电磁随钻测量

2020年3月8日电磁随钻测量系统研制及现场试验应用中国石化石油勘探开发研究院电磁随钻测量系统及现场试验研究一．电磁随钻测量技术综述二．中国石化EM-MWD技术研究进展汇报内容在钻井工程中，随钻测量(MWD)是井眼轨道监测与控制中的一项核心技术。目前，国内外的随钻测量系统普遍采用钻井液脉冲来传送测量数据，这种随钻测量技术在液体钻井液中能够稳定､可靠地工作，然而，对于气体及各种充气钻井液，由于流体可压缩性强，钻井液脉冲信号很弱甚至不能产生有效的脉冲信号，因此钻井液压力脉冲MWD将无法正常工作。随钻测量技术钻井液压力脉冲传输法钻井液连续波传输法电磁随钻测量(EM-MWD)是20世纪80年代进入工业化应用的一项新技术，具有信号传输速度高､不需要循环钻井液便可传送数据､测量时间短､成本低等特点。特别是，EM-MWD系统基本上不受钻井液介质的影响，不仅适用于常规钻井液中的随钻测量，而且还适用于在气体､泡沫､雾化､空气､充气等钻井液中使用，从而解决了钻井液脉冲MWD系统难以逾越的随钻测量难题。电磁随钻测量技术(EM-MWD)电磁波随钻测量系统（EM-MWD）的组成及工作原理国外电磁随钻测量（EM-MWD）技术20世纪70年代初实用型EM-MWD工具研制成功后，在钻井工程中始终未得到广泛的应用｡当时的EM-MWD工具有两个主要问题使其应用范围受到限制，一是遥测深度小于3000m；二是在可靠性方面不太稳定｡到20世纪90年代EM-MWD工具研制的主要方向是扩展井底发射器的发射范围，出现了“Extended-RangeEM-MWD技术—◆发射天线延伸型EM-MWD◆信号中继转发型EM-MWD国外典型EM-MWD简介Weatherford在2004年推出TrendSET™，现场试验表明该系统传输深度达3293m，连续工作时间超过了200小时。具有抗温、抗震动性能突出，利用信号中继放大技术加大传输深度，采用特殊材料制作的绝缘接头强度较高，使用电池供电可靠性高等特点。Schlumberger公司推出的E-Pulse系统在加拿大的艾伯塔应用时，测量垂深达到3640m。在得克萨斯州，应用垂深4183m时能有效传输数据。创造了在不使用延伸天线和中继器条件下，测传深度最深的记录。E-Pulse的缺点是仪器较长，达到了17.3m，不利于现场使用。ZTS系列电磁波随钻测量仪器是俄罗斯沙玛拉地平线公司开发的产品，井下使用涡轮电机供电。ZTS-172M发射功率高､电波信号强度大，可以加大传输深度，但是涡轮发电存在工作可靠性低､不适合气体钻井或低压欠平衡钻井的缺点。电磁随钻测量系统及现场试验研究汇报内容一．电磁随钻测量技术综述二．中国石化EM-MWD技术研究进展中国石化勘探开发研究院于2002年开始跟踪电磁随钻测量技术，并于2003年初完成了调研报告。2003年11月，主持完成了俄罗斯ЗТС-172M型EM-MWD系统在我国的现场试验。试验井的地层电阻率为2～4Ω.m，其有效测量深度为1600m。2006年，石油勘探开发研究院正式启动了“电磁随钻测量系统研制”项目的立项研究，在中国石化科技部的支持下，经过一年的攻关研究，攻克了一系列技术难点和技术关键，首次现场试验即获得圆满成功。中国石化对EM-MWD技术的研究研究内容简介地层电磁特性及地层中电磁波传输规律研究地层特性对电磁波信号的影响研究井下电磁波信号传输特性的理论模型研究电磁波在井筒环境中的传输天线研究地面环境对电磁波信号的影响研究理论研究部分研究内容简介在理论研究的基础上，进行了电磁波随钻测量系统原理样机的设计。原理样机设计的原则是根据电磁波信道传输特性和电磁环境特性，建立满足技术指标要求的通信系统方案。主要包括：系统总体方案设计通迅系统的详细设计机械结构方案设计原理样机试制及现场试验系统设计部分研究成果简介1.