上悬挂式无线随钻仪器介绍

２０１3
年１２月
技术服务公司
李海平
目录
⏹实时信号的传输方式
⏹上悬挂式无线随钻测量系统的构成
⏹工作原理、特点与技术规范
⏹无线随钻测量系统的工作环境要求
⏹上悬挂式无线随钻测量系统施工操作
⏹无线随钻测量系统现场应用与存在的问题
一.实时信号的传输方式
无线随钻测斜仪是在有线随钻测斜仪的基础上发展起来的一种新型的随钻测量仪器。

它与有线随钻测斜仪的主要区别在于井下测量数据的传输方式不同，目前，采用MWD施工主要依靠下面四种方式实现信号的传输：
l.连续波方式
连续波脉冲发生器的转子在高速泥浆流的作用下产生正弦或余弦压力波，由井下探管编码后的测量数据通过调制系统控制的定子相对于转子的角位移使这种正弦或余弦压力波在时
间上出现相位移，在地面连续地检测这些相位移的变化，并通过译码、计算得到测量数据，这种方法的优点是：数据传输速度快、精度高。

缺点是：结构复杂，数字译码能力较差。

连续波方式工作原理图
上悬挂式无线随钻测量系统介绍
2、正脉冲方式
泥浆正脉冲发生器的蘑菇头与孔板的相对位
置能够改变泥浆流道在此的截面积，从而引起钻柱内部的泥浆压力的变化，蘑菇头的运动是由探管编码的测量数据通过调制器控制电路来实现。

在地面通过连续地检测立管压力的变化，并通过译码转换成不同的测量数据。

这种方法的优点是：下井仪器结构简单、尺寸小，使用操作和维修方便，不需要专用的无磁钻铤。

缺点是：数据传输速度慢，不适合传输地质资料参数。

泥浆正脉冲方式工作原理示意图
3、负脉冲方式
泥浆负脉冲发生器需要组装在专用的无磁钻铤中使用，开启泥浆负脉冲发生器的泄流阀，可使钻柱内的泥浆经泄流阀与无磁钻铤上的泄流孔流到井眼环空，从而引起钻柱内部的泥浆压力降低，泄流阀的动作是由探管编码的测量数据通过调制器控制电路来实现。

在地面通过连续地检测立管压力的变化，并通过译码转换成不同的测量数据。

这种方法的优点是：数据传输速度较快，适合传输定向和地质资料参数。

缺点是：下井仪器的结构较复杂，组装、操作和维修不便，需要专用的无磁钻铤。

4、电磁波传输方式
电磁波信号传输主要是依靠地层介质来实现的。

井下仪器将测量的数据加载到载波信号上，测量信号随载波信号由电磁波发射器向四周发射。

检波器在地面将检测到的电磁波及测量信号卸载并解码、计算，得到实际的测量数据。

这种方法的优点是：数据传输速度较快，适合于普通泥浆、泡沫泥浆、空气钻井、激光钻井等钻井施工中传输定向和地质参数。

缺点是：地层介质对信号的影响较大，低电阻率的地层电磁波不能穿过，电磁波传输的距离也有限，不适合超深井施工。

二.上悬挂式无线随钻测量系统的
构成：
HT-MWD无线随钻测量仪器是由地面部分(地面数据处理系统、防爆箱、司钻读数器、泥浆压力传感器)、井下部分(探管、脉冲发生器总成、流筒外围件总成、无磁悬挂短节)及辅助工具、设备组成。

一）、地面部分：
1、地面数据处理系统
地面数据处理系统是HT-MWD随钻测量
仪器的地面数据处理设备，它接受来自泥浆压力传感器的测量信息，进行数据的处理和储存，并且在地面数据处理系统和司钻读数器上显示，或在打印机上打印。

