近钻头地质导向钻井系统和随钻仪器

CGDS－I近钻头地质导向钻井系统

苏义脑，盛利民，邓乐，李林，窦修荣，王家进等 (中国石油集团钻井工程技术研究院，100097)

摘要：CGDS－I是由中国石油集团钻井工程技术研究院研制的具有我国独立知识产权的近钻头地质导向钻井系统(第一代)，该系统由测传马达、无线接收系统、正脉冲无线随钻测量系统和地面信息处理与导向决策软件系统组成，具有测量、传输和导向功能。本文简要还介绍了该系统结构组成、技术指标、功能和作用以及现场应用情况。该系统具有随钻辨识油气层、导向功能强的特点，可保证钻头在油层中穿行，从而提高油层钻遇率、钻井成功率和采收率，经济效益重大。

1 概述

地质导向钻井技术是当今国际钻井界的一项高新技术，1993年Schlumberger公司(Anadrill)首先推出的以IDEAL系统(Intergrated Drilling Evaluation and Logging，综合钻井评价和测井系统)为代表的地质导向钻井系统被公认为最有发展前景的21世纪的钻井高技术。地质导向能综合钻井、随钻测井/测斜、地质录井及其他各项参数，实时判断是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的位置，并及时调整钻头在油层中穿行，可直接服务于地质勘探以提高探井发现率和成功率，也适合于复杂地层、薄油层钻进的开发井，提高油层钻遇率和采收率。

目前国外仅有Schlumberger一家公司拥有商业化的近钻头地质导向钻井技术，据了解Halliburton和Baker Hughes两公司正在进行开发此类技术，但尚未见到其商业产品。中国石油集团钻井工程技术研究院(原中国石油勘探开发研究院钻井工艺研究所)从1994年开始调研并跟踪这一高新技术的发展，做了相应的技术准备，1999年开始对这一技术进行攻关，经过6年多的研制和10余次的现场实验，研制成功了具有我国独立知识产权的第一台CGDS－I近钻头地质导向钻井系统第一代产品(China Geosteering Drilling System)。以下内容将简要介绍CGDS－I的系统组成、主要技术指标、功能和作用以及现场应用实例。

2 CGDS－I系统组成

CGDS－I近钻头地质导向钻井系统的结构组成如图1所示，主要有以下部分：

1) 测传马达CAIMS (China Adjustable Instrumented Motor System)；

2) 无线接收系统WLRS (Wireless Receiver System)；

地面系统(CFDS) 正脉冲无线随钻 测量系统(CGMWD) 无线接收系统 (WLRS) 井下无线短传 测传马达(CAIMS) 钻头 图1 CGDS－I近钻头地质 导向钻井系统结构组成 -1-

3) 正脉冲无线随钻测量系统CGMWD (China Geosteering MWD)；

4) 地面信息处理与导向决策软件系统CFDS (China Formation/Drilling Software System)。

该系统井下部分由测传马达CAIMS、无线接收系统WLRS和正脉冲无线随钻测量系统CGMWD(井下仪器)组成，仪器总长18.11m。

2.1 测传马达CAIMS

测传马达的结构如图2所示，自下而上由带近钻头稳定器的传动轴总成、近钻头测传集成短节、地面可调弯壳体总成(0~2.5?)、万向轴总成、螺杆马达(i=5/6)和旁通阀组成。

无磁钻铤 上数据连接器 稳定器 正脉冲发生器 旁通阀 电池与控制电路舱体 5LZ螺杆马达 接收系统设置端口 短传接收线圈 下接头 万向轴总成 驱动器短节 图3 无线接收系统示意图

地面可调弯壳体总成 电阻率发射线圈 /无线短传发射线圈 井斜传感器 读取存储信息端口 电阻率接收线圈 近钻头稳定器 方位自然伽马传感器电池筒短节 方位电阻率传感器 定向仪短节 下数据连接器 钻头 图2 测传马达结构示意图 图4 正脉冲无线随钻测量系统CGMWD结构组成

