近钻头地质导向钻井系统和随钻仪器

正脉冲无线随钻测量系统(CGMWD)无线接收系统(WLRS)一一-测传马达(CAIMS)CGDS -1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 (In tergrated Drilli ng Evaluati on and Logg ing，综合钻井评价禾口测井系统)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咼新技术的发 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、功能和作用以图1 CGDS- I近钻头地质导向钻井系统结构组成-6-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（02.5 ）、万向轴总成、螺杆马达（i=5/6）和旁通阀组成。钻头电阻率发射线圈/无线短传发射线圈井斜传感器读取存储信息端口 电阻率接收线圈近钻头稳定器旁通阀5LZ螺杆马达万向轴总成方位自然伽马传感器 方位电阻率传感器图2测传马达结构示意图上数据连接器稳定器电池与控制电路舱体接收系统设置端口 短传接收线圈下接头图3无线接收系统示意图电池筒短节图4正脉冲无线随钻测量系统 CGMWD结构组成定向仪短节下数据连接器无磁钻铤正脉冲发生器驱动器短节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。22 无线短传接收系统 WLRSWLRS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CGMWDCGMWD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、 泵冲传感器等卜仪器房、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图5钻井轨道设计软件界面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系统技术指标表1 CGDS-I系统总体技术指标项目指 标项目指 标外径确65 mm马达流量1678 L/s最大外径确90 mm马达压降3.2 MPa近钻头稳定器电13 mm钻头转速100 178 r/min上部稳定器血10 mm马达工作扭矩3200 Nm井眼尺寸电16244 mm(8-1/2 2-5/8 J马达最大扭矩5600 Nm造斜能力中、长半径推荐钻压80 kN传输深度4500m最大钻压160 kN最高工作温度125七马达输岀功率33.559kW脉冲发生器类型泥浆正脉冲钻头电阻率传感器位置距马达底面距离1.23 m上传传输速率5 bit/s方位电阻率传感器位置距马达底面距离1.7 m短传数据率200 bit/s方位伽马传感器位置距马达底面距离1.88 m连续工作时间200 h井斜与工具面传感器位置距马达底面距离2.02 m近钻头测量参数钻头电阻率，方位电阻率， 方位伽马，井斜角，工具面角CAIMS长度8.33 m最高耐压140 MPaWLRS长度1.94 m最大允许冲击10000 m/s2（0.2ms,1/2sin）CGMWD长度7.83 m最大允许振动150 m/s2（10J00Hz）CGDS-I总长度18.1 m表2 CGMWD测量参数与性能指标表4钻头电阻率技术指标项目方位角井斜角测量范围0-3600J80。精度井斜角姜时土 1。井斜角3时土 1.5 井斜角0时土 2。 0.15水 基 泥 浆测量范围测量精度垂直分辨率0.2、2000 Q-m 0.1m （电阻率w 2（m） 8%FS（2*m200Qm） 典型值1.8m （6ft）工具面角0-360井斜角茅时土 1.5。 