新型正脉冲随钻测量系统CGMWD研制与现场实验
日期：2008-8-8 1:01:25 来源：中国自动化网
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摘 要 新型正脉冲无线随钻测量系统CGMWD，是中国石油天然气集团公司“地质导向钻井技术研究与应用”课题组研制开发的，它是我国第一台地质导向钻井系统CGDS-1的一个测量传输子系统，同时也是一个独立产品。本文简述了CGMWD的研制过程、结构特征、性能指标和功能特点，在此基础上进一步介绍了2003年10～12月该系统在大港和冀东油田的实验概况。
关键词 随钻测量MWD 正脉冲发生器 研制 现场实验
自1993年Schlumberger公司(Anadrill)首先推出了IDEAL地质导向钻井系统以来，地质导向钻井技术近十年来在全球发展迅速，现已被国际钻井界公认为是最有发展前景的 21世纪的钻井高技术。
经过中国石油勘探开发研究院钻井所不懈的努力，1999年6月，CNPC科技发展部和中油技服总公司决定联合投资，对“地质导向钻井技术研究与应用”课题立项，组织由科研单位、生产制造厂、技术应用单位共同组成课题组，由中国石油勘探开发研究院钻井所牵头，进行攻关，研制CGDS-1(China Geosteering Drilling System--1)地质导向钻井系统。2001年该课题被列入国家经贸委“十五”重大装备研制项目。
新型正脉冲无线随钻测量系统CGMWD，是CGDS-1地质导向钻井系统的一个重要子系统。由于传统MWD的数据传输速率和应用井深有限，无法满足地质导向钻井系统(多信息，高速率，大井深)的需要，因此开发高速率，在深井(>4500m)中仍能进行有效信息传输的新型MWD是迫切的，也是必要的。新型正脉冲无线随钻测量系CGMWD的推出，解决了地质导向钻井所要求的数据传输高速率，大井深问题，标志着CGDS-1地质导向钻井系统已获得重大阶段性成果。同时作为一个独立的产品，CGMWD系统的推出，也标志着中国MWD无线随钻测量技术发展进入了一个新的里程碑。
本文将就CGMWD的功能特点、结构特征、性能指标和研制概况做一些简要介绍，最后着重介绍CGMWD的两次现场实验情况。
1 CGMWD的功能特点与结构特征
如图1所示，CGMWD系统由地面系统CGMWD—MS和井下仪器CGMWD—MD组成。二者通过钻柱内的泥浆通道中的压力脉冲信号进行通信，并协调工作，实现钻井过程中井下工具的状态、井下工况、及有关测量参数(包括定向参数如井斜、方位、工具面等和地质参数如伽马、电阻率等以及其他工程参数如钻压扭矩等)的实时监测。
地面系统CGMWD—MS由地面传感器、前端接受机及地面信号处理装置、主机及外围设备(图2)与相关软件组成，负责接受和采集井下仪器传上来的泥浆压力脉冲信号，并对接受和采集的信号进行滤波降噪、检测识别、解码及显示和存储等处理，而后将解码后的数据送向司钻显示器供定向工程师阅读，此外，还具有修改井下仪器传输序列和数据传输速率及下载井下仪记录数据等功能。CGMWD—MS的重要特点在于采用了独创的智能数字信号滤波和处理方法以及高效解码技术，因而具有较强的信号处理和识别能力，可识别来自井深4500m以上的泥浆压力脉冲信号。
井下仪器CGMWD—MD由正脉冲发生器(传输速率达5位／s以上)，驱动器短节、电池简短节、定向仪短节和总线控制器构成(图1和图3)，并下接短传接收短节与测传马达相连。定向仪短节负责测量定向参数及环境参数；电池短节负责为井下仪器系统供电并管理电源；短传接收短节接受测传马达所发送的数据，控制器对CGMWD—MD进行控制和管理，使系统按预定工作模式和井上向CGMWD—MD发送的指令工作，实现数据收集与接受、数据编码，并通过驱动器驱动脉冲发生器产生泥浆压力脉冲信号。由于采用了高效的编码技术，配合自主研制的新型正脉冲发生器，大大提高了信号的传输能力和效率。另外，由于采用开放式总线设计，该仪器可兼容其他型号的脉冲发生器正常工作。因此除用于CGBS-1型地质导向钻井系统作为信息传输单元外，还可用于其他钻井作业的随钻测量。
2 CGMWD的性能指标
CGMWD随钻测斜仪的主要技术指标如下：
(1)满足深井钻井要求；
(2)连续工作时间达200h；
(3)下井仪器工作耐温150oC；
(4)信息传输率5位／s；
其他技术指标详见表1。
3 CGMWD的研制概况
新型正脉冲无线随钻测量系统CGMWD是具有完全自主知识产权(已申报国家专利)的产品，它采用了多项新技术和最新研究成果，包括智能数字信号滤波和处理技术、高效信息编码／解码技术、高效正脉冲发生技术以及驱动控制技术和电子测量技术等，涉及了众多学科领域。
经过多年的不懈努力，该系统的全部硬件研制和软件编制均已完成，并于2002年7月对整个系统进行了首次室内联调工作，证明系统功能达到设计要求；此后，又经过多次单元室内实验和整改，于2003年9月进行了第二次室内联调工作，并于2003年10月在大港油田和2003年12月在冀东油田进行了两次现场系统下井实验。现场实验表明，系统关键性能指标均已达到设计标准。现在CGMWD系统已定型，并作为独立产品推出。
4 CGMWD的两次现场实验概况
为了考察CGMWD系统的功能，于2003年10月12～19日在大港油田第八采油区港95-15井进行了首次现场实验。该井为三段制井身剖面，造斜点350m，稳斜段起点587m，稳斜段井斜角28.5o，技术套管(Φ31lmm)下深1503m。CGMWD仪器在三开打水泥塞时下入，所用下部钻具组合为“钻头Φ215.9mm+稳定器Φ214mm×1.7m+短钻铤Φ165mm×5m+稳定器Φ214mm×1.7m+CGMWD无磁钻铤Φ165mm×7.39m+稳定器Φ214mm×1.7m+钻铤Φ165mm”。实验结果见表2，由于是在套管内测量，方位角无效，所以这里没有对方位进行对比。
