多深度随钻电磁波电阻率测量系统设计
随钻测量数据的井下无线电磁传输系统设计研究
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中文摘要论文题目：随钻测量数据的并下无线电磁传输系统设计研究专业：测试计量技术汉１】硕士生：杜睿致签名））港签导师：周静（签名）虱前一摘要自２０世纪９０年代初开始，随着随钻测量技术的发展，世界钻井技术进入了信息化、自动化、智能化的快速发展新时期。
人们希望更加准确并实时了解井下工作状况，然而如何将井下近钻头数据发送到地面是一个难题。
针对这一问题，本文对国内外关于无线传输技术的现状和发展进行了充分调研，开展了无线电磁传输系统的设计和相关模拟实验研究。
本文以西安石油大学井下测控研究所旋转导向钻井系统的无线短节为传输样机，提出利用电磁感应原理实现井下近钻头采集数据发送的井下无线电磁传输系统。
该系统包括信号发射部分、无线信道部分、信号接收部分、ＭＷＤ通讯部分、中控电路以及电源部分。
本文根据电磁学基础原理，研究了无线电磁技术的传输原理，分析了无线电磁传输系统的磁路和电路，了解了材料磁化规律，讨论了磁场强度和磁化电流的计算方法。
随钻测井系统井下的设计
随钻测井系统井下的设计引言随钻测井LWD(Logging WhiIe Drilling)技术是将测井仪器安装在靠近钻头的部位，在地层刚钻开后就测量地层各种信息的一种测井方法。
它通过测量地层倾角和方位、钻头方向、钻压、扭矩等，进行钻井定向控制，测量地层的电阻率、自然电位、自然伽马、密度／中子、核磁、声波时差等。
LWD在钻井的过程中测量地层岩石物理参数，并用数据遥测系统将测量结果实时送到地面进行处理，形成地层评价。
由于当前数据传输技术的限制，大量的数据仍存储在井下仪器的存储器中，起钻后回放。
其测量结果克服了井眼扩径、泥浆入侵等一系列环境条件的影响。
随钻测井可实时提供地层和井深信息，对地层做出快速评价，优化井眼轨迹和地质目标，指导钻进。
特别是在疑难井、大斜度井、水平井中，它显示出比电缆测井更为重要的作用。
LWD 系统主要由2 部分组成：地面系统和井下系统。
如图1 所示。
地面系统包括：上位机PC、接口卡、专用电缆、增效箱以及其他附属配件。
其中主机装有LWD 系统专用地质导向钻井配套软件Insite。
井下系统包括：总线控制器(HCIM)、随钻自然伽马测量仪(DGR)、随钻电阻率测量仪(EWR)、随钻中子传感器(CNP)、随钻岩石密度传感器(SLD)、工具串振动传感器(DDS)、探管(PCD)。
由此可见，LWD 井下系统有大量传感器对不同参数进行测量，耗电量非常大。
由于每次钻井设备下井都要耗费大量人力物力，而且一旦下井，钻井设备会在地下持续长时间工作，而且钻井深度可达几千米，只能通过安装在钻头附近的电池供电。
随钻测井系统的供电由2 组锂电池(3．6 V)并联组成，每组6 节串联，构成21 V 直流电源。
电池储能是有一定限制的。
例如渤海油田的B20 井就是应用LWD 技术，测量井段为2 102～3 073 km，连续工作5 天。
其他应用LWD 钻井技术的石油井也是如此，有些LWD 传感器甚至要连续在。
随钻电阻率测井原理浅析
随钻感应电阻率测井原理浅析1．电阻率的概念2．电阻率的测量方法3．电阻率的电极系分布4．电阻率测量的数学模型几何因子理论摘要：本文通过对Geolink公司TRIM工具测井原理的剖析，详细介绍了感应电阻率测井的原理，并将电缆测井与随钻测井进行比较主题词：MWD 电阻率感应测井原理浅析随钻测量（MWD—Measurement While Drilling），是一项在钻井过程中，实时对井底的各种参数进行测量的技术，MWD的最大优点在于它使得司钻和地质工作者实时看到井下正在发生的情况，可以极大的改善决策过程。
随钻测量技术极大的推动了钻井技术的发展，为地层评价提供了新的手段，由于可以直接观测井下工程参数，这就为钻井的进一步科学化提供了有利的条件，及时获得地层资料对于准确评价地层和进行地层对比以及油藏描述也具有重要的意义。
MWD系统测量的一个十分重要的方面就是电阻率地层评价测井。
自从八十年代中期起，就有许多种不同的MWD电阻率被测试并投入市场，包括16’’短电位电阻率，聚焦电阻率（有活动和被动聚焦能力），基于电极的装置（可利用钻头或接触按钮），目前Sperry-Sun Drilling Service服务公司的多空间1~2MHz“电磁波电阻率相位测井”是工业上唯一商业化的、真正的多探测深度的电阻率测井工具。
Geolink公司应广大用户的普遍要求，也制造生产出随钻电阻率工具，它将MWD仪器测井结果与通常使用的电缆感应（20KHZ）测井相关联，用这种方法得到的响应与电缆深感应测井的探测深度相类似，其垂直分辨率优于电缆中感应测井。
这种探测深度可以减少井眼环境及泥浆侵入地层对测量产生的影响。
