近钻头随钻测量及其短传技术的研究

摘要：随钻技术取得了长足的发展极大地方便了轨迹控制、井下工况检测及地质导向等井下作业。介绍了国内外随钻近钻头的研发现状，并系统地介绍了有线传输、声波传输、电磁传输、泥浆传输等短传方式的优缺点，为相应的随钻仪器研发提供参考。

关键词：随钻测量;声波传输;电磁传输;

相比于常规LWD随钻测井仪器，近钻头地质导向仪器的主要优势是测量参数距离钻头近，能够及时反应钻遇地层的地质情况，快速调整井眼轨迹，提高钻遇率。因此该仪器特别适用于开发薄油层、复杂层区块。近钻头地质导向仪器按照结构分为螺杆集成式、短节式两种。目前有多家公司均推出了自己的随钻近钻头测量设备，虽然设计略有不同，但是其原理基本类似。螺杆集成式近钻头通讯方式采用FSK单总线，短节式近钻头通讯方式采用无线短传方式。螺杆集成式近钻头、使用有线传输，使用泥浆类型不限，工作稳定可靠，但是测点离钻头距离稍远，有2 m左右。短节式近钻头使用无线短传，其测点离钻头的距离为0.5 m左右。不论是那种近钻头设备，其原理都是将测量设备安装在螺杆面，靠近钻头的的位置，测得随钻数据，然后使用有线或者无线的方式跨螺杆短传给上部的随钻模块，然后再通过上部的随钻模块上传至地面，具体方式如图1所示[1]。

目前，国际上主要是哈里伯顿、斯伦贝谢和贝克休斯等大型油服公司能够提供近钻头随钻测量相关技术服务，且不同公司不同种类的近钻头仪器均已实现商业化应用。贝克休斯公司开发的Navi Gator，该系统由可旋转的泥浆马达和随钻测量传感器组构成，可用于地质导向和地层评价。其近钻头井斜传感器位于钻头后面3.4 m处，除了提供近钻头井斜角数据之外，还可提供包括方位、伽玛射线、多频率探测深度的电阻率等井下参数[2]。哈里伯顿公司的ABI系列产品，由其下属子公司SPERRY钻井服务公司开发。20世纪90年代初，开发出近钻头井斜角传感器ABI，随后又推出了仪器马达系统，该系统将ABI近钻头井斜角传感器和电阻率(EWR-PHASE4)、自然伽玛(DGR)共同组装在同一个马达中，形成了仪器马达ABI/EWR-PHASE4系统和ABI/DGR系统，除测量近钻头井斜角外，还能够提供伽玛、电阻率等地质参数的近钻头测量功能[3]。斯伦贝谢公司的Eco Scope多功能随钻测量系统。该系统将用于地层评价、确定井眼位置和优化钻井的多种参数的测量集成在一根钻具中，实现一体化测量。

相对于国外的近钻头地质导向技术发展情况而言，国内的发展还是比较落后，测量参数精度和整体稳定性还不足。中国石油集团钻井工程技术研究院研制的CGDS-1近钻头地质导向系统。该系统可测量钻头电阻率、方位电阻率、方位自然伽马和近钻头井斜角、工具面角。山东胜利伟业石油工程技术服务有限公司研制SL6000-NWD，测量项目有：井斜、方位、深浅电阻率、自然伽马(方向伽马)。大庆钻探钻井工程技术研究院研制的DQNBMS-I型近钻头随钻测量系统，可以测量近钻头方位伽马、近钻头电阻率、近钻头井斜工程参数，且三个参数的测点距钻头小于1 m，具有多参数近距离测量的优点。大庆钻探钻井工程技术研究院研制的DQNBMS-I型近钻头随钻测量系统，可以测量近钻头方位伽马、近钻头电阻率、近钻头井斜工程参数，且三个参数的测点距钻头小于1 m，具有多参数近距离测量的优点。此外长城钻探公司也分别研发了螺杆集成式和短节式两种近钻头地质导向仪器。螺杆集成式近钻头测量参数包括电磁波电阻率、方位伽马成像及井斜，使用泥浆类型不限，工作稳定可靠，邻长2.5～2.9 m。短节式近钻头测量参数包括方位伽马成像及井斜，邻长0.5 m。

总的来说，国内近钻头随钻测量不论是在设备的稳定性、精确性方面，还是在近钻头成像、近钻头前探等前沿技术方面，均落后于国外同类产品。尤其是在近钻头成像、近钻头前探等前沿技术方面，目前国外已经有成熟的商业化产品，但是国内的研究还处于起步阶段。

2 随钻近钻头井下短传的研发概况

有线传输方式，主要是使用物理导线穿过螺杆进行传输。该方式需要对井下钻具进行特殊设计，通常是使用滑环，将导线贯穿螺杆壁，逐级相连，进行能量传输和通信。因此在通用性和成本上有所欠缺，测点离钻头也稍远，但是使用导线传输可以获得很高的数据传输速率，适合于多参数、大数据量的测量，另外使用泥浆类型不限，工作稳定可靠;此外，有线传输可以从上部的涡轮获取能量，和下部使用锂电池提供能量的近钻头短接相比，该方式可以获取更稳定和充沛的电能，工作时间也更持久。