图 4 是在现场实验中CGMWD地面系统（CGMWD—MS）软件进行实时信号处理的一张截图。
本次实验，仪器在井下时间共52h，其中正常工作时间11h，正常钻进(打水泥塞)状态仪器工作时间40min。
由于CGMWD首次实验着重考察CGMWD仪器的功能，因此只下了一趟钻。由于实验时间较短，井深也较浅，无法充分考察CGMWD仪器的工作性能，遂决定进行再次实验。
CGMWD的第二次现场实验是于2003年12月9～30日在冀东油田柳北1—19—16井进行的。该井为五段制井深剖面，造斜点1536m，稳斜段起点1638m，降斜点1707m，下直段起点1900m，设计斜深3026m，技术套管(Φ244.5mm)下深1932m，磁偏角-6.35o。
在井深2322～2993m的井段，CGMWD仪器随钻井工程需要，前前后后下井共计8次，除第三趟钻下螺杆钻具纠斜时的钻具组合为“Φ215.9mm钻头×0.36m+接头×0.46m+Φ172mmCGMWD无磁钻铤×7.39m+接头×0.43m+Φ159mm无磁钻铤×8.67m +Φ214mm稳定器×1.64m+Φ159mm钻铤×103.49m+接头×0.44m+Φ127mm加重钻杆×129.58m”外，其他各趟钻所用钻具组合均为“Φ215.9mm钻头×0.25m+Φ165mm螺杆×5.79m+弯接头×0.39m+接头×0.48m+Φ172mmCGMWD无磁钻铤×7.39m+接头×0.48m+接头×O.39m+接头×0.44m+Φ159mm无磁钻铤×8.67m+Φ159mm钻铤×103.49m+接头×0.4m+Φ127mm加重钻杆×129.58m”，实验结果见表3。
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关键词 随钻测量MWD 正脉冲发生器 研制 现场实验
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经过中国石油勘探开发研究院钻井所不懈的努力，1999年6月，CNPC科技发展部和中油技服总公司决定联合投资，对“地质导向钻井技术研究与应用”课题立项，组织由科研单位、生产制造厂、技术应用单位共同组成课题组，由中国石油勘探开发研究院钻井所牵头，进行攻关，研制CGDS-1(China Geosteering Drilling System--1)地质导向钻井系统。2001年该课题被列入国家经贸委“十五”重大装备研制项目。
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新型正脉冲无线随钻测量系统CGMWD，是CGDS-1地质导向钻井系统的一个重要子系统。由于传统MWD的数据传输速率和应用井深有限，无法满足地质导向钻井系统(多信息，高速率，大井深)的需要，因此开发高速率，在深井(>4500m)中仍能进行有效信息传输的新型MWD是迫切的，也是必要的。新型正脉冲无线随钻测量系CGMWD的推出，解决了地质导向钻井所要求的数据传输高速率，大井深问题，标志着CGDS-1地质导向钻井系统已获得重大阶段性成果。同时作为一个独立的产品，CGMWD系统的推出，也标志着中国MWD无线随钻测量技术发展进入了一个新的里程碑。
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本文将就CGMWD的功能特点、结构特征、性能指标和研制概况做一些简要介绍，最后着重介绍CGMWD的两次现场实验情况。
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1 CGMWD的功能特点与结构特征
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如图1所示，CGMWD系统由地面系统CGMWD—MS和井下仪器CGMWD—MD组成。二者通过钻柱内的泥浆通道中的压力脉冲信号进行通信，并协调工作，实现钻井过程中井下工具的状态、井下工况、及有关测量参数(包括定向参数如井斜、方位、工具面等和地质参数如伽马、电阻率等以及其他工程参数如钻压扭矩等)的实时监测。
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地面系统CGMWD—MS由地面传感器、前端接受机及地面信号处理装置、主机及外围设备(图2)与相关软件组成，负责接受和采集井下仪器传上来的泥浆压力脉冲信号，并对接受和采集的信号进行滤波降噪、检测识别、解码及显示和存储等处理，而后将解码后的数据送向司钻显示器供定向工程师阅读，此外，还具有修改井下仪器传输序列和数据传输速率及下载井下仪记录数据等功能。CGMWD—MS的重要特点在于采用了独创的智能数字信号滤波和处理方法以及高效解码技术，因而具有较强的信号处理和识别能力，可识别来自井深4500m以上的泥浆压力脉冲信号。
