近钻头地质导向钻井系统和随钻仪器

CGDS－I近钻头地质导向钻井系统

苏义脑，盛利民，邓乐，李林，窦修荣，王家进等

(中国石油集团钻井工程技术研究院，100097)

摘要：CGDS－I是由中国石油集团钻井工程技术研究院研制的具有我国独立知识产权的近钻头地质导向钻井系统(第一代)，该系统由测传马达、无线接收系统、正脉冲无线随钻测量系统和地面信息处理与导向决策软件系统组成，具有测量、传输和导向功能。本文简要还介绍了该系统结构组成、技术指标、功能和作用以及现场应用情况。该系统具有随钻辨识油气层、导向功能强的特点，可保证钻头在油层中穿行，从而提高油层钻遇率、钻井成功率和采收率，经济效益重大。

1概述

地质导向钻井技术是当今国际钻井界的一项高新技术，

1993年Schlumberger公司(Anadrill)首先推出的以IDEAL系

统(Intergrated Drilling Evaluation and Logging，综合钻井评价

和测井系统)为代表的地质导向钻井系统被公认为最有发展

前景的21世纪的钻井高技术。地质导向能综合钻井、随钻测

井/测斜、地质录井及其他各项参数，实时判断是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的位置，并及时调整钻头在油层中穿行，可直接服务于地质勘探以提高探井发现率和成功率，也适合于复杂地层、薄油层钻进的开发井，提高油层钻遇率和采收率。

目前国外仅有Schlumberger一家公司拥有商业化的近钻头地质导向钻井技术，据了解Halliburton和Baker Hughes两公司正在进行开发此类技术，但尚未见到其商业产品。中国石油集团钻井工程技术研究院(原中国石油勘探开发研究院钻井工艺研究所)从1994年开始调研并跟踪这一高新技术的发展，做了相应的技术准备，1999年开始对这一技术进行攻关，经过6年多的研制和10余次的现场实验，研制成功了具有我国独立知识产权的第一台CGDS－I近钻头地质导向钻井系统第一代产品(China Geosteering Drilling System)。以下内容将简要介绍CGDS－I的系统组成、主要技术指标、功能和作

正脉冲无线随钻

测量系统(CGMWD)

无线接收系统

(WLRS)

测传马达(CAIMS)

地面系统(CFDS)

井

下

无

线

短

传

用以及现场应用实例。

2 CGDS －I 系统组成

CGDS －I 近钻头地质导向钻井系统的结构组成如图1所示，主要有以下部分： 1) 测传马达CAIMS (China Adjustable Instrumented Motor System)； 2) 无线接收系统WLRS (Wireless Receiver System)；

3) 正脉冲无线随钻测量系统CGMWD (China Geosteering MWD)；

4) 地面信息处理与导向决策软件系统CFDS (China Formation/Drilling Software System)。

该系统井下部分由测传马达CAIMS 、无线接收系统WLRS 和正脉冲无线随钻测量系统CGMWD(井下仪器)组成，仪器总长18.11m 。

2.1 测传马达CAIMS

测传马达的结构如图2所示，自下而上由带近钻头稳定器的传动轴总成、近钻头测传集成短节、地面可调弯壳体总成(0~2.5 )、万向轴总成、螺杆马达(i=5/6)和旁通阀组成。

近钻头测传集成短节由方位电阻率传感器、方位自然伽马传感器、井斜和工具面传感器、电磁

旁通阀

5LZ 螺杆马达

万向轴总成

地面可调弯壳体总成 电阻率发射线圈 /无线短传发射线圈 井斜传感器 读取存储信息端口

方位自然伽马传感器

方位电阻率传感器

电阻率接收线圈 近钻头稳定器

钻头

图2 测传马达结构示意图 稳定器

电池与控制电路舱体

接收系统设置端口

短传接收线圈

上数据连接器

下接头

图3 无线接收系统示意图

正脉冲发生器

驱动器短节

电池筒短节

定向仪短节

下数据连接器

无磁钻铤

图4 正脉冲无线随钻测量系统CGMWD 结构组成

波发射天线、减振装置、控制电路、电池组等组成。该短节可测量钻头电阻率、方位电阻率、方位自然伽马、井斜、温度等参数。用无线短传方式把各近钻头测量参数传至位于旁通阀上方的无线短传接收系统。

2.2 无线短传接收系统WLRS

WLRS 的结构示意图如图3所示，自下而上主要由下接头、无线接收线圈、电池与控制电路舱体、稳定器和上数据连接器等组成。下与马达连接，上与CGMWD 连接。其主要功能是接收马达下方无线短传发射线圈发送的电磁波信号，通过控制电路处理后，由上数据连接器将近钻头测量数据融入CGMWD 系统。

2.3 正脉冲无线随钻测量系统CGMWD

CGMWD 包括地面装备和井下仪器两部分，如图4所示。二者通过钻柱内泥浆通道中的压力脉冲信号进行通信，并协调工作，实现钻井过程中井下工具的状态、井下工况及有关测量参数(包括井斜、方位、工具面等定向参数，伽马、电阻率等地质参数，及钻压、扭矩等其他工程参数)的实时监测。

地面装备部分由地面传感器(压力传感器、深度传感器、泵冲传感器等)、仪器房、前端接收机及地面信号处理装置、主机及外围设备与相关软件组成，具有较强的信号处理和识别能力，传输深度可达4500m 以上。

地下仪器部分由无磁钻铤和装在无磁钻铤中的正脉冲发生器、驱动器短节、电池筒短节、定向仪短节和下数据连接器等组成。上接普通(或无磁)钻铤，下接无线短传接收系统与测传马达。

由于采用开放式总线设计，该仪器可兼容其他型号的脉冲发生器正常工作。除用于CGDS-I 近钻头地质导向钻井系统作为信息传输通道外，还可用于其他钻井作业或单独施工作业。 2.4 地面应用软件系统CFDS

CFDS 主要由数据处理分析、钻井轨道设计(图5)与导向决策等软件组成，另外还有效果评价、数据管理和图表输出等模块。应用该软件系统可对钻井过程中实时上传的近钻头电阻率、方位电阻率和方位自然伽马等地质参数进行处理和分析，从而对新钻地层性质作出解释和判断，并对待钻地层(钻头下方某一深度内)进行前导模拟；再根据实时上传的工程参数，对井眼轨道作出必要的调整设计，进行决策和随钻控制。由此可提高探井、开发井对油层的钻遇率和成功率，大幅度提高进入油层的准确性和在油层内的进尺。

3 CGDS －I 系统技术指标

图5 钻井轨道设计软件界面