无线随钻测量应用技术的认识与建议

刘业文

摘 要：无线随钻测量技术是复杂结构井钻井技术的重要组成部分，近年来，国内相关技术发展迅猛，技术水平不断提高;但是与随钻测量有关的各类复杂情况同样层出不穷。笔者以X8井为例分析了随钻测量应用技术主要影响因素，对该井无线随钻测量仪器失效情况进行了统计，对造成仪器失效和损坏的原因进行分析，进而提出了无线随钻测量技术需要在测量设备和应用环境可靠性、建立更加完善的无线随钻测量应用管理体系，提高测量系统应用的合理性方面的建议，希望有助于推动无线随钻测量技术的发展。

关键词：X8井、无线随钻测量、失效、损坏、高温高压、震击、钻井液

Abstract：WirelessMeasurement-While-Drilling（MWD） technology， is an important part of drilling technology for complex structure wells. In recent years， related technologies have developed rapidly in China， and the technical level has been continuously improved.However， all kinds of complicated situations about MWD application happened one after the other. Taking well X8 as an example， the author analyzes the main influencing factors of MWD application technology， makes statistics on the failure of wireless MWD instruments in the well， analyzes the causes of instrument failure and damage， then puts forward suggestion that wireless MWD technology needs to establish a more perfect wireless MWD application management system in terms of the reliability of measurement equipment and application environment and also suggested  improving the rationality of the application of measurement system to help to improve the MWD technology development。

Key Words： Well X8; MWD; Failure; Damage; High temperature and pressure; Shock; Drilling mud

随着复杂结构井钻井技术需求的日益高涨，无线随钻测量技术发展迅猛，得以大面积普及、应用，大大提高了钻井效率，简化了定向操作难度[1-3]。近年来，随着应用规模的不断扩大，特别是深井和高温高压井的增多，无线随钻测量仪器失效的现象层出不穷。但无线随钻测量应用技术也是一项环环相扣的系统工程，任何环节不匹配都将影响随钻测量的效果，甚至是能否应用成功。从国内相关技术的应用情况来看，无线随钻测量不能正常实施的影响因素很多，主要包括地面设备的功能性、井下测量设备的可靠性、测量环境的恶劣程度、循环系统的工况条件、操作人员的使用水平等。本文以X8井为例对各种影响因素进行剖析。

X8井是四川地区的一口高温高压致密砂岩长水平段水平井，该井三开和四开定向施工过程中，累计出现了16次无线随钻测量系统无法正常工作情况，其中有测量仪器性能方面的问题，也有工况环境评价方法缺失、工程應用技术不完善等方面的问题，对该井随钻测量情况的分析将有助于总结经验教训，促进应用技术水平提高。

1、X8井概况及随钻测量技术难点

1.1X8井概况

X8是四川地区的一口致密砂岩长水平段开发水平井，设计目的层须二段TX22砂组，埋藏深度4823～4887m，须家河组二段岩性主要为灰、浅灰色细、中粒岩屑砂岩、长石岩屑石英砂岩、中粒长石岩屑砂岩、岩屑石英砂岩、岩屑长石砂岩、粗粒石英砂岩夹黑色页岩，须家河组地层设计压力预测如表1所示。

须家河组地层为高温高压地层，设计地层压力预测情况见下表，须二气藏地层温度为125～141℃之间，地温梯度为2.22～2.45℃/100m，由地层温度与气藏埋深关系，预测实钻井底地层温度可达130℃左右。

1.2随钻测量技术难点

（1）地层压力高，钻井液密度高（三开井段钻井液密度2.04～2.05g/cm3），井底压力较高，仪器抗压能力要求高。

（2）地层温度在125°～141°之间，预测地层温度130°，常规无线随钻测量已经无法满足施工的要求，需要采用抗高温仪器进行施工。

（3）岩石可钻性差，钻井时效低，易发生井下事故。如掉牙轮、断钻具等[4、5]，仪器使用风险高。

（4）钻井液性能要求高，固相含量需要保持较低水平，避免仪器冲蚀，造成仪器破坏。

2、随钻测量仪器组成及工作原理

常用的随钻测量仪器主要有3种类型，正脉冲、负脉冲和电池波传输类型，X8井采用负脉冲无线随钻测量仪器。负脉冲无线随钻测量系统主要包括地面接收处理系统、井下仪器以及钻井液脉冲监测系统。地面接收处理系统主要由立管压力传感器（SPP）、泵冲传感器（PUMP）、地面接口箱（SIB）、司钻阅读器（RFD）、便携计算机和应用软件等设备组成。井下仪器包括脉冲发生器（TX）、驱动短节（APC）、电池短节（PSA）、测量短节（SEA）[6]。

