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Li Qi 随钻测量与地质导向工具是一项钻井技术的“地下革命”定向钻井技术在勘探、开发中的功用海上或陆地丛大位移定Li Qi 第2页盐丘式井工程救险井因事故复杂进行侧钻多目标勘探与开发控制断层钻探水平井进行开发地面条件限制向井侧钻分支井6.1.1 6.1.1 随钻信息实时测量随钻信息实时测量--控制控制--通讯流程图6.1 6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量信息系统概述Li Qi第3页（下行测量信息通道）6.1 6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量信息系统概述Li Qi 第4页6.1 6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量信息系统概述Li Qi 第5页 6.1.4 6.1.4 随钻测量数据传输系统随钻测量数据传输系统6.1 6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量信息系统概述Li Qi 第6页z 声波遥传系统（声波遥传系统（ATS ATS）载波频段在）载波频段在400400～～2000Hz6.1 6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量信息系统概述Li Qi第7页 6.1 6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量信息系统概述Li Qi第8页探管脉冲发生器脉冲发生器6.1 6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量信息系统概述Li Qi第9页由钻柱来的高速泥浆推动涡轮发电机叶轮旋转从而带动驱动磁铁旋转，驱动磁铁带动从动磁铁及固定连接在其上的主轴及旋转斜盘旋转，旋转斜盘转动使柱塞泵柱塞产生往复运动，实现柱塞泵工作。
在主轴斜盘下端镶有磁铁即转子磁铁，转子磁铁旋转时在其下的定子线流体压力作用下向上运动，进而带动蘑菇头向上运动，实现脉冲信号传输。
脉冲发生器本体系统6.1 6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量信息系统概述Li Qi 第10页Li Qi 第11页脉冲发生器外围件系统6.1 6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量信息系统概述Li Qi 第12页6.1 6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量信息系统概述Li Qi第13页 6.1 6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量信息系统概述Li Qi 第14页高粘泥浆环境蘑菇头牢牢粘死高粘泥浆将定子12个水眼中的8个堵死。
随着钻井技术的不断发展，定向井工艺技术的出现推动了随钻测量技术的不断发展。
从上世纪50年代，随钻测量技术就已经开始使用，到上世纪70年代无线随钻测量技术研发并现场试验成功，引起了人们的关注，使其迅速发展。
伴随着水平井施工任务的不断增加，高难度井的数量也在不断增加，随钻测量技术也突破一个又一个难题发展到现在的随钻测井技术和旋转导向技术。
一、随钻测量技术的分类随钻测量技术就是指在钻进过程中通过井下测量仪器测量所需的井眼轨迹数据，然后利用各种不同的方式将数据传输至地面，地面系统接收后进行解码得到井下所测数据。
目前，随钻测量技术根据其功能可以分为随钻测井技术（LWD）、随钻测量技术（MWD）等，其中随钻测量技术主要是测量轨迹控制所需要的参数，如井斜角、方位角、工具面角等；而随钻测井技术除要提供上述参数外，还要测量所钻地层的地质参数，如自然伽马、电阻率、中子密度等。
随钻测量技术根据其采用的数据传输方式不同，可以分为有线随钻测量技术、无线随钻测量技术和其他方式。
有线随钻测量技术具有传输速率高，测量项目齐全等优势，但是其施工不方便，需要停止钻井作业才能施工，因此会耽误较多时间。
