一种下座键式近钻头测量系统的研发与应用

陈友学 赵新全 张翰钊 凡 刚

（①中国电子科技集团公司第二十二研究所；②中国石油渤海钻探管具与井控技术服务分公司；③中石化经纬有限公司华东测控分公司）

0 引言

近钻头测量技术是现今用于油气井钻探的一项高端技术，对提高钻井时效与勘探开发总体效益具有重要意义。相较于传统的“MWD+方位伽马”方式的地质导向系统，近钻头测量系统能够实时测量钻头附近地质信息，根据地层变化情况，结合现场录井地质及钻时等相关资料，可及时、准确地指导井眼轨迹调整，从而提高优质储层的钻遇率。该系统也使得超薄油层及复杂油气层的开发成为可能，有利于油层的充分利用，同时缩短了寻找油气层及决策油井轨迹的时间，有利于缩短钻井周期，提高钻井时效，降低钻井成本[1-7]，较好地满足井场实际应用需求。

目前国内外主流的近钻头测量系统，其井下系统大多采用上悬挂连接方式，采用涡轮发电机供电，其优点是MWD 井下系统不受电池容量限制，持续工作时间长，同时该连接方式不易产生由于脱键导致的无法定向作业风险；其缺点是组成结构相对复杂，对现场操作人员的专业技术水平要求较高，现场使用及维护成本较高，且如果在钻井作业中遇地层坍塌掩埋钻具的情况时，将导致整串仪器无法打捞，进而给施工单位造成较大的财产损失。为此，研发了一种下座键式近钻头随钻测量系统，该系统采用下座键式连接方式，由电池组供电，其主要优点是现有技术成熟，系统稳定可靠，现场操作便捷，使用及维护成本较低，且具备遇井下地层坍塌掩埋仪器时可脱键打捞功能，极大降低了作业风险。

本文主要从下座键式近钻头测量系统的工作原理、系统设计、实现方法及现场应用几个方面进行介绍。

1 下座键式近钻头测量系统工作原理

1.1 下座键式连接方式基本结构原理

主流的近钻头测量井下系统大多采用上悬挂连接方式，连接较为稳固，在定向钻井作业中不易产生脱键，但在钻进中遇地层坍塌掩埋钻具的情况时，将导致整串仪器无法打捞，在影响钻井施工进度的同时，也给作业方带来极大的经济损失。为此，改进原井下系统的上悬挂连接方式，采用下座键式的连接方式，即将近钻头接收短节接入钻井液脉冲井下系统中，井下系统顶端为金属打捞头，下端为引鞋短节，施工时将井下仪器串吊装落入座键短节中即可。井下仪器串与座键短节之间依靠键槽方式连接固定，该连接方式的测量系统在一定拉力下可与座键短节脱离，使得井下定向仪器遇地层坍塌被掩埋时易于脱键打捞。但在现场作业过程中，当仪器倾角大于90°时，该随钻测量系统易发生脱键的风险，从而导致无法检测到井下发送的钻井液脉冲信号，为此在该近钻头测量系统中的引鞋与座键短节连接处采用了防脱设计，其结构如图1 所示，在座键短节上设计加工了一个带密封面的M 16 螺纹孔，在现场应用时将井下仪器吊装入座后，用防脱螺钉通过座键及循环套过孔，顶紧引鞋短节上的防脱凹槽，以防止脉冲器脱键。当钻进中遇地层坍塌情况需要打捞井下仪器时，防脱螺钉小端的圆柱头在一定拉力下可自行剪断，即可进行井下仪器的打捞。

图1 下座键式连接方式结构示意

1.2 下座键式近钻头随钻测量系统信息传输原理

下座键式近钻头随钻测量系统的信息传输主要基于电磁波无线传输和钻井液脉冲传输等关键技术。近钻头发射与接收采用了电磁波无线传输技术，其原理为近钻头测量发射短节将测量的地质参数信息通过上下绝缘偶极发射天线产生的电磁波，经由螺杆、钻铤、钻井介质（钻井液）、地层等构成的信息通道传输至近钻头接收短节进行处理和解码，从而获得近钻头测量参数信息。

电磁波无线传输技术有以下主要特点：一是信息以电磁波的形式传输，受钻井介质影响小；二是仪器结构设计对传输率选择限制少，传输率选择更灵活；三是结构简单，装卸方便；四是易于实现双向通信[8]。MWD 系统采用钻井液脉冲传输技术，MWD 主控单元根据井下系统入井前设置的工作序列及井下工作状态，将MWD 测量数据以及近钻头测量数据以钻井液压力波的形式发送至地面。