测量人员可以通过观察地面数据处理系统显示的波形和数据，判断或调整地面设备、井下仪器的工作状态。

2、司钻读数器
司钻读数器主要用来在钻台上实时显示井下工具数据及测量数据。

3、防爆箱
防爆箱是HT-MWD 无线随钻测斜仪系统的保护装置，它是限制与它连接的其它设备的电压和电流，防止出现电火花，保证仪器设备在现场使用的安全。

通过防爆箱与地面数据处理系统
连接的地面仪器装置有泥浆压力传感器和司钻读数器，并为这些仪器装置提供电源。

防爆箱的输入端电缆与地面数据处理系统上的HT-MWD 接口连接，安装在仪器操作间内，并在仪器操作间外采用专用地电缆接地。

4、压力传感器
在HT-MWD无线随钻测斜仪系统的地面仪器设备中，还包括泥浆压力传感器。

泥浆压力传感器安装在钻台的立管上，检测来自井下仪器的脉冲信息，并将泥浆的压力脉冲转化成电脉
冲信息传至地面数据处理系统进行处理和显示。

泥浆压力传感器通过电缆与防爆箱相连，再由防爆箱连接到地面数据处理系统上。

二）、井下部分：
1、定向探管
其结构采用三维重力加速度计结构和三维磁力计结构，其特点主要包括以下几点：
1）.探管采用固化设计，所有的元件都被固定在电路板上，并且大都以芯片为主，从而提高了探管的抗干扰能力。

确保探管的测量精度及测量结果更加可靠。

2）.探管将电路和仪器外筒组装到一起，从而在施工时不需要另外的仪器外筒。

3）.探管的工作方式由地面软件系统写入。

用Halliburton650系统施工时，工作内容可以根据用户的需要写入。

4）.定向探管还可与地质导向工具组合施工。

5）.探管和流管之间的角差（工具面偏移量HSG）需要用圆角量规测量。

2.脉冲发生器和涡轮发电机配件
脉冲发生器是HT-MWD无线随钻测斜仪的关键部件和关键技术，为了满足不同的井眼条件和泥浆排量，其有200系统、350系统、650系统、1200系统。

脉冲发生器适用于所有系统，但各系统部分配件不同，选用不同规格的流筒总成和外围配件，组成不同的井下仪器系统。

3.钻杆滤清器
钻杆滤清器用来滤除大颗粒钻屑、手套、木块等杂物，这些物质可能随泥浆流进入脉冲发生器内，造成故障。

4.悬挂短节：
悬挂短节主要用于放置井下仪器串总成。

三）.其它设备和工具：
其它设备和工具包括各种连接电缆、操作工具、测试工具、操作间、电源等。

三、上悬挂式无线随钻测量系统的工作原理、特点与技术规范：
1、工作原理与特点：
上悬挂式正脉冲随钻测量仪器依靠泥浆流驱动流筒内的转子并通过磁耦合带动液压泵及井下涡轮发电机工作。

脉冲驱动电路控制脉冲发生器的电磁阀与提升阀的相对位置，因此其能在瞬间改变泥浆循环通道的橫截面积，相应地在钻柱内的循环压力也会瞬间升高或降低，从而获得传输井下测量参数所需的泥浆压力脉
冲信号。

地面上采用压力传感器检测来自井下仪器的泥浆脉冲信息并传输到地面数据处理系统进行处理，井下仪器所测量的井斜角、方位角和工具面等井眼轨迹参数可以显示在地面数据处理系统和司钻显示器上，也可打印出来。

该随钻测量仪器具有如下特点。

1）、采用正脉冲泥浆压力传输系统进行数据
传输，使得整个井下仪器串结构紧凑、体积小，现场检测、组装和拆卸方便，占用井口作业时间短。

采用涡轮发电机为井下仪器串供电，使井下仪器的连续工作时间长、费用低。

2）、该随钻测量系统具有短测量和全测量功能。

短测量方式的数据传输速度快，工具面刷新时间短。

全测量方式可以将探管测量的磁性和重力分量数据传输到地面数据处理系统，用
于磁性参数分析，消除来自井下钻具对测量仪器的磁性干扰，在大斜度定向井和水平井的测量作业中能及时判断测量数据的误差原因以及确定测量的精度。