无线随钻测量技术又可以根据其传输介质分为泥浆脉冲方式、电磁波方式、声波方式；其中泥浆脉冲方式技术最为成熟，使用受限较小，所以其应用最为广泛，但是它受到泥浆性能的影响严重，比如在泡沫欠平衡钻井中就无法使用；电磁波传输方式不受钻井液性能的影响，所以适合于欠平衡钻井，但是它的传输深度受到地层电阻率的限制，所以其应用范围并不广泛，只能在某些区块应用较多；声波传输方式目前还处于研发阶段，最近也有报道该方式现场试验成功的案例，但是还没有形成商业规模；其他的无线随钻测量技术主要是指智能钻杆，其传输速率快，同时不受泥浆性能的限制，但是其生产成本高，现在只处于试验阶段，距离规模化商业应用还有一段时间。
二、随钻测量技术的研究现状近年来，国内外石油企业和高校对在不断的研发更加先进高效的随钻测量仪器，所以随钻测量技术也在不断的快速发展。
随钻测井一、随钻测井的引入在油气田勘探、开发过程中，钻井之后必须进行测井，以便了解地层的含油气情况。
一般来说,测井资料的获取总是在钻井完工之后，再用电缆将仪器放入井中进行测量. 遇到的问题：1、某些情况下，如井的斜度超过65 度的大斜度井甚至水平井，用电缆很难将仪器放下去2、井壁状况不好易发生坍塌或堵塞3、钻完之后再测井，地层的各种参数与刚钻开地层时有所差别.(由于钻井过程中要用钻井液循环，带出钻碎的岩屑，钻井液滤液总要侵入地层二、随钻测井的概念随钻测井(因为它不用电缆传输井下信息，所以也称为无电缆测井)：是在钻开地层的同时, 对所钻地层的地质和岩石物理参数进行测量和评价的一种测井技术.首先，随钻测井在钻井的同时完成测井作业，减少了井场钻机占用的时间，从钻井—测井一体化服务的整体上又节省了成本。
其次，随钻测井资料是在泥浆侵入地层之前或侵入很浅时测得的，更真实地反映了原状地层的地质特征，可提高地层评价的准确性.而且，某些大斜度井或特殊地质环境（如膨胀粘土或高压地层）钻井时，电缆测井困难或风险加大以致于不能作业时，随钻测井是唯一可用的测井技术。
另外，近二十年来海洋定向钻井大量增加。
采用随钻定向测井，可以知道钻头在井底的航向，指导司钻操作；可以预测预报井底地层压力异常，防止井喷；可以提高钻井效、钻井速度和精度，降低成本，达到钻井最优化（现代随钻测井技术大致可分为三代）●20 世纪80 年代后期以前属于第一代可提供基本的方位测量和地层评价测量在水平井和大斜度井用作“保险”测井数据,但其主要应用是在井眼附近进行地层和构造相关对比以及地层评价;随钻测井确保能采集到在确定产能和经济性、减少钻井风险时所需要的测井数据。
●20 世纪90 年代初至90 年代中期属于第二代过地质导向精确地确定井眼轨迹;司钻能用实时方位测量,并结合井眼成像、地层倾角和密度数据发现目标位臵。
这些进展导致了多种类型的井尤其是大斜度井、超长井和水平井的钻井取得很高的成功率。
2.2 LWD技术简介随钻测井（LWD——Logging While Drilling）是在随钻测量（MWD——Measurement While Drilling）基础上发展起来的、用于解决水平井和多分枝井地层评价及钻井地质导向而发展起来的一项新兴的测井综合应用技术。
随钻测井和随钻测量都是在钻井过程中同步进行的测量活动，实施随钻测井和随钻测量时都必须将测量工具装在接近钻柱底部的钻铤内，。
不同的是随钻测量主要测量井斜、井斜方位、井下扭矩、钻头承重等钻井工程参数，辅以测量自然伽马、电阻率等地球物理信息，用以导向钻井；而随钻测井则以测量钻过地层的地球物理信息为主，可以在钻井的同时获得电阻率、密度、中子、声波时差、井径、自然伽马等电缆测井所能提供的测井资料。
与MWD相比，LWD能提供更多、更丰富的地层信息。
2.2.1 L WD系统组成及工作方式随钻测井系统一般由井下仪器和井场信息处理系统两大部分组成。
前导模拟软件是井场信息处理系统的核心；井下仪器提供实时测量数据。
前导模拟软件完成大斜度井和水平井钻井设计、实时解释和现场决策，指导钻井施工。
随钻测井系统有实时数据传输方式和井下数据存储方式两种工作方式。
1）实时数据传输方式：将随钻测井仪在钻进时测量得到的信息实时传至驱动器，驱动器驱动脉冲发生器将这些信息采用特定的方式编码后传至地表压力传感器，地面信息处理与解码系统再将其转化为软件界面上可供显示或打印的数字化、图形化格式，为客户提供最终产品。
2）井下数据存储方式：将随钻测井仪器起下钻或钻进时采集到的信息存储于仪器的存储器内，待仪器的数据下载接口起至转盘面上约1.5米处，通过数据下载线将其传输到地表计算机内供处理、显示，一般可以在30min内提交处理好的数据磁盘并打印成图。
2.2.2 L WD主要功能及优点主要功能：测量井斜、方位、工具面等井眼几何参数。
随钻地质测井：采用实时和记忆方式同时进行地层参数的测量-- 电阻率、伽马、岩石密度、中子孔隙度。
随钻测井一﹑随钻测井的引入在油气田勘探、开发过程中，钻井之后必须进行测井，以便了解地层的含油气情况。
