应力波随钻测量技术研究进展

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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

2、测近年来随着空气、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（SunOilCompany）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

3、传输，西北工业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（Stresswaves）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

4、此可以通过地层或钻具的变形应力波动来传输信号，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1CS-MW

5、D通信系统示意图浅层应力波传输的随钻测量系统（CS-MWD）可分为五个子系统：①井下数据采集（由三轴加速度计、三轴磁通门等传感器构成）；②井下信号发射机；③钻柱转发器；④地面信号接收机，⑤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2CS-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

6、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图3所示。图3CS-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：①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；②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；③不受地层特性影响，可以使用于各种地层；④不循环钻井液时也能够进行数据传输；⑤系统结构简单、井下仪器总成无活动零部件，可靠性好；⑥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

7、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1CS-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-

8、7功能测试