因而不需要对在不同泥浆（水基、油基、气基及泡沫基钻液）中作业中所产生一系列复杂的环境影响进行校正，就能够得到Rt （地层真实电阻率值）。
电阻率的概念一种物质的导电性是指这种物质传导电流的能力，常用电阻率这一物理量来表示，导电能力差的物质电阻率高，导电能力好的物质电阻率低。
随钻电阻率测井仪器的实现
随钻电阻率测井仪器的实现黄忠富 黄瑞光(武汉华中科技大学) 陈 鹏(江汉测井研究所)摘要黄忠富,黄瑞光,陈鹏.随钻电阻率测井仪器的实现.测井技术,2002,26(2):172～175介绍最新研制的随钻电阻率测井仪器的测量原理、实现方法,并具体分析电路硬、软件的设计以及元器件选择中应注意的问题。
多次模拟运行试验表明,该仪器达到了设计指标,性能良好,稳定可靠。
关键词: 随钻测井 电缆测井 电阻率 测井仪器 原理 设计ABSTRACTH u ang Zhongfu ,H u ang R uigu ang ,Chen Peng.Development of MW D R esistivity Logging T ool.W LT,2002,26(2):172-175A new MW D resistivity logging tool has been developed.Its measurement principle ,im plementation ,hardware and s oftware designs are introduced.Problems to be n oticed in circuit design and com ponents selection are als o indi 2cated.Simulating tests sh ow this toolis up to the design standards ,better in performance and m ore reliable in quali 2ty.Subjects :MW D cable logging resistivity logging instrument principle design引言随钻测井(Measurement While Drilling )是一种比较新的技术,和传统的电缆测井相比较,随钻测井具有实时性好、测井精度高、节省测井成本等优点[1],并且当一些井不能用电缆测井,或者在某些特殊地层条件下操作困难、花费钻井时间过多的时候,就必须用随钻测井代替电缆测井。
随钻自然伽马、电阻率的地质导向系统及应用.doc
随钻⾃然伽马、电阻率的地质导向系统及应⽤.doc随钻⾃然伽马、电阻率的地质导向系统及应⽤程树林桂维兴摘要：地质导向钻井技术的应⽤体现了随钻测井资料的重要⼯程价值。
本⽂总结了随钻⾃然伽马、电阻率在地质导向钻井中应⽤的3种测量⽅式特征，即近钻头测量、基于随钻估计和预测⽅法的随钻测量、随钻⽅位⾃然伽马和电阻率测量；描述了随钻⾃然伽马、电阻率的实时解释⽅法，根据不同区域的地质特点、岩性测井特征和储集层的物性特征，将随钻测井数据与事先设定的储层地质特征进⾏实时对⽐和评价，完成地层对⽐、流体性质判别和储层参数解释；说明了随钻⾃然伽马、电阻率的刻度⽅法，通过仪器的标准化刻度及量值传递，为定量解释地层提供准确的测井资料；结合实践介绍了利⽤随钻⾃然伽马、电阻率实时测井曲线，根据不同岩性和不同层位⾃然伽马、电阻率的差异特性，结合邻井资料和⽆孔隙度测井资料条件下的孔隙度解释模型，在⼯程应⽤中实现基于随钻⾃然伽马、电阻率的地质导向系统。
0 引⾔地质导向是集定向测量、导向⼯具、地层地质参数测量、随钻实时解释等⼀体化的测量控制技术。
在钻井过程中，在测量井眼轨迹⼏何参数的同时，实时测量地质参数，绘出⾃然伽马、电阻率、岩性密度、中⼦孔隙度、压⼒曲线，并以此实时解释评价钻遇未污染地层的特性、**液界⾯，从⽽准确判定储层特性，指导现场⼯程师调整轨迹，控制钻具有效穿⾏于**藏最佳位置，实现地质导向。
不同岩性的地层其⾃然伽马变化范围不同，⽽致密层、渗透层和****⽔层的电阻率也不相同。
随钻时，可充分利⽤不同岩性、不同层位的⾃然伽马、电阻率的差异特性，结合地质录井资料识别岩性，及时提供地层⾃然伽马、电阻率数据以指导现场⼯程师判断是否钻遇⽬的层。
同时由于随钻密度、中⼦孔隙度测量带有放射源，使⽤风险⾼，推⼴受到⼀定局限，在随钻测井实践中，⽤随钻⾃然伽马识别地层岩性，⽤⾃然伽马、电阻率以及结合邻井测井资料进⾏地层对⽐，建⽴⽆孔隙度测井资料条件下的孔隙度解释模型，实现随钻实时解释，从⽽实现以随钻⾃然伽马、电阻率为地层测量基础的地质导向系统。
随钻测量系统(MWD)
（6）对电缆测井不太适合的大斜度井进行 测井； （7）电阻率测井可发现薄气层；
(8)在钻进时评估地层压力。
