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1、应力波随钻测量技术研究进展罗维摘要：随着油气勘探开发的不断深入， 钻井信息化、井筒可视化成为人们迫切的要求，现有的泥浆脉冲、电磁等无线数据 传输技术已不能满足技术发 展的要求， 应力波井筒数据传输技术成为近年国内外的研究热点之一，中国石油西部 钻探克拉 玛依钻井研究院成功研制了具有独立知识产权的应力波随钻测量系统工业样机，本文 阐 述了应力波随钻测量系统（S-MWD）的构成及工作原理，室内试验情况，分析了试验数据及应力波信号传输的影响因素，论述了强噪声背景下微弱应力波信号的混沌振子检测方法，试验结果表明应力波随钻测量技术的发展前景是广阔的。关键词：应力波 井筒 数据传输 随钻 混沌振子 检测近
2、年来随着空气、雾化、泡沫、充气泥浆等特种钻井技术的迅猛发展，以及控压钻井、导向钻具等新技术的开展对随钻测量与数据传输的要求越来越高，现有的基于泥浆脉冲和电磁波的传输系统，不仅在传输速率或传输距离上不能满足要求，而且对钻井流体或地层特性具有选择性要求，因此存在很大局限性，基于应力波的无线无线传输技术成为研究热点，美国太阳石油公司（Sun Oil Company）1948 年开始研究，日本国家石油公司 1996 年利用磁致伸缩换能器传输 1914m(l 连续钢钻杆) ，传输速率 10bps，哈里伯顿（Halliburton）2000 年非随钻系统等，国内有哈尔滨工业大学研究了油管声波传输，西北工业
3、大学研究了基于双旋转振子的声波油管传输方法，清华大学开展了基于声波导原理的声波传输原理研究，中国石油大学（华东）与胜利油田联合开展了近钻头短传研究，目前以进入现场试验阶段，中国石油西部钻探克拉玛依钻井工艺研究院开展了应力波数据传输技术研究，开发的基于浅层应力波传输的随钻测量系统（CS-MWD）进入试验阶段。1、CS-MWD 系统构成及工作原理应力波（Stress waves）是指具有惯性和可变形性的固体，在受到随时间变化的外载荷作用时，质点之间发生相对运动（变形）而产生的相互作用（应力） 。地震波，固体中的声波、超声波，以及冲击波等都是应力波的常见例子。因此可以通过地层或钻具的变形应力波动来传
4、输信号，因此通过应力波信号传输数据不受钻井流体及地层特性影响，可广泛应用于各种钻井方式。浅层应力波传输的随钻测量系统（CS-MWD）的井下发射机将来自传感器的数据进行编码调制、功率放大，由发射换能器将载荷作用到钻柱上，应力波沿钢制钻柱向上传播；安装在钻台以上的旋转钻柱上的接收换能器将应力波信号通过调频电磁波转发到地面接收机，同时接收的还有现场振动噪声和环境声波噪声，信号和两类噪声都经过低噪声放大器放大后，经模数转换后由计算机进行信号处理及数据分析，结果送司钻显示器等终端设备。 CS-MWD 的通信系统构成如图 1 所示。图 1 CS-MWD 通信系统示意图浅层应力波传输的随钻测量系统（CS-M
5、WD）可分为五个子系统：井下数据采集（由三轴加速度计、三轴磁通门等传感器构成） ；井下信号发射机；钻柱转发器；地面信号接收机，地面数据处理及输出终端。井下应力波信号发射机、钻柱转发器及地面信号处理方法是关键技术。CS-MWD 系统的基本构成如图 2 所示。图 2 CS-MWD 系统示意图井下应力波信号发射有磁致伸缩激励、压电陶瓷激励、机械激励、爆炸激励、激光激励、温度激励等多种方式，其中压电陶瓷激励易于实现且激励效率高，所以 CS-MWD 系统采用压电陶瓷激励方式。井下发射换能器由专门设计的钻铤构成，两个半环激励振子对扣成环，包裹在钻台凹槽内，由保护筒密封防护。CS-MWD 系统井下仪器总成如
