王智明，賈立鵬，李 剛，張 爽，郭心宇

（中海油田服務股份有限公司，河北 燕郊 065201）

1 概述

中海油服自主研發(fā)的隨鉆測井系統(tǒng)（簡稱：“Drilog?”）到2020年底，已完成520井次作業(yè)[1]。Drilog?采用正作用泥漿脈沖器，泥漿壓力波通過鉆井液上傳，可以實現(xiàn)0.5～3bps數(shù)據傳輸速率，將井下實時測量數(shù)據傳輸至地面系統(tǒng)，地面系統(tǒng)可通過指令下傳裝置將特定指令發(fā)送給井下儀器，實現(xiàn)對井下儀器工作模式的實時控制。

Drilog?研發(fā)之初，傳輸速率只有0.5bps，通過對已有正作用脈沖器編碼方式改進，傳輸速率最快提升到了3bps，但實際使用中受鉆進過程中各種參數(shù)影響，該類型脈沖器3bps傳輸速率在現(xiàn)場適應性較差，難以推廣。

傳輸速率是自主研發(fā)Drilog?的瓶頸，反觀國外兩大測井公司高速率傳輸儀器，斯倫貝謝Telescope和貝克休斯BCPM2，其傳輸速率裸傳超過12bps，甚至達到40bps。為了解決海上鉆井對鉆進時效的需求，掛接高端隨鉆儀器，2017年中海油服采用了互聯(lián)互通的形式，借助貝克休斯BCPM2實現(xiàn)數(shù)據快速傳輸。誤碼率低，實井鉆進效果好[2]。

隨鉆泥漿脈沖技術為隨鉆傳輸關鍵技術。中海油服自2012年起自主研制了高速傳輸系統(tǒng)（簡稱“HSVP”），于2016年新疆輪臺進行首次實鉆試驗成功，在國內首次實現(xiàn)了12bps的傳輸速度。自此，國外高端泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)開始對中國銷售，同時日費也大幅降低。

經過不斷改進和完善，中海油服自主研發(fā)的高速率泥漿脈沖器傳輸系統(tǒng)至2020年12月，已完成包括陸地和海上合計10口井的試作業(yè)。

2 Drilog?隨鉆測井系統(tǒng)

中海油服自主研發(fā)的Drilog?由井下儀器和地面系統(tǒng)組成[3-4]，如圖1所示。

圖1 Drilog?系統(tǒng)總體架構

2.1 Drilog?井下儀器

Drilog?井下儀器主要包括由隨鉆測量儀DIM（MWD系統(tǒng)）、工程參數(shù)測量儀DSM及隨鉆電阻率伽馬一體化測井儀ACPR組成。DIM采用泥漿正脈沖發(fā)生器作為井下信息上傳裝置，以三軸加速度計及三軸正交的磁通門實現(xiàn)井眼的井斜、方位及工具面角測量。DSM負責總線通訊控制及系統(tǒng)授時和供電，并具備超聲井徑測量，環(huán)空壓力測量及振動沖擊測量的功能。ACPR集成電磁波電阻率和自然伽馬測量，具備多探測深度、高縱向分辨率等特性。

2.2 Drilog?地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)由前端處理單元（EPU）和地面管理主系統(tǒng)（IDEAS）組成，二者通過網絡實現(xiàn)通訊。EPU實現(xiàn)信號采集處理、實時計算和通道擴展功能[8]，符合作業(yè)現(xiàn)場防爆隔離的安全規(guī)范。IDEAS系統(tǒng)集成數(shù)據管理、儀器通訊、實時解碼計算、出圖顯示等功能模塊。系統(tǒng)通過井場信息傳輸標準（WITS），可將井場作業(yè)數(shù)據實時傳輸?shù)交氐膶崟r專家決策系統(tǒng)（RTC），實現(xiàn)遠程實時地質導向。

3 HSVP?高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)

Drilog?中MWD系統(tǒng)低速正作用泥漿脈沖器制約了成像高端儀器的使用，需要研制高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)，替代正作用泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)。

自2012年1月開始，為了解決傳輸瓶頸，中海油服開始投入力量進行新一代高速泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)的研發(fā)。至2013年12月，研制出高速率泥漿脈沖隨鉆數(shù)據傳輸系統(tǒng)的脈沖發(fā)生短節(jié)，數(shù)據采集及解調子系統(tǒng)軟件，該短節(jié)在中海油服燕郊科技園3000m地面循環(huán)，實現(xiàn)了實時傳輸速率10Bit/s。在該階段，設計并實現(xiàn)了儀器傳動方案，驅動控制硬件軟件，消噪降噪方法，此外還進行了泥漿脈沖信號傳輸特性分析、信道容量分析、流體數(shù)值分析等初步研究。

2016年10月，中海油服自主研發(fā)的新一代擺動閥泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)，在中國海油COSL工程技術學院新疆分院的“探索者”號鉆井平臺上，按照預先制定的實驗方案完成了首次真井循環(huán)和實鉆實驗。最終成功實現(xiàn)了3016m井深時，實鉆實時傳輸速率12bps的傳輸指標。

新一代高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)由井下脈沖發(fā)生器和地面數(shù)據采集解調系統(tǒng)兩部分組成。

3.1 高速傳輸系統(tǒng)井下儀器

自主研發(fā)的高速泥漿脈沖器采用獨立短節(jié)結構，利用插接的方法進行連接，井下儀器結構見圖2，由適配頭、流道轉換1、電子骨架、流道轉換2、脈沖發(fā)生機構、鉆鋌、流道轉換3、硬連接等組成。

