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美国BLACKSTAR电磁波随钻测量仪在墨西哥的应用研究
作者：杨凯
来源：《科学与技术》2014年第12期
摘要：BLACKSTAR电磁波随钻测量仪是美国NOV国民油井华高公司生产的EMWD（Electromagnetic Measure While Drilling）仪器。该仪器既可以应用于普通的定向井、水平井施工，也可以应用于非常规领域的煤层气连通水平井、页岩气水平井、欠平衡水平井等普通MWD （Measure While Drilling）仪器难以施工的领域。简述了BLACKSTAR电磁波随钻测量仪的工作原理。依据在墨西哥EPC油田多口井的实践经验，论述分析了在钻井生产中的应用情况和功能特点，着重指出了该仪器的缺点，并对其提出了改进建议。
关键词：EMWD 电磁波 频率 地层电阻率 短半径水平井 造斜率 伽马 环空压力 中石化墨西哥EPC项目，地处墨西哥东部Ebano、Panuco、Cacalilao区块，目的层位Ksf，油藏埋深420～567m，油层厚度大，地质构造复杂，有断层、裂缝易发生井漏、井涌等复杂情况。由于以上的复杂地质情况，只能采用欠平衡钻井的方式进行油气开发。在欠平衡钻井的中前期需要注入氮气，而普通的MWD仪器采用泥浆脉冲的方式传递信号，在氮气中衰减严重，地面无法接收到正常的压力信号。只能采用电磁波随钻测量仪器施工。墨西哥EPC油田地层电阻率在10 ohm·m到20 ohm·m之间，非常适合电磁波随钻测量仪器的应用。 1 BLACKSTAR工作原理
电磁波可以穿透包括大多数导体在内的所有介质并在这些介质中传播。穿透深度反比于波的频率以及介质的导电系数。EMWD电磁波随钻测量仪器（以后均使用EMWD代替）就是利用电磁波这种特性实现信息传输的。首先EMWD探管获取井下测量数据，然后将测量的数据加载到载波信号上并控制电磁波发射器发射电磁波，测量数据随载波信号由电磁波发射器向四周发射。电磁波穿过地层，由地面接收天线接收并将电磁波信号传送至地面接收系统。地面操作系统将检测到的电磁波中的测量信号卸载并解码、计算，得到实际的测量数据。最后测量数据发送到钻台司钻显示器。
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2 在欠平衡短半径水平井中的应用
2.1 仪器常规参数应用 频率设置 信号干扰 接收 地层电阻 短半径水平井造斜率高狗腿度大该仪器的电磁波工作频率为低频，处于2-12赫兹范围内，地层电阻可以施工3-1000欧姆的地层。各种尺寸仪器可以施工4.75”-12.5”井眼的各类型定向井和水平井。墨西哥EPC油田地层电阻率在10 ohm·m到20 ohm·m之间，非常适合电磁波随钻测量仪器的应用。在此地层用该电磁波仪器施工可以达到最大的施工垂深和位移。但由于墨西哥EPC油田特殊的气候和地质构造对BLACKSTAR仪器的施工会造成一定的影响。
2.1.1 由于墨西哥EPC项目，目的层位Ksf，地质构造复杂，有断层、裂缝。电磁波信号在遇到断层和裂缝时信号会受到极大的衰减。因此在施工前工程师必须提前获取该地层的地质数据，对数据进行分析制定出合理的施工方案。通过多口井的实践经验总结出了应对这个问题的一些方法。（1）通过该仪器的现场频率分析软件在现场直井段钻进状态下分析出合适该井工况的几个适用频率，在适用频率中选择频率的最低的为工作频率，增大电磁波信号的穿透性。（2）在地面接收信号端，一个接收电极连接井口，另一个接收电极连接大地并根据实际工况增加大地接收电极的数量。这样既可以增大信号的接收成功概率又可对信号进行校正。 2.1.2 墨西哥EPC油田处于墨西哥湾的西部，大体位置位于墨西哥的南方气候炎热，一年当中绝大多数月份处于高温。地表水分蒸发较快，长期的干燥容易在地面层形成高电阻层，高电阻层易屏蔽电磁波信号的传输。因此在此区块施工在埋设接收电极时应尽量深挖至一米以上埋设，在信号较弱的情况下还应当在接收电极埋设附近经常性的浇盐水，使电极能够和地层充分接触。