2 下座键式近钻头测量系统设计

下座键式近钻头测量系统包括地面系统和井下系统两个部分，下面分别针对这两个系统的设计进行介绍。

2.1 地面系统

地面系统采用成熟的MWD 地面接收处理系统，主要由计算机系统、传感器系统、地面接收系统、司钻显示系统4 部分组成，其主要功能是完成钻井液脉冲信号的采集、解码、远端数据显示及后期数据出图等功能。

计算机系统主要完成对各功能单元的配置、实时解码及后期数据出图等；传感器系统包括立管压力传感器、大钩负荷传感器和绞车传感器，其中立管压力传感器用于采集井底钻井液脉冲发生器产生的压力编码序列信号，大钩负荷传感器和绞车传感器用于跟踪钻头位置及计算井深；地面接收系统负责采集通过立管压力传感器获取的钻井液脉冲信号，经滤波处理后上传至计算机系统进行解码数据恢复；司钻显示系统以有线方式连接立管压力传感器，将采集的立管压力信号通过无线方式或有线方式与地面接收系统通信，并在显示屏上显示实时的工具面、井斜、方位及立管压力等信息。

2.2 井下系统

井下系统主要包括近钻头测量发射短节、近钻头接收短节、MWD 井下系统3 部分。井下系统主要完成井下系统电源管理、近钻头测量数据无线短传、MWD数据采集处理，以及脉冲信号编码、驱动及执行等功能。井下系统组成如图2所示。

图2 井下系统组成

2.2.1 近钻头测量发射短节设计

近钻头测量发射短节作为井下系统的核心部分，直接与钻头连接，其主要功能是通过重力加速计、磁通门、伽马探头等传感器，实时测量钻头附近伽马、电阻率等地质参数，以及工具面、井斜等工程参数，通过电磁波无线短传方式将测量的近钻头参数跨越螺杆传输至近钻头接收短节。

近钻头测量发射短节设计为钻铤结构形式，钻铤内有独立的电源模块为其电路系统供电，主要完成钻头附近地质参数的测量并发送，具备井斜、方位伽马测量和无线短传的功能。近钻头测量发射短节组成如图3所示。

图3 近钻头测量发射短节组成

电池单元采用3个锂电池短节并联的形式为系统供电。为确保定向井钻进施工时效，电池单元采用高能量密度的锂电池，每次下钻作业时长可达200 h。方位伽马单元设计为一个单独的骨架，置入近钻头测量发射短节钻铤内，设计原理与随钻方位伽马探管类似。设计中使用以碘化钠为材料的伽马探头，晶体与光电倍增管采用一体化封装，增强了探头的抗震效果[9]。电源、测量及通信单元的电源模块能够输出±5 V、+12 V的三路电源供系统使用；测量模块采用低功耗、双轴加速计（ADXL206）测量重力信号，采用双轴高精度弱磁测量模块（HJMAG804）测量磁信号；通信模块采用由双通道低压、高速功率驱动器（IR4427）组成的H桥发射信号。

近钻头测量发射短节与接收短节采用单向通信方式，在测量发射短节与近钻头接收短节上各安装一个绝缘天线，用于发射和接收信号。

由于使用锂电池短节为近钻头测量发射短节供电，电池的空间有限，因此在电路设计中处理器和运算放大电路等关键器件的选择上需符合低功耗设计要求。此外，由于近钻头测量发射短节与钻头直接相连，钻进过程中震动、冲击较大，在设计中必须充分考虑仪器的抗震性和可靠性。

2.2.2 近钻头接收短节设计

近钻头接收短节与MWD 井下系统相连，接收近钻头测量短节发射的数据，并通过RS-485 总线方式将近钻头测量数据发送至MWD井下系统主控单元。

近钻头接收短节设计为探管结构形式，其特点是结构简单，现场操作方便，且成本相对较低。接收短节采用RS-485总线接口，通信协议兼容MWD井下系统，能够直接与MWD 井下各短节连接，同时可以利用MWD 井下系统电源进行供电，不需要设计独立的电源模块。其主要功能是接收近钻头测量发射短节发送的数据，并将数据通过RS-485总线传送给MWD井下系统的主控单元。接收电路由差分放大、增益控制、滤波放大和跟随放大等分电路组成，最后接入采集电路。近钻头接收短节组成如图4所示。

