无线随钻原理说明

WMD产品介绍

一，概述

在地质钻探、石油钻井中，特别是受控定向斜井和大位移水平井中，随钻测量系统是连续监测钻井轨迹、及时纠偏必不可少的工具。MWD无线随钻测斜仪是一种正脉冲的测斜仪，利用泥浆压力变化将测量参数传输到地面，不需要电缆连接，无需缆车等专用设备，具有活动部件少，使用方便，维修简单等优点。井下部分是模块状组成并具有柔性，可以满足短半径造斜需要，其外径为48毫米，适用于各种尺寸的井眼，而且整套井下仪器可以打捞。

MWD无线随钻系统创造了多项钻井指标，钻井提速效果明显。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。

图1 连续波方式工作原理示意图

2.1.2 正脉冲方式

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立管压力 泥浆 时间 叶片连续转动，波形连续变化 泥 浆 浆

针阀不动 针阀上升

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。

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。

泥浆 泥浆 阀门关 阀门开

时间

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。

以长庆油田为例，在使用MWD无线随钻仪实施钻井服务的410口井次中，与未使用MWD无线随钻仪的完成井相比，在平均每口井井深增加202.84米的情况下，使用MWD无线随钻仪使钻井周期缩短了0.99天。其中在西峰区块，在平均井深无增加的情况下，钻井周期缩短了2.74天。效果最为明显的是在杏25－103井使用该仪器，创造了长庆油田最短钻井周期2.2天的纪录。

ZW-MWD1型无线随钻测斜仪是本公司新开发的产品，研制中，我们借鉴了国内外同类产品的优点并在现有仪器的基础上进行了改进，使得仪器性能得到了更进一步的提高。

●仪器可靠性高，操作简单，维修方便。

●整套井下仪器可打捞，避免了因卡钻所造成的仪器落井损失。

●仪器能耗低，电池寿命长。

●软件操作简单，数据显示直观，具有显示、储存和打印功能。适应现场

工作的需要。

一、M WD组成及工作原理

MWD无线随钻由地面仪器和井下部分组成。

（一）、井下仪器设备的组成

1.循环短节：内部安装循环套总成的专用短节。

2.循环套总成：包括循环套本体、限流环、键等，用于仪器座键及产生泥

浆压力脉冲。

3.驱动器/脉冲发生器总成：驱动器按照探管发输出的脉冲指令控制伺服

阀，以产生脉冲信号。

4.电池筒：为井下仪器提供电源。

5.探管：测量、处理原始数据，控制传输井斜、方位、工具面、井下温度

等参数。

6.扶正器：连接驱动器/脉冲发生器、电池筒、探管、打捞头、起扶正和减

震的作用，并提供必要的柔性弯曲。

（二）、地面仪器设备的组成

地面组成部分（图一）

地面仪器设备包括：压力传感器、计算机、地面数据处理仪、司钻显示器和打印机。

探管部分

MWD地面系统中的压力传感器将泥浆脉冲信号转换成电信号，通过电缆传输到地面接口箱，处理电路接收到信号后，自动地进行数模转换，降躁，滤波等处理。然后，将处理结果传输给计算机系统，计算机根据译码规则将信号转换成井斜，方位，工具面等数据，并在计算机及钻台司钻阅读器上显示出来，脉冲波形由一个热敏微型打印机来监视。当译码机构发生故障时，可由技术人员根据热敏微型打印机上的脉冲波形进行人工译码。给钻井工程师提供实时可靠的井下情况，以更好的指导钻井工作。

其主要模块是：（见图一）

2泵压传感器：装在地面高压泥浆管线上，检测高压立管压力的

轻微变化，以4 -20mA标准信号输出到地面接口箱。

2系统接口箱（SIB）：地面系统的心脏。首先处理来自泵压传感器的井下仪器的原始信号，并将处理好的信号送往在线计算机，其次，它又是一个多路通信装置：在线计算机的有用信息通过它送往钻台；系统接口箱（SIB）包含以下几部分：

2在线计算机：内装定向软件包，是该系统的一个主要控制和显示装置，它接收来自SIB仪器的数据流并在定向软件包上将脉冲信号转换成有意义的数字，实时显示并存入硬盘。同时，全测量结果或工具面数据流会通过SIB传输到钻台显示器（RFD）。

2钻台显示器（RFD）：安装在钻台，为司钻和定向井工程师提供MWD仪器的静态测量和工具面显示，因此可以实时调整钻井参数以便井眼按要求的方向钻进。

2．地面系统的操作

2.1地面仪器的清单

计算机/电缆

地面接口箱/电缆

打印机/电缆

司钻阅读器/电缆盘

泵压传感器/电缆盘

泵冲传惑器/电缆盘

2.2地面压力传感器的安装

1）现场安装压力传感器的位置一般选在立管灌泥浆孔处，将转换接头连在2“公制由壬上。注意立管处的丝堵的扣型是公制，准备合适的转

换接头。

2）安装前先通知井队,打开低压阀以便泻放掉立管内的压力，卸下原来的丝堵，用管钳上（千万不要用锒头砸!）紧由壬和转换接头3）在压力传感器扣上缠上四氟带，与转换接头用扳手上紧。

