ZTS电磁波随钻测量系统及其现场试验
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EM - MWD 可以在钻进 、循环及起下钻过程中 随时接收数据 ,不必停钻进行测量 ;常规的钻井液脉 冲随钻测量工具的数据传输速率在 8 位/ 秒左右 ,而 电磁随传输可以达到 100 位/ 秒以上 。所以 ,电磁波 随钻测量系统可以大大提高传输数据量和速度 ,为 精确控制井眼轨迹创造条件 。 3. 可以实现地面与井下的双向通讯
其中 ,电缆随钻系统传输速度快 ,很容易实现地 表和井下的双向通讯 。缺点是在旋转钻井时比较麻 烦 :如果使用高压循环头 ,接单根时耗时较长 ,容易 引起卡钻 ;而如果用旁通接头 ,井斜大或井眼较深时 电缆容易受损 。水力脉冲 MWD 是目前国内用得比 较多的随钻测量方式 ,传输信息借助于钻井液压力 的正脉冲 、负脉冲或连续压力波 。该方式在钻井实 践中的不足之处是对钻井液的含砂量和含气量有严 格的要求 。在充气钻井 、泡沫钻井和空气钻井时 ,水 力通道难以解决井下信息的有效传输问题[2] 。
虽然电磁随钻测量工具具有适用钻井液类型广 泛 、数据传输速率快等优点 ,但由于电磁波要经过地 层进行传输 ,受地层电阻率的影响很大 。通常情况 下 ,地层电阻率越小 ,信号的衰减就越严重 ,当达到 一定深度时 ,在地面将难以检测到有效的电磁波信 号 。接收天线通过地面电极间的电场检进行检测 , 而接收到的信号一般只有几十微伏 。为解决这一问 题 ,采用的技术措施有 :提高发射功率 、降低载波频 率 、利用高效检波降噪技术和使用扩展天线 。本次 试验的 ZTS 系列电磁波随钻测量仪器由俄罗斯沙玛 拉地平线公司生产制造 ,是前独联体国家主要的随 钻测量方式 。
用于现场试验的 ZTS - 172M 电磁波随钻测量 系统利用涡轮电机供电 ,可以连续监测井底井斜角 、 方位角和工具面装置角 、地层电阻率以及发电机转 子转 速 和 井 底 温 度 等 参 数 。测 量 仪 器 外 径 : 172 mm ,总长度 (含无磁钻铤) :5 100 mm ,井斜角精度 : ±0. 1°,方位角和工具面向角精度 : ±1°,最大工作 温度 :120 ℃,抗拉载荷 :100 t ,抗压载荷 :50 t ,循环排
· 2 7 ·
场分析可能为排量不足 。原因如下 : ZTS 随钻测量 系统涡轮发电机工作转速 800～3 000 r/ min ,额定泵 排量范围 30～75 L/ min ;实际泥浆泵计算排量为 26.
