超深井钻探过程中井下数据采集与传输的方式及仪器
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发布时间：2022-04-22 04:46
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时间：2024-02-18 02:17
随着现代检测技术、计算机及其软件技术的飞速发展，目前采集与传输地表钻进参数并不困难。前苏联СГ-3超深井钻探的实践证明，当井深超过5km时地表测得的钻头和井底动力机工作参数的准确性明显下降，因此必须直接对井底钻进参数进行检测。
1.2.1 井下数据采集的方式及仪器
整个井下数据的检测过程主要以信号流的形式出现，包括信号的采集、信号的转换、信号的处理与显示。测量不同的物理量，须采用不同的传感器，常用的井下参数测量传感器包括：
1）温度传感器：主要用热敏传感器和热电阻抗震传感器。
2）压力传感器：国际石油界把石英晶体压力计作为行业压力测量标准。
3）工具面向角、顶角（井斜角）和方位角传感器：主要用三轴磁通门磁强度传感器和三轴加速度传感器。
4）地层参数传感器：主要有伽马测井、电阻测井和电磁测井等抗震传感器。
近年来国内外迅速发展的随钻测量（MWD）和随钻测井（LWD）技术已把上述井下参数传感器及其后续的信号转换、处理与传输功能集成于一体，可实现钻进过程中实时地采集和传输井下参数。
目前处于国际领先地位的随钻测量（MWD）仪器厂家及产品如表1.2所示。
表1.2 处于领先地位的随钻测量厂家及产品
1.2.2 井下数据传输的方式及仪器
按井下信号向地表传输方式的不同可把仪器分为“井下存储”和“直接传输”式两类；向地表“直接传输”的通道又分为“有线”、“无线”两大类。目前可用的“无线”传输通道包括：泥浆脉冲、声波和电磁波通道（如表1.3所示）。由于声波方式目前很少在生产中应用，故下面主要介绍其他传输方式。
表1.3 孔底信号传输通道类别
（1）井下存储方式
不实时将采集的数据传输到地面，而是将这些数据保存在SD卡内。每个回次结束后起钻读取数据，或通过自浮式仪器将存储的数据读取到计算机中，从而可节约升降钻柱的大量辅助作业时间。
为保证井下数据采集的可靠性，德国KTB科学钻探工程在采用泥浆脉冲方式传输数据的基础上还准备了备用方案：在井下仪器中安装一个存储器，不断记录钻井过程中传感器测量的数据，待提钻后将仪器存储器中的数据导入计算机，实现井下数据的回放与存储。
中国CCSD-1科学钻探工程也是采用井下存储方式。
（2）有线随钻传输方式
有线方式在钻进过程中通过铠装电缆把井下测量参数传至地表，具有成本低、对冲洗循环系统要求低、数据传输准确、可直接向井下供电和响应性好等优点，但电缆会影响正常钻进过程，加接钻杆耗时长。
（3）泥浆脉冲随钻传输方式
泥浆脉冲信息传输方式有压力正脉冲、负脉冲和连续脉冲3种形式，最大信号传输井深8000m左右。其信号形成机理及工作特点见表1.4所示。常用泥浆脉冲式随钻测量仪如表1.5所示。
表1.4 三种泥浆脉冲信号的产生方式
俄罗斯的СГ-3超深井和德国KTB科学钻探工程，均使用泥浆脉冲发射器将经过处理并编码的信号传至地表，地表信号接收器接收信号并对信号进行解码，从而获得井下测量数据。俄罗斯采用井底发电机向泥浆脉冲器供电，并引入“所需功率系数K”以评价深井随钻测量的能耗。考虑到设备的可能性和15000m深处所需液力条件，系数K应不超过5%。
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）
式中：Nr为井底发电机所需水马力；N为泵的水马力。
表1.5 常用的泥浆脉冲式MWD仪器一览表
德国KTB为减少井深对泥浆脉冲信号的影响，当钻进到较深井段时，通过延长泥浆脉冲的时间间隔来实现井下数据的传输。由于井下温度高，KTB主要通过井下发电机供电，同时有锂电池供电备用方案。
（4）电磁波随钻传输方式
采用电磁波传输孔底信号是近年来发展起来的一种无线随钻测量技术。其优越性在于：①可在泥浆、气体、泡沫等任何冲洗液中使用；②停钻、停泵时仍可传输数据；③可在滑行钻进和转盘钻进中使用（有线方式只能在滑行钻进中使用）。但深孔（＞4000m）条件下信号受地层电阻率影响大。
俄罗斯的ZTS型电磁波随钻测量仪主要技术参数如表1.6所示。
表1.6 俄罗斯ZTS电磁波随钻测量仪主要技术参数
