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无线随钻测量技术的应用现状与发展趋势
【摘 要】 近年来，无线随钻测量技术的应用领域不断扩大，并且随钻测量的参数不断增多，大力发展无线随钻测量技术是当前石油工程技术发展的一个主要关注方向。本文详细介绍了国内外各种无线随钻测量技术的主要进展和应用现状，指出了各类仪器的应用特点，并分析了无线随钻测量技术今后的发展趋势。
【关键词】 随钻测量 MWD 石油工程 应用现状 发展趋势

1 概述
近年来，随钻测量及其相关技术发展迅速，应用领域不断扩大，总体趋势是从有线随钻逐渐过渡到无线随钻测量，并且随钻测量的参数不断增多，大力发展无线随钻测量技术是当前石油工程技术发展的一个主要关注方向。
在新型MWD仪器方面，国外各大公司厂家近几年也推出了更具特色、能满足更高要求的仪器，如：美国NL Sperry-Sun 公司、Scientific Drilling 公司和法国Geoservice等公司为了满足欠平衡钻井施工的需要，各自开发出了电磁波无线随钻测量系统，可以加挂自然伽马测井仪器进行简单地层评价。
Sperry-Sun公司的Solar175TM高温测量系统，能在175℃的高温环境下可靠地测量定向参数和伽马值，耐温能力高达200℃，耐压能力高达22000psi。
Anadrill公司推出了具有创历史意义的新型无线随钻测量仪器PowerPulserTM。采用全新的综合设计方案，简化了维修程序，现场操作简单，可以实现平均无故障时间1000h的目标；采用连续波方式传送脉冲信号，压缩编码技术使数据传输的速度提高了近10倍。
国内多家公司及研究院所正在致力于无线随钻测量技术的研究，开发出了有限的几种无线随钻测量仪器，并投入到商业化运营，从石油工程的市场需求来看，无线随钻测量技术仍然具有较大的发展空间。
本文全面介绍了国内外无线随钻测量技术的主要进展和应用现状，并指出了各类仪器的应用特点，针对各类仪器的使用情况，提出了无线随钻测量技术的发展思路，对提高国内无线随钻测量技术水平具有重要的意义。
2 无线随钻测量仪器的基本分类
MWD 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以无线方式传输。无线MWD按传输通道分为泥浆脉冲、电磁波、声波和光纤四种方式。其中泥浆脉冲和电磁波方式已经应用到生产实践中，以泥浆脉冲式使用最为广泛。
2.1 泥浆脉冲传输方式[1]
2.1.1 连续波方式
连续波脉冲发生器的转子在泥浆的作用下产生正弦压力波，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或角位移。在地面连续地检测这些相位或频率的变化，并通过译码、计算得到测量数据，如图1所示。其优点是：数据传输速度快、精度高。
立管压力
泥浆
时间
叶片连续转动，波形连续变化

图1 连续波方式工作原理示意图

2.1.2 正脉冲方式

立管压力
时间
针阀上升，立管压力升高
针阀不动，立管压力稳定

泥
浆
泥浆
针阀不动
针阀上升

图2 泥浆正脉冲方式工作原理示意图
如图2所示，泥浆正脉冲发生器的针阀与小孔的相对位置能够改变泥浆流道在此的截面积，从而引起钻柱内部泥浆压力的升高，针阀的运动是由探管编码的测量数据通过驱动控制电路来实现。由于用电磁铁直接驱动针阀需要消耗很大的功率，通常利用泥浆的动力，采用小阀推大阀的结构。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。
2.1.3 负脉冲方式
泥浆负脉冲发生器需要安装在专用的无磁短节中使用，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驱动控制电路实现。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。
泥浆
泥浆
阀门关
阀门开
立管压力
时间
阀门关，立管压力不变
阀门开，立管压力降低

图3 泥浆负脉冲方法工作原理示意图
2.2 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，如图4所示。地面检波器在地面将检测到的电磁波中的测量信号卸载并解码、计算，得到实际的测量数据。