8 L/ min ;由于缸套刺漏 ,泵效进一步降低 ,排量达不 到额定要求 ,涡轮发电机不能正常供电 。
15818 水力脉冲 MWD + 15818 钻铤 + 127 钻杆 。 2. 现场试验过程
下钻过程中 ,分别在井深 250 m、1 200 m、1 600 m 等处开泵测试 (系统发射频率 10Hz) ,信号传输正 常 ,每分钟显示一组数据 ,测试结果与定向井公司泥 浆脉冲 MWD 系统数据基本吻合 ,地面接收信号解 码如表 1 。
四 、辛 110 - 斜 8 井现场试验情况
1. 试验井基础数据 辛 110 - 斜 8 井位于胜利油田东营凹陷中央断
裂背斜带 ,地层电阻率 2～4Ω. m。该井为老油区加 密 生 产 井 , 一 开 44415 井 眼 钻 进 至 203 m , 下
33917 技术套管 ;二开 21519 钻头钻至完钻井深 , 13917 油层套管下深 2 817 m。该井于 1 900 m 处 定向造斜井眼为直 —增 —稳型剖面 。
二 、EM - MWD 系统的技术特点
1. 不受可压缩钻井液介质的影响 在地层压力比较低或者存在漏失的情况下 ,进
行欠平衡井钻井是最佳选择 。通常靠加入气体来减 轻钻井液的密度 ,井眼环空液柱的不连续和多相介 质会抑制泥浆脉冲的传递 ,导致无法在地面进行可 靠解码 。EM - MWD 不受可压缩钻井流体介质的影 响 ,适合在欠平衡井 、充气钻井和环空压耗比较大的 水平井中使用[3、4 ] 。 2. 井下信息传输速度快
定向造斜后起钻对 ZTS 系统进行地面检查 ,用 可调速手电钻测试 。模拟转速为 800 r/ min 时 ,仪器 信号正常 ;转速小于 600 r/ min 时 ,电磁波发射器信 号异常 ,但可以直接读取测量探管数据 ,表明之前判 断正确 。
在井深 2 250 m 处测试 ,地面接收信号异常 ,从 地面发送指令将井下 ZTS 系统的电磁波发射频率设 置为 5Hz ,仍然无法得到可靠数据 。 3. 试验结果分析
ZTS 电磁波随钻测量仪器下井后 ,1 600 m 之前 测试表明系统工作正常 ,在较低的电阻率地层中有 效发送和接收数据 ,测量数据可信度高 、重复性强 、 传输速率快 ,得到的井眼几何空间参数与水力脉冲 式 MWD 数据一致 。2 250 m 处测试 ,信号不正常 ,现
收稿日期 : 2004 - 10 - 28 ; 修回日期 : 2005 - 04 - 02 作者简介 : 张进双 (1973 - ) ,2003 年毕业于石油大学 (北京) 石油工程系 ,目前从事中石化西部新区钻井技术跟踪与项目研究 。地址 : (830011) 新疆乌鲁木齐高新技术开发区钻石城 11 号银通大厦二楼中石化西部分院 ,电话 :0991 - 3673081 ,13999105017 , E - Mail :zhjinsh @263. net ,zhangjs @pepris. com
三 、ZTS 系统结构及其工作原理
经中国石化集团总公司科技部安排 ,对俄罗斯 “沙玛拉地平线”科技生产股份公司研制的 ZTS 系列 电磁波随钻测量系统进行了现场试验测试 。该系统 包括 :井下测量仪器 、电磁发送设备以及由信号接收 装置 、计算机 、打印机等组成的地面解码显示部分 , 采用钻柱/ 大地电磁波传输方案 。其中 ,测量仪器构 成井下钻具组合的一部分 ,地面装置用来实时接收 、 分离 、转换和记录有用信号 。
© 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 28 卷 Vol . 28
第 No
3期Leabharlann Baidu
.3
钻 采 工 艺
DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY
仪器供电可以通过电池组 ,也可以利用涡轮发 电机提供电能 ,井内仪器电子模块供电电压 12V ,电 磁波发射器供电电压 36V 。来自测量传感器数据编 码后 ,通过电磁波经由地层发送到地面 。井下测量 仪器由高强度绝缘短节分隔为两部分 ,地面信号接 收的一个电极是与钻杆柱 (也可以是与之相连的井 架基座) ,另一个是距离钻机一定距离 (30～50 m) 的 接收天线 。
