测量结果稳定、可实现随钻测量等优点。现场应用表明，机械式无线随钻测斜仪完全可以满足直井，特别是深井、超深井、高温井等特殊直井测斜的需要，实现了实时测量和井斜监控，克服了目前常用直井测斜仪器的不足。机械式无线随钻测斜仪的应用对改善井身质量、提高钻井速度、降低钻井成本等具有重要意义。

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高伟(1980—),男,汉族,宁夏西吉人。2012年7月毕业于长安大学,资源勘查工程专业。2008年就职于宁夏矿业开发勘查院第三钻井队,钻探技术员,主要从事地质勘探及地质钻探工作。