影响泥浆脉冲信号强度的因素探讨

杨 帆 罗 丽

(1.中国石油集团测井有限公司油气评价中心 陕西 西安 710077;2.中国石油集团测井有限公司塔里木事业部 新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

随钻测量信号的好坏直接影响到井下测量数据的获取［1］。在钻井的实际情况中，当变化的外部环境不能满足仪器的正常工作条件时，就会使泥浆脉冲信号的产生和传输受到各种干扰和影响。在塔中油田志留系的一口水平井施工中，中油测井公司的随钻测井队伍在服务时出现了仪器信号强度弱、不能正常解码的现象，由于该队伍刚进入塔里木的随钻市场不久，梳理分析服务过程中的仪器异常情况，可为以后更好的工作打下基础。

1 工作原理

本次所使用的随钻测量系统是从美国APS 公司引进的，其井下信号传输部分采用旋转阀式脉冲发生器(Rotary Pulser)，旋转阀由转子和定子组成，转子有四个叶轮，定子中有四个泥浆流通孔道如图1 所示，转子的四个叶轮与定子的四个泥浆流通孔道对齐时为关闭状态，反之则为打开状态。当脉冲器的控制电路驱动转子转动时，泥浆流通孔道的面积发生变化，当通道面积增大时，泥浆流动畅通，钻柱内的泥浆压力(立管压力)减小;当通道面积减小时，泥浆流动受阻，立管压力增大，转子连续转动则形成连续的正弦压力波动。井下测量的数据经编码后正是以这种连续波动的方式传送至地面，地面系统对泥浆脉冲检波、解码即可还原井下测量的数据。该脉冲发生器的优点是能耗小，数据传输效率高［2］。

图1 APS 公司的旋转阀式脉冲发生器

2 现场出现的问题

该地区志留系地层复杂多变，软硬交错，可钻性较差。为了保护油气层，在水平段更换为油基泥浆，前期钻进时托压严重，且稳斜效果差，频繁调整井眼轨迹。第二趟钻至4 687 m 时，单根打完，划眼后准备测斜，发现仪器没有信号，随钻工程师与井队沟通后决定循环泥浆，3 h 后，仪器恢复正常，信号较弱但可以成功解码测斜。由于此时的井斜与上一单根差别太大(经过复测仍然保持不变)，甲方对所测数据有怀疑，要求投多点进行验证，遂起钻。

在起出仪器后，发现泥浆脉冲发生器的定子中卡有石块状物体，随钻工程师随即对仪器进行了相关测试，确认仪器没有损坏，各项参数也处于正常状态。甲方人员对“石块”进行了化验分析，判断其为电解石，与井场相关人员沟通后，确定是录井人员在钻前向泥浆中添加的。同时，经过仔细观察，随钻工程师发现该电解石上存在一处明显的光滑切面，如图2 所示，根据脉冲发生器的工作原理，可以断定该光滑切面是由转子相对于定子的转动剪切而成。在剪切作用完成前，转子不能正常转动，使脉冲器不能产生信号;剪切完成后，电解石被完全卡在定子中，转子恢复正常转动，仪器重新开始工作。

图2 仪器中取出的电解石

由于电解石只能够溶解于水，与油不发生反应。在更换为油基泥浆后，录井人员加入的电解石没能溶解，导致脉冲发生器被堵塞，是造成此次仪器信号弱，甚至不能解码的直接原因。

第三趟钻在14 时钻进时，地面设备接收的泥浆脉冲信号非常弱，如图3 所示，几乎不能抓住信号同步头，仪器不能正常解码，现场测量人员与井队协商后决定循环泥浆，17 时开始钻进，此时，地面设备所接收到的脉冲信号有一定的增强，但仍然偏弱，仪器偶尔正常解码但不连续，以至于井下的工具面上传也不连续，造成定向困难。

第二天凌晨1 点，地面设备所接收到的脉冲信号有了明显增强，如图4 所示，仪器可以连续正常解码，井下的工具面及测井等数据均能连续稳定的上传。

图3 刚开始钻进时的泥浆脉冲信号

图4 循环11 小时后的泥浆脉冲信号

图5 井口测试时的泥浆脉冲信号

在此次下钻前，考虑到泥浆脉冲信号的衰减因素，随钻工程师已将脉冲发生器定子与转子之间的间隙调小，以期获得更强的原始信号，在井口开泵测试时，原始信号的压差可达到2 MPa，如图5 所示。经过分析，我们认为本次仪器解码异常的主要原因是，地层情况复杂使泥浆在井筒分布不均匀，形成了多个界面，导致泥浆脉冲在传输的过程中衰减的更为剧烈，地面设备接收到的脉冲信号很弱，不能正常解码。