一般来说,测井资料的获取总是在钻井完工之后，再用电缆将仪器放入井中进行测量.遇到的问题：1、某些情况下，如井的斜度超过65度的大斜度井甚至水平井，用电缆很难将仪器放下去2、井壁状况不好易发生坍塌或堵塞3、钻完之后再测井，地层的各种参数与刚钻开地层时有所差别.(由于钻井过程中要用钻井液循环，带出钻碎的岩屑，钻井液滤液总要侵入地层二﹑随钻测井的概念随钻测井(因为它不用电缆传输井下信息，所以也称为无电缆测井 )：是在钻开地层的同时,对所钻地层的地质和岩石物理参数进行测量和评价的一种测井技术.首先，随钻测井在钻井的同时完成测井作业，减少了井场钻机占用的时间，从钻井—测井一体化服务的整体上又节省了成本。
其次，随钻测井资料是在泥浆侵入地层之前或侵入很浅时测得的，更真实地反映了原状地层的地质特征，可提高地层评价的准确性.而且，某些大斜度井或特殊地质环境（如膨胀粘土或高压地层）钻井时，电缆测井困难或风险加大以致于不能作业时，随钻测井是唯一可用的测井技术。
另外，近二十年来海洋定向钻井大量增加。
采用随钻定向测井，可以知道钻头在井底的航向，指导司钻操作；可以预测预报井底地层压力异常，防止井喷；可以提高钻井效、钻井速度和精度，降低成本，达到钻井最优化（现代随钻测井技术大致可分为三代）•20世纪80年代后期以前属于第一代可提供基本的方位测量和地层评价测量在水平井和大斜度井用作“保险”测井数据,但其主要应用是在井眼附近进行地层和构造相关对比以及地层评价;随钻测井确保能采集到在确定产能和经济性、减少钻井风险时所需要的测井数据。
•20世纪90年代初至90年代中期属于第二代过地质导向精确地确定井眼轨迹 ;司钻能用实时方位测量 ,并结合井眼成像、地层倾角和密度数据发现目标位臵。
这些进展导致了多种类型的井尤其是大斜度井、超长井和水平井的钻井取得很高的成功率。
随钻测量随钻测井技术现状及研究随钻测量(measure while drilling，MWD)技术可以在钻进的同时监测一系列的工程参数以控制井眼轨迹，提高钻井效率。
随钻测井(logging while drilling，LWD)技术可以不中断钻进监测一系列的地质参数以指导钻井作业，提高油气层的钻遇率[1-5]。
近年来，油气田地层状况越来越复杂，钻探难度越来越大。
在大斜度井、大位移井和水平井的钻进中，MWD/LWD是监控井眼轨迹的一项关键技术[6-8]，是评价油气田地层的重要手段[9]，是唯一可用的测井技术[3]，而常规的电缆测井无法作业[10]。
国外的MWD/LWD技术日趋完善，而国内起步较晚，技术水平相对落后，国际知识产权核心专利较少[9]，与国外的相关技术有一段差距。
本文介绍国内外MWD/LWD相关产品的技术特点和市场应用等情况，分析国内技术落后的原因以及应对措施。
1 国外MWD/LWD技术现状20世纪60年代前，国外MWD的尝试都未能成功。
60年代发明了在钻井液柱中产生压力脉冲的方法来传输测量信息。
1978年Teleco公司开发出第一套商业化的定向MWD系统，1979年Gearhart Owen公司推出NPT定向/自然伽马井下仪器[10]。
80年代初商用的钻井液脉冲传输LWD 才产生，例如：1980年斯伦贝谢推出业内第一支随钻测量工具M1，但仅能提供井斜、方位和工具面的测量，应用比较受限，不能满足复杂地质条件下的钻井需求[11]。
1996年后，MWD/LWD技术得到了快速的发展。
国际公认的三大油服公司：斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯，其MWD/LWD技术实力雄厚，其仪器耐高温耐高压性能好、测量精度高、数据传输速率高，几乎能满足所有油气田的钻采，在全球油气田均有应用。
斯伦贝谢经过长期的技术及经验积累，其技术特点为高、精、尖、专，业内处于绝对的领先地位[12-15]，是全球500强企业。
LWD的技术主要体现在智能性、高效性、安全性[10]。
煤矿井下随钻测量技术及钻孔轨迹数据处理方法研究在煤矿生产作业中，为确保生产效率及安全，多会采取定向钻进技术，确保煤矿生产钻进工作的有效控制。
研制我国煤矿井下随钻测量技术，探究钻孔孔迹数据处理方法，其具备着极为显著的实践应用价值。
从一般水平定向钻进入手，分析水平定向钻孔轨迹的基本要素，探究煤矿井下水平定向孔轨迹的一般形式和描述方法，提出一定的钻孔孔迹数据处理方法。
标签：煤矿井下随钻测量技术；钻孔轨迹；数据处理1 一般水平定向钻进钻孔轨迹一般意义上的水平定位钻进，多选择以地面作为参照，并进行相应空间坐标系建立。
在煤矿生产作业中，其水平定向钻孔则需要依据井下钻场为参照，建立相关的空间坐标系。