3）.地面数据处理系统配有随钻监视系统，司钻可通过司钻显示器掌握井下钻具的工作状态，指导定向钻进。

2、井下工具技术规范
HT-MWD类型2003506501200
钻铤外径3-1/2″4-1/2″6-1/2″8″9-1/2″89mm121mm165mm203mm241mm
内径
2.125″ 2.815″ 2.815″3-1/4″3-1/4″5
3.96mm71.44mm71.44mm82.55mm82.55mm
一般长度17.48ft31ft6ft6ft6ft 5.33m9.449m 1.829m 1.829m 1.829m
连接扣型Special 311×310411×410631×630731×730 3-1/2″IF4-1/2″IF6-5/8″REG7-5/8″REG 上扣扭矩
Ft.1b32009900300004700083000 N.M4340134004070063700113500注意：以上扭矩允许有±10%的波动。

最大狗腿度
滑动30°/30m30°/30m21°/30m14°/30m14°/30m 30°/100ft30°/100ft21°/100ft14°/100ft14°/100ft
转动30°/30m14°/30m10°/30m8°/30m8°/30m 30°/100ft14°/100ft10°/100ft8°/100ft8°/100ft
3、井下仪器的工作条件
泥浆泵双缸或三缸泵
空气包充气量推荐充气压力为立管压力的30~40%允许的泥浆排量
200系统 5.7~12.6升/秒（90-200GPM）
350系统9.5~22.1升/秒（150-350GPM）
650系统14.2~41.06升/秒（225-650GPM）1200系统22.1~75.7升/秒（225-1500GPM）泥浆类型水基泥浆（清水或盐水）、油基泥浆泥浆密度小于2170Kg/m3(18PPG)
含沙量小于1.5%
塑性粘度小于50cp
可承受最大压力18000Psi（126MPa）
最高温度150℃
4、系统测量精度：
方位角±1.5°（Inc.＞10°,Dip＜70°）井斜角±0.1°(在0～180°范围内)
磁性工具面±2.8°
高边工具面±2.8°
测量数据修正时间 3.5min/5.5min
工具面修正时间14s/9s，
传送频率0.5Hz/0.8Hz
四.上悬挂式无线随钻测量系统的工作环境要求：一）、泥浆控制要求
使用350、650、1200系统施工时，井队、定向井工程师、测量工程师、泥浆工程师应共
同合作、监督，控制循环泥浆的性能，使其既
能保证井下安全施工要求，又能满足随钻测量
仪器的正常运行。

1、上悬挂式MWD仪器，不允许在有微珠和其它堵漏材料，包括核桃壳、纤维材料等的泥
浆条件下工作，并要严格控制泥浆的有害固相含量，含砂不超过0.5％、粘度不超过90秒。

2、对于长时间没有使用的钻杆，下井前要通径，并用大铁榔头敲击，震落里面的管垢和其它杂质，确保内壁干净后再下钻入井。

3、必须使用钻杆浮阀，防止下钻过程中泥浆倒返带入的岩屑阻碍泥浆的流通及转子的旋转。

4、使用350、650、1200系统下井施工前，如果泥浆中的杂质过多，要先循环处理泥浆，
同时在地面用钻杆滤清器和大磁铁清除泥浆中的杂质，直到泥浆符合随钻测量仪器施工要求为止。

5、使用350、650、1200系统施工过程中要在井口的钻杆内放入钻杆滤清器。

钻杆滤清器放在方钻杆下端的单根里，每次单根前取出，清洗干净后再放入下一个单根。

6、开窗井从开窗锻洗开始，都要在振动筛的泥浆出口和泥浆槽内放置专用磁铁，并要定时清洗，以清除泥浆中的铁屑及钻杆内冲蚀下来的铁垢。

二）、不适应MWD施工的环境
1、不允许在有微珠的泥浆中工作。

泥浆中含有微珠，会卡在下轴承套和定子之间，阻碍转子转动。

对于带护盖的转子，还会卡在转子护盖和流筒的间隙内，导致转子更难转动。

2、在有堵漏材料的泥浆中施工
包括中、细核桃壳、各种纤维材料、编织袋、密封材料等。

这些材料有可能发生堵死定子、卡死转子、缠死蘑菇头、阻止蘑菇头伸缩
等现象，导致测量仪器无法正常工作。

3、泥浆的固相含量高、塑性粘度高
泥浆固相含量过高，会导致大量固体物在转子的磁芯里面堆积，阻碍转子旋转。

塑性粘度过高会加快脉冲信号的衰减速度，在深井施工中难以有效传输测量数据。

打完水泥没有循环好，钻杆中有固体水泥块，泥浆中有大的橡胶块没滤掉，泥浆中有大量的固体等，都有可能发生卡死转子、卡死蘑菇头、阻止蘑菇头伸缩等现象，导致仪器不能正常工作。