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井下仪器CGMWD—MD由正脉冲发生器(传输速率达5位／s以上)，驱动器短节、电池简短节、定向仪短节和总线控制器构成(图1和图3)，并下接短传接收短节与测传马达相连。定向仪短节负责测量定向参数及环境参数；电池短节负责为井下仪器系统供电并管理电源；短传接收短节接受测传马达所发送的数据，控制器对CGMWD—MD进行控制和管理，使系统按预定工作模式和井上向CGMWD—MD发送的指令工作，实现数据收集与接受、数据编码，并通过驱动器驱动脉冲发生器产生泥浆压力脉冲信号。由于采用了高效的编码技术，配合自主研制的新型正脉冲发生器，大大提高了信号的传输能力和效率。另外，由于采用开放式总线设计，该仪器可兼容其他型号的脉冲发生器正常工作。因此除用于CGBS-1型地质导向钻井系统作为信息传输单元外，还可用于其他钻井作业的随钻测量。
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2 CGMWD的性能指标
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CGMWD随钻测斜仪的主要技术指标如下：
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(1)满足深井钻井要求；
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(2)连续工作时间达200h；
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(3)下井仪器工作耐温150oC；
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(4)信息传输率5位／s；
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其他技术指标详见表1。
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经过多年的不懈努力，该系统的全部硬件研制和软件编制均已完成，并于2002年7月对整个系统进行了首次室内联调工作，证明系统功能达到设计要求；此后，又经过多次单元室内实验和整改，于2003年9月进行了第二次室内联调工作，并于2003年10月在大港油田和2003年12月在冀东油田进行了两次现场系统下井实验。现场实验表明，系统关键性能指标均已达到设计标准。现在CGMWD系统已定型，并作为独立产品推出。
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为了考察CGMWD系统的功能，于2003年10月12～19日在大港油田第八采油区港95-15井进行了首次现场实验。该井为三段制井身剖面，造斜点350m，稳斜段起点587m，稳斜段井斜角28.5o，技术套管(Φ31lmm)下深1503m。CGMWD仪器在三开打水泥塞时下入，所用下部钻具组合为“钻头Φ215.9mm+稳定器Φ214mm×1.7m+短钻铤Φ165mm×5m+稳定器Φ214mm×1.7m+CGMWD无磁钻铤Φ165mm×7.39m+稳定器Φ214mm×1.7m+钻铤Φ165mm”。实验结果见表2，由于是在套管内测量，方位角无效，所以这里没有对方位进行对比。
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图 4 是在现场实验中CGMWD地面系统（CGMWD—MS）软件进行实时信号处理的一张截图。
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本次实验，仪器在井下时间共52h，其中正常工作时间11h，正常钻进(打水泥塞)状态仪器工作时间40min。
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由于CGMWD首次实验着重考察CGMWD仪器的功能，因此只下了一趟钻。由于实验时间较短，井深也较浅，无法充分考察CGMWD仪器的工作性能，遂决定进行再次实验。
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CGMWD的第二次现场实验是于2003年12月9～30日在冀东油田柳北1—19—16井进行的。该井为五段制井深剖面，造斜点1536m，稳斜段起点1638m，降斜点1707m，下直段起点1900m，设计斜深3026m，技术套管(Φ244.5mm)下深1932m，磁偏角-6.35o。
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在井深2322～2993m的井段，CGMWD仪器随钻井工程需要，前前后后下井共计8次，除第三趟钻下螺杆钻具纠斜时的钻具组合为“Φ215.9mm钻头×0.36m+接头×0.46m+Φ172mmCGMWD无磁钻铤×7.39m+接头×0.43m+Φ159mm无磁钻铤×8.67m +Φ214mm稳定器×1.64m+Φ159mm钻铤×103.49m+接头×0.44m+Φ127mm加重钻杆×129.58m”外，其他各趟钻所用钻具组合均为“Φ215.9mm钻头×0.25m+Φ165mm螺杆×5.79m+弯接头×0.39m+接头×0.48m+Φ172mmCGMWD无磁钻铤×7.39m+接头×0.48m+接头×O.39m+接头×0.44m+Φ159mm无磁钻铤×8.67m+Φ159mm钻铤×103.49m+接头×0.4m+Φ127mm加重钻杆×129.58m”，实验结果见表3。
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