随钻测量技术的发展现状和前景研究

薛晓卫(中石化经纬有限公司江汉测录井分公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

随钻测量技术是由国外引进，最早发现该技术的时间是在1980年，当时推出了最初版本的随钻测量工具，但是当时该工具只有井斜、方位、工具面测量的功能，应用整体比较受限。

如果地质条件比较复杂，则不能满足钻井需求。在此基础上研发了定向钻井技术，对随钻测量技术进行了创新，提高碎钻测量技术数据传输效率、稳定性，而且在实际应用中还表现出极高的耐磨性、抗震性，对比传统技术手段的应用体积比较小。

目前，随钻测量技术在煤矿、化工等各个领域均得到应用。在高斜度井、水平井等数量不断增加的现代，随钻测量工具、钻井工具开始以组合的形式使用，建成常规电缆测井之后可以实时传输数据。目前，随钻测量技术已经非常成熟，在原本功能基础上可以支持异常地层压力、地层密度、伽马射线、中子孔隙度等的测量，同时包括随钻测井与地质导向的功能。基于此，本文围绕随钻测量技术对其发展与应用现状进行讨论，总结今后技术的发展前景。

1 随钻测量技术概述

随钻测量技术涉及到两个部分，分别是地面、地下测量两部分。化工行业应用该技术以井下系统比较常见，该系统由供电、测量、信号发生、数据传输组成，其供电形式为电池与涡轮供电[1]。如果采用电池供电，具有持续性的特点，但是往往作业时间比较有限，而涡轮供电的应用存在限定条件，即开泵运行条件方可达到供电目的，可在排量与耗电量比较大的情况下使用。随钻测量技术的测量对象包括钻井轨迹井斜、方位、工具面这些关键参数，将该技术和一些功能比较特殊的测量短节结合应用，可以对电阻率、扭矩、环空密度等和重要参数进行测量。转子、定子中间的通道开关一旦有压力脉冲产生，会有数据传输需求，此为井下信号，数据传输分为有线与无线两种，适用于光纤、钻井液、电磁波等工作情况。

根据化工领域随钻测量技术的应用，总结该技术原理如下：接近钻头位置的井底组合钻具安装测量工具，贴近钻头之后可以测量得到数据，持续钻进可以向地面传输信息，支持钻进同时进行测量。目前，石油钻井使用随钻测量技术涉及到很多比较复杂的系统，而且各个系统结构、功能各异，常规随钻测量技术系统由信号遥测通道、信号与脉冲发生器、井下电源、参数传感器、随钻测量地面系统组成，负责定向参数、地层评价参数、钻井参数和安全钻井参数的测量。

2 随钻测量技术发展与应用现状

随钻测量技术在我国的起步比较晚，但是技术从研发开始一直到实现商业化应用的时间其实比其他国家短，其间仅有5～10年的时间。我国市场中随钻测量有关产品已经相对成熟，例如电池驱动与涡轮发电驱动的装置。以某页岩气工区为例，该工区普遍采用上述两种随钻测量技术仪器，绘制自然伽马实时传输曲线，帮助地质导向者制定科学的决策，使该工区水平段1 500～2 300 m实现了穿越。2021年此工区作业共计仪器入井次数超过了200次，但故障率只有6.0%，大部分井仪器均为零故障，代表随钻测量技术在化工领域的应用已经进入到成熟期[2]。

我国现有的高温随钻测量技术仪器设备，在应用中其耐温条件已经达到了175 ℃，而且在商业运作方面具有相对成熟的经验。很多企业开始进行随钻测量技术有关产品的自主研发，将高温175 ℃条件下的绕组线性衰减问题很好地解决，而且体现出低功耗的功效，设备外径仅有44.5 mm，在化工领域应用具有良好的成效。对比国内外关于随钻测量技术的研究，国外信息传输速率问题还没有完全得到解决时，该技术的发展方向包括两点，分别是旋转导向与单元集成模块化。其中旋转导向技术已经非常成熟，提前设置井下仪器的若干个指令，达到双向通信。按照实钻轨迹选择对应指令执行，此时可以利用闭环执行机构，旋转的同时定向控制轨迹[3]。单元集成模块化集合若干个参数测量装置，将其集成到一个单根，涡轮发电负责供电，集成时涉及到改进原本传感器，使其更加稳定，而且支持多个探头与角度的测量，也能够达到远距离测量要求，了解到地层各个交界面和地层所有元素、密度与孔隙度的实际情况。

3 随钻测量技术的应用要点

3.1 随钻测量技术参数的设置

根据化工行业实践发现，岩石、钻孔关系很难进行精准定义，所有相关研究均是长期监测数据之后，结合实际经验总结而来。虽然如此，钻孔参数和岩性的联系关系在主观层面已经认定为有密切的联系。岩石孔隙、裂隙、不连续面比较多，即使是对一块岩石取样，要想对岩石建模也存在难度。受周围环境温度、含水率、围压等因素的影响，物理力学性质并非为一个常量[4]。综合考虑之后，建议利用钻孔参数判断岩石材料性质指标的精准性。渗透率和岩石强度为正比例关系，但是也存在不连续面、裂缝、孔隙等因素的干扰。要想切实满足钻孔爆破的需求，符合数据采集、处理技术使用要求，可以采用随钻测量技术对数据进行监测，在海量数据中得到有实际应用价值的岩性数据、钻孔数据。这就需要全面了解钻孔过程、钻孔时需要能量、钻孔环节所有参数和岩体强度特性联系。

