超深井钻探数据采集与传输技术的应用方案 科学超深井钻探过程中必须采集与传输的数据

3.1.1 超深井钻探过程中井下数据采集与传输技术的应用方案

3.1.1.1 科学选址对于超深井钻探及井下数据采集的成败将起关键作用

如前所述，如果按地温梯度3℃／100m计算，13000m井底地层温度为390℃；如果按式（1.1）计算，则井底循环钻井液温度为318.56℃。这么高的温度对于电子类检测仪表而言是“致命的”。如果说井底水柱压力不可能人为改变的话，井底的高温威胁是可以通过科学选址来回避或减弱的。

俄罗斯地质学家研究表明，在构造运动平静的区域（波罗的海板块属于这类）随地温梯度的总趋势是0.8～1℃/100m。俄罗斯地质学家David Huberman 1970年5月英明地把СГ-3井选在此区域（图3.1），从而为钻探工作的成功创造了很好的条件。当然由于深部岩层中放射性元素含量增高，使СГ-3井在10km处实测温度达到180℃左右，在深度12km左右温度达212℃。这也说明，虽然深部局部岩层中可能出现温度异常，但绝非地壳中处处温升梯度都为3℃/100m，所以科学选址是超深井钻探工程及其数据采集与传输工作成功的重要基础。

图3.1 David Huberman 1970年5月选定的 СГ-3 孔位和СГ-3井钻塔远眺

为了得到真正的温度值，俄罗斯专家曾用安装在钻杆柱上的自控温度计直接测量冲洗液循环条件下的温度。用ГCPT-4和ГH4型仪器测量的温度数据见表3.1和表3.2，根据上述资料作的曲线图见图3.2至图3.4。

表3.1 用ГCPT-4型仪器测量温度的数据

表3.2 用ГH4型仪器测量温度的数据

图3.2 井内温度分布图

图3.3 温度恢复与时间的关系

图3.4 冲洗钻井时井内温度的变化（井深6015m）

分析孔内实际温度测量的资料，可以得出如下结论：

1）钻进时或洗井时上、下两个测点冲洗液的温度差不超过40℃，温度随孔深的变化服从直线规律；孔内冲洗液静止与循环（流量：30～40L/s）条件下的温度梯度平衡带位于5km深处，温度为75℃左右（见图3.2）。

2）只要保证循环，就可能把孔内温度控制在150℃以下，停止循环后井内温度恢复也需要一定的时间，图3.4表明停止循环30min温度才上升3～5℃，在这段时间内可以完成井下数据的测量与采集作业；井内温度完全恢复所需的时间大约在40h左右，在这段时间内来得及让井下仪器自浮或打捞上来。分析热力场恢复的速度表明，钻井下部与5km以上地带相比，其热影响半径要小得多，而井底测到的温度比较接近按地热梯度的计算值。

分析温度实测结果（图3.2）可以看出，虽然与本报告“1.3.1 超深井井下温度预测”中的图1.5模拟结果趋势相同，但仍有较大差异：

1）实测温度随孔深的变化基本服从直线规律，而不是模拟结果的曲线规律。原因可能是计算机模拟时的条件参数选择并不合理所致。

2）实测孔内温度梯度平衡带位于5km深处，温度75℃，而不是模拟结果的10～10.5km，温度300℃以上。原因在于所选择的地温梯度不同，俄罗斯СГ-3井的总体地温梯度为0.8～1℃/100m，在10km之后为1.8℃/100m；而我们假设的地温梯度为3℃/100m。这也进一步说明科学选址是多么重要。

另外，德国KTB讨论了40多个德国境内的钻井位置，考虑到地质情况和低地温梯度的期望，认为位于波希米亚山丘西翼，弗兰哥尼阶大断层东4km处的井位更好。由于KTB选定的孔位地温梯度＜3℃／100m，使孔内钻井液循环温度7km为168℃、8km为197℃，明显低于理论值。

再举一个例子，我国四川普光气田P204-2h井于2007年9月钻至7010m深时（中原钻井院），井底静态温度153℃，而不是理论上的210℃。

因此，如果将来深钻项目实施，应该向地质学家提出科学选址，尽量回避高温的要求。这样可为钻探工作减少许多困难，也可以大大节约成本。

3.1.1.2 超深井钻探过程中井下数据采集与传输技术的应用方案

（1）井下数据采集与传输的指导思想

1）我们认为，科学钻探井并非定向井，没有必要在整个钻进过程中始终使用昂贵的随钻测量仪器 MWD。

2）进口的随钻测量仪器工作更可靠，孔内连续工作时间长（用井底发电机供电），但价格高（每套800～1200万元），配件服务周期长；国产仪器目前质量也非常稳定，价格便宜（每套300～600万元），但连续工作时间短（用电池筒供电），售后服务快。对于科学钻探而言，使用国产仪器既可降低成本，又可保证钻探质量。