图4 电磁波信号传输示意图
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资料参数。
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，不适合深井施工。
2.3 声波传输
通过钻杆来传输声波或地震信号是另一种传输方法。声波遥测能显著提高数据传输率，使随钻数据传输率提高一个数量级，达到100bps。声波遥测和电磁波遥测一样，不需要通过泥浆循环，该系统利用声波传播机理来工作。当钻柱、钻头与井底相互作用时，钻柱中会出现纵向弹性波。能监测的主要参数是岩石破碎工具的回转频率，其中主要是牙轮的振动谐波。由于振动的幅值和频率与牙轮的磨损程度具有相关性，所以可据此来判断工具的状态。当钻进规程保持不变时，信号的幅值变化情况还可以反映岩石的力学性质。由于信号在钻杆柱中传播衰减很快，所以在钻杆柱内每隔 400～500m要装一个中继站。声学信息通道的缺点：传送的信息量少，井眼产生的低强度信号和由钻井设备产生的声波噪声使探测信号非常困难，信号随深度衰减很快。
2.4 光纤遥测[2]
美国圣地亚国家实验室已研制成功并试验过用于MWD的光纤遥测系统。使用的光纤电缆很细小，成本低，可短时间使用，最后在钻井泥浆中磨损掉并被冲走。在美国天然气研究所的测试中，光纤成功达到915m深度。光纤遥测技术能以大约1M bps的速率传送数据，比其它商用的随钻遥测技术快5个数量级。
3 无线随钻测量技术的主要进展和应用现状
随着定向井、水平井、分支井及大位移水平井等特殊工艺钻井技术的迅猛发展，世界各大石油公司的无线随钻测量技术日趋完善，其研制并在现场使用的仪器已经系列化并进一步推广应用，无线随钻测量技术作为特殊工艺井钻井技术及井下测量参数扩展的基础平台，逐渐发挥出其应有的力量。
（1）斯伦贝谢公司用其新的SlimPulse 回收式MWD 系统解决了深水平井作业面临的高温、高压两大难题[3]。在意大利Villafor2tuna - Trecate 油田，用SlimPulse MWD 技术钻成了世界上最深的水平井。最终井深达6421 m，井斜角89. 6°。创造了在垂深6062 m、井斜角85°～90°的条件下水平钻进184m 的世界纪录。
（2）Precision Drilling Computalog 公司的恶劣环境MWD(HEL MWD)系统[3]能在180℃,172MPa的井下环境中稳定工作。HEL包括定向探测器、高温方位伽马仪、环境恶劣度测量和井眼/环空压力探测器。HEL系统已在墨西哥和美国进行了广泛的现场试验，在泥浆密度高达1.87g/cm3，井下温度超过170 ℃的井中成功作业。
（3）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，在胜利油田辛110-斜8井对俄罗斯沙玛拉地平线公司生产ZTS-172M电磁波无线随钻测量系统[4]进行了性能测试。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。ZTS电磁波随钻测量仪器下井后，1600m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，在2250m处测试，信号不正常，现场分析可能因为为排量不足。ZTS随钻测量系统采用的涡轮发电机工作转速800～3000 r/ min，额定泵排量范围30～75L/ s，而实际泥浆泵计算排量为26.8L/s，排量达不到额定要求，涡轮发电机不能正常供电，导致无法正常工作。通过这次实验情况来看，该系统可以在较低电阻率的地层中使用，能够保证一定的传输距离。ZTS 系统具有较大发射功率并可设定较低的发射频率，在低电阻率地层中能够保证一定的传输距离，相信经过进一步改进可以在国内大部分油田使用。
（4）威德福公司开发出的电磁随钻测量系统（EM/MWD）TrendSET[5]，于2004年第一季度投入商业应用。TrendSET能满足欠平衡环境下的恶劣钻井条件要求或过平衡应用的一些基本要求。TrendSET能提供比常规MWD工具更可靠且更快的数据传输速度，数据传输速度能达到12 bps，该系统可在高阻层、无水层或盐层区域工作，地面测量系统能识别并过滤较弱信号，具有较强的深井工作能力。TrendSET的各部件经过500多小时的现场试验而无损坏，传输深度达到10800ft（3292m）。
（5）美国PathFinder能源服务公司最近研究出一种新的MWD测量方法，即采用两套加速度计-传感器组而不是采用磁通门来测量方位，利用在相隔100ft的两组加速度计之间的底部钻具组合的固有弯曲来测量方位的相对变化。并以此方法为基础，开发出一种不受磁干扰、名为Gravity的重力MWD系统[6]。该系统是一纵抗干扰测量系统，对测量时的井下移动很不敏感，允许用于陀螺测量不能正常工作的环境。该系统设计用于套管钻井、钻穿套管鞋与套管开窗、重入作业、具有强磁干扰的地热井、钻救险井、防撞情况下钻井、钻分支井以及绕障井。该系统采用了高速泥浆-脉冲遥测技术传输数据并可用于28000ft以深的井。
（6）2005年3月15日，美国科学钻井公司将一种高精度的陀螺定向系统集成到MWD中，系统摒弃电缆的设计，研制出了gMWD系统[7]，大大提高了安全性能，并在得克萨斯的一台陆地钻机上使用gMWD系统创造了第一个测量总进尺达到1000000ft的随钻陀螺测量技术纪录。
（7）北京海蓝科技发展有限公司着眼选型国外90年代的新产品，自行设计开发出的泥浆脉冲随钻测斜仪（YST-48X）系统，具有外径小，重量轻，易损件少，可打捞，价格低等优点，其测量探管采用了磁液悬浮加速度计，具有抗冲击性强，结构小巧等特点，但这种加速度计精度一般只能保证1‰左右，应用范围受到限制。经过几年的改进完善，YST-48X已经投入商业化运营，占据国内市场相当的份额。目前正在进行随钻伽马测井仪器的研制工作。
（8）1999年6月，CNPC科技发展部和中油技服总公司联合投资，组织由科研单位、生产制造厂、技术应用单位共同组成课题组，由中国石油勘探开发研究院钻井所牵头，进行攻关，研制CGDS-1(China Geosteering Drilling System-1)地质导向钻井系统。新型正脉冲无线随钻测量系统CGMWD[8]，由中国石油天然气集团公司“地质导向钻井技术研究与应用”课题组研制开发，是地质导向钻井系统CGDS-1的一个测量传输子系统，该系统于2003年10～12月在大港和冀东油田进行了现场试验，获得重大阶段性成果。