电磁随钻测量系统发射天线的激励方式.TlhsEEzem000钻井条件下实际可行的激励方式只有激励沿钻杆的轴向电流和激励绕钻杆的水平电流环两种激励方式，激励沿钻杆方向的电磁场。两种偶极天线的激励产生的电场在地面上的水平分量之比为其中，S为磁偶极子的环面积，l为电偶极子长度，h为井深，T∝1。受钻挺直径的限制，磁偶极子的环面积很小，而电偶极子的可以做得较长。井下垂直电激励比磁激励效率高；井下发射天线应采用垂直电激励。研究成果简介2.地面接收装置应该采用径向水平布置的天线，接收水平极化电场.垂直电激励时应收测电场分量，且电场径向分量有最大值地面电场水平分量：hjbkzeehakIljE1332100max04.0地表面上近区的电场径向分量：101122012110102HheVkZkE地面上钻杆与距离钻杆某点的接收电压为：xbhrxkbkekZVdExV11012101210220112010HH2220222jk3.建立了井下电磁波信号传播特性的理论模型.101011cthhZZTKbhhbbhZT122211122Ln21Ln21钻杆天线的输入阻抗ZT为上下两段钻杆输入阻抗ZT1与ZT2之和：4.得到了钻杆天线的输入阻抗和等效电路.5.利用建立的理论模型进行的分析研究得到了以下认识.地层电阻率在0～10Ω.m时对地面信号的影响极大;地层电阻率在30Ω.m之后地面信号强度的衰减趋缓;在地层电阻率超过100Ω.m后基本可认为地面信号强度不受地层电阻率的影响。频率越低，地面接收到的信号越强激励源在套管内时存在屏蔽作用使地面接收信号减弱；激励源在套管外时套管的存在使接收信号得到增强。钻井液的存在对地面信号强度的影响不大.6.完成了系统的组成方案设计.EM-MWD地面部分井下部分司钻指示器配套调试校准工具地面接收天线地面接收机数据处理计算机钻杆天线绝缘接头发射接收模块定向数据测量模块井下电池供电模块座键接头和调整接头7.完成了系统的信号链路设计.钻杆天线构成的信道微弱信号放大DSP处理器数字滤波数字解调数据译码A/D转换器地面数据显示处理数据接口数据测量模块DSP处理器模块控制数据编码数字调制D/A转换器功率放大器数据接口地面部分井下部分试制的原理样机原理样机的组成及工作参数：原理样机包括地面接收机、井下发射机、井下钻杆天线、电池组以及地面辅助设备等组成。发射机短节与电池短节连接后即开始工作，启动发射机开始第一帧数据发射，随后每2分钟发射一帧数据，载波频率为10Hz。现场试验情况原理样机现场实验的情况时间试验地点井深（m）套管下深（m）测量深度（m）３月１９日中原油田教学实验井300玻璃钢管300３月１９日卫古１井3200全井1000３月２７日德州大陆架公司实验井100全井80４月７日腰英台油田DB18-2-G1井22702021600４月１０日辽河油田曙古１５井3300193014002007年3月中旬，电磁波随钻测量系统原理样机研制完成。为了检验仪器的性能，2007年3月19日到4月10日，先后进行了四口井的钢缆吊装实验和一口井的钻杆下井实验。由于钻杆下井实验更接近仪器将来的实际工作状态，因此下面着重对其实验结果进行分析。现场试验情况腰英台油田DB18-2-G1井井况地理位置：该井位于吉林省前郭县查干花乡青山南偏西约1.0公里；完钻井深：2270米套管下深：Φ273.10×200.0二开：Φ215.9×2270.0钻杆：Φ127/G105图5DB18-2-G1井地层电阻率分布0246810121416182022242628302004006008001000120014001600180020002200井深/m地层电阻率/Ω•m现场试验情况现场试验情况实测信号强度数据-120-100-80-60-40-200020040060080010001200140016001800深度m信号dBV激励源在套管内时信号较弱，出套管后信号迅速增强，达到一个最大值后，随深度增加信号逐渐减弱，衰减率约为5~6dB/100m；但在局部范围内出现了信号增强的现象。