3）石油钻井的实际工作程序值得借鉴。在钻垂直井阶段不使用昂贵的随钻测量MWD，而是在每次起钻时用国产的多点电子测斜仪进行井下数据采集，也可在加接立根时用打捞式单点测斜仪或自浮式测斜仪加以复测。确认钻孔已经产生明显孔斜，或需要定向、纠斜时再下入随钻测量MWD。使用上述方法既可大幅度降低成本，又方便仪器打捞快速离开井底的高温区。该方法的前提是钻柱下端要带无磁钻铤和仪器座。

（2）井下数据采集与传输技术的应用方案

钻进中须采集的井内数据包括：钻孔顶角、方位角、工具面向角、温度、环空压力。考虑到仪器的耐温、耐压条件及泥浆脉冲传递信号的深度限制，拟把整个超深孔分为三个区段，分别采用不同的数据采集与传输方案。

1）浅孔～7000m孔段

a.垂直井段用多点电子测斜仪（图3.5），起钻时投入钻杆内腔，设定好各点测量时间，起钻后读取与孔深对应的 数 据；仪器外径Φ45（50）mm，使用条件250℃/150MPa。

图3.5 国产多点测斜仪

b.垂直井段还可以用国产打捞式单点测斜仪（图3.6）、自浮式测斜仪（图3.7）进行复测。加接钻杆时用钢丝绳把单点测斜仪投入钻杆内腔，到达无磁钻铤仪器座时停留2min即可完成测量，打捞后读数。“自浮式定点”测量提供了振动工况下的自浮精确测量，仪器到达测点泵压上升1MPa即可停泵。在停泵到仪器开始上浮的短暂“静止”时间内完成准确测量，比传统测斜方式节约大量时间。仪器外径Φ45（50）mm，使用条件250℃/150MPa。

图3.6 国产打捞式单点测斜仪

图3.7 自浮式定点测斜仪

c.确认钻孔已孔斜或需要定向、纠斜时下入随钻测量MWD。可选的仪器有进口的斯伦贝谢、哈里波顿、贝克休斯等公司和国产的中天启明、海蓝等公司的MWD产品，它们所能承受的最高温度和液柱压力也略有差别。下面举几个有代表性的例子加以说明：

Schlumberger（斯伦贝谢）TeleScope随钻高速测量系统（图3.8）利用泥浆正脉冲遥测原理，采用双向通信，使非生产时间减少10%，数据传输率提高3倍，在下传数据时仍可正常测井和钻井作业。井斜（顶角）测量范围0°～180°（精度±0.1°），方位角范围0°～360°（±1.0°），重力工具面角精度±1.0°（Inc>10°），磁性工具面角±2.25°（Dip<70°）。其内部电路板能经受极端震动，井下部件的耐温可达150℃和175℃，耐压为138MPa。

中天启明公司的ZT-MWD随钻测斜仪（仿美国Hliborton，图3.9）靠井下涡轮发电机供电，利用泥浆正脉冲信号将采集的井眼轨迹和导向工具面数据传到地表。井斜角（顶角）精度±0.1°，方位角±1.5°，磁性工具面、高边工具面（Inc>10°，Dip<70°）±1.5°，可承受最大压力104MPa，最高工作温度150℃。2007年9月曾成功用于四川普光气田P204-2h井，施工井深7010m，井底静态温度153℃。

图3.8 斯伦贝谢TeleScope随钻高速测量系统

图3.9 中天启明公司的ZT-MWD随钻测斜仪

d.上述各种井下数据采集方案采用的数据传输技术也有所不同，其中，国产多点电子测斜仪和单点测斜仪、自浮式测斜仪采用的是井下存储、地表回放式；而斯伦贝谢公司和中天启明公司的MWD随钻测斜仪采用的是泥浆脉冲信号实时传输、地表实时接收方式，可节约用于测量的辅助作业时间。