无线短传方式按照传输介质可以分为泥浆传输、声波传输及电磁传输三类。相比有线传输方式，无线短传的优点是机械结构简单，使用成本较低，距离钻头距离更近，但是在传输速率和稳定性方面稍差。

利用泥浆脉冲的无线传输技术已较成熟，并被广泛地应用于生产现场，但是在近钻头短传中并不适合，也很少使用。因为泥浆传输速率较低，一般在10 bits/s以内;且对钻井液有依赖性，而且最主要的是其压力脉冲的产生机构的体积较大，使其在近钻头环境下几乎无法应用，目前市场上并没有使用泥浆脉冲进行短传的近钻头商业化产品。

电磁波无线短传是目前应用最普遍的一种无线短传方式。在井下无线短程通讯系统中，电磁波的传输环境与地面完全不同，井下环境复杂，电磁波在电解质中传播，比如大地、泥浆液等。因此，电磁波传输遇到了比较大的阻碍。根据电磁场理论，频率较高的电磁波在电解质中传输时会有很大的衰减。因此，在选择电磁波通讯频率时与地面有很大差异，地面通信可以选择比较高的电磁波频率，速度更快，但是若在井下通信，因为井下的电磁波传输介质主要是泥浆液，泥浆液是盐性的，电导率比较大，高频电磁波在电解质中衰减很快，达不到传输的要求，因此只能选择频率较低的电磁波。近钻头系统使用电磁波短传就是把一个类似低频天线的电磁波发射器装在近钻头短接中，近钻头模块采集到数据后，经过数据处理后，通过发射器使用电磁波为介质将数据信号发出，通过螺杆上部的电极来接收由底部短接发送的信号，并利用上部的随钻模块进一步将数据上传至地面。电磁波传输方式的优点是：传输速度较快;对钻井液的质量要求和泥浆泵的不均匀性要求低：对正常钻进没有干扰;与其它方法相比，准备工作简单，起下钻时也能传输井下资料。其缺点是：信号衰减大，只能传播低频电磁波，易受井场电气设备的干扰和岩石电阻率的影响等。

声波传输方式。声波是靠传播介质的机械振动进行传输，因此其在液体中传播速度高于气体中传播速度，在固体中传播速度高于液体中的速度，并且不受传播介质的电导率的影响，因此声波成为高电导率环境中无线通信系统的主要载体。同时在井下传输时，与其他传输形式相比，一方面声波有一个得天独厚的优势：它可以把钻具作为其传输通道，这样其就可以不受钻井液和地层岩石电阻率的制约了;另一方面，与在空气中传播相比，声波在固体中速度更快。声波的井下无线传输技术早在20世纪40年代就有人开始了该方面的研究。目前国外的投入商业应用的有威德福的4维声波系统。国内在该方面的研究起步较晚，针对钻井随钻信息的声波遥测的研究工作很少，大多以油管串作为研究对象，开展的是油井中的井下信息的数据传输的研究。1999年，青岛海洋大学与胜利石油管理局合作研制了利用声波实现油井参数无线传输的系统，实验井深可达到1 780 m。华北油田采油工艺研究院2005年研制的声传输油井测试系统，利用声波在油管中的传播传输油井参数信息，测量深度可达2 500 m。但是相比于通过油管传输钻进参数，如果要使用声波进行短传，还需要克服井底的螺杆噪声以及井底振动的影响。声波短传方式的优点是：成本较低、结构简单、传输速率快。其缺点是：在钻井时抗环境噪声的干扰能力差。

此外近年来还有使用电磁波跨钻具接头丝扣短传，然后在钻具内部使用导线传输的无线+有线的混合式短传方式。不过该方式结构复杂，成本较高，目前应用较少，如下页表1所示。

3 结语

1)和国外的同类产品相比，国产的随钻近钻头测量仪器在测量精度、稳定性方面还有待提高，另外在随钻近钻头测量前沿技术，例如近钻头成像、近钻头前探等技术方面也需要加强研发投入，以便尽快取得突破。

2)目前的各种短传方式中，泥浆无线传输由于受到接收器体积和传输速率等限制，无法应用于近钻头;声波短传方式传输速率高，但是容易受到钻进时的噪声的干扰;电磁波无线短传应用最为普遍，但是由于主要使用低频传输，传输速率受限;有线短传方式虽然结构复杂、使用成本高但是稳定性高、传输速率快，也有着一定的市场需求。

参考文献

[1] 张云.随钻测量数据的近钻头传输系统研究[D].青岛：中国石油大学(华东)，2016.

[2] 高思.近钻头测量超声波传输系统设计及实验研究[D].青岛：中国石油大学(华东)，2008.

[3] 侯胜明.近钻头测量的超声波信号编码与MWD接口研究[D].青岛：中国石油大学(华东)，2008.