电磁波随钻测量系统在煤层气钻井中的应用.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M MA C H I N E R Y 2 0 1 1 年 第 3 9卷增刊 ●应用技术 电磁波随钻测量系统在煤层气钻井中的应用 沈建 中 张 斌 李红伟 华 东石油局工程技 术设计研 究院 摘要 B l a c k S t a r电磁波随钻测量系统具有不 受钻井液影响、信号传输速度高 、测量 时间短等 特点。论述了电 磁波随钻测量系统在延平1 井中的应用情况。介绍了 随钻聚焦伽马在钻井中的作 用和意义。结果表明，随钻环空压力能够在钻进过程中准确测量钻具与井壁间的压力；与常规无 线随钻测量系统相比，电磁波无线随钻测量系统在煤层气等浅层水平井施工中具有较大优势。 关键词 电磁波 随钻测量煤层气 伽马 环空压力 0 引 言 当前水平井多采用脉冲随钻测量系统 ，该系统 主要通过钻杆内流动钻井液压力产生的变化实现信 号传输 ，因此对钻井液 、净化设备 、钻井泵要求较 高。在进行全测量时须停泵并静止钻具 ，易增加井 下风险⋯。电磁波无线随钻测量技术是 2 0世纪 8 0 年代进入工业化应用 的，以电磁波传输方式上传数 据，不受钻井循环介质影响，具有信号传输速率 高 、不需要循 环钻井液便可传送 数据 、测量 时间 短 、成本低等特点 。电磁波随钻测量系统包括井下 测量部分 和地面仪器 ，其 中井下测量部分将 井斜 角 、方位角 、伽马、环空压耗及井下温度等参数 由 发射部分利用低频电磁波信号传送到地面，由地面 接收装置采集数 据 ，经过放 大器分析进行数 据处 理 ，然后利用处理后的参数进行井眼轨迹控制。 随着电磁波技术和信号处理技术的进步，该技 术正逐步得到推广应用 ．2 J 。目前，华东石油局配合 中石化煤层气水平连通井先导试验项 目，首次采用 引进的 B l a c k S t a r 电磁波无线随钻测量系统在鄂尔多 斯盆地延川南煤层气区块进行第 1口煤层气水平井 应用 ，取得了良好的应用效果。现场应用表 明，该 系统能够完全满足煤层气水平井的施工需要。 1 B l a c k S t a r 电磁波无线随钻测量系 统在延平 1井的应用 B l a c k S t a r 电磁波无线随钻测量系统可测量井斜 角 、方位角 、环空压力、井下温度及地层伽马值等。 1 ． 1 延平 1井概 况 延平 1 井是部署于鄂尔多斯盆地东缘延川南 区 块东部平台区的 1口水平井 ，目的是为了增加煤层 气降压范围 ，提高单井产量 ，探索水平井在延川南 区块煤层气开发中的适用性 ，为延J i I 南区块规模建 产提供基础数据和丰富开发手段。该井主要 目的层 为二叠系山西组得 2号煤层。该煤层煤体结构复 杂 ，中部发育有夹矸 ．其 中上部以块煤为主 ，厚度 为 2 ． 4 0 m，煤层胶结程度及含气量高 ，伽 马特 征 响应明显 ，为主要开发层段 ；下部 以碎裂煤 为主， 厚度为 2 ． 2 0 m，煤 层胶结程度差 ，含气量低 ，不 具有开采价值 ；中间夹矸厚度为 0 ． 3 0 m左右。 1 ． 2 仪器的安装调试 延平 1井施工过程 中 B l a c k S t a r 电磁 波随钻 测 量系统通过在井 口至连通井方 向上选择一定距离插 入地下的专用天线 ，与井 口防喷器上的井 口接收天 线实施信号通信 。在安装井 口天线 时需 要将防 喷器表层打磨干净 ，去除锈漆。 延平 1 井三开钻具组合 1 5 2 ． 