以此为前提可以划分随钻测量技术参数的类别，主要有测量参数、计算参数、推导参数。钻机设备应用随钻测量技术时，转速、振动等属于直接测量参数，扭矩、渗透率属于计算参数，推导参数一般与实际环境有关，按照钻机、局部岩体性质得出结算结果，作为校正的参考依据。在随钻测量技术相关参数中，深度、时间、扭矩、钻速等比较常见，振动、流速和冲洗介质压力等其他参数，可能会结合实际研究结果决定是否包含在内。此条件下的参数有两种类型，即可控参数与不可控参数。例如，向下推力、钻速是可控参数，渗透率、扭矩则为不可控参数[5]。岩石分类参数中渗透率比较常见，对于随钻测量技术而言也是如此。按照物理学原理，可以发现钻头具有快速穿透软岩石的效果，所以钻速一般会被当做岩石强度指标。渗透率这一参数在测量、分析中也具有极高的参考价值，例如某煤矿钻孔监测工作中，渗透率发生变化可以直观了解到煤矿石、废煤存在的界限。要想了解地质条件，还可以关注到扭矩这一参数，有时扭矩受岩石强度影响，如果岩石强度增加，那么扭矩也会增加。通过回归分析发现扭矩、抗压强度为正相关关系。

3.2 随钻单元集成模块化

随钻测量技术主要负责的是测量裸眼井段测量，具有可视化功能，可以直接了解到井段内部实际情况。但是传输速率在此环节是非常重要的影响因素，采集参数还无法实现实时传输，建议采用单元集成测量模块，不仅可以将测量得到的数据及时存储，还在每趟钻读取和仿真处理等方面有明显优势。单元集成模块的主要应用范围包括有机碳量、孔隙度、矿物组、地层密度、地层应力与倾角的测量与描述，为划分储集段提供依据，还可以支撑岩石力学的分析和评估，采集制定压裂开采决策所需数据。

目前，我国采用单元集成模块化，在实践中面临一些难点，集中在以下三个方面：第一，随钻测量传感器的合理应用。在仪器设备中，随钻测量传感器属于非常重要的部件之一。随钻测井实践操作中需要用到的磁通计、加速度计和晶体，很大程度上依赖进口，采购传感器总成转变为采购散件，再由技术人员组装、标定。站在客户视角，这种方式有利于缩短维修周期，节约维修环节的成本。第二，高温芯片与高温材料。划分的所有单元采集数据之后，要对所有数据进行整理、分析与处理，此环节便要用到高温芯片。处于高温环境下，导线、橡胶和连接点的特性一般不会发生明显变化。但上述材料大多采用进口的形式，所以难免会存在一些限制，导致研发环节难度增加。第三，信息传输速率。分析钻井液的属性为传输介质，传输随钻测量参数过程中，通常很少会受到地层、震动、压力等因素的干扰。调整钻探速度到3～5 min/m时，随钻测量伽马、电阻率只能二者选其一。泥浆脉冲发生器和其他新型技术在随钻测量中的参与，不仅解决了该问题，也提高了信息传输速率。

3.3 随钻测量技术多元化应用

随钻测量技术在化工领域应用，技术引入的初期阶段只是被应用在爆破作业之前的岩体性质表征处理，有利于提升此环节的效率。采集物探、地质记录的数据之后，将其与随钻测量技术监测所得数据整合，自动生成岩体地下结构、地质力学数据，作为矿山开采问题的分析依据[6]。可见随钻测量技术在爆破、编制支护设计方案、矿体轮廓圈定等方面具有非常显著的优势。例如，某煤矿的爆破孔钻进环节使用随钻测量技术，现场钻机运行产生的数据，通过SE、矿区原始地层信息的对比，发现向下推力、岩石性质变化联系非常密切，尤其是钻速、扭矩不变时，向下推力更是具有非常重要的意义。监测钻进环节的数据，在爆破设计之前采集到丰富的地质数据。

因为牙轮钻头具有较高的成本效应，所以采矿工程的使用也非常普遍。但是发现现场与井下信息的采集依然面临问题，如地质发生变化之后，钻头发生磨损或是钻机操作不合理，上述有关信息缺失直接降低了钻孔效率。结合实际操作经验，对钻头轴向振动进行监测，获取牙轮钻头运行状态[7]。观察过程中发现钻头磨损之后，钻头振动频率峰值逐渐转变为高频。以此为前提，针对牙轮钻头的轴向振动构建动力学模型，对钻头磨损状态做出评估，观察并分析钻头轴向振动得到的模拟结果，并对比实际结果，发现建模这一方法的有效性，明确钻头更换的最佳时间，使钻机运行效率得到提升。评估钻头磨损程度这一方面，对比钻头实际钻进性能、理论性能，发现钻头状态可以掌握现场环境，并科学计算得出岩石强度。若随钻测量技术可以采集到现场的数据、计算岩石强度，便可以与测井获得岩石强度展开对比。