近钻头测传集成短节由方位电阻率传感器、方位自然伽马传感器、井斜和工具面传感器、电磁波发射天线、减振装置、控制电路、电池组等组成。该短节可测量钻头电阻率、方位电阻率、方位自然伽马、井斜、温度等参数。用无线短传方式把各近钻头测量参数传至位于旁通阀上方的无线短传接收系统。

2.2 无线短传接收系统WLRS

WLRS的结构示意图如图3所示，自下而上主要由下接头、无线接收线圈、电池与控制电路舱体、稳定器和上数据连接器等组成。下与马达连接，上与CGMWD连接。其主要功能是接收马达下

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方无线短传发射线圈发送的电磁波信号，通过控制电路处理后，由上数据连接器将近钻头测量数据融入CGMWD系统。

2.3 正脉冲无线随钻测量系统CGMWD

CGMWD包括地面装备和井下仪器两部分，如图4所示。二者通过钻柱内泥浆通道中的压力脉冲信号进行通信，并协调工作，实现钻井过程中井下工具的状态、井下工况及有关测量参数(包括井斜、方位、工具面等定向参数，伽马、电阻率等地质参数，及钻压、扭矩等其他工程参数)的实时监测。

地面装备部分由地面传感器(压力传感器、深度传感器、泵冲传感器等)、仪器房、前端接收机及地面信号处理装置、主机及外围设备与相关软件组成，具有较强的信号处理和识别能力，传输深度可达4500m以上。

地下仪器部分由无磁钻铤和装在无磁钻铤中的正脉冲发生器、驱动器短节、电池筒短节、定向仪短节和下数据连接器等组成。上接普通(或无磁)钻铤，下接无线短传接收系统与测传马达。

由于采用开放式总线设计，该仪器可兼容其他型号的脉冲发生器正常工作。除用于CGDS-I近钻头地质导向钻井系统作为信息传输通道外，还可用于其他钻井作业或单独施工作业。 2.4 地面应用软件系统CFDS

CFDS主要由数据处理分析、钻井轨道设计(图5)与导向决策等软件组成，另外还有效果评价、数据管理和图表输出等模块。应用该软件系统可对钻井过程中实时上传的近钻头电阻率、方位电阻率和方位自然伽马等地质参数进行处理和分析，从而对新钻地层性质作出解释和判断，并对待钻地层(钻头下方某一深度内)进行前导模拟；再根据实时上传的工程参数，对井眼轨道作出必要的调整设计，进行决策和随钻控制。由此可提高探井、开发井对油层的钻遇率和成功率，大幅度提高进入油层的准确性和在油层内的进尺。

3 CGDS－I系统技术指标 项 目 外径 最大外径 近钻头稳定器 上部稳定器 井眼尺寸 造斜能力 传输深度 最高工作温度 脉冲发生器类型 上传传输速率 短传数据率 连续工作时间 近钻头测量参数 最高耐压 最大允许冲击 图5 钻井轨道设计软件界面

?165 mm ?190 mm ?213 mm ?210 mm 表1 CGDS-I系统总体技术指标 指 标 项 目 马达流量 马达压降 钻头转速 马达工作扭矩 马达最大扭矩 推荐钻压 最大钻压 马达输出功率 钻头电阻率传感器位置距马达底面距离 方位电阻率传感器位置距马达底面距离 方位伽马传感器位置距马达底面距离 井斜与工具面传感器位置距马达底面距离 CAIMS长度 WLRS长度 CGMWD长度 指 标 16?28 L/s 3.2 MPa 100?178 r/min 3200 Nm 5600 Nm 80 kN 160 kN 33.5?59kW 1.23 m 1.7 m 1.88 m 2.02 m 8.33 m 1.94 m 7.83 m ?216??244 mm(8-1/2??9-5/8?) 中、长半径 4500m 125?C 泥浆正脉冲 5 bit/s 200 bit/s 200 h 钻头电阻率，方位电阻率， 方位伽马，井斜角，工具面角 140 MPa 10000 m/s2(0.2ms,1/2sin) -3-