4 m m P D C钻头 1 2 0 m m强磁接头 1 2 0 I ll lT l 单弯螺杆 1 ． 2 5 。 1 2 0 m m E MWD 1 2 0 mm无磁钻铤 8 9 mm 斜坡钻杆 x 5 8 9 m l l l 加重钻杆 8 8 9 m m斜坡 钻杆 7 0 8 9 mm钻杆。 仪器组合打捞头 发射器电池 发射器 测 量探管 伽马电池 伽马探管 环空压力探管 ，如 图 1 所示 。 施工方案根据仪器操作手册 ，选择适合的位 置安装接收天线 ，合理布置信号传输线 ；对延平 1 2 0 1 1 年第3 9卷增刊 沈建中等电磁波随钻测量系统在煤层气钻井中的应用 ～ 5 5一 井井场环境进行频谱分析，选择适合的频率和波特 率 ，根据该井钻 井环境 分析 出适合 的频 率为 6 ． 0 H z 、波特率 2 ． 0 。标定聚焦伽马参数 首先根据伽 马标定毯的 A P I 数值输入设置校正比值 1 7 5 c ／ s ； 然后在 自然环境 中对伽马探管进行标定 ，设置背景 伽马数值 1 9 c ／ s ；最后利用伽马标定毯对伽马探管 进行标定，设置校正增加伽马数值 1 1 9 c ／ s ；将伽 马探管 内部测量窗 口设 置为 1 2 0 。 ；在无 磁尺寸窗 口选择外径 1 2 0 ． 0 0 m m，仪器软件自动算出正确的 伽马系数值为 4 ． 1 6 1 。仪器串组装好后运用水平尺 对其 内部进行工具面校正 ，设置校正工具面，最后 在地面多次测试整套仪器确保其工作正常。 环 空压 力 1 2 3 4 5 6 7 ． 一 埘 一 。薯 b 等 I l ， 。 图 1仪 器 组 合 图 1 一伽 马电池 ；2 --探管 ；3 、7 --连接弹簧 ；4 -- 传输器 ； 5 一绝缘带 ； 6 一传输电池 ； 8 一电池短 节_ 9 一绝缘短节 ； 1 0 一 无磁钻铤 ； 1 l 一定 向短节 。 仪器下井前地面测试正常 ，仪器在套管中受干 扰，信号变化快、不稳定，同时数据可信度为不可 信；出套管后 ， 仪器信号正常。测量数据与之前的 多点数据 、钻井液脉冲随钻测量系统数据吻合。随 着延平 1井施工时钻进水平位移的增加 ，为了确保 信号的强度，在地面接收天线处不停地加水或者盐 水，保证地层湿度，增加地层导电率。仪器信号正 常工作到 1 7 0 8 ． 0 3 m时，距联通直井还有 2 3 ． 0 0 m 左右，受到联通直井套管的影响，信号受到干扰， 电磁波随钻测量仪信号开始衰减，信号变化增速， 但是信号可信度一直维持在 1 0 0 ％。 1 ． 3 聚焦伽马的应用 延平 1井 采 用 的 电磁 波 随钻 测 量 系 统 带有 3 6 0 。 聚焦伽马以及环空压力测量。聚焦伽马电磁波 随钻测量系统 是运用伽马探管 内部 以 1 2 0 。 为测量 窗口对窗 口以内的地层进行测量的。聚焦伽马在复 合钻进时可以显示 高、低边伽马值 ，以 9 0和 2 7 0 。 为界限值 J 。在组装仪器时通过调整伽马探管高 边使其与仪器高边在一条直线上。在仪器坐键时调 整循环套，使仪器高边与螺杆法线在一条线上，也 就是使伽马高边跟螺杆法线在一条线上。当螺杆法 线处于9 0～ 2 7 0 。 以上，伽马读取的就是高边伽马， 反之为低边伽马。延平 1 井稳斜钻进至 1 1 4 0 ． 0 0 m 时，低边伽马平均数值降低速率高于高边伽马平均 数值 降低 速率 ，钻 时明显 降低 ，全烃 明显上 升至 3 ． 5 8 。