电磁波无线随钻测量技术在石油钻井中的应用

姬玉平

(1.河南省能源钻井工程技术研究中心，郑州 45000; 2.河南豫中地质勘察工程公司，郑州 450000)

0 引言

随着钻井工程技术水平的不断发展，欠平衡井、气体钻井和泡沫钻井等一系列工艺技术的推广使用，钻井工程对随钻测量技术的要求也在不断增高，目前国内外多采用两种随钻测量技术：泥浆脉冲随钻测量系统和电磁波随钻测量系统。泥浆脉冲式随钻测量系统的基本工作原理是地面传感器根据事先的编码好的脉冲设计产生脉冲信号，脉冲信号高低变化引发钻井液压力的同步变化，传感器根据钻井液压力的变化解码得到井下测量参数。因而，泥浆脉冲随钻测量系统在液体钻井液中工作稳定性较高，但对钻井液的依赖性强，对钻井液性能、泥浆泵等要求较高，且系统信号传输速率低，脉冲阀易损坏，在进行全测量时需要停泵静止钻具，数据不具有实时性等问题，大大增加了钻井工作成本及井下风险[1-5]。20世纪80年代电磁波无线随钻测量技术(EMWD)得以推广，目前国外有Halliburton、Weatherford、Schlumberg-er 等拥有电磁波无线随钻测量技术，国内中国石油勘探开发研究院、延长油田 、中国电子科技集团公司22研究所等也都对电磁波无线随钻技术进行研究。河南豫中地质勘察工程公司于2017年从中国电子科技集团公司22研究所引入SEMWD-2000B，该产品性能稳定、操作简单，大幅度提高了钻遇率及生产效率，为石油钻井工程事业做出巨大贡献。

1 电磁波无线随钻测量技术

1.1 仪器工作原理

电磁波无线随钻测量仪器由井下仪器和地面接收装置两部分组成：井下仪器通过参数传感器将测量数据进行编码，再通过电磁波发射装置单向发送电磁波信号通过钻具和地层传输至地面的钻机(井架和底座)和大地，地面接收装置通过两根天线(地线)分别连接井架和大地来接收井下仪器的电磁波信号，通过地面接收装置放大-滤波-计算机解码还原为测量参数[6]。

图1 EMWD系统示意图Figure 1 A schematic diagram of EMWD system

SEMWD-2000B电磁波随钻测量系统是一款适应油气田和煤层气开发应用的产品，主要性能参数如表1所示，井下工具采用下座键可打捞结构设计，小井眼缩径扶正器设计，各短节扶正、减震、骨架一体化设计，方位伽马和环空压力集成化设计：地面实现了自动化闭环增益控制设计，标准WITS输入输出接口设计等，现场操作简单，使用方便。

SEMWD-2000B地面部分包含：地面接口箱、司钻显示器、工控机、打印机组成；井下仪器包含：打捞头、绝缘短节、发射机短节、电池短节、定向短节、方位伽马和环空压力短节、下座键接头组成，钻具连接方法如图2所示[7]。

表1 SEMWD-2000B主要性能参数Table 1 SEMWD-2000B main performance parameters

图2 管柱串连接结构Figure 2 Pipe string configuration of SEMWD-2000B

1.2 方位伽马测量原理

SEMWD-2000B采用两个探测器，对称排列，测量值分成8个扇区在井下予以记录，并将记录数据合成为仪器周边上、下两个方位的伽马值实时传输到地面，从而指导地质导向工作。方位伽马测量通过闪烁计数器对岩层中自然放射性核素衰变放射出的γ射线进行俘获，以API刻度进行计量，对完井方式要求低，可同时在套管和裸眼中施工。

与传统无线随钻测量技术相比，电磁波无线随钻测量技术方位伽马实时上传的上、下伽马数据能确定钻出、钻入储集层的方向，针对常见的两种不同的钻出储集层的情况，如下图所示，可明确指示如何用最快的速度重新钻回储集层中，能发挥更强的地质导向作用[8-9]。

图3 钻头分别从储集层上、下穿出Figure 3 Bit intersecting through reservoir upper and lower boundaries

2 在陕北石油钻井中的应用

自引入SEMWD-2000B以来，河南豫中地质勘察工程公司在延长油田定向施工5口水平井，以宝塔采油厂8160平1井为例对EMWD技术在实际钻井过程中的应用进行介绍。

平1井位于鄂尔多斯盆地山西斜坡带的东南部，储层主要形成于早白垩世，为一平缓的西倾单斜，倾斜角度仅为0.5°-1°。斜坡带上发育一系列由东向西倾没的低幅度鼻状隆起构造，与砂体有机配置，成为油气的优势富集区。该油藏类型主要为岩性油藏或构造-岩性油藏，具有低孔、低渗、低矿物成熟度、高结构成熟度的储层特点，主要表现为压实作用强，颗粒混杂不均，原始粒间孔程度低、后生作用明显等特点。因而采用EMWD技术进行定向以提高钻井钻遇率[10-11]。