（9）目前，HALLIBURTON公司的MWD仪器主要是HDS1（High-Speed Directional Survey）系统，即新一代“探路者” MWD 系统，采用正脉冲传输方式，能适用于φ149.23mm以上的井眼施工。采用组合脉冲编码方案减少了脉冲发射数量，数据传输率达到最大化，双电池筒可使仪器工作更长的时间，最大测量深度可达到8500m。
（10）胜利定向井公司引进的SPERRY-SUN公司（现在属于HALLIBURTON公司）的DWD系统，采用正脉冲泥浆压力传输系统进行数据传输；采用涡轮发电机为井下仪器供电，使井下仪器的连续工作时间长、费用低；工作温度可达150℃，工作压力可达15000Psi。
4 发展趋势
仍然存在且对世界石油开发局势有巨大影响的主要有HALLIBURTON公司（包括NL SPERRY-SUN 公司）、SCHLUMBERGER公司（包括ANADRILL 公司）和BAKER-HUGHES INTEQ公司。在激烈的竞争中这三家公司不断开发和完善自己赖以生存的品牌，共同促进了无线随钻测量技术的繁荣和发展。从介绍的国外公司的各类仪器来看，国外已经致力于开发适应恶劣环境下（高温、高压、剧烈振动，磁干扰等）的MWD仪器，国内目前还没有此类仪器的使用报道。国内只有几家公司、科研院所正处于研究开发MWD仪器的初级阶段，与国外相比，在技术上仍然存在一定的差距。
随着钻井工程技术的日益发展，大力发展无线随钻测量技术是当前的一个主要方向。目前MWD无线随钻测量技术在解决仪器的可靠性、数据传输技术等方面，将会朝以下几个方面发展：
（1）需要开发满足不同条件的各种尺寸的MWD仪器以适应钻井工程实用井眼尺寸的客观需求；
（2）近钻头测量的设计。随钻测量越靠近钻头，测量结果越有利于轨迹测量，提高目的层中靶率；
（3）MWD仪器可靠性增强。随着巨量存储芯片和抗高温高压电子元器件的出现，将能制造出更能适应钻井环境强振动、高温和高压的MWD仪器，以适应不同钻井环境下的随钻测量施工；
（4）数据传输率进一步提高。提高数据传输率是日益增多的井下信息量的客观需求。泥浆脉冲传输、声波传输、电磁波传输、光纤传输技术的改进，还有许多技术上的难点要突破。
（5）目的层的复杂性对仪器测量精度的要求越来越高，因此只有致力于高精度测量传感器的开发应用，才能满足钻井工程的要求。
5 结论与建议
（1）国内仍须借鉴国外先进的无线随钻测量技术，走引进、消化、吸收的产业化道路，同时加大研发投入，大力发展具有自主知识产权的MWD/LWD仪器，不断缩短与国际先进水平的差距，这对于提升技术服务的整体水平和核心竞争力，满足国内技术服务市场，以致于进一步拓展国外油田技术服务市场，都具有重大战略意义。
（2）虽然无线随钻测量仪器是一系列集钻井、机械、自动控制、材料等多学科为一体的高新技术产品。研发投入大，风险也很大。但就我国目前的整体工业制造和工艺水平，完全有能力自行研究，并取得进一步的成功。
（3）要充分利用国内已有的无线随钻测量技术和仪器研发能力，求竞争也要进行合作，共同研究，共同发展，在认真总结研究过程中的经验教训的基础上，使目前的研究工作有一个较高的起点，实现跨越式发展。

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