为确保钻孔钻井精度及效率，需要综合考虑矿井实际状况，确保空间坐标系建立准确性，并研究表征钻孔贵轨迹空间位置的实际点、线、面与角之间所存在的具体关系，确定描述钻孔轨迹的方法及相关计算方法，将其作为钻孔轨迹设计与钻孔轨迹数据信息处理的理论基础。
定向钻孔轨迹，以空间曲线参数作为划分标准，则可以分为设计钻孔轨迹、实际钻孔轨迹与实测钻钻孔轨迹。
其中实际钻孔轨迹，指的是钻头钻进过程中由钻头中心点沿着钻孔轴移动所形成的实际的几何路径，其钻孔轨迹，是由众多点组合而成。
然而在实际操作过程中，受条件限制无法对钻孔轨迹中的所有点实施测量，因此其实际钻孔跪进仅仅具备抽象意义，无法将其完整绘制展示。
钻孔实测轨迹，指的是在钻进过程中，对实际轨迹中存在的某些特定点执行测量操作获得的轨迹，这些店称之为测点，以测点为基础，绘制出的钻孔轨迹表现为折线，折线与实际轨迹之间所具备的近似程度，是由测点的密集程度来决定的。
媒矿井下水平定向钻孔轨迹空间坐标作为基础，逐步实现钻孔轨迹描述与绘制作业。
其操作步骤主要为：第一，依据区域特征及实际，建立钻孔轨迹空间坐标系，对钻孔轨迹所处于的实际空间位置进行确定。
传统方式的地面钻孔，多会选择以地面作为参照，依据钻孔表现的方向，多将向下方向作为垂直轴，设置为Z，表示正方向，然而井下钻孔作业，不仅仅存在着垂直孔与下斜孔，还存在着近水平孔，钻有上仰孔，且其钻孔地点均位于地面以下，为方便研究与描述其钻孔钻进状态，其基本参照物多选择井下钻场，依据其参照体系，构建出垂直于轴向上为正方向的煤矿井下钻孔坐标系。
第六部分随钻测量技术随钻测量与地质导向工具是一项钻井技术的“地下革命”盐丘定向钻井技术在勘探、开发中的功用海上或陆地丛式井工程救险井因事故复杂进行侧钻多目标勘探与开发控制断层钻探水平井进行开发地面条件限制大位移定向井侧钻分支井6.1 随钻测量信息系统概述随钻测量系统MWD EM ˙MWD FM ˙MWD实时动态数据测量储存系统井下动态信息测储设备近钻头测量系统LWD 空间姿态测量系统钻头前方探测系统SWD地面监测录井系统综合录井仪八参数仪地面模拟器地面与井下数据储存、分析与显示系统地面或远方决策与总控系统微电脑一微电脑二微电脑三（上行测量信息通道）6.1.1 随钻信息测量-控制-通讯流程图地面控制设备环空/钻柱井下控制机构井下执行机构钻头/工具6.1.2 随钻测量系统发展∙MWD ——measure while drilling∙EM.MWD ——eleetronic measure MWD∙FE.MWD ——formtion Evaluation MWD ∙DWD ——Diagnostic-While-Drilling∙LWD——logging while drilling∙SWD——seismic while drilling∙GST ——Geosteering Tool6.1.3 随钻测量参数∙井斜、方位、工具面、井下钻压、井下扭矩、马达转速∙井下振动、伽马射线、地层电阻率、密度∙方位中子密度、中子孔隙度、环室温度∙探测各种异常地层压力、预测钻头磨损状况∙探测井下异常情况及故障分析∙通过井下存储可实现测井的全井图像分析6.1.4 随钻测量数据传输系统泥浆脉冲传输方法●涡轮发电机给系统供电●接收系统、接收各部分传感器采集的数据●连续脉冲波发生器由转子和定子组成，转子与定子之间切割泥浆产生不同的泥浆压力差。
利用钻杆传播应力波（声波）方法Burne和Kirkwood(1972)、Drumheller(1989)奠定了理论基础；Lee和Ramarao(1995)分析了充液钻杆中声波传输问题；哈里伯顿（2000）开发了声波遥传系统AST（Acoustic Telemetry System）最有潜力的高速传输方式●电磁波（EM）遥传系统载波频率一般在30Hz以下●泥浆脉冲遥传系统载波频率一般在100Hz以下●声波遥传系统（ATS）载波频段在400～2000Hz6.2 MWD 随钻测量系统井下传感器组装工具A/D 转换板温度校正换算,标定钻压校正加速度X,Y,Z钻压,钻头扭矩环空压力井眼压力温度磁力仪X 、Y1000赫兹16位为研究用的仪表面板储存器1000赫兹16位1000赫兹16位0.2赫兹0.2赫兹0.2赫兹格式变换数字低频滤波付立叶变换处理集成平均值计算转换诊断处理记录速度200,100,40赫钻压扭矩弯矩转速环定压力井眼压力加速度静态矩（平方根、立方根）温度1跳钻2 粘/滑3涡动、反转4扭振5轴向加速度6横向加速度7弯矩8钻头切削效率传输到地面0.2赫兹诊断标志静态的数据检测数字信号处理数据监测和处理框图Sandia National LaboratoriesMeasurement Sub:•Three-axis