4、钻杆铁锈特别多
长时间没有使用的旧钻杆，铁锈特别多，如果这些铁锈进入泥浆中，有可能发生堵死定子、卡死转子等事故。

因此，下井前要通径，并用大铁榔头敲击，震落里面的管垢和其它杂质后再入井。

5、泥浆PH值小于7
PH值小于7，泥浆呈酸性，会腐蚀井下仪器。

6、井底泥浆温度低于20℃
仪器工作温度低于20℃，脉冲发生器可能很
难进入工作状态。

特别是在新疆的冬天进行浅层测试，在很低的温度下，脉冲发生器有可能没有进入工作状态，信号检测不到，并不一定是仪器不工作。

7、在柴油油基泥浆中工作
柴油会使脉冲发生器的蘑菇头主轴胶杯软化，最终导致胶杯鼓起来，从而诱发仪器故障。

8、泥浆比重高，信号衰减幅度大，在深井中会
导致信号检测困难。

9、钻头水眼特别小
钻头水眼特别小，会导致立管压力很高，在这种情况下，如果泥浆泵上水不良，泥浆泵上水时的瞬间会产生很高的压力信号，高噪音信号往往会覆盖掉有用信号而导致地面检测不到信号。

同时，钻头水眼特别小，立管压力很高，脉冲发生器产生脉冲信号时需要的力更大，往往还会导致脉冲发生器损坏。

在超深井中施工中，如果水眼小于英制9号，往往会出现上述故障。

因此，其水眼号应大于16才能满足施工需要。

10、平底PDC钻头
平底PDC钻头，由于泥浆必须从钻头底部往外流出，加压时往往容易憋泵，导致地面检测不到信号。

1l、泥浆存在气侵
对于高压油气层，泥浆往往会受到气侵。

受到气侵的泥浆，对信号的衰减特别严重，这时需要在泥浆中加入除泡剂，充分循环泥浆，直到气侵排除。

12、严重井漏
轻微井漏时，仪器能检测到信号。

严重井漏时，仪器检测信号困难，且井下仪器不安全，因此，严重井漏时仪器不能下井。

13、井下温度高于150℃
井下温度高于150℃，脉冲发生器有可能
不工作或工作寿命将大大缩短。

14、铁矿石粉
使用铁矿石粉作为泥浆加重剂，随着泥浆密度的增大，会增加脉冲信号的衰减量，在深
井、超深井中施工会影响信号的传输，导致信号检测困难。

此外，使用铁矿石粉会加速对仪器的冲蚀，同时其磁性会影响仪器的测量精度。

在以上条件下施工时对随钻测量仪器极为不利，会导致井下仪器不能正常工作，应尽量避免。

三）、对HT-MWD施工不利的操作方法：
1、下钻过程中不按规定灌泥浆
下钻过程中，如果不按规定灌泥浆，会使蘑菇头处的橡胶杯因承受太大的压差而破裂。

使用单向阀施工，下钻过程中，仍需要灌泥浆。

2、不放钻杆滤清器
不放钻杆滤清器，会导致较大的固体物或编织物进入并下钻具，最终导致堵死定子、卡死转子、缠死蘑菇头、阻止蘑菇头伸缩等现象，导致仪器不能正常工作。

3、多次快速开泵
多次快速开泵，使定子支承管多次受到大冲量的冲击，容易导致定子支承管定位螺钉剪断。

4、锻铣不清除泥浆中的铁屑
铁屑进入井下钻具，堵死定子、转子，阻碍转子转动，磨损脉冲发生器本体，对井下马达也不利。

5、突然的钻压变化
钻进过程中，突然的钻压变化，会诱发脉冲信号波形突变，脉冲信号丢失。

6、正常钻进时大幅度调整泥浆性能
正常施工时，如果在泥浆中添加药品或改变泥浆性能，信号会受到干扰。

循环一段时间
后，信号会自动恢复正常。

7、钻进过程中交叉换泵
正常施工时，若交叉换泵(开双泵)，信号会受到干扰。

应尽量避免交叉换泵。

