LWD信号、干扰分析及故障判断处理方法

2017-06-23薛晓卫江汉油田钻井二公司技术服务中心湖北潜江433121

化工管理 2017年16期

薛晓卫(江汉油田钻井二公司技术服务中心, 湖北潜江 433121)

LWD信号、干扰分析及故障判断处理方法

薛晓卫(江汉油田钻井二公司技术服务中心, 湖北潜江 433121)

正脉冲无线随钻测量仪器是利用钻井液作为传输介质的一种随钻测斜仪。根据仪器的工作原理，采用系统的分析方法，制定切实可行的检查方法，帮助施工人员查找仪器故障，提高工作效率。在无线随钻的使用过程中，分析钻井液对信号传输造成的影响和钻井液对仪器的冲蚀造成主要磨损很有意义，采用评估对于仪器整体状态进行检查，使现场工作人员做到心中有数，适时采取措施。

正脉冲；LWD；信号传输；干扰分析；磨损

0 前言

无线随钻测斜仪是定向井、水平井施工中必不可少的测量工具，近年来随着定向井、水平井的增加，对无线随钻测斜仪的需求越来越大。本文意在根据仪器原理和特点进行测量检查和方法的使用，提高正脉冲仪器的使用水平和效果。

1 正脉冲工作原理

泥浆正脉冲发生器的针阀通过限制井筒内泥浆流通来产生压力脉冲。当针阀阻碍泥浆流通时，钻柱内泥浆压力增加；当针阀复位，不阻碍泥浆流通时，钻柱内泥浆压力也恢复到初始状态，从而产生正压力脉冲。LWD系统的信号接收部分安装在立管上，其压力传感器可测出的压力脉冲幅值。压力传感器将其转换为电信号传输到地面计算机，经计算机解码、处理、还原成原始的测量数据。通过专用计算机进行解码计算，得到井下测量探管测量出的井斜角、方位角和工具面角等数据，供现场技术人员使用。原理图如图1所示。

2 仪器信号分析及处理方法

(1)HT—MWD是利用蘑菇头的伸缩控制泥浆流量造成泵压变化而传递信号，通过推升泥浆压力来传递信号的。泥浆的压力变化造成泥浆循环系统的立管一定幅度的压力变化，这个压力变化被安装于立管的传感器感知，变成电信号传递给地面仪器进行解码，获得真实井底测斜数据。判断传感器到地面传输系统的问题，可以通过短接传输线等方式观察这个系统正常与否，或者通过开停泵来检测计算机上的压力值变化情况来辨识这条线链接和工作正常情况。如果出现压力不变的情况，逐个进行传感器、滚子线、防爆箱、接口箱等环节检查。

图1 HT—MWD工作原理

(2)通过钻台立管泵压表进行脉冲信号的判断由于井下仪器工作造成泥浆压力变化，能够体现在钻台泵压表上，对于井下仪器情况判断，可以通过观察立管压力表在泥浆泵开泵情况下的泵压变化情况进行分析。因为此时泥浆泵和仪器发出的脉冲信号不是同频率，泵压出现一定的叠加，造成泵压变化不同于泥浆泵造成的泵压表的跳动。当我们观察到一个不同于泥浆泵的变化频率且时间周期类似于正脉冲仪器发出的叠加信号的时候，说明井下仪器目前是正常工作的。如果我们观察不到这个波动，说明井下仪器很可能是不工作的，那么需要进行检查。

(3)钻井液对脉冲信号传输的影响最影响钻井液脉冲无线随钻仪器信号传输的是传输介质不稳定，压力脉冲在钻井液中传输衰减严重，且易受到外界噪声干扰。

①井深对脉冲信号的影响：泥浆脉冲信号传输过程是自身压能与动能的转化，传输路径越长，丢失能量越多，最终被接收到的信号就越弱。对HT—L WD仪器而言，传输的频率范围为0.5-1Hz，在井较深时可选择0.5Hz作为信号传输频率，以提高信噪比。

②钻井液中的杂物造成的衰减：钻井液中有杂物，当累积到一定程度时，会使泵压不稳定，干扰仪器脉冲信号传输，还会堵塞蘑菇头与限流环之间的间隙，使蘑菇头不能做满行程运动，从而降低初始脉冲的幅度，降低信噪比，甚至造成信号丢失。在施工过程中，必须使用钻杆滤清器，以防止此类事情发生。

③钻井液含气量对信号传输的影响：钻井液的含气量对压力脉冲的传输有直接影响，含气量达到7%时会对压力脉冲产生较大的衰减，甚至使地面无法接收到脉冲信号，因此要处理好泥浆，降低泥浆中的含气量。

④钻井泵空气包的影响：由于钻井泵凡尔的往复运动使泥浆流动呈周期性变化，所以立管处的压力也是正弦周期性变化。空气包的用途就是减少压力变化和机械震动，使泥浆流动平稳，同时也会影响井下脉冲发生器传上来的压力脉冲信号，造成对泥浆脉冲信号的干扰。为避免这状况，空气包充压压力应为立管压力的1/4～l/3。