4）如果井队条件允许，也可在高压立管上，开孔焊接压力传感器转换接头。

2.3泵冲信号传感器的安装

泵冲信号，由安装于活塞式泥浆泵上的泵冲传感器产生，这是－套拨动开关，安装时把拨杆靠在泵活塞杆的固定螺丝上，当活塞往复运动时，推动传感器的拨杆接通电路产生泵冲信号。活塞每往复一次产生一个信号，称为泵冲同步信号。

2.4敷设信号电缆

敷设信号电缆的原则是防止被锐利的重物砸坏，或被汽车挂断，或工人无意中铲断。除车辆频繁经过的地方应把电缆埋入地下外，一般敷于地面即可，上钻台的部分用扎条固定于井架上。

注意：如果在雨季，应尽量将电缆架空敷设。

2.5地面仪器的功能检查

A．泵冲传感器架固定于泥浆泵的侧壁上。调整固定位置，使拨杆可被泵轴卡盘推成45 为宜（角度太大有回弹现象）。信号好的时候可以不装.

B．司钻阅读器的架子按井队人员的要求安放，架子的腿用铁丝固定于钻台上，将司钻阅读器的屏幕调整到司钻能看清楚的角度，联接好司钻阅读

器的电源电缆和信号电缆。（司钻阅读器的架子也可不用，直接把司钻阅

读器固定在钻台司钻附近。）

C．按操作说明书标出的线路，把压力传感器信号线、泵冲传感器信号线和司钻阅读器信号线电缆引入值班室内。按电缆插头标注联接好司显电源

箱和微机、地面接口箱。

D．当地面系统所有的线路连接好以后，接通地面接口箱电源，其面板上的模拟压力电流指示表指在4mA的位置上，说明立管压力传感器是好的；

拨动泵冲传感器的两个拨杆，面板上的红色泵冲信号灯相应的闪烁，说

明泵冲传感器是好的。

（三）、工作原理简介

井下部分的探管内部装有高灵敏的三轴加速度计和三轴磁通计，用来测量地

球的重力和磁场的三轴矢量，然后由单片机对数据进行处理并转换成相应的脉冲编码，通过改变相应的脉冲宽度来代表井斜、方位等物理量的数据大小，编码脉冲被送到脉冲发生器来控制脉冲器的动作。脉冲器内部的功率放大电路对信号放大至可驱动电磁铁动作的电平要求，通过控制电磁铁来改变钻杆内的环空面积，从而产生压力脉冲。电池筒保证了井下仪器的能源供给。

地面部分通过压力传感器将X管内的压力变化接收下来传至地面数据处理仪，通过对信号的放大，整形，滤波，A/D将信号变成能被计算机识别的二进制信号，通过USB接口送至计算机，利用计算机强大的运算存储能力对信号进行识别，解码，存储，显示出井下仪器的测量数据。同时，一部分数据被送往司钻显示器，为钻井工程人员提供准确的数据显示。

二、M WD无线随钻测斜仪主要技术指标

1、井斜：0——180°，精度±0.1°

2、方位：0——360°，精度±1°

3、工具面：0——360°，精度±2°

4、磁倾角：±1°

5、地面仪器电源：AC220V/50Hz ±10%

6、井下仪器耐温：+125℃

7、仪器耐压：100MPa

8、电池连续工作时间：200小时（视具体工作模式略有差别）

9、仪器外径：φ48mm

三、仪器的操作

1、将专用短节接在无磁钻铤下面下入井口。

2、井下仪器连接完成后，将引鞋护帽戴在引鞋上，并把打捞释放筒接在打

捞头上。然后，把井下仪器抬到钻台坡道前，准备下井；把打捞释放筒

的绳套挂在气动绞车的吊钩上，将仪器缓慢吊起；注：操作人员必须站

在仪器的一侧，双手扶住引鞋的上部，避免引鞋在地面滑行，损坏提升

阀。

3、仪器放入无磁钻铤前，先将引鞋护帽摘下，再缓慢放入无磁钻铤直到座

入循环套。

4、在井口打捞杆上画记号。再吊起仪器约1米，重新下放仪器座键。观察

记号、位置方向不变。

5、再重新吊起、下放仪器。观察记号位置方向都不变，则座键成功。

6、左旋并提出打捞杆，结束井口操作。

7、方钻杆接水龙带，开泵进行井口测试。开泵后2分钟内计算机上应有脉

冲显示。脉冲幅度应大于150PSI。否则不能下钻，需要换井下仪器重复2-7的步骤。

五、注意事项

1、仪器下井前一定要先做浅层测试，即仪器放至无磁钻铤内接上钻杆下开泵看

信号正常传输后方能下钻。

2、对电池的使用有专门的管理，要有使用累计时间记录，对电量不足的电池及

时更换，确保井下仪器有充足的能量供给。

3、用过的废旧电池不可随意丢弃，无处理条件的应发回厂家妥善处理。

4、仪器在每次使用后都要保养一次，除去仪器表面沾附的泥浆，脉冲发生器要

将下部拆开重点清理，检查密封圈是否有损坏，损坏的及时更换。

5、探管在使用一段时间或多次下井后，要对探管进行检测和标定，以确保仪器

的测量精度。