2）7000～10000m孔段

首先我们来估算一下7000～10000m孔段的温度情况，所用的依据：一是前面提到的Kutasov在美国密西西比地区大量随钻钻井液循环温度资料基础上得出的经验公式（式1.1）；二是俄罗斯СГ-3井的实测曲线（图3.2）。估算的结果见表3.3。

表3.3 7000～10000m孔段的环境温度估算表

由表3.3可以看出：

a.如果孔内实际温度能接近俄罗斯СГ-3井的水平，则Schlumberger（斯伦贝谢）TeleScope随钻高速测量系统（见图3.8）仍可使用。因为其内部电路板能经受极端震动，井下部件的耐温可达175℃。

b.如果孔内实际温度达到按照经验公式（式1.1）计算的水平，由于井内温度影响，不可能使用目前国内外公司生产的电子随钻测量MWD。只能采用胜利钻井工艺研究院研制的机械式无线随钻测斜仪（图3.10），它与MWD的显著区别是，其井下仪器为纯机械机构，井斜的测量、信息的转换、脉冲发生器的控制等全部由机械装置完成，井下仪器没有复杂的电路及电子元器件，不需要电源。其井斜（顶角）测量范围：0～10.5°（测量精度0.5°）或1～17.0°（精度1°），最高工作温度260℃，最大适用井深9000m。其信号传输的通道仍是泥浆脉冲，井下实时传输、地表实时接收。

图3.10 胜利钻井工艺研究院研制的机械式无线随钻测斜仪

如果考虑成本问题，仍可采用国产的多点电子测斜仪、单点电子测斜仪或自浮式测斜仪。

c.因为多点电子测斜仪要求环境温升≯90℃/4h，所以在4h内能通过起钻把无磁钻铤（内装仪器）提至5km以上孔段的情况下，可用多点电子测斜仪。否则只能用单点电子测斜仪、自浮式测斜仪，其可在250 ℃条件下工作6h，然后必须回到≯150℃的环境，考虑到钢丝绳打捞速度快，测斜仪自浮速度100m/min，它们在50min内就可进入5km以上孔段。可保证数据的安全。

d.但如果在循环条件下孔内实际温度达到250℃以上，则因环境温度太高，仪器不能带温度、压力传感器，只能测量钻孔的倾斜角度与方位。

因此，在选择下孔仪器之前，首先必须设法实际测量孔内的环境温度。

3）10000～13000m孔段

a.因为孔内温度、压力过高，不可能使用目前国内外公司生产的电子随钻测量MWD，即使胜利钻井工艺研究院研制的机械式无线随钻测斜仪也无法采用。只能用可在6h内回到≯150℃环境的单点电子测斜仪、自浮式测斜仪。而且只能测角度数据（传感器在保温保压筒内）。

b.因为没有可耐300 ℃以上的温度传感器，只能用热电偶+耐高温压力传感器+保温保压筒+快速钢丝绳打捞绞车，来实现井底静态温度、压力测量。有公司表示可以研制。

综上所述，超深井钻探过程中井下数据采集与传输技术的应用方案如图3.11所示。

图3.11 超深井钻探过程中井下数据采集与传输技术的应用方案示意图

3.1.2 超深井钻探过程中地表数据采集与传输技术的应用方案

目前可用于地表钻探参数检测、预处理与显示的可选仪器很多。东海和汶川科学钻探的实践已经证明，进口的“马丁-戴克”和国产的“神开”等系统都能适应科学深钻的需求。我们可以从科学钻探的任务出发，参照表1.1列出的俄罗斯СГ-3超深井钻进过程中实时采集的参数类别、数量及功能，根据仪器费用预算来选择或定制合适的地表钻探参数检测仪表。

在广泛调研的基础上，建议选用国产的“神开”SK-2Z16钻参仪（图3.12）。它可直接测量20多项参数，并可派生出近百种参数，所有参数及相应的曲线能通过触摸屏进行自定义、任意选择显示，常见参数如下：

