矿用EM-MWD绝缘短节关键参数分析及研制

邵　春，徐　林，王林钢

(1.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074；2.山东黄金地质矿产勘查有限公司，山东 莱州 261400)

矿用EM-MWD绝缘短节关键参数分析及研制

邵春1，徐林1，王林钢2

(1.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074；2.山东黄金地质矿产勘查有限公司，山东 莱州 261400)

摘要：绝缘短节是电磁波随钻测量(EM-MWD)的重要组件，在设计加工绝缘短节时，既要考虑绝缘短节长度与绝缘性，又要考虑绝缘短节的机械性能。应用ANSYS仿真分析绝缘短节关键参数(长度、电阻)对信号传输的影响规律，由分析可知，一般绝缘短节长度取0.5m、电阻达到数百欧姆即可满足电磁波随钻测量的要求。基于此，研制一种长度为0.5m、电阻大于8MΩ的矿用绝缘短节，其机械性能接近钻杆，野外试验结果表明，该绝缘短节能用于工程实际。

关键词：电磁波随钻测量；绝缘短节；参数分析；研制

随钻测量(MWD)能够实时监测孔眼轨迹，是定向钻孔的重要技术支撑[1-3]。目前，国内无线随钻测量有两种：泥浆脉冲随钻测量与电磁波随钻测量。泥浆脉冲随钻测量依靠泥浆压力脉冲传输数据，其主要应用在液体泥浆钻井中，且排量不能过小。而EM-MWD不受泥浆介质与排量大小的限制，传输深度可达3500m[4-6]。而地矿钻探施工多为小排量钻进，钻孔垂深一般小于3000m，在地矿钻探中，EM-MWD具有良好的应用前景。

国外早在20世纪80年代就已经实现了EM-MWD商业化应用，而国内EM-MWD系统还处在研发与试验阶段，研制能满足工程应用的绝缘短节是其中一大关键技术难题。国外研制的绝缘短节整体采用非金属材料，目前已经应用于实际钻探作业中，但购买费用昂贵。而国内非金属材料的机械性能无法达到实际应用的要求，绝缘短节研制还处于试验研究阶段[7]。设计加工绝缘短节，除了要具有钻杆一样的机械性能以传递钻压、拉力和扭矩，还要有合理的长度，长度过短不利于信号传输，过长增加加工难度与成本，此外还应有一定的绝缘性。基于地矿常用钻具规格，应用ANSYS对EM-MWD信号传输进行有限元仿真分析，研究绝缘短节长度与电阻对EM-MWD信号传输的影响规律，得出绝缘短节最小长度及最小电阻。基于此，研制一种结构合理，能用于地矿钻探的绝缘短节。

1EM-MWD工作机理

EM-MWD采用绝缘短节将钻柱分隔成上下两段，通过在上部钻柱和下部钻柱之间施加激励源，形成以地层、钻柱和钻井液为传输介质的信号传输通道，从而以电磁波为载体将孔底采集的信息传到地面。地面信号接收装置采集钻柱(或井架)与接地电极之间的电势差，经过处理获取所需信息，信号传输模型见图1。

图1EM-MWD信号传输模型

2绝缘短节关键参数分析

绝缘短节研制不仅需要设计合理的长度，而且要有一定的绝缘性。本文应用ANSYS建立EM-MWD信号传输仿真模型，分析绝缘短节长度和电阻对信号传输的影响规律，为绝缘短节研制提供理论依据。

2.1仿真模型建立

为了便于有限元模型的建立，做如下简化：(井眼为直井，井眼轴线与钻柱轴线重合；(地层为均质地层；(钻柱全部为钻杆。由于简化模型关于井眼轴线具有对称性，故选用平面对称模型进行信号传输分析。模型相关参数如下：钻杆外径73mm、壁厚9.19mm、钻杆电阻率2×10-7Ω·m；地层圆周半径2000m、地层深度2500m、井深2300m、下部钻柱长5m；激励源信号发射功率5W、发射频率2.5Hz；其他参数(地层电阻率、钻井液电阻率、绝缘短节长度和电阻)根据模型需要设定。

图2为仿真模型地层电位云图，此模型地层电阻率25Ω·m、钻井液电阻率10Ω·m、绝缘短节长度1m、绝缘短节电阻10MΩ。由图2可知，以钻柱为中心，地面电位随着与钻柱之间水平距离增加而逐步降低。

2.2绝缘短节长度分析

在分析绝缘短节长度对信号传输的影响时，设定绝缘短节电阻10MΩ，图3为地层电阻率分别为25Ω·m和200Ω·m时绝缘短节长度与地面接收电压的关系，分析时考虑了不同钻井液电阻率的情况。其中，纵坐标表示地面接收电压分贝值(以下若无特别说明接收电压均以分贝值表示)，即U(dBV)=20log(ΔU0)，ΔU0为钻柱顶端与地面接收电极之间的电位差，地面接收电极与钻柱水平距离50m。