最大允许振动 150 m/s2(10?200Hz) CGDS-I总长度 18.1 m 表2 CGMWD测量参数与性能指标 项 目 测量范围 精 度 井斜角?6?时±1? 方位角 0?360? 井斜角3?6?时±1.5? 井斜角0?3?时±2? 井斜角 0?180? ±0.15° 工具面角 温度 抗震动 抗冲击 0?360? 井斜角?6?时±1.5? 井斜角3?6?时±2.5? 井斜角0?3?时±3? 表4 钻头电阻率技术指标 测量范围 0.2?2000 ?-m ±0.1?-m (电阻率≤2?-m) 测量精度 ±8%FS(2?-m<电阻率≤200?-m) ±15%FS (电阻率>200?-m) 垂直分辨率 典型值1.8m (6ft) 0.45m (18in) 探测深度 工作温度 125?C 140MPa 工作压力 测量范围 0.2?2000?-m 测量精度 ±0.1?-m (电阻率≤2?-m) ±7%FS (2?-m<电阻率≤200?-m) ±12%FS (电阻率>200?-m) 水 基 泥 浆 0?150? 2.5?C 2200m/s 随机5?1000Hz 5000m/s2 (0.2ms,1/2sin) 140MPa 最高耐压 最大工作温度 125?C 1% 最大含砂量 最大狗腿度 10?/30m(旋转)，20?/30m(滑动) 最大钻头压降 不限 表3 自然伽马测量技术指标 序号 项 目 精 度 1 测量范围 0?250API 2 精度 最大值的±3% 3 灵敏度 不劣于4API/cps 4 5 6 最高测量速度 分层能力 统计起伏(*) 30m/h 20cm ±3API 油 基 泥 浆 水 基 泥 浆 表5 方位电阻率技术指标 测量范围 0.2?200?-m ±0.1?-m (电阻率≤2?-m) 测量精度 ±8%FS (电阻率>2?-m) 垂直分辨率 典型值0.1m (4in) 0.3m (12in) 探测深度 工作温度 125?C 140MPa 工作压力 表6 近钻头井斜、工具面技术指标 项 目 范 围 0?360? 0?180? 精 度 ±0.4? ±0.4? 工具面角测量 井斜角测量 (*)：100API地层，钻速为60ft/h。

4. CGDS－I系统的功能

CGDS－I近钻头地质导向钻井系统具有测量、传输和导向三大功能：

1) 测量 如上所述，在近钻头测传集成短节中装有电阻率传感器、自然伽马传感器和井斜传感器，在无线短传接收系统中装有接收线圈。近钻头测传集成短节可测量钻头电阻率、方位电阻率、方位自然伽马和近钻头井斜角、工具面角，这些参数由无线短传发射线圈以电磁波方式越过导向螺杆马达，分时传送至无线接收系统中的接收线圈。

2) 传输 无线接收线圈接收到马达下方的信息后，由数据连接器融入位于其上方的CGMWD正脉冲随钻测量系统，CGMWD通过正脉冲发生器在钻柱内泥浆通道中产生的压力脉冲信号，把所测的近钻头信息(部分)传至地面处理系统，同时还上传CGMWD自身的测量信息，包括井斜、方位、工具面和井下温度等参数。

3) 导向 地面处理系统接收和采集到井下仪器上传的泥浆压力脉冲信号后，进行滤波降噪、检测识别、解码及显示和存储等处理，将解码后的数据送向司钻显示器供定向工程师阅读；同时由CFDS导向决策软件系统进行判断、决策，以井下导向马达(或转盘钻具组合)作为导向执行工具，指挥执行工具准确钻入油气目的层或在油气储层中继续钻进。