图3.12 国产的“神开”SK-2Z16钻参仪显示屏

1）大钩悬重：0～4000kN或0～2500kN；

2）钻压：0～500kN；

3）立管压力：0～40MPa；

4）转盘扭矩：0～100kN·m；

5）吊钳扭矩：0～100kN·m；

6）转盘转速：0～1920r/min；

7）泵冲：0～1920冲次/min（包含泵冲1、泵冲2、泵冲3）；

8）总泵冲：0～106千冲次；

9）总烃：0～100%；

10）泥浆返出量：0～100%；

11）井深：0～9999.99m（可要求仪器能反映13000m）；

12）钻时：0～600min/m；

13）井底上空：0～9999.99m（同上）；

14）钻头用时：0～1000h；

15）钻头进尺：0～9999.99m（同上）；

16）大钩位置：0～50m。

该钻参仪传感器系统采用国际上先进的CAN总线技术，简化了系统布线及结构，实现了全数字传输、零漂移、高精度、高可靠性，而且可以任意扩展。

该钻参仪前后台采用无线网络技术传输数据，支持远程数据访问技术，实现数据的网络共享，可以通过局域网配置多台计算机（图3.13）。

图3.13“神开”SK-2Z16钻参仪的CAN总线技术及无线网络传输技术示意图

该钻参仪可以提供与MWD结合的数据接口（图3.14），将井下仪器的井斜、方位等数据接入系统，可实时计算钻进过程中的井斜，水平位移、垂直位移，方位角，垂直井深。实时跟踪井眼的轨迹，指导司钻作业，提高钻井时效。

图3.14“神开”钻参仪与MWD结合将井下仪器的井斜、方位等数据接入系统示意图

该钻参仪可以通过卫星实现数据的远程传输，使后方基地也可借助网络分享现场钻探信息（图3.15）。

图3.15 钻参仪可通过卫星实现数据远程传输、网络分享现场钻探信息

超深井钻探过程中井下数据采集与传输的方式及仪器~

随着现代检测技术、计算机及其软件技术的飞速发展，目前采集与传输地表钻进参数并不困难。前苏联СГ-3超深井钻探的实践证明，当井深超过5km时地表测得的钻头和井底动力机工作参数的准确性明显下降，因此必须直接对井底钻进参数进行检测。
1.2.1 井下数据采集的方式及仪器
整个井下数据的检测过程主要以信号流的形式出现，包括信号的采集、信号的转换、信号的处理与显示。测量不同的物理量，须采用不同的传感器，常用的井下参数测量传感器包括：
1）温度传感器：主要用热敏传感器和热电阻抗震传感器。
2）压力传感器：国际石油界把石英晶体压力计作为行业压力测量标准。
3）工具面向角、顶角（井斜角）和方位角传感器：主要用三轴磁通门磁强度传感器和三轴加速度传感器。
4）地层参数传感器：主要有伽马测井、电阻测井和电磁测井等抗震传感器。
近年来国内外迅速发展的随钻测量（MWD）和随钻测井（LWD）技术已把上述井下参数传感器及其后续的信号转换、处理与传输功能集成于一体，可实现钻进过程中实时地采集和传输井下参数。
目前处于国际领先地位的随钻测量（MWD）仪器厂家及产品如表1.2所示。
表1.2 处于领先地位的随钻测量厂家及产品


1.2.2 井下数据传输的方式及仪器
按井下信号向地表传输方式的不同可把仪器分为“井下存储”和“直接传输”式两类；向地表“直接传输”的通道又分为“有线”、“无线”两大类。目前可用的“无线”传输通道包括：泥浆脉冲、声波和电磁波通道（如表1.3所示）。由于声波方式目前很少在生产中应用，故下面主要介绍其他传输方式。
表1.3 孔底信号传输通道类别


（1）井下存储方式
不实时将采集的数据传输到地面，而是将这些数据保存在SD卡内。每个回次结束后起钻读取数据，或通过自浮式仪器将存储的数据读取到计算机中，从而可节约升降钻柱的大量辅助作业时间。
为保证井下数据采集的可靠性，德国KTB科学钻探工程在采用泥浆脉冲方式传输数据的基础上还准备了备用方案：在井下仪器中安装一个存储器，不断记录钻井过程中传感器测量的数据，待提钻后将仪器存储器中的数据导入计算机，实现井下数据的回放与存储。
中国CCSD-1科学钻探工程也是采用井下存储方式。
（2）有线随钻传输方式
有线方式在钻进过程中通过铠装电缆把井下测量参数传至地表，具有成本低、对冲洗循环系统要求低、数据传输准确、可直接向井下供电和响应性好等优点，但电缆会影响正常钻进过程，加接钻杆耗时长。
（3）泥浆脉冲随钻传输方式
泥浆脉冲信息传输方式有压力正脉冲、负脉冲和连续脉冲3种形式，最大信号传输井深8000m左右。其信号形成机理及工作特点见表1.4所示。常用泥浆脉冲式随钻测量仪如表1.5所示。
表1.4 三种泥浆脉冲信号的产生方式