acceleration•High-frequency axial acceleration•Angular acceleration•Magnetometer (rotary speed)•Weight on bit, torque on bit, bending moment•Drill pipe and annulus pressure•Drill pipe and annulus temperatureSandia National Laboratories Data-transmission formatA stream of digital, bi-phase encoded framesData linkDigital data rate = 200,000 bits per secondA commercially available data link called Wet-connect wireline is chosed Surface display6.3 LWD 随钻测井系统6.3.1 与电缆测井的比较∙使测井在地层被破坏或被污染之前完成∙部分信息能实时测量，可使钻井过程更有效∙使测井更安全保险（某些井环境恶劣、下电缆困难）∙避免了仪器落入井中又无法回收等事故∙几乎能完成所有电缆测井工作，且有相同的测量精度∙成本高、尺寸大∙海上钻井作业中，使用LWD的比例高达95%∙每年随钻测井服务产值已占整个测井行业产值的25％6.3.2 系统组成及性能CDN——补偿中子密度CDR——补偿双电阻率指向性6.3.3 随钻测井工具（1）补偿双电阻率CDR （Compensated Dual Resistivity)∙高频感应能在各种泥浆中工作∙补偿井眼的影响∙伽马射线能谱分析∙探测两种深度：（中深RPS(？)是相位测量，深RAD（放射的）是通过衰感测量，使用目的是对比所钻地层，对地层进行评估）Integrated Drilling Evaluation and Logging (IDEAL)——ARC5 Array Resistivity CompensatedThe ARC5 Array Resistivity Compensated tool provides 2-MHz borehole-compensated phase and attenuation(衰减) resistivity measurements with multiple depths of investigation in slimholes.Benefits of the ARC5 tool∙Formation evaluation measurements while drilling in slimholes.∙Accurate Rt up to 200 ohm-m with wide range of borehole fluids.∙Invasion profiling to identify permeable zones.∙High-quality real-time measurements available for correlation and geosteering.Integrated Drilling Evaluation and Logging (IDEAL)——ARC5 Array Resistivity CompensatedFeatures of the ARC5 tool∙Five transmitters and two receiverscombine to give 10 vertically matched,borehole-compensated, 2-MHzresistivities.∙Total gamma ray sensor for lithologyestimation and correlation.∙Downhole memory and batteries allowtool to be run while drilling or whiletripping.∙Real-time data transmission with Slim1* MWD system∙Data processing provides horizontaland vertical resistivities (R h, R v), mudresistivity (R m), phase caliper(井径仪)andinvasion profile.6.3.3 随钻测井工具（2）补偿中子密度CDN （Compensated Density Neutron)由两个中子源、一个中子探测器、一个密度探测器、一个扶正器和电子线路构成。