2.1.3 BLACKSTAR仪器中的绝缘短节（GAPSUB）是个非常重要的部件，它在电磁波信号的传播中起着重要作用。因此在每次施工前都要使用绝缘测试盒对GAPSUB的绝缘性进行测试。电阻值应在10K欧姆以上。但是在EPC地区除了大多数的高温天气外，还有3个月的雨季。由于长期的潮湿工作环境，GAPSUB绝缘性的测试会受到很大影响，正常的短节在雨天测试时由于雨水影响往往测试电阻值会很低，通过数值就会判断为不能使用。因此在测试GAPSUB时应当清洁本体和内部，采用烘干设备烘干后测量判断短节时候可以使用。 GAPSUB也是易受损部件，因此施工中应当严格控制钻进中的输出扭矩，要按照仪器规范中扭矩对应表中的数据来施工。否则会影响仪器工作时间，严重的会导致无法传播电磁波信号。在墨西哥EPC油田施工井到造斜点处井眼为7”，使用系统尺寸为4.75”的BLACKSTAR仪器施工，该型仪器的最大狗腿度为30米12度。由于该区域所有施工井均为短半径水平井狗腿度较大。如果施工过程中超过了仪器所允许的最大狗腿度，就会造成GAPSUB的损坏，绝缘性不好以至于电磁波信号传输不正常。因此在施工中要及时和定向工程人员沟通，控制造斜率不能过大。
2.2 伽马（Gamma Ray）和环空压力（Annulus Pressure）的应用
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目前墨西哥EPC项目中使用的BLACKSTAR仪器的随钻伽马为动态旋转伽马（DRG），开窗可调。在定向钻进和复合钻进时可以测量地层高低边伽马值。在穿越不同层位时，通过高边伽马和低边伽马数值的变化可以准确辨别轨迹在目的层内的位置。应用此技术在伽马层差异明显的地层进行水平井轨迹控制能够有效的保障油层的穿透率。在未钻达目的层位时，可以通过伽马有效的辨别不用的岩性，从而起到地质导向的作用。BLACKSTAR的随钻环空压力能在钻进过程中准确的测量钻具与井壁间的压力。测量范围为0-15000PSI。尤其是在胶结程度差、易漏、易垮塌的地层施工水平井。能够起到及时预防井下复杂情况发生的作用。具有较高的实用价值。BLACKSTAR仪器软件出图功能，可以把伽马、环空压力、钻速、井斜、方位、井深等数据合成一张地质导向曲线图，工程师可以综合分析各种数据来指导自己的工作。地质导向曲线图如下：
3 BLACKSTAR缺点分析及改进建议
（1）仪器（包括Gamma Ray和Annulus Pressure）全长13.6米，较为笨重操作繁琐，不利于现场的施工。（2）GAPSUB短节目前在墨西哥EPC油田施工平均寿命为130小时左右，使用时间较短，绝缘环的维护工作量较大需返厂，不能在施工地做简单维护。因此结构有待优化，应当易于异地维护、施工寿命应在200小时以上。（3）墨西哥EPC项目中所有井均为短半径欠平衡水平井，造斜率较大，有些井的设计造斜率已经超过了该仪器所允许的最大狗腿度。因此建议优化仪器结构，适应短半径水平施工需要。（4）随着各类复杂高难度井越来越多，建议增加，可以在地面对井下仪器的设置进行更改。Downlink功能的实现最好不用通过泥浆泵来实现，而是通过地面设备向地下仪器发射电磁波的形式来实现。这样简单易于操作。（5）增加节电功能，建议在仪器的部件中增加流量开关设置通过感受井下震动来判断是否进入工作模式，在非工作模式下只保持仪器的待命状态不发射电磁波从而节省电量，增大仪器施工时间。（6）墨西哥EPC地区施工的短半径水平井水平段长造斜率高，目前这种下座键式的结构易脱键，建议改为上悬挂可打捞的模式。