俄罗斯的СГ-3超深井和德国KTB科学钻探工程，均使用泥浆脉冲发射器将经过处理并编码的信号传至地表，地表信号接收器接收信号并对信号进行解码，从而获得井下测量数据。俄罗斯采用井底发电机向泥浆脉冲器供电，并引入“所需功率系数K”以评价深井随钻测量的能耗。考虑到设备的可能性和15000m深处所需液力条件，系数K应不超过5%。

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）

式中：Nr为井底发电机所需水马力；N为泵的水马力。
表1.5 常用的泥浆脉冲式MWD仪器一览表


德国KTB为减少井深对泥浆脉冲信号的影响，当钻进到较深井段时，通过延长泥浆脉冲的时间间隔来实现井下数据的传输。由于井下温度高，KTB主要通过井下发电机供电，同时有锂电池供电备用方案。
（4）电磁波随钻传输方式
采用电磁波传输孔底信号是近年来发展起来的一种无线随钻测量技术。其优越性在于：①可在泥浆、气体、泡沫等任何冲洗液中使用；②停钻、停泵时仍可传输数据；③可在滑行钻进和转盘钻进中使用（有线方式只能在滑行钻进中使用）。但深孔（＞4000m）条件下信号受地层电阻率影响大。
俄罗斯的ZTS型电磁波随钻测量仪主要技术参数如表1.6所示。
表1.6 俄罗斯ZTS电磁波随钻测量仪主要技术参数

1.1.1 前苏联СГ-3超深井钻探过程中采集的数据
СГ-3超深井钻进时为了控制主要的工艺参数，从8000m深度开始采用信息-测试系统，表1.1列出了其组成、测量范围、二次仪表和指令种类。信息-测试系统分为钻进控制、升降操作、钻孔冲洗及其他钻探作业子系统。各测量通道由标准件和集成块组成，通过计算机采集和处理工艺信息。
表1.1 前苏联СГ-3超深钻井信息-测试系统的测量范围、二次仪表和指令种类一览表


续表


1.1.2 德国KTB科学钻探工程采集的数据
德国KTB科学钻探工程不仅在主孔施工过程中采用了随钻测量技术，在先导孔的钻井过程中也采用了随钻测量（MWD）技术。KTB钻探工程在钻进过程中主要测量钻井参数，同时也测量井下的地质情况。
钻井参数主要包括：大钩悬重、转盘转速、转盘扭矩、立管压力、钻井液温度、泥浆流量、泥浆池内泥浆体积、绞车下放速度、井下钻头压力、井下钻杆扭矩、井下振动/冲击、环空带温度/压力、钻孔顶角/偏移、钻孔方位和工具面方位等。
地质方面的参数主要是电阻率、伽马射线。
1.1.3 中国大陆科学钻探CCSD-1井钻探工程采集的数据
中国大陆科学钻探CCSD-1井采用上海神开公司的SK-2000FC/C综合录井仪，并对其进行了二次开发，主要采集地表参数：转盘转速、转盘扭矩、立管压力、套管压力、大钩悬重、钻井液温度、泥浆密度、泥浆电导率、泥浆流量、泥浆池内泥浆体积和绞车下放速度。在适当的时候也曾采集井下数据：井下泥浆压力和温度、井斜角和工具面向角。

数据采集技术的方法有哪些?
答：对于企业生产经营数据上的客户数据，财务数据等保密性要求较高的数据，可以通过与数据技术服务商合作，使用特定系统接口等相关方式采集数据。比如八度云计算的数企BDSaaS，无论是数据采集技术、BI数据分析，还是数据的安全性和保密性，都做得很好。数据的采集是挖掘数据价值的第一步，当数据量越来越大时，可...

电磁波在通信方面的应用原理。要长点的。。论文哩
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答：4.有利于安全、优质和快速钻井,满足采油和修井的作业要求。三.剖面设计中应考虑的问题 1.选择合适的井眼曲率 井眼曲率不宜过小,这是因为井眼曲率限制太小会增加动力钻具造斜井段、扭方位井段和增(降)斜井段的井眼长度,从而增大了井眼轨迹控制的工作量,影响钻井速度。 井眼曲率也不宜过大,否则钻具偏磨严重...

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