随钻测量系统与随钻测井系统的关键技术

随钻测量技术指随钻测量钻头和螺杆之后，加挂井下仪器，通过井下仪器的电子测量短节中配置的传感器和主控模块采集数据，按照一定的算法，将原始数据计算得到井斜、方位、工具面、总重力场、总磁场等数据的钻井技术。原始数据来自于不同运动方向上安装的加速度传感器、磁通门等模块，主控模块中的微处理器经数据接口读出原始数据，通过一定的公式，计算出来工程数据值。工程数据一方面存储在主控模块的存储器中，用于完井后数据记录与对照；另一方面要对数据进行编码，输出驱动信号，驱动脉冲发生器产生脉冲信号。

定向井及水平井的设计轨迹是一条空间曲线，钻井技术服务过程中需要使得实钻轨迹尽可能按照要求沿着设计轨迹前进，最终进入目标区域，实现矢量中靶。然而由于钻柱在井下钻压的作用下会发生随机的螺旋弯曲，并且井下仪器非常靠近钻头，钻头钻进时强烈的振动会影响到数据的准确性。因此新钻出的钻眼方位测量和轨迹预测成为了当前钻井技术的重要突破。

MWD\LWD通过泥浆正脉冲方式将高温环境中（一般能达到150°C）探管测量的磁性和重力分量数据传输至地面系统，同时通过地面系统中的测量仪器分析软件分析处理，使得客户完整清晰的看到井下的具体情况，有效防止井眼失稳，偏离预定轨道，极大提高的测量精度。MWD\LWD配置了测量系统、井深跟踪等模块，在定向和伽玛方面的精度误差都控制在了较低的范围。此外，该系统通过编解码计算配合大行程的硬件发码，整体系统的解码率很高。MWD\LWD采用在系统和硬件设置上保证井眼控制数据的准确度。数据获取方面，系统采用静态与动态相结合的方式读取传感器数据。静态模式即无振动工况下测斜时系统自动实现钻具上提，关闭动力泵，系统读取静止状态下的测量数据。动态模式即在造斜阶段的定向钻井过程中，系统通过选择平均值因数降低误差。同时，根据井斜角度的不同，系统通过实现重力工具面和磁性工具面的转换，提供精度更高的数据。硬件配置方面，无线随钻测斜仪通过配置加速度计使得在强震下返回的数据准确性更高。

井下设备分为电机驱动和电池驱动两种供电方式。对于使用电池供电的情况，脉冲的频率直接影响了井下设备的工作时间。因此，当应用于低成本的垂直井，系统可支持选用电池加低频脉冲码的组合，这样既节约了设备成本又节约了电池功耗，进而通过降低起下钻周期直接可以达到降低钻井成本的目的。

除采集井斜、方位、工具面等工程数据外，LWD还加入了地质数据采集功能，通过伽马短节采集自然伽马数据，用以分析当前仪器位置的地质信息，帮助确认是否到达油层。有线随钻测量系统通过单芯电缆将数字脉冲传输到地面系统，因此在用有线随钻测量系统中定向钻井过程中，电缆的密封及操作设备必不可少，且设备操作较为复杂，材料耗费较大。在井下高压、高温、高冲刷的情况下，线缆的损耗也非常大。

MWD\LWD采用无线传输技术传导测量数据，不仅降低了测量成本，提高测量效率，而且为钻井工程人员降低了工作负担。无线传输技术利用石油钻井液，即泥浆作为传导介质，当探管接受供电后，泥浆从孔板与蘑菇头形成的环形空间流过，当有信号传输时，蘑菇头发生伸缩运动。当蘑菇头伸长后拦截泥浆通过时，压力升高，产生瞬时正压力脉冲。地面系统的泥浆压力传感器检测来自井下的脉冲信息，通过计算机处理得到井斜角、方位角、工具面角及其他信息。

MWD\LWD采用无线传输技术，无线传输要解决的问题是信号的稳定性，编解码算法的抗干扰性。不同于有线传导有稳定的介质，无线传输信号在泥浆传输信号的过程中，泵压变化，钻头钻进，都会引入干扰，形成压力波动，影响到数据解码。MWD\LWD采用软件滤波和硬件滤波相结合的方式实现去除杂波，还原信号的过程。硬件滤波的优点是速度快，效率高，不占用系统资源；软件滤波则灵活性强，参数可以调整。

脉冲作为有效信用有固定的宽度。钻井过程中泵压变化引起的干扰在波形上可能会接近脉冲形状，但是干扰往往不具备脉冲定宽、压差、脉冲起始和结束端压力相近等特性。MWD\LWD通过合适的软件算法，可以从众多相似的波形中甄别出脉冲。波形经过滤波处理后，依然存在干扰性杂波，在确定了脉冲的宽度和压差特性之后，仍然能够从中识别出有效的脉冲信号。

为了避免编码时工矿和井矿的各种干扰因素，无线随钻测斜系统在编码序列中增加同步头，该同步头与编码有明显区别，在解码失败后，能够通过同步头信息，重新建立起编码处理时序。定向井及水平井钻井测量过程中，井下长时间工作的随钻测量仪功能愈强，传感器和控制设备使用得越多，电能的需求越大。将电池作为井下仪器的供能设备，不仅将产生运输、更换、报废处理的高成本，而且频繁更换电池会影响井下测量的工作效率并可能产生因处理不当而引起的环境污染。因此，仅靠电池组供电难于满足钻井服务对成本、安全和效率的要求。MWD/LWD可根据施工环境采用涡轮自发电供电技术，利用钻井过程中钻井液冲刷涡轮带动驱动轴旋转，切割磁力线而发电，实现了流体动能到电能的转换，为井下无线随钻测斜仪器提供长时间续航能力，克服了电池组在高温、高振动井下环境中的安全隐患，延长了供能系统的使用寿命，是一种环保、安全、高效的供电方式。