3、实时检测钻头钻压、转数或扭矩。 （3）钻井参数测量 在某些情况下，不能认为地面指重表是 可信的 (如在大斜度井眼中，由于井壁摩 阻，井底钻压可能低于地面指示的20%)， 井底与地面测量的这一差值可能给出井眼 问题的指示 。
接收 短节
接收线圈 上稳定器 旁通阀
马达
万向轴
(磁方式短 近钻头电阻率 侧向电阻 近钻头电阻 传感器短 伽玛/井斜传 传信号发 传感器/电方式 率传感器 电位测 率 传 感 器 下稳定器 节总成 感器位置 射天线) 短传发射线圈 电扣电极 接收线圈 量电极 下接收线圈 可调弯壳体 (215.9) 钻头
二、WMD的用途
MWD用途主要有三种：
1、定向测量 此种用途占全部MWD工作的70% 。
2、随钻测井（Logging-While-Drilling）
(1)利用伽玛射线确定页岩层来选择套管下人 深度; (2)选定储层顶部开始取心作业;
(3)钻进过程中与邻井对比;
(4)识别易发生复杂情况的地层;
(5)如果在电缆测井作业前报废井眼的话，至 少还有一些数据可用。
MWD （Measurement-While-Drilling ）是 指在钻头附近测得某些信息，不需中断正常钻进 操作而将信息实时传送到地面上来过程。信息的 种类有: （1）定向数据 (井斜角，方位角，工具面角）;
（2）地层特性 (伽玛射线，电阻率测井）;
(3)钻井参数 (井底钻压，扭矩，每分钟转数)。
1651500
1651680
387
1653860
1651203
1783000
随钻电磁波电阻率测井视电阻率提取及正演模拟分析
ａ Ｏ — ｎ
ｇ
（ ∈Ｆ ） ３ 随钻电磁 波电阻率视 电阻率转换方法 ２
（） ４
空 间电 磁 场 的 分 布 问 题 为 求为
Ｉ西 ＝∑Ｊ ， ） （ ｅ］ ［
－０ （ ∈ ［ ，ｏ ） ｍ １ｎ ３
第１ Ｏ卷
第 １期 ３
２ １ ５月 ０ ０年
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ．１ Ｎｏ ３ Ｍａ ０１ １ ０ ．１ ｙ２ ０
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Ｓ ｉｎｃ ｃ ｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｃ ｅ ｅＴｅ ｈｎ ｌｇ ｎ ｇ ｎ ｅ ｉｇ
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其值 为 ， 主对 角元素 强制 为 １令 其 行 和 ．列 将 ， ｉ ｝
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该节 点 电势 与未 处理前 对应 的 ｜列 系数 的乘 积 。 ｊ ｝
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地 球 科 学
随 钻 电磁 波 电阻 率 测 井 视 电阻 率 提 取 及 正 演 模 拟 分析
王 滨 涛 吴锡 令 苑 娜 丁 柱 王 晓 星
（ 中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室 ， 北京 １ ２４ 大庆测 井一公 司研究所 ， ０ ２９； 大庆 １３ １ ） ６ ４２
［ ］击 Ｋ ｛ ）：０
（１ １）
。
在 规 定 边 界 值 条 件 下 ， 终 形 成 矩 阵 为 最 ［ ｛ ］ ）：Ｐ， 解后 得到空 间节 点的 电势值 求
随钻测量与控制技术—EMWD
系统组成
主要功能与技术特征
主 通过电磁波建立随钻信号传输信道 要 为几何导向提供井斜角、方位角和工具面等井筒轨迹参数 功 通过方位自然伽马实时测量，可判别煤层界面和地层岩性，为地质导向 能 决策提供重要依据
主 自然伽马动态随钻测量技术，可实现滑动钻进和旋转钻进实时方位测量 要 井下低频自适应信号发射器和独特数据调制与检测技术，传输深度和上 技 传速率高 术 满足多种介质的井下大功率发电机技术 特 适用于以常规泥浆、充气或泡沫泥浆、气体等为循环介质的油气常规钻 征 井、欠平衡钻井和煤层气钻井作业
工程参数传感器位置距 钻头螺纹距离 最大允许冲击 (m/s2 ) 最大允许振动 (m/s2) 系统上端螺纹 (BOX) 系统下端螺纹 (PIN) 最大狗腿度
最大钻压 (kN) 上扣扭矩(N.m) 系统总长(m)
－21 －
系统总体技术指标(续)
指标
随钻具组合而变化
10000 (0.2 ms,1/2 sin)
I
(
z)
I
n z
i e0
1/ f /
－8 －
EM-MWD
(一)、背景 (二)、测量/原理 (三)、关键技术 (四)、系统组成
－9 －
关键技术
传输信道四个关键技术