钻孔作业发出的声音信号可以作为岩石抗压强度的估算依据，室内环境下应用小型气动式钻机。因为地层之间存在差异，同一类钻机产生的噪声也会不同，所以声级变化分别对应不同的岩石类型，根据这一发现可以挑选相应的炸药类型，调整爆破设计方案。是由当活塞和钻具、钻具和岩石发生相互作业，便会产生低频声级。钻机排气声级频率一般在125 ～2 000 Hz之间。噪声频谱的高频段推力、声级也有十分密切的联系，如果在室内环境下可能会存在其他声音信号的干扰，无法直观了解到声音信号与现场情况的关系。基于上述对随钻测量技术应用的讨论，要想在化工领域充分发挥出该技术的优势，还需要结合现场实际情况与技术应用要求做出调整[8]。

4 随钻测量技术发展前景

市场经济在各行各业均表现出极为直观的效果，尤其促进了市场供给与创新。化工领域也是如此，随钻测量技术与随钻测井技术在行业中的期望指数始终较高，为了适应不断变化的行业发展趋势，必须要明确未来随钻测量技术的前景。由钻头、实时传输速率、稳定性是随钻测量技术普遍关注的三个要点，今后随钻测量技术的创新与改善也有明确的方向。

(1)实时数据传输效率将不断提升。一般随钻测量技术的传输速率在3 bit/s左右，自然伽马、中子、密度一类的常规测井数据均可以实现实时传输。如果传输速率在6 bit/s及以上，便可以实现成像、边界探测这一类大数据流量数据的传输。根据技术实践经验发现数据传输速率影响因素以机械钻速、随钻测量的传输速率为主，定向钻井作业中的高随钻传输速率更是非常重要，可以消除机械钻速对测量效率的限制。

(2)随钻测量技术稳定性显著增加。电子元器件本身必须具有耐高温、耐高压的性质，而且可以抵抗磁干扰，这在今后随钻测量技术的改进中都是非常必要的切入点[9]。

(3)钻头测量技术存在深度突破点，未来技术将实现调整井眼轨迹的实时追踪，在随钻识别油气、导向等方面做出调整与创新，促使油层钻遇率得以提高。

(4)随钻测量技术的测量将更加全面，测量结果精确性、可视化程度也将不断变化，尤其是在探边与成像技术这一方面。我国很多化工项目应用随钻传感器，该设备专利技术很多是由国外购入，今后将更加关注本土技术的研究，节省技术成本，达到全方位自主研发的目的，随钻测量技术可以适应更加复杂的工作环境。

(5)随钻测量技术已经十分先进，但依然需要不断完善与升级，建议参考国外的成功经验[10]。其他国家研究随钻测量技术获得了成功的应用成果，尤其是对随钻测量技术的升级与拓展。例如无线随钻测量技术，要想不断提升井下探测实力，应用无线随钻测量技术便需要不断总结经验，参考国外研发、应用无线随钻测量技术的成功经验，大力研发MWD无线随钻斜测仪等仪器设备，提高我国随钻测量技术水平，逐步与世界先进技术接轨。

(6)今后关于随钻测量技术的应用与改进，还需要关注技术的自主研发。随钻测量仪器具有多种功能，而且这种综合性仪器设备，在钻井与自控等方面也表现出明显的优势，具有高科技特征。尽管随钻测量仪器研发环节依然存在大量的风险，而且需要较多的资金，但是实际上我国已经可以进行该技术和相关设备的自主研发，基本上满足随钻测量操作的要求。为此，今后随钻测量技术和仪器应该进一步加大自主研发力度，开发更加多元化的功能[11]。

(7)关于随钻测量技术与仪器的自主研发，应该更加关注合作研究。基于现有行业自主研发环境，需要在现有随钻测量技术基础上提出创新建议[12]。其一，除了随钻测量领域的人才外，还需与其他行业领域的技术型人才相结合，吸收国外关于随钻测量技术的先进经验，发挥合作的力量进一步提高随钻测量技术先进性。其二，自主研发过程中，应该发挥相关政策的辅助作用，开发随钻测量技术在信息化、自动化、数字化行业环境下的新着手点，综合随钻测量技术资源，研发更加多元化的机械仪器型号，改进近钻头式测量仪器结构与功能，为井下测量工作提供便利条件，并且进一步提高随钻测量技术精准度与应用稳定性，发挥出对于石油工程测量的优势与价值。通通自主研发合作理念的创新，推进随钻测量技术的快速发展。

5 结语

综上所述，随钻测量技术是目前化工领域常用技术手段，具有实时跟踪、高效率等诸多优势。结合目前国内外对于随钻测量技术的研究成果，今后在实操过程中还需要深入探究，以加强随钻测量技术稳定性、实时传输效率等为目标，不断优化随钻测量技术使用效果，为化工行业提供先进技术支持，而且也能够全面实现我国随钻测量技术自主研发与创新。