井下工程参数随钻测试系统设计

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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。

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]。

收稿日期：２０２３－０６－２０；修订日期：２０２３－１０－２６。

作者简介：胜亚楠（１９８９—），男，博士，现从事钻井工程风险评价、井身结构优化设计和油气井井下信息控制等方面的研究工作。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｇｙａｎａｎ＿ｕｐｃ＠１６３．ｃｏｍ。

文章编号：１６７３－８２１７（２０２４）０２－０１０８－０４基于井下参数测量的钻柱运动特征及异常状态分析方法胜亚楠（中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳４５７００１）摘要：随着石油勘探开发的不断深入，井下地质构造越来越复杂，井下钻柱／钻头等工作环境更加恶劣，对井下复杂工况做出准确及时的判断是钻井过程中面临的主要难题之一。

传统的地面录井手段由于所测数据不是井底真实数据，并且数据传输存在时效性等问题，已难以满足超深井等复杂井安全钻井需求。

为此，研制了井下工程参数测量仪，该仪器能够实现井下钻压、扭矩、振动、管内压力、环空压力、温度等工程参数的精确测量、采集与存储，具有采集频率高、存储容量大、安全系数高等特点，能够获取井下近钻头处真实的工程参数，为提速工具优化设计、井下复杂工况诊断、优快钻井方案的制定提供了技术支撑。

现场试验测试数据的分析验证表明，该仪器测得的各数据同现场实际工况和井下状态相互吻合。

关键词：井下工程参数；近钻头；数据处理与分析；钻井安全中图分类号：ＴＥ２４２ 文献标识码：ＡＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｄｏｗｎ－ｈｏｌｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａＳＨＥＮＧＹａｎａｎ（ＤｒｉｌｌｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＺｈｏｎｇｙｕａｎＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＳＩＮＯＰＥＣ，Ｐｕｙａｎｇ４５７００１，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｏｉｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｃｏｍｐｌｅｘ，ａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｕｃｈａｓｔｈｅｄｏｗｎｈｏｌｅｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇ／ｂｉｔｉｓｗｏｒｓｅ．Ｈｏｗｔｏｍａｋｅａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｔｉｍｅｌｙｊｕｄｇｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｄｏｗｎｈｏｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｕｒｆａｃｅｌｏｇｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｕｎａｂｌｅｔｏｍｅｅｔｔｈｅｓａｆｅｔｙｄｒｉｌｌｉｎｇｎｅｅｄｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｗｅｌｌｓｓｕｃｈａｓｕｌｔｒａｄｅｅｐｗｅｌｌｓｄｕｅｔｏｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａｉｓｎｏｔｒｅａｌｄａｔａｆｒｏｍｔｈｅｂｏｔｔｏｍｏｆｔｈｅｗｅｌｌａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｌｉｎｅｓｓｏｆｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｆｏｒｔｈｉｓｐｕｒｐｏｓｅ，ａｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎａｃｈｉｅｖｅａｃｃｕｒａｔｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｓｔｏｒａｇｅｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈａｓｄｏｗｎｈｏｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｏｒｑｕｅ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｐｉｐｅｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｎｕｌａｒｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｅｔｃ．Ｉｔｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｌａｒｇｅｓｔｏｒａｇｅｃａ ｐａｃｉｔｙ，ａｎｄｈｉｇｈｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒ．Ｉｔｃａｎｏｂｔａｉｎｒｅａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｎｅａｒｔｈｅｄｒｉｌｌｂｉｔｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ，ｏｐｔｉ ｍｉｚｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｔｏｏｌｓ，ｄｉａｇｎｏｓｅｃｏｍｐｌｅｘｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔｐｒｏ ｖｉｄｅｓｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｄｏｗｎｈｏｌｅｃｏｍｐｌｅｘｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉ ｍａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｉｅｌｄｔｅｓｔｄａｔａ，ｉｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｄａｔａｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｆｉｅｌｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｄｏｗｎｈｏｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｎｅａｒｄｒｉｌｌｂｉｔ；ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｒｉｌｌｉｎｇｓａｆｅｔｙ２０２４年３月石油地质与工程ＰＥＴＲＯＬＥＵＭＧＥＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ第３８卷　第２期 随着石油勘探开发的不断深入，井下地质构造越来越复杂，深井、大位移井、长水平段水平井等特殊复杂井越来越多，井下钻柱／钻头等工作环境更加恶劣，会导致钻头提前失效、钻具疲劳破损频发，井下设备损坏等，同时限制了钻压的有效传递，继而影响钻井时效和最终的经济效益［１－４］。