此时现场地质工程师和定 向工程师确认钻至 煤层 ，当钻进至 1 1 4 4 ． 0 0 n l 时见 2号煤层 顶板 ， 钻进在煤层 中的伽马总值为 3 0～ 5 0 c ／ s 。钻进至井 深 1 4 8 4 ． 4 51 4 9 4 ． 2 1 m伽马平均总数 由3 3 c ／ s 增 加至 7 0 e ／ s ；高边伽马平均数值由3 5 c ／ s 增加至 8 5 c ／ s ；低边伽马平均数值由4 0 e ／ s 增加至6 0 c ／ s 。 说 明高边伽马平均数值增长速率高于低边伽马平均 数值增长速率。此时定向工程师需要调整工具面， 降斜确保钻头一直在煤层中穿行 。 1 ． 4 环空压力的应用 钻井 中环空压力测量是在钻具与井壁之间进行 的。在仪器下井前先载压 ，当载压 l 0 ． 3 4 MP a时设 置满压测量值；泄压后再设置正常测量值。延平 1 井水平段 1 1 4 4 ． 0 0 ～ 1 7 3 2 ． 0 0 m环空压力测量数值 基本上维持在 1 0 ． 3 4～1 1 ． 7 2 MP a之间。当钻进至 1 5 5 2 ． 2 9 m 时，环 空压力 数值 瞬间变 化为 1 8 ． 6 2 MP a ，井下憋 钻 ，活动钻具 循环 ，下放 钻具 至井 底，环空压力数值显示为 1 1 ． 5 8 M P a ，表明井下情 况正常。在钻进过程中对环空压力进行监测 ，可以 识别不正常的井下情况并及时做出补救措施。 2 应用效果 B l a c k S t a r 电磁波随钻测量仪器下井后 ，系统工 作正常，测量数据可信度高、传输速率快。测量数 据与多点及钻井液脉冲随钻测量仪数据一致，数据 精确 j 。延 平 1井 在 钻进 时 进 行 全测 量 ，通 过 C O MP A S S软件绘制了实钻轨迹 图 2 。充 分应用 聚焦伽马，当高边伽马平均数值增长速率远大于低 水 平位移／ m a．垂直投 影 b ． 轨迹 图2 延 平 1井实钻轨迹 边伽马平均数值增长速率时，说明钻头接近上顶 板，反之则接近下底板。此时定向工程师立即调整 工具面，防止钻头钻出煤层。高、低边伽马在煤层 下转第 9 l页 2 0 1 1 年 第3 9卷增刊 彭平生等大型压裂泵车底盘选型与整机设计 一 9 1一 度 ，延长泵头体 的使用寿命 。目前所采用的压裂泵 基本上都是柱塞泵 ，自吸能力 比较差 ， 1 0 1 ． 6 m m 4 i n 吸入管线最大清水供应能力 2 m ／ mi n ，考虑 管线长度以及流体粘度的影响，为保证吸人管线的 供液能力，吸入 口配置 2个 ，并配置相应的蝶 阀。 压裂泵车的动力传动系统的中心高度是指其离 底盘车副梁上平面的垂直距离 ，原则上 巾心高度越 低越好 ，其决定因素主要在于台上发动机油底壳尺 寸 、传动箱中心平面以下的结构和尺寸以及底盘的 主副梁结构 ，应防止发动机油底壳与底盘 、传动箱 与底盘干涉。通常情况下 2 0 0 0型压裂泵车 中心高 度可定为 5 5 0 1 T i m，2 5 0 0型及 以上压裂泵车 中心高 度可定 为 6 0 0 mm。 整 机布置方案设计过程 中应综合底盘 承载能 力 、设备使用维护的方便性 以及相关汽车行业标准 和 国家标准等因素 ，并兼顾外观的美观性 。设计配 套工具箱、梯子等辅助装置，安装高温、高压等安 全警示标识 ，检查车辆侧面及尾部 防护是否达到国 家标准要求 ，检查整机功能的完备性 ，同时控制整 机总体高度尺寸在 4 2 0 0 m m 以下 ，根据 载荷计算 结果进一步优化各零部件结构及布置 ，最终确定底 盘选型 ，保证桥荷不超重 ，整机载荷分布均匀。 