3 原因分析与总结

1)随钻测量地面系统接收到的脉冲信号的强度由两个因素决定:一是井下的脉冲发生器产生的初始脉冲大小，另一个是脉冲信号在传输过程中的衰减程度。在一趟钻中，泵的流量一般波动不大，旋转阀定子与转子之间的间隙固定，所以初始脉冲的大小也基本稳定，地面系统接收的脉冲信号强度主要取决于后者。

2)旋转阀式脉冲器产生的泥浆脉冲信号在理想状态下是标准的正弦波形，但在实际的传输过程中会受到许多因素的影响，除了井眼深度、空气包之外［3］，主要与钻柱的尺寸、材料特性，信号频率及泥浆性能有关。在目前的常规钻井作业中，信号频率与泥浆性能是主要的可控因素，并对信号的衰减有着显著的影响。研究表明［4、5］，相比于泥浆性能，信号频率的变化对泥浆脉冲信号的影响更大，信号的频率越高，泥浆脉冲信号在传输过程中就衰减更严重。而就实际中应用的有限的脉冲类型来讲，信号频率的影响也是有限的。

3)泥浆性能是由地质、油藏和工程的需要决定的。通常情况下，要求泥浆性能保持稳定，但在地层状况复杂或井筒条件变化时(比如气侵、高压层、易垮易漏层段)，泥浆性能会被动的或人为的发生变化。泥浆密度与泥浆脉冲信号的衰减基本无关［6］，而泥浆的粘度、泥浆中的固相含量和气泡对衰减有较大影响。气泡的存在会影响泥浆的压缩性，同时也会增大泥浆的粘度，使泥浆脉冲信号沿钻柱传输时受到的摩阻变大，从而大幅减小信号的强度;固相含量对泥浆的密度影响较大，对其压缩性的影响相对较小，但异常固相(如井口落物，加入药剂未搅拌均匀)的存在，有可能堵塞脉冲生器内腔，影响转子的满程运转，从而降低初始脉冲的强度。

4)在随钻仪器的实际使用中发现，当泥浆中含气泡较多，或泥浆性能差，含砂或杂质较多时，会出现脉冲信号强度减弱和杂波的现象，此时，可调节地面系统的信号检测门限和放大值，或者采用循环泥浆的方法加以解决。如果都不凑效，则需要仔细排查，从根本上解决问题。

5)现场测量人员要积极与甲方及井队工程人员沟通交流，对可能影响仪器性能和精度的干扰因素［7、8］(比如泵的噪声等)进行风险识别，并采取相应的预防措施，尽可能减少或避免发生故障的可能性;此外，现场测量人员要认真负责，严格按照操作规范操作，在下钻、钻进、测斜等各个环节密切关注仪器的工作状态，发现异常时及时沟通协作，提高服务效率。

4 结束语

随钻测量过程中，仪器的工作环境特别是泥浆的性能发生变化时，都会使随钻测量信号受到影响。在现场施工中，应时刻注意分析可能影响随钻测量信号的各种因素，掌握这些因素并找出相应的解决方案在生产中具有重要的意义。

［1］刘新平，房 军，金有海.随钻测井数据传输技术应用现状及展望［J］.测井技术，2008，32(3):249 -253.

［2］APS Technology，Inc.APS 公司技术交流［D］.2010.

［3］李 健，刘琳莉，吴华强，等.浅析无线随钻仪脉冲信号信噪比［J］.石油仪器，2001，15(5):50 -52.

［4］石在虹，刘修善.井筒中钻井信息的传输动态分析［J］.天然气工业，2002，22(5):68 -71.

［5］王 翔，王瑞和，纪国栋.井筒内钻井液连续脉冲信号传输频率相关摩阻模型［J］.石油学报，2009，30(3):444 -449.［6］刘修善.钻井液脉冲沿井筒传输的多相流模拟技术［J］.石油学报，2006，27(4):115 -118.

［7］刘 伟，任凌云，刘洪亮.钻井液脉冲信号传输影响因素分析［J］.石油钻探技术，2010，38(1):101 -103.

［8］史建刚.LWD 地质导向无线随钻测量仪器现场使用问题探讨［J］.钻采工艺，2008，31(2):143 -145.