6、图 3 所示。图 3 CS-MWD 系统井下仪器总成示意图CS-MWD 系统与泥浆脉冲 MWD 和电磁 MWD 比较，有以下特点：不受钻井流体影响，可用于水基钻井液、油基钻井液、气体及充气钻井液；不受钻井液流量、流变性能以及含砂量、含气量等方面的影响；不受地层特性影响，可以使用于各种地层；不循环钻井液时也能够进行数据传输；系统结构简单、井下仪器总成无活动零部件，可靠性好；井下仪器总成无易损件，使用成本低。2、CS-MWD 系统样机的地面试验通过研究钻柱应力波传输特性、CS-MWD 系统设计、机械设计、电子设计及软件设计、与地面试验，中国石油西部钻探克拉玛依钻井工艺研究院于 2008 年 4 月
7、底研制成功了应力波井筒数据传输系统原理样机。于 2008 年 4 月 23 日至 5 月 17 日在克拉玛依钻井工艺研究院试验基地分别进行了钻杆，230m 钻杆，10m 螺杆数据传输地面试验，接收到的应力波信号强，接收效果良好。7 月 3 日7 月 17 日进行了旋转钻柱转发器试验，接收的无线信号清晰，效果良好。7 月 20 日至 8 月 25 日进行了抗干扰仿真试验，取得了良好的效果。表 1 CS-MWD 样机地面试验概况时间 试验目的 试验地点 传输介质 测量距离/m 备注2008-4-24 性能测试 钻研院厂区 钻杆 230 信号强度2008-5-7 功能测试 钻研院厂区 钻杆 230
8、数据加载2008-5-7 性能测试 试验基地 螺杆 12 信号强度2008-5-15 功能测试 试验基地 螺杆 12 数据加载2008-7-12 旋转影响 试验基地 空气 9 数据转发2008-8-21 振动影响 试验基地 螺杆 12 干扰仿真试验过程采用 16bps 速率传输速率，在静止状态传输同步信号稳定，误码率为零，在人造干扰时，同步信号锁定漂移，误码率有一定上升，经改进后试验，大幅提高了抗干扰性能，通过 500 多小时的地面试验表明，静态条件下应力波数据传输效果非常好，动态条件下误码率有所上升，但依然能够有效传输数据，据此，经过改进设计的工业样机，正在进行加工。3、试验结果分析使用钻柱
9、应力波传输数据我们主要关心应力波的频率特性和能量衰减特性，由于钻柱在长度方向和径向的几何结构的周期性，使得它在传输应力波时呈现梳状滤波器特性，丝扣的松紧程度和钻杆几何尺寸不可能完全一致等复杂因素导致与理论计算有较大差距，主要表现在通带的位置和宽度上，因此必须经过实际测试确定通频带优选才能有效传输数据，由于试验过程中先对通带进行了测试优选，这里主要分析能量衰减特性。应力波的主要衰减有扩散衰减、散射衰减和吸收衰减三中。散射衰减系数：由公式可见其与频率的 4 次方成正比，试验频率在 2000Hz 以下，因此散射衰减可忽略，吸收衰减系数与频率的关系：由于衰减系数与频率的平方成正比，因此频率选择不应过高
10、，在此也可以忽略，扩散衰减系数：扩散衰减是应力波衰减的主要方式，为方便起见，主要以扩散衰减来分析试验数据，依据多层平面透射理论以及换能器匹配层计算，两界面透射率均为 98.3%，因此 T 可取0.983，则：式中，p 0 为发射换能器发射信号幅值；a、b 为扩散衰减中和钢管性能、结构相关的系数；p 为接收换能器接收信号幅值；L 为传输距离；T 为透射率。表 2 真实钻杆信号衰减表钻杆长度 0m 9.2 45.5 230 12m接收信号强度 4560mV 500.7mV 240mV 65.58mV 455mV图 4 应力波在钻杆中传输 13 m 后接收到的波形230m图 5 应力波在钻杆中传输
