第七章 随钻测量
随钻测量（Measurement While Drilling）简称MWD，是定向钻进中一种先进的技术手段，可以不间断定向钻进而测量近钻头孔底某些信息，并将信息即刻传送到地表的过程。随着技术的进步，现代随钻测量已发展为随钻测井（Logging While Drilling），简称LWD，不仅可以监控定向钻进，还可以进行综合测井，获取信息的种类有：
（1）定向数据(井斜角，方位角，工具面角)；
（2）地层特性(伽马射线，电阻率测井记录)； （3）钻井参数(井底钻压，扭矩，每分钟转数)。
传感器是装在作为下部钻具组合整体的一部分的特殊井下仪器中。井下仪器中还有一个发射器，通过某种遥测信道将信号发送到地面。目前使用的最普通的遥测信道是钻柱内的钻井液柱。信号在地面上被检测到后，经过译码和处理，就按方便和可用的方式提供所需的信息。图7-1示出了MWD系统的主要部分。MWD的最大优点是它使司钻和地质工作者实时地“看”到井下正在发生的情况，从井底测量参数到地面接收到数据只延误几分钟，所以可以改善决策过程。
图7-1 MWD系统概况
尽管MWD的概念不是新的，但只是在近几年钻井技术的进步才使之成为现实。30年代出现的电测技术对鉴别和评价地层起了很大作用。但是，它的主要缺点是必须在起出钻柱后才能使用电缆下井。等到实际测井时，由于钻井液浸入的影响，妨碍了地层真实特性的测量。当钻头钻穿不同地层时，由于没有确定的方法辨别出岩性的变化，—些重要的层位可能没有检测到。有时，后来的电测显示出错过了油层段顶部的取心点，或是钻头钻得过深钻到了产油层下部的水层中。钻井液测井和监测钻速虽可指供一些井底情况，但由于要等到岩屑循环到地面的时间延误使这一过程效率太低。所以，需要一种能够在钻井时瞬时而连续地监测地层的系统。对这一系统有如下要求：
(1)坚固可靠的传感器，可在钻进动态条件下在钻头处或钻头附近测量需要的数据；
(2)将资料传送到地面的方法简单有效；
(3)可以方便地在任何钻机上安装并操作的系统，对正常钻进作业影响不大；
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(4)成本合理，并能给作业者带来效益。
为开发满足这些要求的系统，人们作过多次尝试。主要问题是井下和地面之间的遥测传输系统。从1930年到1960年，人们研究了4种不同的遥测系统：
(1)电传导(硬导线系统) (2)电磁发射；
(3)地震(声)波；
(4)钻井液压力脉冲。
直到1960年，这些遥测系统的研究主要是为了随钻测井。定向井的日益增加，特别是花费高昂的近海地区，刺激了人们去开发既能处理定向测量数据又能处理地层评价数据的随钻测量系统。由于在海上平台中利用传统测量工具费用很高，人们不久就认识到使用定向随钻测量仪器更具有商业潜力。起初的MWD系统就只提供定向数据，紧接着就有了可以附加测量钻井参数和地层数据的另外—些工具。尽管有关其它3种遥测方法的研究还在继续着，但迄今为止却只有这些依靠钻井液压力脉冲的MWD系统在技术上和经济上是成熟的。
自1979年以来，MWD系统有了很多的改进，可以提供更多的传感器和更高的可靠性。随着更多的MWD公司进入市场，可利用的工具种类越来越多，竞争也使价格不断降低。在国外一些地区，使用MWD已成为定向钻进的准标工艺。在其它应用中MWD的使用也带来了效益，尤其是测井。在多种传感器工具的发展中，为了提供实时数据，人们已认识到数据传输率(井底数据送到地面上的速度)也须改进。
第一节 遥测通道
上述4种遥测通道在习惯上一般分为两大类，电传导硬导线属于有线随钻MWD系统，电磁波法、地震(声)波、钻井液压力脉冲传输属于无线随钻MWD系统。
一、硬导线法
最直接的方法是通过某种导体将电信号传到地面。硬导线法最初是在80年代作为一种在钻进过程中将地层资料传到地面上的方法而被提出的。
1．钻杆上附加绝缘导线