∙使用两个探测器的目的是补偿井眼的影响∙补偿热中子密度∙补偿岩石的密度6.3.3 随钻测井工具（3）方位中子密度ADN（Azimuthal Density Noutron)由中子源、中子探测器、密度源、密度探测器和超声探测器等构成∙世界首创方位核子测井工具∙方位核子测量能认识非均匀性地层，并在不规则井眼中很好应用∙与电缆测量的密度和孔隙度的精度相同∙可用超声进行偏离间隙测量∙可允许大泥浆排量∙放射源易于安装打捞Integrated Drilling Evaluation and Logging(IDEAL)——AND Azimuthal Density Neutron∙是提供方位核子测量的第一个随钻测井工具；∙AND tool measures borehole-compensated formation density, neutron porosity, photoelectric factor (光电因子)and ultrasonic standoffs(间隙).∙These are individually measured in four quadrants (象限) around the borehole --top, bottom, left and right --along with averagemeasurements around the borehole.∙Quadrant readings allow detection of bed boundaries and6.3.3 随钻测井工具（4）近钻头电阻率RAB（Resistivity At Bit)由打捞柱、电池、上发射器、方位电极、电极环、方位伽马射线、钻头电阻率探测器和现场可换扶正器构成∙可定向地测量钻头处的方位电阻率∙可对地层倾角和井眼间隙补偿采用近钻头测量的原因∙实现地层对比∙实现地层评价∙保证测井数据更能真实反映地层情况∙得到比电缆测井效果更好的测井数据Integrated Drilling Evaluation and Logging(IDEAL)——RAB Resistivity-at-the-Bit方位电极应用：•地层评价（Formation evaluation）-盐水泥浆或高电阻率地层可精确测量电阻率-High vertical resolution(分辨率)（几英寸）-方位电阻率井眼成像探测电阻率各向异性-Sensor at bit to ensure minimum possible invasion-Total gamma ray sensor for lithology estimation-Battery power and downhole memory to log while trippingIntegrated Drilling Evaluation and Logging(IDEAL)——RAB Resistivity-at-the-Bit应用•相关性（Correlation）-Resistivity at the bit for instantaneous detection of casing and coring points,using the bit as the measurement electrode•钻井/机械（Drilling/mechanical）-The RAB tool can be run either slick or with a sleevestabilizer-Built into a short, independent sub for minimal interference with HBA design-Shock measurement to allow the driller to adjust weight on bitIntegrated Drilling Evaluation and Logging(IDEAL)——ISONIC Tool （90年代）在钻头上12米处的钻铤内装置发射和阵列接收探头，钻进时发射探头产生声脉冲，声波通过泥浆和地层传播到达4接受探头阵列，ISONIC 工具获得声波波形（acoustic waveform ）记录在井下存储器中，传输时间（transit time ）（地层时差）实时发送到地面，用于确定地层孔隙性（porosity ）、评价岩性、估测孔隙压力、并作为（synthetic seismograms)的输入值；实时钻井和测井数据可与3维地震数据一起放在计算机工作站上，声波数据可以来将钻头位置标示在地震图上。