井斜角3时土 2.5 井斜角0时土 3探测深度0.45m （18in）工作温度工作压力125弋140MPa温度0x1502.5 C油 基 泥 浆测量范围0.2=200恥m抗震动200m/s2 随机 5/000HZ测量精度 0.1fm （电阻率w 2（m） 7%FS （2m200Qm）抗冲击5000m/s2 （0.2ms,1/2sin）最高耐压140MPa最大工作温度125 C表5方位电阻率技术指标最大含砂量1%水 基 泥 浆测量范围0.2亠20曉m最大狗腿度10 730m（旋转），20 730m（滑动）测量精度垂直分辨率 0.1fm （电阻率w m）最大钻头压降不限 8%FS （电阻率 2m）典型值0.1m （4in）表3自然伽马测量技术指标序号项目精度探测深度0.3m （12in）1测量范围0450API工作温度125 C2精度最大值的土 3%工作压力140MPa3灵敏度不劣于4API/cps表6近钻头井斜、工具面技术指彳标4最高测量速度30m/h项目范围精度5分层能力20cm工具面角测量0亠360 0.46统计起伏（*） 3API井斜角测量0180 0.4（*）: 100API 地层，钻速为 60ft/h4. CGDS I系统的功能CGDS I近钻头地质导向钻井系统具有测量、传输和导向三大功能：1）测量 如上所述，在近钻头测传集成短节中装有电阻率传感器、自然伽马传感器和井斜传感 器，在无线短传接收系统中装有接收线圈。近钻头测传集成短节可测量钻头电阻率、方位电阻率、方位自然伽马和近钻头井斜角、工具面角，这些参数由无线短传发射线圈以电磁波方式越过导向螺 杆马达，分时传送至无线接收系统中的接收线圈。2）传输无线接收线圈接收到马达下方的信息后，由数据连接器融入位于其上方的CGMWD正脉冲随钻测量系统，CGMWD通过正脉冲发生器在钻柱内泥浆通道中产生的压力脉冲信号，把所测的近钻头信息（部分）传至地面处理系统，同时还上传CGMWD自身的测量信息，包括井斜、方位、 工具面和井下温度等参数。3）导向 地面处理系统接收和采集到井下仪器上传的泥浆压力脉冲信号后，进行滤波降噪、检测识别、解码及显示和存储等处理， 将解码后的数据送向司钻显示器供定向工程师阅读；同时由CFDS导向决策软件系统进行判断、 决策，以井下导向马达（或转盘钻具组合）作为导向执行工具， 指挥执行 工具准确钻入油气目的层或在油气储层中继续钻进。5. CGDS -1系统的作用常规LWD/MWD导向工具的地质参数或工程参数测量点通常位于钻头后方较远的位置，无法准确判断钻头在储层中的位置，很难保证钻头始终处在薄油层中钻进，如6（a）所示。地质导向是综合钻井、随钻测井、地质录井及其他各项参数，实时判断岩性（是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的上方还是下方）及油/气/水界面，及时调整控制井眼轨迹，以保证钻头在油层中穿行，具有随钻辨识 油气层、导向功能强的特点，如图6（b）所示。因此，大大提高了对地层构造、储层特性的判断和钻头在储层内轨迹的控制能力，从而提高油层钻遇率、钻井成功率和采收率，实现增储上产，节约钻 井成本，经济效益重大。具体表现在：1）由于在近钻头装配了地质参数传感器（钻头电阻率传感器距钻头底面1.5m，方位电阻率传感器距钻头底面1.97m，自然伽马传感器距钻头底面2.15m），能够及时判断钻开地层及钻头前方地层的特性，并寻找储层的位置，好像为钻头装上了“眼睛”，提高油层钻遇率。因此， CGDS-I钻井系统可解决复杂地质条件下探井、注水老油田开发水平井的信息不准，减少复杂情况和事故时效，提高钻井成功率，从总体上降低钻井成本。2）在钻头附近的地质参数传感器、工程参数（井斜和工具面）传感器（距钻头底面的距离 2.3m），以及5LZ型AKO螺杆马达（结构弯点距钻头地面的距离为3.33m）,使CGDS I系统能够随钻辨识泥岩位于井眼的上部还是下部，并及时调整钻头的姿态，保证钻头能一直在油层中穿行。因此，CGDS I系统可适用于地下油水关系复杂、薄油层、小断块油气藏的开发井以及大位移井，提高产量和采收率，把非经济储量变为经济储量，增储上产。3）CGDS I系统能够实时对井下地质、钻井数据进行监控，实时对地层进行判断，实时指导并 完成钻井导向作业。