➢ 井下发射天线的结构与制作技术 ➢ 井下电磁信号发射技术 ➢ 井下大功率电源技术 ➢ 地面弱信号检测与处理技术
DREMW API 最大值的±0.5% 不劣于1.0 API/cps
－22 －
谢谢！
－23 －
中国石油集团钻井工程技术研究院
技术讲座
随钻测量与控制技术
主要内容
一、概述 二、MWD/LWD 三、EM-MWD介绍 四、旋转导向 五、地质导向
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2010年第34卷第3期中国石油大学学报(自然科学版)
Journal of China University of Petroleum Vol.34 No.3 Jun.201O
文章编号:1673-5005 (2010 )03-0038-05
多深度随钻电磁波电阻率测量系统设计
李会银苏义脑2盛利民2窦修荣2邓乐2(1.中国石油大学地球资源与信息学院，山东东营257061;2.中石油钻井工程技术研究院，北京100083)摘要:多深度随钻电磁波电阻率测量系统由电磁波发射接收线圈系和电子线路两部分组成。分析线圈系设计中需要考虑的各种影响因素，介绍以数字信号处理器为核心的测量系统基本构成。测量系统采用24位I-ß模数转换器实现幅度衰减测量，采用复杂可编程逻辑器件实现高精度相位差测量。系统采用双频率、双源距实现径向上多个探测深度的电阻率剖面测量，能够在地层钻遇的第一时间全面、真实地获取地层电阻率数据，为钻井地质导向及地层评价提供重要地质参数。关键词:随钻测井;电阻率;电磁波;复杂可编程逻辑器件;地质导向中图分类号:TE151 文献标志码:A
doi: 10. 3969/j. issn. 1673-5005.2010.03.008
A logging while drilling tool for multi-depth electromagnetic wave resistivity measurement
11 Hui-yinl , SU Yi-nao2, SHENG Li-min2, DOU Xiu-ron矿，DENG Le
2
(1. College of Geo-Resources and lnformation in China University of Petroleum, Dongying 257061 ,China; 2. Drilling Research lnstitute, PetroChin日，Beijing 100083, China)
Abstract: A log在ingwhile drilling( LWD) tool for multi-depth electromagnetic wave resistivity measurement was designed. It is composed of two parts: the electrical cartridge and the transmiUer-receiver coils. Various influencing factors on coils sys-tem structure were analysed. A system scheme based on digital signal processor was given.工一-ßA/D converters of 24-bit were used for amplitude measurement. In phase difference measurement, a complicated programmable logical device was used for high precision measurement. As it had two source spaces and two working frequencies, this tool could acquire multi-resistivity p盯ametersof radial investigation depth at the first-time with high precision. It is an important tool for drilling with
geological steering and formation evaluation. Key words: logging while drilling (LWD) ; resistivity; electromagnetic wave; complex programmable logic device (CPLD) ;
geological steering
