飞扬嗒兜兜
1.液动螺杆钻具的应用
液动螺杆是目前施工定向井中造斜段、稳斜段、水平钻进段的常用钻具。液动螺杆以钻井液作为动力介质，底部输出动力，推动钻头工作，这种方法的优点是钻具可以不转动，减少了井下钻具磨损及钻杆折断事故，可精确控制井眼轨迹。
螺杆钻具分为直螺杆、弯螺杆和可调螺杆3种，水平定向钻进一般采用单弯螺杆钻具钻进，其角度有1°，°，°，°等多种，可依据具体情况选用，并配合无磁钻铤和测斜仪器组成定向钻具组合。通过液动钻进方式实现增斜、降斜，通过复合钻进方式稳斜，即达到连续钻井目的，又可随时调整井眼轨迹。
2.定向测斜仪的应用
定向钻进主要控制的井身轨迹参数包括：井斜角、方位角、工具面和斜深。在钻进过程中必须及时测得井眼轨迹参数。应用单点照相测斜仪，有线随钻测斜仪和无线随钻测斜仪可确定上述参数，水平对接井连通时，还需强磁连通工具。
（1）单点照相测斜仪
这类仪器在国内应用已很普遍，这类仪器在螺杆钻具上部工作面方面设有定位座，单点照相测斜仪下到定位座位置时，在设定的时间内胶片曝光，胶片上留有该点的井斜角、方位角。适当转动钻具可实现工作面的调整，按设定井身轨迹钻进。单点照相测斜仪操作简单、性能稳定，但每次测量时需停钻静止等待，测出的轨迹不连续，适用于倾斜角不太大的定向井、丛式井施工。
（2）有线随钻测斜仪
此测斜仪通过电缆将信号从孔底输到地表，此种方法传输信号衰减小，数据可靠，但需把测量探管的电缆从钻杆中送入井底，在回次终了需提升仪器，需要专门的水龙头和电缆绞车。有线随钻测斜仪实现了井身轨迹在钻进时的连续测量，进而随时控制钻进轨迹。有线随钻仪器使用缺点在于每次加尺时需将探管提升和下放，影响作业时间，在水平段钻进时，有时依靠钻井液的冲力使探管下到井底。有线随钻适合于井斜较大、井身轨迹要求精度高的井，在地层稳定情况下，在水平段也有应用，但由于煤层的不稳定性，不适合在煤层中水平钻进。
（3）泥浆脉冲无线随钻测斜仪———PMWD
PMWD系统（图2－1）可将测量的井斜、方位、工具面、井深等数据通过泥浆脉冲介质传递到地面，还可在PMWD系统中按放伽马探管进行随钻判层，这点在煤层气水平钻井中非常重要。
图2－1 PMWD井下安装示意图
PMWD系统将采集数据通过确定的编码方式转化为电磁铁动作，当泥浆脉冲泵打开时，电磁铁的直线运动转换为旋转阀的开关模式，从而产生泥浆脉冲压力变化。泥浆脉冲压力信号传到地面，经过滤波、译码等处理后，转化为定向测量数据和伽马电阻率等数据。PMWD 测斜仪不用电缆，只需用泥浆流作为传输介质，钻进过程中可随时读取井眼的空间要素和岩层信息，对水平井井身轨迹可随时控制，达到了真正意义上随钻目的。PMWD的工作原理依赖于泥浆，泥浆性能的好坏对 PMWD 工作影响很大。当泥浆中固相含量高到一定程度时，容易堵塞PMWD 系统，由于泥浆流长时间冲刷PMWD系统，有些部件容易损失，影响水平井钻井进程；煤层气钻井中常常采用欠平衡钻井，PMWD 系统将不能应用。目前，PMWD已做到国产化，但伽马探管需引进。
（4）电磁波无线随钻测斜仪———EM－MWD
电磁波无线随钻系统（图2－2）利用低频电磁波经过地壳将信息传送到地面，通过地面天线接受，然后由计算机解码和处理，发布到司钻的显示屏上。EM－MWD系统采用连续传输方式，能够在钻杆连接的时候传输静态测量值。
以美国国民油井生产的 Blackstar EM－MWD 为例，它测量的关键数据点包括：①磁力、重力、工具面，②井斜，③近钻头井斜，④方位角，⑤高边伽马，⑥低边伽马，⑦定向伽马和360度伽马，⑧环空压力。
EM－MWD适合：①欠平衡钻井，②低压地层，③循环损失地层，④受污染的泥浆系统。
EM－MWD目前国内无生产，应用依赖国外引进。它的应用受电阻率限制，若地层电阻率低，信号容易发散损失，地面将接收不到传输信号。
（5）强磁连通仪器
图2－2 EM－MWD结构图
两井连通过程中采用的技术为近钻头电磁测距法———RMRS。RMRS技术的硬件构成报包括强磁短节和强磁探管。强磁短节的长度约为40cm，由横行排列的多个强磁体组成。它主要用来提供一个恒定的待测磁场，电磁信号的有效传播距离为40m。探管由3部分组成：扶正器、传感器组件、加重杆，其长度约为3m。当旋转的强磁短节通过另一井洞穴附近区域时，洞穴中的探管可采集强磁短节产生的磁场强度信号，最后通过采集软件可准确计算两井间的距离及当前钻头的位置。RMRS必须与 MWD和螺杆马达等配合使用，钻具组合通常为：钻头＋强磁短节＋马达＋无磁钻铤＋MWD＋钻杆。目前强磁连通仪器国内无生产，依靠国外引进或国外提供租赁服务。
寻梦的蒲公英
超深井钻探过程中井下数据采集与传输技术的应用方案
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（）计算，则井底循环钻井液温度为℃。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～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），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 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和表，根据上述资料作的曲线图见图至图。
表 用ГCPT-4型仪器测量温度的数据
表 用ГH4型仪器测量温度的数据
图 井内温度分布图
图 温度恢复与时间的关系
图 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）。
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）可以看出，虽然与本报告“ 超深井井下温度预测”中的图模拟结果趋势相同，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～，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～1℃/100m，在10km之后为℃/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。
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），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 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）、自浮式测斜仪（图）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 国产打捞式单点测斜仪
图 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）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±°），方位角范围0°～360°（±°），重力工具面角精度±°（Inc>10°），磁性工具面角±°（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）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±°，方位角±°，磁性工具面、高边工具面（Inc>10°，Dip<70°）±°，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 斯伦贝谢TeleScope随钻高速测量系统
图 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）；二是俄罗斯СГ-3井的实测曲线（图）。估算的结果见表。
表 7000～10000m孔段的环境温度估算表
由表可以看出：
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）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）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），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～°（测量精度°）或1～°（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 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所示。
图 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
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）。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 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～（可要求仪器能反映13000m）；
12）钻时：0～600min/m；
13）井底上空：0～（同上）；
14）钻头用时：0～1000h；
15）钻头进尺：0～（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）。
图“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），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“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）。
图 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
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