因此，CGDS I近钻头地质导向钻井系统是一项直接服务于油气地质勘探开发 的随钻技术，为油气勘探开发提供重要的技术支持。(a)图6 CGDS I系统导向功能与常规15 -22m常规MWD导向工具面临的挑战I应该向哪个方向钻进？I是否已钻达目的层？是否在目的层内钻进？ 可钻性：向上？ 继续? .T向下?常规MWD导向工具测量点 通常位于钻头之后较远的位 置，很难保证钻头始终在薄油 层中钻进。X 钻头电阻率方位电阻率，方位伽马, 井斜，工具面方位电阻率，方位伽马，井斜，工具面-钻头电阻率CGDS-1钻井系统的解决方案实时近钻头测量：电阻率，伽马，井斜，工具面 实时钻头电阻率：测量钻头前方电阻率 实时井眼上下方测量：方位伽马，方位电阻率CGDS-I钻井系统实时监测近钻头电阻率、方位电 阻率、自然伽马数据、近钻头井斜和工具面等数据， 判断钻头在油层中的位置，并随时调整钻头姿态， 始终在油层中钻进。LWE/SWi SIS具的比较廿為m防66.1CGDS I系统现场应用CGMWD新型正脉冲无线随钻测量系统打并卫冲fiS SIP 碾 曲 ST图7 CGMWD现场采集和虑波后的泥浆脉冲信号实例1系统功能实验实验时间：2003年12月9日30日实验井队：大港油田50526井队；实验井位：冀东油田LB1-19-16井；实验井段：23152993m ;实验简况：下钻 8次，入井时间363h,工作时间257h，纯 钻进时间244h,累计进尺678m ;实验结果：系统工作性能良好，达到产品级水平。实例2脉冲发生器应用正脉冲发生器 2003年2005年在油田50余口，2005年5只脉冲发生器进行了 20余口井的应用： 平均每只脉冲发生器下4 口井；平均无故障累计工作时间约为400h ;无故障最长累计工作时间约为550h以上；最大测量深度 2700m。6.2 CAIMS近钻头地质参数测量集成短节现场实验举例实验时间：2004年5月2729 日;实验井队：大港油田 50530井队；实验井位：冀东 L1-1井；实验目的：在钻井过程中实时检测钻头电阻率、侧向电阻率、方位自然伽马、近钻头处钻柱内 压力和仪器舱体温度等参数，所测量的数据均保存在存储器中、待工具取出地面后可回放至计算机 中，供进一步处理和分析。实验结果：1）取得了钻头电阻率、侧向电阻率、方位自然伽马、近钻头处钻柱内压力和仪器舱体温度5条随钻测井曲线；2）压力和舱体温度曲线性能优异；3）钻头电阻率和侧向电阻率曲线与该井的测井曲线符合程度非常高，同时表现出一些电缆测井仪器所不具备的性能。如图8所示，随钻电阻率侧向测井曲线与电缆侧向电阻率曲线峰值对应得很好，但数值略有区别，这正说明了钻井液侵入所造成的影响。图9为实验井段最后一段电阻率随钻测井曲线，从统计结果上看，随钻侧向电阻率的地层分辨率要好于电缆侧向电阻率。91图9 2480-2505m井段随钻测井及与电缆测井的比较6.3 CGDS I 系统实例1系统功能实验实验时间：2005年12月29日2006年1月9 日;实验井位： 冀东油田高3102平台高59-51井；实验井队：华北油田钻井二 公司50521队；实验井段：1542m1592m ,包含复合钻进和滑动 定向造斜井段，实钻进尺50m;工作时间：25h，钻进时间11.5h。实验结果：1）在实验的钻进过程中，近钻头地质参数（钻头电阻率、方位电阻率、方位自然伽马）和近钻头工程参数（井斜、工具面）经无 线电磁波发射方式成功短传至测传马达上部的数据接收短节，进图10测传马达在钻台上-11-一步经CGMWD上传至地面，同时上传的 实现成功的解码和正确的数据处理；MWD参数有井斜、方位、工具面和井下温度等参数，并2）随钻测量数据与实验井电缆测井数 据对比，随钻测量数据比较理想；3）测传马达的实钻造斜率 （3.46 /30m） 与设计值（3-4 /30m）非常吻合。实例2系统性能综合测试实验时间：2006年4月10日15日实验井位：冀东油田高 29-15井实验井队：中原油田钻井四公司 32612 井队实验概况：系统共下井 2次，从井深 1705m处开始钻进，至1916m处实验结束。 