圖2 井下脈沖器結構示意圖

自主研發(fā)的高速泥漿器為擺動閥原理的脈沖器，轉子以1～40Hz的頻率進行往復擺動，定轉子周期性斷流體通道，是產生壓力波的機構，帶動轉子擺動的傳動系是脈沖器主要耗能機構，也決定著轉子的位置精度和轉動速度[5-6]。

3.2 HSVP地面數(shù)據采集及解碼系統(tǒng)

地面系統(tǒng)由壓力傳感器、泵沖傳感器、數(shù)據采集箱、終端顯示等組成。數(shù)據采集箱見圖3。

圖3 地面數(shù)據采集解調系統(tǒng)框圖

從接收到的泥漿壓力信號中獲得目標數(shù)據需要經過采樣、數(shù)據去噪、消除泵噪、匹配濾波、同步、均衡解碼等過程[7]。其流程如圖4所示。

圖4 信號解調流程

4 HSVP?陸地和海上推廣作業(yè)

4.1 儀器組合情況

自2017年開始，HSVP?進入儀器改進完善、試作業(yè)及推廣作業(yè)階段，在實鉆中改進儀器，對解碼算法進行迭代。到2020年10月，共完成8口陸地井作業(yè)。在陸地油田主要提供MWD測量、軌跡控制服務。提供的定向數(shù)據準確，滿足作業(yè)要求。

2020年12月HSVP?在渤海完成了首次試作業(yè)。海上油田為甲方提供MWD測量、LWD測井、軌跡控制服務，儀器工作正常，測井數(shù)據準確，軌跡控制符合甲方要求。該井的作業(yè)成功，為Drilog?高速率脈沖器作業(yè)模式的完善奠定了基礎。HSVP?完成的試驗及推廣作業(yè)情況見圖5。

圖5 HSVP累計進尺及循環(huán)時間

4.2 HSVP?作業(yè)分析

4.2.1 鉆井設備及儀器組合影響

（1）泵噪影響。解碼成功率對泥漿泵依賴較大，消噪算法主要是消除泵噪對信號的影響，一般通過時域或頻域方法消噪，時域消噪要求泵沖穩(wěn)定。單泵供液時，泵沖頻率在100次/min左右，雙泵供液時，泵沖頻率在50次/min左右，雙泵供液時要求兩個泵的泵沖要基本一致。

高速傳輸?shù)妮d波頻率完全可以避開泵噪。避開噪聲及噪聲N次諧波能量段，可采用較高載波頻率。泥漿泵轉速不穩(wěn)定，泥漿泵空氣包，泥漿泵老化，箱體和活塞密封不嚴，形成供液系統(tǒng)噪聲渦輪發(fā)電機的渦輪轉動，對解碼影響不大，高頻帶外噪聲。

（2）BHA影響。BHA中渦輪發(fā)電機、馬達等，會隨著排量的變化產生周期性噪聲，這些噪聲屬于帶外噪聲，不影響解碼。

鉆頭水眼、儀器變徑、脈沖器剪切閥距離鉆頭的位置等，會使泥漿壓力波產生反射，形成疊加，進而形成頻選效果，通過選擇載波頻率，可有效地解決這個問題[8-9]。

此外，脈沖器作業(yè)對BHA中使用馬達時滑動或旋轉鉆進，以及是否使用旋轉導向工具均不敏感。

（3）鉆井工程參數(shù)對解碼的影響。泵壓波動對解碼成功率影響不大。鉆壓不穩(wěn)對解碼成功率影響也不大。

海上作業(yè)當ROP超過100h，解碼成功率仍然超過98%，表明ROP對解碼影響較小。

（4）泥漿參數(shù)對解碼系統(tǒng)的影響。統(tǒng)計顯示，作業(yè)井的泥漿密度1.1～1.4g/cm3之間，這個密度區(qū)間對驅動控制效果及解碼效果影響不大。泥漿中含有氣泡會影響解碼，這主要是泥漿中含有氣泡會改變壓力波的傳播速度，需要解碼系統(tǒng)有高度的自適應特性。

泥漿粘度的影響需要在后續(xù)的作業(yè)中驗證。

4.2.2 安全性及適用性分析

（1）脈沖發(fā)生機構定子上插件、轉子材料均為硬質合金，泥漿中有落物沖擊時易碎，會造成鉆柱內憋壓。可以通過增加濾網短節(jié)過濾來流中的落物。

（2）泥漿里面混有氣泡，泥漿粘度過大，原始信號幅值弱，都會造成解碼不成功。

（3）電機控制參數(shù)目前可匹配大部分井況，幾乎無需在井口調試。

5 結語

（1）截至2020年底，中海油服自主研發(fā)隨鉆測井系統(tǒng)累計超過鉆進50×104m，作業(yè)范圍全面覆蓋國內海上和主要陸地油氣產區(qū)。目前高速傳輸主要采用互聯(lián)互通的方式，即利用國外公司的高速傳輸儀器進行作業(yè)。

（2）中海油服自主研發(fā)的高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)自2016年開始進行實鉆試驗，迄今完成了10井次的實鉆，總進尺14912m，總循環(huán)時間1845.3h。在2019～2020年度，形成穩(wěn)定作業(yè)能力，證明了系統(tǒng)在鉆進過程中測井質量優(yōu)良，為系統(tǒng)的擴大使用積累了作業(yè)經驗。

（3）高速率脈沖遙傳技術是隨鉆測井系統(tǒng)的關鍵組成，隨著自主高速傳輸儀器的定型和量產，可逐步替代國外高速傳輸儀器。

（4）隨著作業(yè)經驗積累，儀器設計日益完善，其作業(yè)線可掛接儀器日益增多，由基本的MWD拓展到ACPR電阻率伽馬，再到先進的中子、密度等測井儀器，甚至高端成像儀器，自主研發(fā)的HSVP?高速泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)，可充分滿足日益增長的隨鉆數(shù)據傳輸量需求。