实验记录出套管后的测量信号最大值为10mV。实测信号与深度关系图现场试验情况1、现场实验数据理论分析为了检验理论模型和分析存在的问题，根据DB18-2-G1井的井况采用水平分层模型进行分析计算。将DB18-2-G1井所在地层分为四层，具体情况如下：深度地层电阻率0~700m4Ω·m700~1000m16Ω·m1000~1600m2.5Ω·m1600~15Ω·m地层深度发射天线射入阻抗240~700m0.3Ω700~1000m1.24Ω1000~1600m0.2Ω计算得到的发射天线输入阻抗：计算参数说明泥浆电阻率：1Ω·m；单位长度钻杆电阻：1.0×10-4Ω；单位长度套管电阻：7.5×10-5Ω；激励源载波频率：10Hz；套管长度：200m。现场试验分析计算与实测信号随深度的衰减趋势一致，在地层界面的变化关系也基本相同。但计算值要比实验值要大接近20dB。可能有以下原因造成，在传输线理论中没有考虑近场损失（绝缘段两端直接回流）；发射机向天线馈电的接触电阻大；理论计算所得到的是地面两点间的开路电压，而测量得到的并非开路电压。-120-100-80-60-40-2000500100015002000深度m信号dBV试验值计算值2、采用分层模型计算的结果与测量值比较计算参数的选取：下段电极的长度：h2=9米；钻杆的外半径：b=0.065m；井眼半径：b2=0.107m；钻杆单位长度的电阻：r=1.0×10-4Ω；钻井液电导率：1.0S/m；地层电导率：0.1S/m；0500100015002000250030003500-120-100-80-60-40-200h(m)Vrec(dB/V)5Hz10Hz20Hz3、影响传输深度的因素分析为了探讨影响传输深度的因素，结合DB18-2-G1井的井况根据均匀地层模型进行计算分析。频率对对传输深度的影响0500100015002000250030003500-120-100-80-60-40-200h(m)Vrec(dB/V)2Ωm10Ωm20Ωm0500100015002000250030003500-120-100-80-60-40-200h(m)Vrec(dB/V)1.0e-4Ω/m5.0e-4Ω/m2.0e-4Ω/m单位长度钻杆上的电阻对传输深度的影响地层电阻率对传输深度的影响钻杆单位长度电阻率、地层电阻率、发射频率和发射功率是决定电磁传输距离的主要因素;频率在1～10Hz，地层电阻率为10Ω.m左右，电磁传输深度在2000～3000m;发射系统的输入阻抗随激励源深度的增加变化不大。现场实验的成果通过实际测试，设计的电磁波随钻测量通信系统原理样机基本满足设计要求，工作稳定可靠，在实验过程中未出现损坏现象；实测信号强度的衰减规律和理论研究的结果也是一致的。并得到了以下结论：建立的理论模型是科学合理的；设计的系统总体方案是可行的，在进行局部调整后是可以应用于下一步的“电磁波随钻测量系统”工程样机研制的。通过理论分析和现场实验的验证，最终的工程样机将能够完全达到合同要求的各项技术指标。现场试验分析电磁波随钻测量系统的信号传输主要涉及三个方面：发射，传输，接收。要想使测量深度增加，必须考虑这三个方面的因素。发射：加大发射机的功率，提高效率，减少馈电接触电阻。传输：由于地层是不可改变的，要想传输衰减小，要么降低频率，要么减小钻杆接头电阻。接收：传输深度很大程度上依赖于噪声的大小，和对噪声的处理能力。若环境中不存在噪声，且放大器本身放大的同时也不引入噪声，那么理论上可把任意小的信号提取。预计在2008年上半年将完成EM-MWD工程样机的研制。工程样机研制情况谢谢！