复合钻进稳斜井段211m，系统工作时间58h，入井工作 47h，钻进时间18.5h。实验结果：1）工程参数（井斜、方位、工具面等 ） 测量稳定、可靠，与定向服务单位的有线 随钻测量数据一致性很高；2）螺杆马达的工作性能良好，最高钻 速可达2m/min ；3）实时上传的数据所显示的可能为储 层井段，与气测结果具有油气显示的井段 吻合较好；4）回放数据曲线所反映的储层井段， 与气测结果具有油气显示的井段基本一 致；5）回放的近钻头电阻率、方位电阻率 和方位自然伽马数据曲线稳定，且有良好 的对应关系，通过与电缆测井曲线的对比（参见图11），得到以下结论：随钻方位电阻率探测深度与电缆 测井双侧向相当随钻方位电阻率分辨率与电缆测 井微球聚焦接近在砂岩层随钻方位电阻率测量值 高于双侧向，在泥岩中与双侧向 一致随钻自然伽马测量值与电缆测井 吻合实例3工业化应用试验试验时间：2006.08.12试验井位：辽河油田洼 38-东H4井 试验井队：辽河石油勘探局钻井一公司32823井队试验概况：从该井三开起始处（1389m，井斜89 ） 共完成了 7个单根的模拟钻进。试验结果：1）CGDS I近钻头地质导向钻井系统电测电阻率：随钻电阻率：电测与随钻自然伽马： 深侧向一钻头电阻率一电缆测量自然伽马 浅侧向一方位电阻率一随钻自然伽马 微球聚焦一虑波后方位电阻率 一滤波后随钻自然伽马图11随钻测量与电缆测量数据的比较首次在水平井储层井段获得应用，取得可喜成果；2) 近钻头地层参数测量能够真实地反映地层状况：近钻头方位电阻率和钻头电阻率测量稳定。 随井深的增加方位电阻率测量值缓慢增加，与 Baker-Hughes LWD 的回放数曲线基本吻合；钻头电 阻率曲线变化平稳，其变化趋势与方位电阻率变化趋势一致；近钻头自然伽马测量曲线变化比较平 稳，基本反映油层状况。3) MWD 系统工作正常，实时地将井斜、方位、工具面和井下温度等参数上传，并且与 Baker Hughes LWD 相应参数对应良好。7 应用前景和效益分析1) 由于地质导向钻井技术可根据随钻监测到的地层特性来实时调整和控制井眼轨道， 所以广泛 用于水平井 (尤其是薄油层水平井 )、大位移井、 分支井、 侧钻井和深探井，是国内十分需要的一项高 新技术；2) 国外 Schlumber 等服务公司垄断此项技术，拒不出售产品，只提供高价位技术服务， CDGS I 系统拥有自主产权，可打破国外技术垄断，彻底改变依赖国外、受制于人的局面；3) 应用 CGDS I 系统可显著提高勘探发现率、油层钻遇率和采收率，实现增储上产；随着推 广应用面扩大，由于有国产仪器的保障，可进一步扩大水平井的钻井数量，提高油气产量经济效益 愈加显著；4) 可进入国际市场，提高我国钻井技术在国际市场的竞争力；5) 可以此产品为依托建立具有我国独立知识产权的高新技术企业，形成新的经济增长点。致谢在 CGDS I 近钻头地质导向钻井系统的研制和现场应用过程中，得到了许多单位和部门有关领导、技术工程人员以及工人师傅们的大力支持和协助，在此，向以下单位和部门(按研制和应用时间为序 )表示衷心的感谢：大港油田集团中成机械制造有限公司螺杆钻具制造厂 冀东油田分公司勘探开发工程监理公司 大港油田定向井服务公司大港油田钻井三公司大港油田钻井三公司 50523 钻井队大港油田钻井三公司 50530 钻井队大港油田滩海钻井工程公司 50527 钻井队大港油田钻井三公司 50540 钻井队华北油田钻井一公司华北油田钻井一公司 40507 钻井队华北油田钻井三公司华北油田钻井三公司 50508 钻井队中原油田钻井四公司 32612 井队辽河石油勘探局过程技术研究院 辽河石油勘探局钻井一公司 辽河石油勘探局钻井一公司 32823 钻井队 辽河石油勘探局工程技术部(苏义脑 中国工程院院士，中国石油集团钻井工程技术研究院副院长，兼任中国石油 天然气集团公司钻井工程重点实验室主任、 中国石油学会工程专业委员会钻井工作部钻 井基础理论学组组长、北京振动工程学会理事长。 )