平1井在定向钻进过程中，充分利用SEMWD-2000B传输速率快的优点，在钻进时进行全测量，通过COMPASS软件绘制了实钻轨迹，如图4所示。充分利用EMWD技术的聚焦伽马，方便定向工程师立即调整工具面，防止钻头钻出产层。

图4 井眼轨迹Figure 4 Well trajectory

如表2所示，表中前三列为连斜数据，后三列为随钻测斜数据，从表中可以看出数值均在误差规定范围内，该仪器性能可以满足定向施工要求。

如图5所示，其中蓝线为方位伽马所测上伽马曲线，红线为下伽马曲线，黑线为测井自然伽马曲线。从图中可以看出，两种仪器所测曲线变化趋势吻合较好，表明方位伽马仪器测量数据真实可信，在水平井钻井中起到了较好的地质导向作用。

表2 连斜数据与随钻测斜数据对比表Table 2 Comparison of data from well inclination survey and EMWD inclination

图5 随钻方位伽马与测井自然伽马对比图Figure 5 Comparison of data from EMWD azimuthal gamma-ray logging and gamma-ray well logging

如表3所示，为平1井的设计靶点与实际靶点的相关数据，结果表明，该井的相对误差在工程误差允许范围内，也证明了SEMWD-2000B仪器具备实际作业能力。

表3 靶区数据Table 3 Data from target areas

3 EMWD技术的优点及发展趋势

3.1 技术优点

(1)电磁波无线随钻测量技术依靠电磁波进行信号的传输，因而不受井眼及循环钻井液的限制，对于漏失地层钻井时，可采用堵漏剂进行堵漏。

(2)在下钻过程中，仪器入井即可得到实时仪器信号，可实时对仪器及钻井工程进行校正，及时采取措施，可以减少由于仪器工作异常而造成的起下钻时间，且不受开停泵的限制，可连续传输信号，节约人力、物力及财力，提高钻井效率。

(3)电磁波无线随钻测量技术单根停泵30s后即可测量静态数据，而脉冲式随钻测量技术单根停泵需240s后才能完成静态数据的传输，同时电磁波无线随钻测量技术具有高传输速率，高刷新频率的优点，130s即可完成一组工具面的更新，传统脉冲式则需要520s左右，以定向1 000m为例，则EMWD技术定向总时间约为4.5h，传统脉冲式则约为8.8h，是EMWD所需时间的2倍左右，因而用电磁波无线随钻测量技术司钻可以及时调整钻压，提高钻井效率，减少大量的开关泵的消耗及人力。

(4)电磁波无线随钻测量技术在进行设计时，井下设备不存在活动部件，与传统脉冲式相比，不存在转子偏摩，脉冲器损坏等问题，因而管柱串可靠性高，仪器设计结构对传输率选择限制性少，更加的灵活，设计结构更加的简单，装卸设备方便[13-14]。

3.2 发展趋势

随着电子领域的不断发展，信息传输方式的不断创新，为电磁波无线随钻测量技术提供了更大的发展空间，现有的电磁波无线随钻测量技术在信号传输过程中，易受到不明噪声以及强电磁波的干扰，在对电磁波信号进行解码的过程中，出现软硬件冲突，仪器不解码等问题，且信号传输深度受到一定限制，在进行定向作业是，当深度较大时，通过向地面泼洒盐水等，可以有限提高传输信号强度[15]。因而针对目前的情况，电磁波无线随钻测量技术将在现有的算法的基础上，不断的进行创新与突破，提高测量系统的抗干扰能力，增强接收信号的抗衰减及解码恢复能力，提高电磁波信号传输的可靠性，加大信号传输的纵深。此外随着钻进深度的不断推进，耐高温、高压的仪器结构，超强续航能力的电子元件以及大容量的储存芯片也将不断发展，从而在实际应用过程中提高数据的真实性及可靠性，以提高无线随钻测量系统的稳定性[16-17]。

4 结论

(1)电磁波无线随钻测量技术与常规脉冲式无线随钻测量系统对比，不受井眼和循环钻井液的限制，具有更高的适用性和效率性，井下管柱串可靠性高，仪器设计结构对传输率选择限制性少，更加的灵活，设计结构更加的简单，装卸设备方便。

(2)随钻聚焦伽马在钻进过程中，实时上传的上、下伽马数据能确定钻出、钻入储集层的方向，明确指示如何用最快的速度重新钻回储集层中，能发挥更强的地质导向作用。

(3)河南豫中地质勘察工程公司通过使用SEMWD-2000B对宝塔采油厂8160平1井表明，该技术具有很高的可靠性与稳定性，具备实际作业能力。

(4)电子领域的不断发展，信息传输方式的不断创新，电磁波无线随钻测量技术在抗干扰及抗高温高压，高续航能力方面将会有更大的突破。