脉冲发生器由阀门组成，当阀打开时，一小部分钻井液从钻柱内流向环形空间，因此，快速开闭这个阀就会引起立管中的压力下降，并通过立压传感器检测。为了将数据传到地面，多次操作阀门，产生一系列脉冲，由传感器检测出信号并由地面计算机译码，计算机首先识别出一组参考脉冲，随后是数据脉冲。通过在特定的时间帧内检测有没有脉冲来对信息进行译码。然后将这个十六进制码转换为十进制的结果。脉冲顺序由一个图表记录仪来监视，同时，将信号传输给上位机译码系统，译码系统根据译码规则将信号转换成井斜（INC）、方位（AZI）、工具面（GTF或TTF）等数据，并在上位机及钻台司钻阅读器（RFD）上显示出来，给定向井工程师提供实时可靠的井身轨迹数据，以更好地指导钻井工作。当译码机构发生电误障时，可由技术人员根据图表记录仪上的脉冲顺序进行人工译码[6、7]。

3、新8-1H井随钻测量情况分析

3.1随钻测量失效情况统计

3.1.1 随钻测量仪器失效统计

X8井三开自井深4400m开始定向，至5112.70m三开结束，四开5915m完钻，累计钻次50余趟，其中出现失效的有16趟钻，约占总钻次的30%，其中三开井段仪器失效10趟钻，四开井段仪器失效6趟钻。三开井段有两次井口浅测试无信号，其余均为下井之后仪器失效。累计损失钻井周期16.55d，如表2所示。

3.1.2 随钻测量仪器损失统计

X8井仪器失效除了延后钻井周期，也带来了巨大的仪器损失，经统计，该井三开井段共使用新维修脉冲器16根，新电池12根，冲坏钻杆滤清器8根。因驱动外筒破裂损坏井下定向仪器3套;四开井段共使用新维修脉冲器9根，新电池9根，冲坏311×310负脉冲悬挂短节2根，脉冲器3根，直接经济损失220余万元。

3.2失效原因分析

X8井仪器随钻测量仪器失效频发，其原因也是多方面的，根据失效现象并结合现场情况，总结失效原因如下。

3.2.1 驱动器外筒抗压能力不足导致破裂

X8井总共发生三次（第1、7、8次仪器失效）仪器外筒破裂的情况（见图1），均发生于三开井段，垂深在4485～4862m之间，钻井液密度2.00～2.05g/cm3，地面泵压约15～22Mpa，设计地层压力94.22Mpa，井底压力在100Mpa左右，而采用的随钻测量仪器抗压能力仅15000psi，约103Mpa，又由于部分井段采用PDC钻头钻进，且定向钻进时由于钻压不均匀导致频繁憋泵，地面泵压最高达到30MPa，完全超出仪器抗压能力，又由于驱动器外筒抗压能力为随钻测量仪器抗压能力最薄弱处，因此导致三套仪器破裂损毁。后来更换抗压筒，抗压能力达到18000psi，则再无仪器破裂发生，证明随钻测量仪器抗压能力选择方面风险考虑不足，选择失误。

3.2.2 钻井液杂质导致脉冲器堵塞

无线随钻测量测量仪器完全浸泡在钻井液中，并通过钻井液压力传递信号，因此对钻井液性能要求较高，特别是对杂质和含砂量的要求要高，否则极易造成仪器工作不正常和仪器损坏。X8井钻井液处理和净化设备使用不合理导致钻井液中含有大量杂质，且含砂量较高，导致仪器多次不能正常工作（第3、5、9、10次仪器失效，其中第9和第10为仪器井口浅测试即失效），钻井液杂质和仪器砂卡示意图如图2所示（左上为砂卡后脉冲器现场图片;右上为砂卡后脉冲器处于常开状态，无法关闭;左下为钻井液杂质图片，右下为捞出的杂质图片）;后来对振动筛、除砂器、除泥器等净化设备进行彻底整改，后续2个月未发生类似仪器失效，证明钻井液杂质和含砂量导致仪器失效的问题得到解决。