4 结束语 底盘选型是压裂泵车整机设计重中之重 ，两者 之间相互关联 ，彼此制约 ，因此在底盘选型与压裂 泵车整机设计过程中应综合考虑各方面因素 ，做到 底盘性能满足使用要求 ，底盘配置满足整机设计要 求 ，整机设计符合底盘使用规范。 参考文献 [ 1 ] 李相彬 ．汽车列车转弯过程的分析及最小转弯半径 的确定 『 J _．汽车技术 ，1 9 8 l 1 1 1 8 2 1 ． 第一作者简介 彭平生 ，工程师，生于 1 9 7 9年 ，2 0 0 2 年毕业于重庆大学机械设计及制造专业。地址 4 3 4 0 2 4 湖 北省荆州市 。电话 0 7 1 6 8 4 2 9 4 7 8 。 收稿 日期 2 0 1 l一 0 9 2 0 本文编辑谢守平 上接 第5 5页 钻进中有着指导性作用 ，确保钻头在煤层 中穿行。 保证了延平 1 井水平段施工时钻头一直在煤层中穿 行 ，煤层穿透率为 1 0 0 ％ ，满 足了地质要求 ，为后 期与延平 1 一V井对接建立了 良好条件。环空压力 指数实时反应井下钻进情况是否安全 ，合理应用环 空压力测量 ，有助于增强井控 ，提高水平段钻井作 业的安全性及效率。 3结论与建议 1 电磁 波无线随钻测量 系统 与常规脉 冲无 线随钻测量系统相 比 ，具有不 受钻井循 环介质影 响，信号传输速率快等特点，在煤层气等浅层水平 井施工中具有较大优势 ； 2 随钻聚焦伽马在复合钻进时可 以测量高 、 低边伽马值 ，并准确辨别轨迹在 目的层 内的上下位 置 ，应用此技术在伽马值差异明显的煤层进行水平 井轨迹控制能够有效保障煤层的穿透率； 3 随钻环空 压力能够 在钻进过程 中准确测 量钻具与井壁 间的压力 ，尤其在胶结程度差 、易垮 塌煤层 中施工水平井 ，能够起到及时预防井下复杂 情况发生的作用， 具有较高的实用价值； 4 电磁波无线随钻测量技术是一项由国外 引进的新兴技术 ，建议进一步推广应用并加大 国内 的研发力度 。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 邵养涛，姚爱国，张明光 ．电磁波随钻遥测技术在 钻井中 的应 用与 发展 [ J ]．煤 田地质 与勘 探， 2 0 0 7 ，3 5 3 7 78 【 _ 熊皓，胡斌杰．随钻测量电磁传输信道研究[ J ]． 地球物理学报 ，1 9 9 7 ，4 0 3 4 3 1 4 4 1 ． 魏宝君 ，王颖 ，王甜甜 ．电磁波电阻率仪器的基 本理论及其在随钻测量中的应用 [ J ]．地球物理学 进展 ，2 0 0 9 ， 2 4 2 7 7 4 7 8 1 ． 邵养涛 ，姚爱国，张萌 ，等 ．电磁波随钻测量双 向信号传输系统 [ J ]． 煤 田地质与勘探，2 0 1 0 ，3 8 3 6 9 7 2 ． 刘修善，侯绪田，涂玉林，等 ．电磁随钻测量技术 现状及发展趋势 [ J ]．石油钻探技术，2 0 0 6 ，3 4 5 49 ． 第一作者简介沈建中，工程师，生于 1 9 7 5年，2 0 0 4 年毕业于石油大学石油工程专业 ，现从事钻井工艺技术研 究和技术管理工作。地址 2 1 0 0 3 1 江苏省南京市。电 话 0 2 5 5 8 8 6 9 0 9 7 。E～m a i l s j z 一7 5 s i n a ． e o m。 收稿 E t 期 2 0 1 1 0 9 2 9 本文编辑王刚庆