电磁波随钻测量技术在煤层气钻井中的应用

张美君

摘要：由于电磁波随钻测量系统（EM-MWD）的技术特点适合煤层气定向井作业，因此在国内近几年煤层气开发中得到认可，且广泛应用。文中对煤层气钻井的作业特点和使用电磁波传输的优势进行了阐述，并对SEMWD-2000B电磁波随钻测量系统及在煤层气钻井中的应用情况进行了介绍。

关键词：电磁波随钻测量;煤层气;定向井;多分支井

一、煤层气钻井和EM-MWD技术的特点

1.煤层气钻井特点

目前开采的煤层气一般埋藏在浅层，垂深在1000米以浅。煤层气开发与油田开发相似，也主要有直井、一般定向井、水平井（含多分枝井）几种井型，其中长水平段井和多分枝井技术的应用，可以有效增加井眼与煤层的接触，提高单井的产气量，因此煤层气井一般垂深浅，水平段长，水垂比较大[1]。

由于煤层较脆，钻井过程中机械钻速较快，且井眼容易垮塌。钻速快，单位时间内进尺长，如果每米井深需要传输的参数一定，则钻速越快单位时间内需要传输的数据量越大，对随钻测量仪器的傳输率要求越高。井眼易垮塌，钻井过程中容易发生复杂情况，一旦井下发生复杂情况，将井下仪器起出，然后处理井下复杂情况，可有效减少井下工具落井的损失，因此煤层气钻井使用的随钻测量仪器要求可打捞。

2、EM-MWD技术的特点

EM-MWD技术以电磁波方式传输信号，与泥浆脉冲传输方式相比，由于传输不依赖于泥浆循环，其信号传输受泥浆性能影响小，在接单根期间可以传输数据，测斜不额外占用钻井时间的优势也越明显，尤其对于机械钻速越高，建井时间越短的作业。

电磁波方式与国内常用泥浆脉冲相比传输率较高，国内常用泥浆脉冲的传输率一般不到1bps，电磁波传输方式可以达到几bps。传输率越高在实际作业中参考数据更新越快，信息延迟时间越短。对于煤层气浅井作业，电磁波方式的传输率，能够更好的满足钻速快对传输率要求高的需求。

二、电磁波随钻测量系统

这里以中国电子科技集团公司第二十二研究所研制了SEMWD-2000B电磁波随钻测量系统为例介绍电磁波随钻测量系统。该系统分为井下工具、地面系统两部分。系统为下座键可打捞的结构形式，具备井眼姿态测量、方位伽马、环空压力测量能力，且为了满足不同井眼作业的需求形成了系列化产品，绝缘天线（gap sub）有165/121/101mm等多个尺寸，具备小井眼的作业能力。

1、系统组成

SEMWD-2000B电磁波随钻测量系统主要由井下工具与地面系统组成，其中井下工具主要包括绝缘天线、绝缘短节、发射机、电池、定向探管、方位伽马与环空压力测量短节、座键短节、打捞头、引鞋、弓形扶正器等;地面系统主要包括接收天线、接口箱、笔记本（工控机）、司钻显示器、深度跟踪相关传感器、工程软件等。井下工具完成参数测量和信号发射。主要测量参数有井斜、方位、工具面、上下伽马、环空压力。地面系统主要完成电磁波信号的接收、处理、解码、换算、显示、深度跟踪等功能。

2、系统技术指标

SEMWD-2000电磁波随钻测量系统主要技术指标如表1所示。

3、系统的技术特点

SEMWD-2000B电磁波随钻测量系统主要有以下技术特点。

（1）发射机参数可调，系统的工作频率、发射功率，可在仪器下井前设置。根据作业井的实际情况，选择系统工作频率和井下发射机功率。

（2）下座键、可打捞的结构形式，在井下出现复杂情况时，可用专业工具将井下仪器起出，便于后续处理。

（3）为了煤层气小井眼的作业需求，设计了外径为101mm的绝缘天线;为了保证小井眼时钻井液的流通面积，仪器扶正器处采取了缩径的结构形式。

（4）实现了方位伽马与环空压力测量，方位伽马在钻出煤层后，可帮助判断出的顶层还是底层，便于后续轨迹的调整;环空压力可帮助判断井下复杂情况。

（5）地面接口箱具有标准WITS接口，方便数据交互。

（6）系统可用无线传感器实现深度跟踪，减少井场布线，方便作业。

三、现场应用情况

在沁水盆地电磁波随钻测量系统已广泛应用，并表现出其技术优势。

1、方位伽马的导向作用

方位伽马在钻井过程中可测量井周不同方向自然放射性信息，通过一定算法处理将窗口在不同方向的测量结果分开，在实际水平钻井中主要关心上下两个方向，SEMWD-2000B提供上下两个方向的伽马测量数据。ZX-XXX水平井作业中穿过煤层夹矸方位伽马的时间和深度曲线。左侧曲线为时间伽马曲线，右侧为深度伽马曲线，其中黄色为上伽马，红色为上伽马，说明了井眼由下向上穿过煤层夹矸的过程，由煤层进入夹矸上伽马先变大，由夹矸进入上部煤层，上伽马先变小。

2、信号幅度与地层电阻率相关的应用

电磁波随钻测量系统使用的天线为非对称的偶极天线，天线的输入阻抗与天线周围的地层电阻率紧密相关。周围地层电阻率的大小影响信号的大小，因此在煤层水平段信号的大小的突然变化具有一定的地质导向作用。

四、结论

EM-MWD传输率高，且信号幅度对地层电阻率敏感可用于判断轨迹是否要出煤层，上方位伽马测量信息，可进一步确认钻进方向与上下底板的关系，两项技术配合，作业优势明显，非常适合煤层气定向井（水平井、分枝井）的作业，已得到业界认可。

参考文献：

[1] 杜俊杰，范业活，韩永国.国内EM-MWD技术发展现状及在煤层气中应用展望[J].中国煤层气.2014，11（S4）：6～10.

[2]李天禄，范业活，杨志强.SEMWD-2000电磁波随钻测量系统及现场试验[J].录井工程.2012，23（S2）：64～67.