3.2.3 多种因素结合导致仪器冲蚀严重

仪器的冲蚀程度主要取决于钻井液排量的大小，仪器所处钻铤环空间隙的大小以及钻井液含砂量高低3个方面。X8井仪器冲蚀主要体现在四开井段（第11、16次仪器失效），四开井段为Φ165.1mm井眼，采用Φ120mm内径57～60mm无磁钻铤，钻井液排量通常在16～18L/s，属于小钻铤间隙和高排量环境，再加上钻井液含沙量居高不下，因此对无线随钻仪器脉冲器、扶正器和外筒均形成了严重的冲蚀和损坏，仪器冲蚀图形如图3所示（左边为MWD短节冲蚀图，中间为脉冲器冲蚀图，右边为扶正块冲蚀图），类似冲蚀情况在其它地区小井眼（中）深井钻井中也常有发生。

3.2.4 井底振动剧烈导致探管参数错误

X8井属于川西地区具有较大施工难度的一口水平井，施工过程中复杂情况频繁，主要体现在煤层、页岩井段掉块较多，卡钻，摩阻扭矩大，牙轮掉牙齿和轴承损坏等方面，现场施工时为了确保钻井安全，接入了震击器;定向时由于钻时较慢，长时间未能活动钻具卡钻现象频繁，因此上提下放解卡过程中激发震击器工作，对仪器造成影响，过渡的震击导致测量探管元器件损坏，测量数据不准确而起钻（第13次儀器失效）;同时由于大部分井段采用牙轮钻头进行钻进，钻头使用中后期，掉牙齿现象频发（如图4所示），钻头受力不均匀也导致仪器振动剧烈，最终使得探管测量参数不准确（第6次仪器失效），现场曾在井深5000m附近连续两趟钻未下入震击器，仪器工作正常，未出现失效，但后来由于考虑到钻井安全，仍然不得不继续下入震击器。

3.2.5 随钻测量仪器本身原因导致失效

无线随钻测量仪器本身工作存在失效率的问题，新8-1H井也不例外，本井施工第2次、第4次、第12次、第14次、第15次仪器失效均为仪器本身原因导致的失效，主要存在的问题在于电池失效、测量探管死机等，第2次和第4次仪器失效后检查发现电池加载无电量，第12次失效为测量探管死机，第14次电池加载无电量，测量探管也死机，第15次失效井底无信号，但地面测试正常，更换全部井下组件后下井工作正常，原因不明，证明仪器可靠性存在一定的问题，尚需改进。

3.3 几点认识

通过上述分析可以把新8-1H井无线随钻测量技术应用存在的问题归为三类，。一是无线随钻测量装备的可靠性问题。受设计合理性、元器件质量、机加工水平等国内技术整体实力的影响，可靠性不足已经是较长一段时期内国内无线随钻测量技术的通病。二是工况环境恶劣问题影响了测量系统应用效果。钻井液性能，特别是含沙量居高不下很大程度上影响了随钻测量的成功应用，国外同类工具在国内的应用也在不同程度上出现了各种问题，有些服务商甚至考虑根据国内钻井液处理能力设计中国市场专用产品，其严重程度可见一斑。三是国内随钻测量系统缺乏合理的安全应用评价软件和硬件。国内相关技术更侧重无线随钻测量的基本功能开发，对工具系统的保护性技术，如随钻震动安全评级、随钻测量减震工具等相关技术尚未成熟。

因此，无线随钻测量应该针对上述问题从以下3个方面，即从可用、能用、会用方面开展更加细致、有效的技术攻关和管理开展攻关：一是对现有技术进行系统梳理，切实提高无线随钻测量系统的可靠性;二是开展无线随钻测量安全应用评价方法研究，开发配套工具;三是建立更加完善的无线随钻测量应用管理体系，提高测量系统应用的合理性。

4结论与建议

（1）X8井是四川地区具有较大施工难度的一口长水平段致密砂岩水平井，国内无线随钻测量装备在抗高温性能和抗压能力两方面已经取得技术突破，满足了川西地区深层水平井无线随钻测量的技术要求。

（2）无线随钻测量仪器在钻井液环境中工作，又依靠钻井液进行信号传输，因此对钻井液性能要求较高，现场需要充分利用钻井液处理设备，降低钻井液杂质和含砂量，从而确保仪器正常工作。

（3）无线随钻测量技术应用环境恶劣，应开发安全应用评价方法研究并配套相关工具，同时加强应用技术管理，降低无线随钻测量装备使用风险。

（4）国内无线随钻测量装备可靠性亟待提高，需要根据现场应用情况对工具系统结构设计、元器件选择、机加工要求等方面进行更加科学细致的优化和改进。

参考文献

[1]石荣.随钻测量钻井液连续波发生器关键技术与稳定性研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2018.

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