5. CGDS－I系统的作用

常规LWD/MWD导向工具的地质参数或工程参数测量点通常位于钻头后方较远的位置，无法准确判断钻头在储层中的位置，很难保证钻头始终处在薄油层中钻进，如6(a)所示。地质导向是综合钻井、随钻测井、地质录井及其他各项参数，实时判断岩性(是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的上方还是下方)及油/气/水界面，及时调整控制井眼轨迹，以保证钻头在油层中穿行，具有随钻辨识

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油气层、导向功能强的特点，如图6(b)所示。因此，大大提高了对地层构造、储层特性的判断和钻头在储层内轨迹的控制能力，从而提高油层钻遇率、钻井成功率和采收率，实现增储上产，节约钻井成本，经济效益重大。具体表现在：

1) 由于在近钻头装配了地质参数传感器(钻头电阻率传感器距钻头底面1.5m，方位电阻率传感器距钻头底面1.97m，自然伽马传感器距钻头底面2.15m)，能够及时判断钻开地层及钻头前方地层的特性，并寻找储层的位置，好像为钻头装上了“眼睛”，提高油层钻遇率。因此，CGDS-I钻井系统可解决复杂地质条件下探井、注水老油田开发水平井的信息不准，减少复杂情况和事故时效，提高钻井成功率，从总体上降低钻井成本。

2) 在钻头附近的地质参数传感器、工程参数(井斜和工具面)传感器(距钻头底面的距离2.3m)，以及5LZ型AKO螺杆马达(结构弯点距钻头地面的距离为3.33m)，使CGDS－I系统能够随钻辨识泥岩位于井眼的上部还是下部，并及时调整钻头的姿态，保证钻头能一直在油层中穿行。因此，CGDS－I系统可适用于地下油水关系复杂、薄油层、小断块油气藏的开发井以及大位移井，提高产量和采收率，把非经济储量变为经济储量，增储上产。

3) CGDS－I系统能够实时对井下地质、钻井数据进行监控，实时对地层进行判断，实时指导并完成钻井导向作业。因此，CGDS－I近钻头地质导向钻井系统是一项直接服务于油气地质勘探开发的随钻技术，为油气勘探开发提供重要的技术支持。

CGDS-I钻井系统的解决方案 常规MWD导向工具面临的挑战 实时近钻头测量：电阻率，伽马，井斜，工具面 应该向哪个方向钻进?

是否已钻达目的层? 是否在目的层内钻进? 可钻性： 向上？ 继续？ 向下？ 15?22m 实时钻头电阻率：测量钻头前方电阻率 实时井眼上下方测量：方位伽马，方位电阻率 方位电阻率, 方位伽马, 井斜, 工具面 钻头电阻率 常规MWD导向工具测量点通常位于钻头之后较远的位置，很难保证钻头始终在薄油层中钻进。 CGDS-I钻井系统实时监测近钻头电阻率、方位电阻率、自然伽马数据、近钻头井斜和工具面等数据，判断钻头在油层中的位置，并随时调整钻头姿态，始终在油层中钻进。 方位电阻率, 方位伽马, 井斜, 工具面 钻头电阻率 (a) (b) 图6 CGDS－I系统导向功能与常规LWD/MWD导向工具的比较

6 CGDS－I系统现场应用

6.1 CGMWD新型正脉冲无线随钻测量系统 实例1 系统功能实验

实验时间：2003年12月9日~30日；实验井队：大港油田50526井队；实验井位：冀东油田LB1-19-16井；实验井段：2315~2993m；实验简况：下钻8次，入井时间363h，工作时间257h，纯钻进时间244h，累计进尺678m；实验结果：系统工作性能良好，达到产品级水平。

实例2 脉冲发生器应用

滤波后信号 现场采集实际信号 -5-

图7 CGMWD现场采集和虑波后的泥浆脉冲信号