图4 近钻头接收短节组成

2.2.3 MWD井下系统设计

MWD井下系统将测量的工具面、井斜、方位等工程参数，以及接收的近钻头测量数据一起进行编码，并利用MWD 钻井液脉冲传输方式将井下信息以压力脉冲的方式传送至地面接收处理系统指导钻井作业。

MWD 井下系统采用常规的钻井液脉冲传输方式，由钻井液脉冲发生器及引鞋、一体化短节、电池短节和打捞头组成。该系统使用电池组供电，电池容量为24 Ah，在该系统中一串电池组工作时长不低于200 h；钻井液脉冲发生器为市场较为成熟的QDT 脉冲器，系统兼容性较好，且便于实现下座键式连接。MWD井下系统主要功能为测量工具面、井斜、方位等工程参数，同时将接收的近钻头测量数据一起通过一定的方式进行组合编码，并驱动MWD 钻井液脉冲发生器工作，将井下信息以钻井液压力波的形式传输至地面，再由地面接收系统实时采集压力脉冲信号，并进行滤波、解码，对各数据进行解码恢复处理，获得井下发送的数据信息，根据这些数据分析钻头处的岩性变化来指导钻井作业。MWD井下系统各单元设计成熟，在此不再赘述。

3 现场应用

现场应用过程中，将钻铤结构形式的近钻头测量发射短节安装在钻头与螺杆之间，螺杆上端依次接座键接头钻铤、绝缘天线钻铤和通用无磁钻铤，将探管结构形式的近钻头接收短节与MWD 井下系统连接，从上端往下依次为金属打捞头、电池短节、一体化短节、近钻头接收短节、钻井液脉冲发生器及引鞋短节，最后将连接好的仪器串坐落进座键接头钻铤中，即完成下座键式连接方式的近钻头随钻测量系统的组装。

目前该系统已在现场进行了多口井的试验及应用，完成系统相关功能及可靠性验证，并取得了良好的应用效果。如在河南商丘永城某水平注浆井进行了试验应用，该井为地面区域治理井，为多分支井，设计在煤层底板太原组上段灰岩中钻进作业，该区块灰岩地层伽马值处于20～60 API区间，钻遇率要求90%以上。现场钻井作业过程中，密切跟踪钻头在顶、底板灰岩中的位置，及时调整井眼轨迹，确保钻头在目的层灰岩中钻进，保证钻遇率及井筒水平轨迹达标。该系统近钻头方位伽马测量点距离钻头位置0.6 m，从近钻头方位伽马实时曲线（图5）中可以看出，在钻进至856.83 m 时，近钻头上伽马值先变大，之后快速增大，下伽马值也随之逐渐增大，在井深859 m 附近，测得近钻头方位伽马值均增大至100 API 左右，结合实时岩屑录井、钻时录井等相关资料，确定钻头位置已从目标层上切穿出目标层顶板，导向人员根据地层倾角变化及时调整钻进姿态，使钻头从目标层顶部下切，重新进入目标层（灰岩）中。在井深862 m 测得近钻头方位伽马值为40 API左右，方位伽马变化趋势完全符合该井段地质情况。

图5 近钻头方位伽马实时曲线

从实际应用效果可以看出，使用防脱设计的座键短节后，井下系统一直稳定正常作业，未发生脱键故障，应用效果良好。传统的MWD+方位伽马系统的方位伽马测量点往往距钻头10 m 左右，因而测得的方位伽马值反映钻头出入地层信息比较滞后，发现钻头出层时实际已出目标层10 m 甚至更多，给定向人员调整井眼轨迹造成很大难度。而使用该近钻头测量系统，方位伽马测量点仅为0.6 m，能够更早地感知钻头附近地质信息，并及时指导调整钻头重新进入目标地层，从而显著提高了钻进效率，更利于满足地质导向对钻遇率的要求。

4 结论

下座键式近钻头测量系统在实际应用中能够实时反映地层信息，具有良好的导向功能。该系统各部分设计技术成熟，系统整体稳定可靠，且由于其结构形式相对简单，现场操作便捷，以及具备井下工具可打捞等优势，易于实现工程化应用。在钻井深度3000 m 以内、井底钻井液循环温度不超过150℃的浅地层油气勘探及煤层气开采领域，具有较好的市场前景。