图2仿真模型地层电位云图

图3绝缘短节长度与地面接收电压的关系

由图3(a)可以看出，绝缘短节越长，地面接收电压越大，但当长度达到一定值后地面接收电压不再明显变化。当钻井液电阻率为1Ω·m、0.1Ω·m和0.01Ω·m时，绝缘短节长度分别达到0.25m、0.6m 和0.9m时地面接收电压接近最大值。由图3(b)可以得出类似结论，当钻井液电阻率为20Ω·m、1Ω·m和0.1Ω·m时，绝缘短节长度分别达到0.2m、0.5m 和0.8m时地面接收电压接近最大值。对比图3(a)和图3(b)，地层电阻率越大，钻井液电阻率越小，地面接收电压达到最大值对应的绝缘短节越长。这是由于在高阻地层和低阻钻井液条件下，当绝缘短节过短时，在其附近易形成局部涡流，导致激励源有效发射功率降低，地面接收电压减小。而地矿钻探中使用的钻井液电阻率一般大于0.1Ω·m，且EM-MWD适用地层电阻率为1～200Ω·m[8-9]。因此，在工程实际中一般可以取绝缘短节长度0.5m，既能避免绝缘短节过短导致地面接收电压偏低，又不至于绝缘短节过长而徒增加工难度和费用。

2.3绝缘短节电阻分析

在分析绝缘短节电阻对信号传输的影响时，设定绝缘短节长度1m，钻井液电阻率10Ω·m。图4为不同地层电阻率条件下，绝缘短节电阻与地面接收电压的关系。

由图4可以看出，地面接收电压随绝缘短节电阻增大而增加，但增加速度逐渐变缓。当地层电阻率为25Ω·m、50Ω·m和200Ω·m时，绝缘短节电阻分别达到35Ω、65Ω和100Ω时地面接收电压接近最大值。因此，地层电阻率越高，地面接收电压达到最大值对应的绝缘短节电阻越大。这是由于在高阻地层条件下，当绝缘短节电阻较小时，激励源易通过绝缘短节形成电流回路而损耗部分功率，导致地面接收电压减小。而EM-MWD适用地层电阻率一般不高于200Ω·m，则绝缘短节电阻达到数百欧姆即可满足工程应用要求。

图4绝缘短节电阻与地面接收电压的关系

3绝缘短节研制

本文研制一种矿用绝缘短节，其包括短节本体、保护接头和扶正器，连接方式见图5。

短节本体由一段无磁钢材制成，长度0.5m，外径73mm。短节本体两端螺纹表面、内外表面及端面均加工柔性耐磨陶瓷绝缘层，其中螺纹表面绝缘层厚度为0.1～0.2mm，内外表面及端面绝缘层厚度为0.3～0.5mm。该柔性耐磨陶瓷材料抗压强度大于110MPa、剪切强度大于72MPa、绝缘强度大于70kV/mm、耐磨损为27mg；保护接头安装在短节本体两端，且向螺纹连接处注入螺纹胶使密封良好，并使用2kN·m预紧力将保护接头与短节本体紧固连接；扶正器安装在保护接头一端，使绝缘短节本体保持居中，避免短节本体外表面绝缘层与孔壁摩擦而破坏。

图5绝缘短节结构示意图

图6本绝缘短节在山东莱州SD-GOLD
钻孔电磁波随钻测量试验

4现场试验

中国地质大学(武汉)自主研发了一套电磁波随钻测量系统，并加工配套了的绝缘短节。本电磁波随钻测量系统发射功率5W，发射频率2.5Hz。

2013年3月，使用该套仪器在山东莱州SD-GOLD钻孔进行电磁波随钻测量试验，试验现场见图6。下井前地面模拟试验正常，检测绝缘短节电阻大于8MΩ。绝缘短节安装在距离钻头2.3m位置，地面信号接收装置两端分别与钻机绷绳和接地电极连接，接地电极与钻机之间距离为50m。试验过程中，地面接收信号正常，最终试验孔深1330m，垂深1300m，接收信号稳定，电势差大于1mV，说明绝缘短节工作良好，未失效。起钻后，观察短节本体外表面绝缘层无明显损伤，检测绝缘短节电阻仍大于8MΩ，说明本绝缘短节绝缘性能和机械性能良好，能够满足地矿工程应用要求。

5结论

1)研制一种矿用绝缘短节，并进行野外试验，试验结果表明该绝缘短节能够应用于地矿钻探。

2)绝缘短节长度和电阻越大对信号传输越有利，地面接收电压越大，但当长度和电阻增加到一定值后地面接收电压不再有明显变化。

3)工程应用中，一般绝缘短节长度取0.5m、电阻达到数百欧姆即可满足电磁波随钻测量的要求。

参考文献

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Key parameters analysis and development of mining EM-MWD insulated gap

SHAO Chun1，XU Lin1，WANG Lin-gang2

(1.Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China；2.Shandong Gold Geology and Mineral Resources Co.，Ltd.，Laizhou 261400，China)

Abstract:Insulated gap is an important component of Electromagnetic Measurement While Drilling (EM-MWD).It is necessary to take not only the length and the insulation，but also the mechanical properties of insulated gap into account when designing and processing.Applying ANSYS，this article analyzes the rule of the influence of the key parameters of insulated gap on EM-MWD signal transmission.According to the analysis，the insulated gap can meet the EM-MWD requirements when the length of it is 0.5m and the resistance value reaches a few hundreds ohms.Based on this analysis，a mining insulated gap is developed，of which the length is 0.5m and the resistance value exceeds 8MΩ.Its mechanical properties are similar to those of drilling pipes.The result of field test shows that the mining insulated gap can be used in engineering practice.

Key words：electromagnetic measurement while drilling(EM-MWD)；insulated gap；parameters analysis；development

收稿日期：2015-11-10

作者简介：邵春(1972-)，男，河南信阳人，博士，副教授，主要从事随钻测量技术研究。E-mail：shaochun_74@163.com。

中图分类号：TD421

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)05-0160-04