这种方法是将连续导体附在钻杆内使其成为钻杆整体的一部分。装在接头内的特殊联接装置使钻柱可在整个长度内导电。传感器装在一个特制的钻铤内。铠装电缆(或跨接线)将这个钻铤与钻杆下端连接起来。这样避免了穿过BHA（井底钻具组合）各种部件所需的整个线路。跨接线的长度必须与BHA的总长相等，以保证维持—定的张力。系统的另—端，在方钻杆顶部安装一个绝缘的滑环。该滑环与处理信号并给出最终结果的地面设备相连，(图7-2)。
这种系统的主要缺点是：
(1)制造特殊钻杆柱须另加费用；
(2)在接头处获得连续电路比较困难。
图7-2 使用特制钻杆的硬导线系统
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2．通过钻柱下入电缆
为克服第一种方法的缺点，另一种方法是通过钻杆内部下入电导线。导线的类型与电测中的电缆相似，是铠装电缆。这里有个明显的缺点是随着钻井的加深，加接单根时必须提出电缆和仪器，或者是预先将电缆线套入到钻杆内孔中，显然，这是非常麻烦的，有时甚至是不可行的。解决这一问题的一种方法是，在钻柱中段某一合适位置加接一个侧入式密封装置，该装置类似一个三通接头，上下通道连接钻柱，侧向通道可将预先下入钻柱内的定向测量仪器的电缆线变换到钻柱外侧，电缆线附着在钻柱外壁上，这种方法对于钻进中钻柱不回转时是有效的，但也必须防止电缆线的磨损与挤压。另一种解决问题方法是通过在钻杆内部的卷轴上存放—段额外长度的电缆。装在系统内的电机锁梢可使在加新单根时电缆暂时中断。但是，在起钻前须先把整段电缆全部收回(图8—3)。
尽管有一系列的操作问题有待克服，但是比起其它遥测方法来，硬导线系统确实还是有—些优点：
(1)传输速率高，可使很多信息实时传递； (2)井底不须附加动力源；
(3)可以双向传递信息(即可以向下传递信号激活诸如可调弯接头，或井下防喷器等某些部件)；
(4)因为不存在信号减弱的问题，所以不象其它方法那样效果受深度的限制。
图7-3 使用电缆环的硬导线系统
二、电磁波法
自从上个世纪40年代以来，国内外一些研究机构一直研究利用电磁波穿过地壳传递信号。目前，俄罗斯、美国等一些国家已取得实质性进展，研究成果已在试验与实践中得到实现，该方法根据电磁波在地层中的传播特性，采用电磁波为信号传输通道，把一个电磁波发射器装在井内仪器中，井内仪器作为BHA的一个组成部分，通过井内仪器中的传感器采集近钻头井底信息，电波发送器产生可调制信号，以二进制码形成发送所需数据。地面上通过安装在井场附近的天线接收这些信号。最具典型的是俄罗斯已研制成功的电磁波通道式井底遥测系统，其结构组成与工作原理如图7-4。
井底遥测系统包括井内仪器1和地表装置2。地表装置用来接收、分离并实时变换和记录有用信号。井内仪器包括测斜用方位角传感器3，顶
角传感器4和带正余弦回转互感器的变
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图7-4 电磁波通道井底遥测系统
向器
位置传感器5，还有信号变换器6，自给式电源(涡轮发电机7)和信号发送器8。一个信号发送电极是钻杆柱9，另一个发射电极是下部钻具组合，它们之间被隔离器11绝缘。在离钻机50～300m的范围内往地下打人一根接收天线12。
遥测系统工作时，在隔离器11的周围、钻柱9与接收天线12之间的岩石中将有电流流过，在地表装置中接收的信号是上述电流造成的电位差。接收装置2借助相关分析方法处理来自井底的信号，并把测得的参数显示在屏幕13上。
这种系统有几个优点：
（1）数据传输速度快，载波信息量大；
（2）受泥浆介质和水泵特性的影响小，即使在提下钻过程中也能检测数据。 （3）系统安装比其他方法安装简便。
但是这种方法受地磁特性影响大，信号衰减严重，适用孔深相对较浅。如果将上述优点与信号衰减问题加以权衡时，那么只有低频电磁波可以有效地传输，而这些有时很难与钻机上电动设备发出的频率区分开来。
三、声波法
该系统利用声波（或地震波）传播的机理来工作的。为克服钻井作业中的背景噪声，BHA处须安装大功率的地震发生器。钻进过程中，声波沿着钻杆、地层等不同介质传播到地表。地表监测仪器接收到信号，经过处理得到相关的有价值的数据。声学信号的形式不仅随钻井规程而改变，而且还受所钻岩石性质不稳定的影响。