因为是该电磁波随钻测量系统的首次现场应 用 ,为不影响钻井作业 ,将水力脉冲 MWD 和电磁波 MWD 两套仪器串接下井 。ZTS 无线电磁波随钻测 量系统已经进行过整体消磁处理 ,所以在钻具组合 中没 有 再 接 无 磁 钻 铤 。井 下 钻 具 组 合 为 : 21519 PDC 钻头 + 115°单弯动力钻具 + 配合接头 + 172 ZTS 无 线 电 磁 波 MWD + 配 合 接 头 + 定 向 接 头 +
随着油气田生产开发的需要 ,欠平衡井开始大 量应用 。但在可压缩钻井介质中 ,钻井液脉冲信号 无法正常接收井下随钻测量信息 ,限制了欠平衡钻 井技术的发展应用 。电磁波通道对钻井液性能和泵 排量稳定性要求低 ,发送信息的可能性和可靠性与 钻井液的非均质性无关 。主要缺点是钻井设备的电 气干扰和低电阻率地层的信号衰减对电磁波传输的 质量有负面影响 。
摘 要 : 俄罗斯定向钻井主要采用的是电磁波随钻测量方式 ,相关研究较早 ,技术也比较成熟 。经中国石化 集团总公司科技部安排 ,在胜利油田对俄罗斯 ZTS - 172M 电磁波无线随钻测量系统进行了性能测试 。通过现场应 用 ,对俄制电磁波随钻测量仪器的基本结构 、工作原理 、系统优点以及待改进问题等有了基本了解 。并对俄罗斯 EM - MWD 电磁波无线随钻测量系统进行基本介绍和现场试验情况总结 。
ZTS 系统可以分别在 10Hz 、5Hz 、2. 5Hz 和1. 25 Hz 的发射频率下工作 ,频率越低 ,通过地层的信号 衰减越小 ,传输距离相应也就越深 ,但传输速率要慢 些 。在井下随钻测量仪器的发射系统工作时 ,钻柱 和接收天线之间的地层中有电流通过 ,地面接收到 的信号是两者之间的电位差 。被接收装置接收到的 微弱电压信号经降噪 、解码后输送到计算机 ,在屏幕 显示的同时可以存储 、打印 。
测量 时间
19∶51 19∶52 21∶40 21∶41 22∶10 23∶50
井斜 角
方位 角
9 1. 6 9 0 0
9 2. 7 9 0 9
7 2. 0 8 0 7
8 2. 0 8 0 8
8 1. 1 8 0 7
3 7. 5 4 54 3
表 1 辛 110 - 斜 8 井 ZTS 系统测试结果
© 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
· 2 6 · D R IL L I钻NG & PR OD采UC TIO N T工ECH NO LO G艺Y 2 0M05ay年,20505月
关键词 : 石油 ; 钻井工程 ; 电磁波随钻测量 中图分类号 : TE 24915 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 768X(2005) 03 - 0025 - 03
一 、随钻测量技术介绍
为实时 、连续 、准确地监测和控制井眼轨迹 ,井 下随钻测量仪器必不可少 ,其性能特点取决于信息 通道的选择 。目前 ,井下信息向地面传输的主要方 式有 :电缆 、水力脉冲 、电磁波 、声波等几种 。声学通 道传输干扰大 、随井深衰减很快 、携带信息量小 ,通 常采用前三种方法[1] 。
测量 井深 250 250 1200 1200 1600 2250
垂直 采集信 涡轮发电机 深度 号幅值 工作状态
237. 67 45
n800
237. 67 45
1187. 7 69
n600
1187. 7 69
1589 54
n800
2239 21
St2
注 :F1 、F2 、F3 、F4 为重复测量的工具面角 ;空格为相应接收数据的可信程度 。
量 :30～75 L/ s ,含砂要求 : ≤3 % ,连续工作时间 :100 h ,最小井眼通过半径 : 50 m , 涡轮电机发电功率 : 350W ,丝扣符合 API 标准 。基本结构如图 1 。
图 1 ZTS - 172M 电磁波随钻测量系统结构图
整套仪器包括涡轮发电机 、整流稳压电路分 、蓄 电池组 (停泵情况下短时供电) 、发送器 、绝缘短节 、 井内单片机 、重力加速度传感器 、温度传感器 、工具 面向角传感器 、磁通门传感器 、信号输出接口等 。