11、230 m 后接收到的波形Ckrc1433210bLa13)(8faAsc20bLap01002003004005006007008000 50 100 150 200 250图 6 理论计算的应力波在 250m 钻杆中的衰减01002003004005006000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000图 7 理论计算的应力波在 1000 m 钻杆中的衰减0246810121416181000 2000 3000 4000 5000 6000 7000图 8 理论计算的应力波在 7000 m 钻杆中的衰减可以看出，在传输距离较小的时候，应力波衰减较快
12、，而在传输距离较长以后，衰竭速度会慢慢下降，通过实验和计算，可以得出利用应力波在钻柱中长距离传输信号是可行的。4、CS-MWD 技术的前景及趋势我国拥有面积的低压、低渗油气藏及深层油气资源，深层油气钻探通常要钻遇高研磨性、极坚硬地层，气体钻井是解决上述难题的有效手段。发达国家气体钻井数量远大于我国，因此气体钻井具有很大发展空间。在浅层稠油资源开发上，CS-MWD 使用成本比MWD 低，具有经济效益好的特点。然而，应力波传输技术也有自身的弱点，传输距离大于 3000m 需要加中继才能完成信号传输，因此使用会受到限制。虽然 CS-MWD 已经取得了突破性进展，但仍出于研究试验阶段，还需要不断的改进
13、和完善，需要在以下几个方面取得重要进展：（1）通过优化压电激励器与钻柱的耦合效率，提高能量利用率,提高应力波信号的传输距离；（2）提高强背景噪声下的信号检测能力，增强抗干扰性能；（3）研制适用于气体钻井的井下发电机及高容量电池，提高信号发射功率和系统的连续工作时间， （4）扩展测量功能功能，主要是近钻头地质参数测量；（5）实现地面与井下双向传输功能。复杂地质条件所带来的钻井技术难题及气体钻井、控压钻井及导向钻井等工艺技术的推广应用为应力波井筒数据传输技术提供了有利的契机和发展空间。随着该技术的发展，其适应性将会提高，优势得到显现，应力波井筒数据技术必将成为随钻测量领域中的一项重要技术。5、结论
14、（1）CS-MWD 是解决气体钻井及各种充气钻井中随钻测量问题的主要技术手段，随着气体钻井数量的迅速增加，对 CS-MWD 的需求将更加凸显，此外，浅层稠油的开发使用 CS-MWD 也可带来良好的效益。（2）CS-MWD 可用于各种钻井液，且不受钻井液流量、含砂量、含气量等影响，无需循环钻井液即可实施随钻测量，具有结构简单，可靠性好、使用成本低的特点。（3）地层、钻头振动、地面环境、发射功率和通带频率、接收机灵敏度和接收传感器布置方式、强背景噪声下的微弱信号检测能力等都对应力波信号传输和 CS-MWD 性能产生影响，其中振动和扭转应力是主要的影响因素。（4）CS-MWD 近期的发展是提高抗干扰
15、能力，增加测量深度和井下电源研究提高井下发射机工作时间，CS-MWD 将成为今后随钻测量领域中的一项重要技术。参靠文献：1 刘修善，杨国春，涂玉林等.我国电磁随钻测量技术研究进展 .石油钻采工艺M ，2008,30（5）：25.2 李志刚，管志川，王以法.随钻声波遥测及其关键问题分析 .石油矿场机械M ，2008,37（9）：69.3 王礼立.应力波基础.国防工业出版社，2005：19.4 代志平.超生波在钻柱中的传输特性研究.硕士学位论文， 2007：2538.5 葛光涛.油井参数遥测系统 . 硕士学位论文，2005： 4396.6 沈宝利.油井参数遥测系统 . 硕士学位论文，2003： 1725.