地层电阻率是地质导向钻井[1]和油田地层评价必需的重要地质参数[2]。目前应用较多的电阻率测量方式有3种:电流测量方式、感应测量方式和电磁波测量方式[3.7]。在随钻测井领域，电流电阻率测量得到了最先发展和推广应用[8]其缺点是难以在导电性差或不导电的钻井液(如淡水钻井液、油基钻井液、气体钻井)中应用。随钻电磁波电阻率测量采用电磁波工作方式，其突出优点是适用于各
收稿日期:2009-10 -25
种导电和不导电类型的钻井液，斯仑贝谢的ARC系列和Sperry-Sun公司的EWR都采用这种方式[9.10]。
国内在随钻电磁波电阻率测量方法、仪器和资料处理领域也进行了大量的工作[1川但直到目前还没有相应的仪器应用到现场。国家"863"重大课题"地质导向钻井技术"将随钻电磁波电阻率测量作为其中一项重要攻关内容，对于我国随钻电阻率测量体系进一步完善及提高随钻测井及钻井地质导向
基金项目:国家"863"课题(2006AA06AI01);中国博士后科学基金特别资助项目(20080 1094 ) 作者简介:李会银(1965-) ，男(汉族)，山东平原人，副教授，博士，博士后，从事随钻测井技术方丽的研究。第34卷第3期李会银，等:多深度随钻电磁波电阻率测量系统设计.39. 技术在国际国内的市场竞争力都具有重要意义。1 线圈系结构
随钻电磁波电阻率测量系统由线圈系和电子线路两部分组成，线圈系是电磁波发射和接收传感器，线圈系的源距和间距是决定系统探测深度、分辨率的重要因素。线圈系结构选择主要考虑以下因素:①师、m~-发射线圈到接收线固的距离。源距的选择由探测深度和接收器的灵敏度决定。游、距太大，接收器无法接收到电磁波信号;源距太小，不能达到要求的探测深度。②间距一一两个接收器间的距离。间距由轴向的地层分辨率和接收器灵敏度确定。间距太大，不利于分辨薄层，且第二接收信号强度太小，测量误差增大;间距太小，幅度及相位差变化太小，同样不利于精确测量。综合考虑以上因素，选用短源距50cm，长源距为120cm，间距选用20cm。另外，为消除井眼影响，采用对称四发双收线圈系，其井眼补偿功能将使仪器在井眼垮塌、泥饼等具有不对称因素的井段仍能得到正确的测量结果。
2 电子系统设计
2.1 测量系统总体结构
根据随钻电磁波电阻率测量系统设计的技术要求，电子线路组成如图1所示。系统核心控制部件采用TI公司的数字信号处理器SM320LF2407，该器件耐温-55-125 "C，内部资源包括32kX16位EEPROM ,2. 5kX16位的数据存储器，8-16通道10位
AlD转换器。其主要功能一是系统数据采集、存储、传输控制，二是数据处理，包括幅度比计算、相位差计算及电阻率转换等。外围模块包括:(1)高频信号发生器。采用数字合成技术实现，产生2MHz、500kHz的基准频率信号。(2)多路分配与功率驱动电路。将2MHz和500 kHz信号多路分配并进行功率驱动后送到发射
线圈阵列。(3)接收信号前置放大电路。为提高接收信号的信l噪比，接收信号前置放大电路由多级组成，信号增益72dB。(4)接收信号处理电路。包括混j烦，放大，带通波:波电路。(5)接收信号幅度测量电路。采用24{:ìZ I-il
模数转换器实现接收信号幅度的高精度测量。(6)接收信号相位测茧电路。通过过零比较器
将模拟信号转换成逻辑信号，采用CPLD实现相位差检测。(7)测量结果的存储与回放电路。由于钻井液脉冲传输系统的传输能力有限，井下测量数据的大部分只能存储在井下存储器中，在仪器提升到地面后，通过通讯模块将存储器中的数据读出。根据测量数据存储的需要，井下存储器模块容量设计为8MB，可以满足200h连续测量的存储需要。(8)通讯电路。通讯接口的功能有两个:一是DSP将测量数据通过串行接口传送到钻井液脉冲通讯短节，实现随钻测量过程中关键数据的实时传输;二是在钻具提升到地面后，与计算机接口，将存储器中的测量数据读出到计算机中。型~iîM!;l
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图1随钻电磁波电阻率测量系统结构Fig.l System configuration for measuring LWD
electromagnetic wave resistivity 2.2 测量系统控制逻辑
测量系统控制逻辑实现3个功能:一是产生各发射线圈的工作时序，控制各发射线圈按照规定的时序依次工作;二是产生接收信号的数字采样时序，根据采样间隔实现均匀采样;三是对接收信号进行相位差测量。采用复杂可编程逻辑设计技术将上述功能集成到一片复杂可编程逻辑器件(CPLD)中。根据容量需要，选择美国ALTERA公司的3.3V在系统可编程CPLD芯片EPM7128AETI100，内部具有128个宏单元，TQFPIOO封装，扩展工作温度-40-130 "c ，适用于井下高温环境。开发工具使用AL
TERA公司提供的QuartusII 8. 0设计软件，它支持VHDL设计语言，内部集成仿真工具支持功能仿真、