对钻井液脉冲 MWD ,所有操作参数都要预先在 地面设定好 ,工具一旦入井这些参数就不能再改变 。 虽然已开始进行常规泥浆脉冲 MWD 工具双向通讯 能力的研究 ,但到目前还没有商业化的产品 。EM MWD 可以比较容易地实现地面与井下的双向通讯 , 实现对井下仪器的直接控制 ,大大提高井眼轨迹控 制精度 ,节约钻井时间 。 4. 地层中的信号衰减
相对
F1
F2
F3
F4
电阻率
221 9 209 9 23 9 209 9
209 9 211 9 209 9 209 9 86 9
163 8 163 8 163 7 163 8
163 9 163 9 163 9 163 7 66 7
274 8 274 7 272 7 272 6
146 4 144 3 240 3 150 3 108 3
第 28 卷 Vol . 28
第 No
3期
.3
钻 采 工 艺
DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY
· 2 5 ·
钻井工艺
ZTS 电磁波随钻测量系统及其现场试验
张进双 ,赵小祥 ,刘修善
(中国石化石油勘探开发研究院西部分院)
其中 ,电缆随钻系统传输速度快 ,很容易实现地 表和井下的双向通讯 。缺点是在旋转钻井时比较麻 烦 :如果使用高压循环头 ,接单根时耗时较长 ,容易 引起卡钻 ;而如果用旁通接头 ,井斜大或井眼较深时 电缆容易受损 。水力脉冲 MWD 是目前国内用得比 较多的随钻测量方式 ,传输信息借助于钻井液压力 的正脉冲 、负脉冲或连续压力波 。该方式在钻井实 践中的不足之处是对钻井液的含砂量和含气量有严 格的要求 。在充气钻井 、泡沫钻井和空气钻井时 ,水 力通道难以解决井下信息的有效传输问题[2] 。
虽然电磁随钻测量工具具有适用钻井液类型广 泛 、数据传输速率快等优点 ,但由于电磁波要经过地 层进行传输 ,受地层电阻率的影响很大 。通常情况 下 ,地层电阻率越小 ,信号的衰减就越严重 ,当达到 一定深度时 ,在地面将难以检测到有效的电磁波信 号 。接收天线通过地面电极间的电场检进行检测 , 而接收到的信号一般只有几十微伏 。为解决这一问 题 ,采用的技术措施有 :提高发射功率 、降低载波频 率 、利用高效检波降噪技术和使用扩展天线 。本次 试验的 ZTS 系列电磁波随钻测量仪器由俄罗斯沙玛 拉地平线公司生产制造 ,是前独联体国家主要的随 钻测量方式 。
用于现场试验的 ZTS - 172M 电磁波随钻测量 系统利用涡轮电机供电 ,可以连续监测井底井斜角 、 方位角和工具面装置角 、地层电阻率以及发电机转 子转 速 和 井 底 温 度 等 参 数 。测 量 仪 器 外 径 : 172 mm ,总长度 (含无磁钻铤) :5 100 mm ,井斜角精度 : ±0. 1°,方位角和工具面向角精度 : ±1°,最大工作 温度 :120 ℃,抗拉载荷 :100 t ,抗压载荷 :50 t ,循环排
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场分析可能为排量不足 。原因如下 : ZTS 随钻测量 系统涡轮发电机工作转速 800～3 000 r/ min ,额定泵 排量范围 30～75 L/ min ;实际泥浆泵计算排量为 26.
8 L/ min ;由于缸套刺漏 ,泵效进一步降低 ,排量达不 到额定要求 ,涡轮发电机不能正常供电 。
15818 水力脉冲 MWD + 15818 钻铤 + 127 钻杆 。 2. 现场试验过程
下钻过程中 ,分别在井深 250 m、1 200 m、1 600 m 等处开泵测试 (系统发射频率 10Hz) ,信号传输正 常 ,每分钟显示一组数据 ,测试结果与定向井公司泥 浆脉冲 MWD 系统数据基本吻合 ,地面接收信号解 码如表 1 。
四 、辛 110 - 斜 8 井现场试验情况
1. 试验井基础数据 辛 110 - 斜 8 井位于胜利油田东营凹陷中央断
裂背斜带 ,地层电阻率 2～4Ω. m。该井为老油区加 密 生 产 井 , 一 开 44415 井 眼 钻 进 至 203 m , 下
33917 技术套管 ;二开 21519 钻头钻至完钻井深 , 13917 油层套管下深 2 817 m。该井于 1 900 m 处 定向造斜井眼为直 —增 —稳型剖面 。
二 、EM - MWD 系统的技术特点
1. 不受可压缩钻井液介质的影响 在地层压力比较低或者存在漏失的情况下 ,进