⑤压力传感器的安装对信号的影响：压力传感器的安装位置对于在低的信噪比情况下也很关键，应安装在主管线上，距离方钻杆越近越好，避免安装在管线末端、阀门和其它传感器附近。

(4)噪声对脉冲信号传输的影响由于钻井施工中有许多噪声，要想减少噪声强度，就要清楚噪声产生的根源，同时了解脉冲信号和噪声的频率特性，进而采取相应措施消除、压制噪声，以获取高信噪比。

①钻井泵噪声的特性：一般情况钻井泵工作良好时，在立管上产生的噪声，一是较弱的泵冲程噪声，可忽略不计；二是较强的凡尔往复运动噪声。泵工作不正常时，若发现异常杂波，应及时排除泵的故障。

②扭矩噪声的特性及采取的降噪措施：坚硬岩层、高陡构造、PDC钻头、稳定器都有可能产生扭矩噪声，如果钻头的剪切力是主要的扭矩噪声源，提起钻具时噪声将消失，应改变钻进参数，使扭矩噪声频率远离泥浆脉冲信号频率，以排除噪声干扰，或者改变仪器脉宽，提高信号传输频率。

③螺杆噪声及采取的降噪措施：一般情况下螺杆失速可能造成脉冲信号错误，从而造成地面解码失败。当地层加在钻头上的阻力大于螺杆所能产生的最大扭矩力时，螺杆将停转，这时地面立管压力将突然升高，淹没了压力脉冲信号或者产生错误的脉冲波形，导致地面解码错误，所以钻进时应平稳加压。

④活动钻具产生的噪声：活动钻具过于猛烈，将会在钻具内产生一个较强的压力波动，从而造成泥浆脉冲信号丢失，一般情况下活动钻具时要轻提慢放，使泥浆信号能有效传输。

3 钻井液对井下仪器的冲蚀图标

井下仪器始终工作在钻井液环境中，受到泥浆的不断冲蚀，随着时间仪器及配件会受到一定的损害，这是井下仪器配件损坏的一个主要原因。含沙量和排量是影响仪器冲蚀程度最主要的因素。

(1)浅井由于地层相对比较软，钻机的机械钻速快，造成泥浆含沙量的提高，对于井下设备的冲蚀极为明显，排量相对比较大，这个因素会造成仪器配件和本身的损坏速度大为提高。

(2)井下仪器转子偏磨情况出现原因分析 HT—LWD仪器施工使用过程中，转子偏磨是一个发生比较大损失的情况，有时由于转子的偏磨造成脉冲器本体的损坏，如果遇到转子被卡住或者转子中有下落的金属物时，由于转子的高速转动，会造成脉冲发生器本体被割断的情况。下轴承套和转子内衬套的磨损造成，大斜度井中转子旋转发生中心的偏移，加之泥沙的在转子内的存积从而造成局部磨损速度加快从而造成偏磨。

解决的办法：

①检查下轴承套的尺寸和下井转子的衬套的磨损程度，将他们的尺寸控制在一个低磨损程度，让转子跟脉冲器本体留有足够空间，降低偏磨。

②改变使用新式叶轮转子，因为他的叶轮设计将橡胶的改成了钢铁材料，但这种改造对下轴承套的磨损严重，要及时检查偏磨及下轴承套的磨损情况。

(3)在深井的HT—L WD的使用，往往受到泥浆排量小的影响，因为实际的泥浆排量往往比设想的要小，这是实际操作中很容易忽视的一个原因，造成了HT－L WD不出信号或者信号不好。正脉冲仪器，推升压力波动需要能力比较大，由于泥浆静液压力的大幅度提升，造成脉冲器推动能力相对降低，于是压力信号传送的立管时已经比较微弱，当然这里有一个信号衰竭的问题。增加井下仪器脉冲信号强度，就是减小蘑菇头跟限流环之间的间隙，从而增加脉冲信号强度。4.无线随钻仪器在泥浆中受到不断的冲刷，造成配件冲蚀，这种冲蚀在开泵循环过程中始终存在，影响仪器的使用，达到相当程度就会造成仪器损坏和信号无法正常产生和发出。

①定子支撑管和定转子的以及蘑菇头等主要配件都影响到信号的产生和发出，直至信号的上传。针对这种情况，采取在一定时间进行检查，进行冲蚀程度的评价是很有必要的。

②对于仪器性能的评价，在首次仪器下井进行正常工作中，仪器初始波形对于未来对比有着重要意义。我们对于信号消失前的波形以及初始信号对比，可以基本判断是脉冲发生器问题还是探管问题。因为探管发生问题前多数会表现出数据不稳定。而脉冲发生器问题多数表现是，脉冲信号幅度以及虚假信号增加现象以及波形的变化。

③参与钻井技术参数，测量工程师参与水眼和排量的设置，泥浆泵空气包冲压情况，以及现场施工措施的落实是非常必要的。