8、不使用钻杆回压凡尔
下钻过程中泥浆倒返，有可能带岩屑进入脉冲发生器总成，阻碍泥浆的流通及转子的转动，或死转子。

9、快速开泵、停泵
容易改变井下仪器的数据传输率，定子支承管定位螺丝也容易剪断。

10、跳钻、鳖钻、溜钻
容易导致井下仪器损坏、脉冲信号紊乱及井下安全故障。

五、上悬挂式无线随钻测量系统施工操作：一）、施工前的准备：
1、仪器、配件及工具的配备和检查：
对照HT－MWD系统清单，根据HT－MWD 上井施工需要配备、检查所有的仪器、配件和工具。

所有仪器、配件、工具数量齐全，性能应处于最佳工作状态。

2、井下钻具的准备：
根据现场施工的需要，落实、准备好HT－MWD施工所用的钻具。

所有钻具必须符合下
井施工的要求，且必须在正式施工前运到井场。

钻具应包括无磁钻具、悬挂短节、配合转换接头及钻杆回压凡尔、钻杆滤清器等内容。

3、仪器测试：
施工前，必须对下井施工的仪器和地面设备进行测试，确保各仪器工作正常，各性能参数符合要求。

仪器测试主要包括以下部分：
⑴脉冲发生器：
电路有故障的脉冲发生器很可能损坏与之连接的探管驱动电路，因而下井施工的脉冲发
生器要进行绝缘性测试及蘑菇头伸缩测试。

①.绝缘性测试：
测试脉冲发生器的绝缘性，对照脉冲发生器测试表，记录并检查各电阻值读数，读数必须在要求的范围内。

如果有读数超出要求的范围，说明脉冲发生器绝缘性测试不合格，不能用于下井施工。

②.蘑菇头伸缩测试：
进行磨菇头伸缩测试，要求脉冲发生器测试工具测试杆伸出至第一道线后，转动转子，测试杆能伸出至第三道线，断电时测试杆立即从第三道线缩回至第一道线。

测试完毕，根据脉冲发生器测试表的要求填写测试报告。

测试合格的可以用于井下施工；测试不合格的应把不合格的脉冲发生器和测试报告一起立即送修。

③.脉冲发生器密封测试：
测试脉冲发生器密封性，要求用脉冲发生器测试工具将测试杆伸出至第一道线后，转动转子至测试杆伸出至第三道线，在不断电的情况下，2分钟内第三道线基本不动或往回收缩不多（半格以内）。

否则说明脉冲发生器密封性能不好。

⑵.地面仪器测试：
①.装地面仪器：
在仪器房内安装计算机、HT－MWD接口箱等地面仪器，在钻台上安装司钻读数器、压力传感器和传感器电缆。

②.测试地面仪器
对地面系统、接口箱、司钻读数器的工作情况进行测试。

要求地面系统工作正常。

测试不合格的应把不合格的仪器和测试报告一起立即送修。

⑶.井下仪器测试
井下仪器测试包括探管测试、中间连接模块测试、电池筒测试及软件设置等。

①.探管测试
探管测试用来检查探管是否能够正常工作。

用测试盒及专用电缆连接探管于接口箱和计算机串口，选择探管传感器模块中的“读传感器”按钮进行测试，检查X、Y、Z轴重力和磁力，以及总重力、总磁力、井斜、方位、工具面的准确性。

井斜、方位、工具面应与实际吻合，
总重力误差小于5‰。

测试不合格的探管不能
下井，应立即送修。

在探管测量模块中还要进行工作模式、脉冲宽度的设置。

②.定现场所需数据：
建立施工井的作业信息，包括井号、队号、井场位置，以及建立时间等；确定施工井地理位置的磁场参数，包括：磁偏角、磁倾角、地球磁场强度等。

井眼尺寸、井深、井温、钻井参数、水力参数；钻具组合，包括钻杆尺寸、。