行欠平衡井钻井是最佳选择 。通常靠加入气体来减 轻钻井液的密度 ,井眼环空液柱的不连续和多相介 质会抑制泥浆脉冲的传递 ,导致无法在地面进行可 靠解码 。EM - MWD 不受可压缩钻井流体介质的影 响 ,适合在欠平衡井 、充气钻井和环空压耗比较大的 水平井中使用[3、4 ] 。 2. 井下信息传输速度快
定向造斜后起钻对 ZTS 系统进行地面检查 ,用 可调速手电钻测试 。模拟转速为 800 r/ min 时 ,仪器 信号正常 ;转速小于 600 r/ min 时 ,电磁波发射器信 号异常 ,但可以直接读取测量探管数据 ,表明之前判 断正确 。
在井深 2 250 m 处测试 ,地面接收信号异常 ,从 地面发送指令将井下 ZTS 系统的电磁波发射频率设 置为 5Hz ,仍然无法得到可靠数据 。 3. 试验结果分析
ZTS 电磁波随钻测量仪器下井后 ,1 600 m 之前 测试表明系统工作正常 ,在较低的电阻率地层中有 效发送和接收数据 ,测量数据可信度高 、重复性强 、 传输速率快 ,得到的井眼几何空间参数与水力脉冲 式 MWD 数据一致 。2 250 m 处测试 ,信号不正常 ,现
收稿日期 : 2004 - 10 - 28 ; 修回日期 : 2005 - 04 - 02 作者简介 : 张进双 (1973 - ) ,2003 年毕业于石油大学 (北京) 石油工程系 ,目前从事中石化西部新区钻井技术跟踪与项目研究 。地址 : (830011) 新疆乌鲁木齐高新技术开发区钻石城 11 号银通大厦二楼中石化西部分院 ,电话 :0991 - 3673081 ,13999105017 , E - Mail :zhjinsh @263. net ,zhangjs @pepris. com
三 、ZTS 系统结构及其工作原理
经中国石化集团总公司科技部安排 ,对俄罗斯 “沙玛拉地平线”科技生产股份公司研制的 ZTS 系列 电磁波随钻测量系统进行了现场试验测试 。该系统 包括 :井下测量仪器 、电磁发送设备以及由信号接收 装置 、计算机 、打印机等组成的地面解码显示部分 , 采用钻柱/ 大地电磁波传输方案 。其中 ,测量仪器构 成井下钻具组合的一部分 ,地面装置用来实时接收 、 分离 、转换和记录有用信号 。
© 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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钻 采 工 艺
DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY
仪器供电可以通过电池组 ,也可以利用涡轮发 电机提供电能 ,井内仪器电子模块供电电压 12V ,电 磁波发射器供电电压 36V 。来自测量传感器数据编 码后 ,通过电磁波经由地层发送到地面 。井下测量 仪器由高强度绝缘短节分隔为两部分 ,地面信号接 收的一个电极是与钻杆柱 (也可以是与之相连的井 架基座) ,另一个是距离钻机一定距离 (30～50 m) 的 接收天线 。
因为是该电磁波随钻测量系统的首次现场应 用 ,为不影响钻井作业 ,将水力脉冲 MWD 和电磁波 MWD 两套仪器串接下井 。ZTS 无线电磁波随钻测 量系统已经进行过整体消磁处理 ,所以在钻具组合 中没 有 再 接 无 磁 钻 铤 。井 下 钻 具 组 合 为 : 21519 PDC 钻头 + 115°单弯动力钻具 + 配合接头 + 172 ZTS 无 线 电 磁 波 MWD + 配 合 接 头 + 定 向 接 头 +
随着油气田生产开发的需要 ,欠平衡井开始大 量应用 。但在可压缩钻井介质中 ,钻井液脉冲信号 无法正常接收井下随钻测量信息 ,限制了欠平衡钻 井技术的发展应用 。电磁波通道对钻井液性能和泵 排量稳定性要求低 ,发送信息的可能性和可靠性与 钻井液的非均质性无关 。主要缺点是钻井设备的电 气干扰和低电阻率地层的信号衰减对电磁波传输的 质量有负面影响 。
摘 要 : 俄罗斯定向钻井主要采用的是电磁波随钻测量方式 ,相关研究较早 ,技术也比较成熟 。经中国石化 集团总公司科技部安排 ,在胜利油田对俄罗斯 ZTS - 172M 电磁波无线随钻测量系统进行了性能测试 。通过现场应 用 ,对俄制电磁波随钻测量仪器的基本结构 、工作原理 、系统优点以及待改进问题等有了基本了解 。并对俄罗斯 EM - MWD 电磁波无线随钻测量系统进行基本介绍和现场试验情况总结 。