声学通道传送的信息量很小。因为钻杆直径和锁接头直径是变化的，所以使声波产生反射、干涉、强度降低，从而很难在干扰噪声中分辨出有用信号。当钻杆柱和钻头与井底相互作用时，会在钻杆柱中出现纵向弹性波。监测井底过程的基础是分析钻杆柱地表部分的振动。能够顺利监测的主要参数是岩石破碎工具的回转频率，因为记录的频谱中占绝对优势的是牙轮的振动谐波，与其余谐波分量相比它的强度和能量最大。由于振动的幅值和频率与牙轮的磨损程度具有相关性，所以，可据此来判断工具的状态。当钻进规程保持不变时，信号的幅值变化情况还可反映岩石的力学性质。
声学信息通道的主要缺点是信号随深度衰减很快。所以，在钻杆柱中每隔400～500m要装一个中继站，它的电路包括接收器、放大器和向地表发送信号的发射器。在每个中继站里要布置接收器、放大器、发射器和电源。要在钻杆柱内附加这么多元件，又要让钻杆柱在很深的钻井条件下工作，使得声学信息通道式MWD系统使用起来很复杂。所以，带声学信息通道的系统能使用的最大井深为3000～4000m。
国外推出一种利用钻头信号源测量的随钻测量技术。钻进过程中可以利用钻头所产生的噪声作为随钻定位的声源，在地面上通过几个与井架有一定距离的传感器，接收井下钻头所辐射的球面波。通过微电脑进行统计分析，确定信号间的时差，来进行钻头的随钻定位。现场检测结果表明，其定位误差与目前常用测井仪器的定位误差相近。
四、钻井液压力脉冲法
目前国内外应用比较广泛的MWD系统都是基于某种形式的钻井液脉冲遥测技术。钻井液脉冲式MWD的井底信息借助水力通道以压力脉冲的形式传输，信号传播的载体是钻井液。
钻井过程中的水力学路径是个封闭的体系(图7-5)。用电动机或柴油机2驱动的泵1往井内压送钻井液，供给井底动力机7，冷却并润滑钻头8，并沿管外空间9带出钻出的岩屑。钻井液在泥浆池10中被过滤，再进入钻井泵1的入口处，从而形成钻井液的流动循环路径。
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气动液压补偿器3(即空气室)可降低钻探泵出口处的压力脉冲。钻井液沿着高压软管4送入钻杆柱5中。高压软管管壁的柔性比钻杆管壁好，故软管进一步削弱了泵1出口处的压力脉冲。脉动器6产生的压力脉冲沿钻井液在管柱5内部传送至压力传感器11。压力传感器安装在高压软管4的后面，把压力脉冲变换成电信号，以便遥测系统的地表部分进行处理。
井内仪器由井底涡轮发电机借助钻井液流发电或电池组供电；井内的传感器将井内物理量转变为模拟电信号，经过井内MWD组件信号处理转换为数字信号；这些数字信号被送到信号发射器，经编码、压缩等处理后，控制井内仪器阀门的开闭产生的断续或连续泥浆压力脉冲信号；压力脉冲信号通过水力通道到达地表，由MWD接收器（即压力传感器）转变为电信号，经过解码、滤波等处理得到井内测量数据。
图8-5 钻井液压力脉冲式MWD水力通道示意图
尽管不同公司研制生产的钻井液脉冲式MWD系统在结构性能上有些差异，但这些在用的系统之间都有某些相似之处。图7-6是钻井液脉冲遥测系统的主要部件。井下各部件都装在无磁钻铤中。这种钻铤是MWD公司提供的特制钻铤。因为要容纳MWD工具的部件，所以其内径比普通钻铤的要大。其主要部件有：
(1)操作系统的动力源；
(2)测量所需信息的传感器；
(3)以代码的形式将数据传输到地面的发送器；
(4)协调工具各种功能的微处理机或控制系统。
控制系统的设计是为了在需要信息时(例如要进行定向测量时)能够操作仪器。在测量开始时，井下仪器必须识别某些物理变化(例如停钻或关泵)。从这点开始，控制系统接通传感器电源，储存测得的信息，然后启动发送器以编码信息的形式发送数据。 地面设备主要有：
(1)检测压力变化并将其转化为电讯号的立管压力传感器；
(2)用来减少或消除钻井泵和井下马达
可能引起压力变化干扰的电子过滤仪器；
(3)处理结果的地面计算机； 图7-6 钻井液脉冲遥测系统的部件
(4)用来将结果告诉给司钻的钻台上的显示器，或记录连续测井曲线的绘图仪。
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