ZTS 系统可以分别在 10Hz 、5Hz 、2. 5Hz 和1. 25 Hz 的发射频率下工作 ,频率越低 ,通过地层的信号 衰减越小 ,传输距离相应也就越深 ,但传输速率要慢 些 。在井下随钻测量仪器的发射系统工作时 ,钻柱 和接收天线之间的地层中有电流通过 ,地面接收到 的信号是两者之间的电位差 。被接收装置接收到的 微弱电压信号经降噪 、解码后输送到计算机 ,在屏幕 显示的同时可以存储 、打印 。
测量 时间
19∶51 19∶52 21∶40 21∶41 22∶10 23∶50
井斜 角
方位 角
9 1. 6 9 0 0
9 2. 7 9 0 9
7 2. 0 8 0 7
8 2. 0 8 0 8
8 1. 1 8 0 7
3 7. 5 4 54 3
表 1 辛 110 - 斜 8 井 ZTS 系统测试结果
© 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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关键词 : 石油 ; 钻井工程 ; 电磁波随钻测量 中图分类号 : TE 24915 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 768X(2005) 03 - 0025 - 03
一 、随钻测量技术介绍
为实时 、连续 、准确地监测和控制井眼轨迹 ,井 下随钻测量仪器必不可少 ,其性能特点取决于信息 通道的选择 。目前 ,井下信息向地面传输的主要方 式有 :电缆 、水力脉冲 、电磁波 、声波等几种 。声学通 道传输干扰大 、随井深衰减很快 、携带信息量小 ,通 常采用前三种方法[1] 。
测量 井深 250 250 1200 1200 1600 2250
垂直 采集信 涡轮发电机 深度 号幅值 工作状态
237. 67 45
n800
237. 67 45
1187. 7 69
n600
1187. 7 69
1589 54
n800
2239 21
St2
注 :F1 、F2 、F3 、F4 为重复测量的工具面角 ;空格为相应接收数据的可信程度 。
量 :30～75 L/ s ,含砂要求 : ≤3 % ,连续工作时间 :100 h ,最小井眼通过半径 : 50 m , 涡轮电机发电功率 : 350W ,丝扣符合 API 标准 。基本结构如图 1 。
图 1 ZTS - 172M 电磁波随钻测量系统结构图
整套仪器包括涡轮发电机 、整流稳压电路分 、蓄 电池组 (停泵情况下短时供电) 、发送器 、绝缘短节 、 井内单片机 、重力加速度传感器 、温度传感器 、工具 面向角传感器 、磁通门传感器 、信号输出接口等 。
对钻井液脉冲 MWD ,所有操作参数都要预先在 地面设定好 ,工具一旦入井这些参数就不能再改变 。 虽然已开始进行常规泥浆脉冲 MWD 工具双向通讯 能力的研究 ,但到目前还没有商业化的产品 。EM MWD 可以比较容易地实现地面与井下的双向通讯 , 实现对井下仪器的直接控制 ,大大提高井眼轨迹控 制精度 ,节约钻井时间 。 4. 地层中的信号衰减
相对
F1
F2
F3
F4
电阻率
221 9 209 9 23 9 209 9
209 9 211 9 209 9 209 9 86 9
163 8 163 8 163 7 163 8
163 9 163 9 163 9 163 7 66 7
274 8 274 7 272 7 272 6
146 4 144 3 240 3 150 3 108 3
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DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY
· 2 5 ·
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张进双 ,赵小祥 ,刘修善
(中国石化石油勘探开发研究院西部分院)