礦用EM-MWD絕緣短節關鍵參數分析及研制

邵　春，徐　林，王林鋼

(1.中國地質大學(武漢)資源學院，湖北 武漢 430074；2.山東黃金地質礦產勘查有限公司，山東 萊州 261400)

礦用EM-MWD絕緣短節關鍵參數分析及研制

邵春1，徐林1，王林鋼2

(1.中國地質大學(武漢)資源學院，湖北 武漢 430074；2.山東黃金地質礦產勘查有限公司，山東 萊州 261400)

摘要：絕緣短節是電磁波隨鉆測量(EM-MWD)的重要組件，在設計加工絕緣短節時，既要考慮絕緣短節長度與絕緣性，又要考慮絕緣短節的機械性能。應用ANSYS仿真分析絕緣短節關鍵參數(長度、電阻)對信號傳輸的影響規律，由分析可知，一般絕緣短節長度取0.5m、電阻達到數百歐姆即可滿足電磁波隨鉆測量的要求。基于此，研制一種長度為0.5m、電阻大于8MΩ的礦用絕緣短節，其機械性能接近鉆桿，野外試驗結果表明，該絕緣短節能用于工程實際。

關鍵詞：電磁波隨鉆測量；絕緣短節；參數分析；研制

隨鉆測量(MWD)能夠實時監測孔眼軌跡，是定向鉆孔的重要技術支撐[1-3]。目前，國內無線隨鉆測量有兩種：泥漿脈沖隨鉆測量與電磁波隨鉆測量。泥漿脈沖隨鉆測量依靠泥漿壓力脈沖傳輸數據，其主要應用在液體泥漿鉆井中，且排量不能過小。而EM-MWD不受泥漿介質與排量大小的限制，傳輸深度可達3500m[4-6]。而地礦鉆探施工多為小排量鉆進，鉆孔垂深一般小于3000m，在地礦鉆探中，EM-MWD具有良好的應用前景。

國外早在20世紀80年代就已經實現了EM-MWD商業化應用，而國內EM-MWD系統還處在研發與試驗階段，研制能滿足工程應用的絕緣短節是其中一大關鍵技術難題。國外研制的絕緣短節整體采用非金屬材料，目前已經應用于實際鉆探作業中，但購買費用昂貴。而國內非金屬材料的機械性能無法達到實際應用的要求，絕緣短節研制還處于試驗研究階段[7]。設計加工絕緣短節，除了要具有鉆桿一樣的機械性能以傳遞鉆壓、拉力和扭矩，還要有合理的長度，長度過短不利于信號傳輸，過長增加加工難度與成本，此外還應有一定的絕緣性。基于地礦常用鉆具規格，應用ANSYS對EM-MWD信號傳輸進行有限元仿真分析，研究絕緣短節長度與電阻對EM-MWD信號傳輸的影響規律，得出絕緣短節最小長度及最小電阻。基于此，研制一種結構合理，能用于地礦鉆探的絕緣短節。

1EM-MWD工作機理

EM-MWD采用絕緣短節將鉆柱分隔成上下兩段，通過在上部鉆柱和下部鉆柱之間施加激勵源，形成以地層、鉆柱和鉆井液為傳輸介質的信號傳輸通道，從而以電磁波為載體將孔底采集的信息傳到地面。地面信號接收裝置采集鉆柱(或井架)與接地電極之間的電勢差，經過處理獲取所需信息，信號傳輸模型見圖1。

圖1EM-MWD信號傳輸模型

2絕緣短節關鍵參數分析

絕緣短節研制不僅需要設計合理的長度，而且要有一定的絕緣性。本文應用ANSYS建立EM-MWD信號傳輸仿真模型，分析絕緣短節長度和電阻對信號傳輸的影響規律，為絕緣短節研制提供理論依據。

2.1仿真模型建立

為了便于有限元模型的建立，做如下簡化：(井眼為直井，井眼軸線與鉆柱軸線重合；(地層為均質地層；(鉆柱全部為鉆桿。由于簡化模型關于井眼軸線具有對稱性，故選用平面對稱模型進行信號傳輸分析。模型相關參數如下：鉆桿外徑73mm、壁厚9.19mm、鉆桿電阻率2×10-7Ω·m；地層圓周半徑2000m、地層深度2500m、井深2300m、下部鉆柱長5m；激勵源信號發射功率5W、發射頻率2.5Hz；其他參數(地層電阻率、鉆井液電阻率、絕緣短節長度和電阻)根據模型需要設定。

圖2為仿真模型地層電位云圖，此模型地層電阻率25Ω·m、鉆井液電阻率10Ω·m、絕緣短節長度1m、絕緣短節電阻10MΩ。由圖2可知，以鉆柱為中心，地面電位隨著與鉆柱之間水平距離增加而逐步降低。

2.2絕緣短節長度分析

在分析絕緣短節長度對信號傳輸的影響時，設定絕緣短節電阻10MΩ，圖3為地層電阻率分別為25Ω·m和200Ω·m時絕緣短節長度與地面接收電壓的關系，分析時考慮了不同鉆井液電阻率的情況。其中，縱坐標表示地面接收電壓分貝值(以下若無特別說明接收電壓均以分貝值表示)，即U(dBV)=20log(ΔU0)，ΔU0為鉆柱頂端與地面接收電極之間的電位差，地面接收電極與鉆柱水平距離50m。

圖2仿真模型地層電位云圖

圖3絕緣短節長度與地面接收電壓的關系

由圖3(a)可以看出，絕緣短節越長，地面接收電壓越大，但當長度達到一定值后地面接收電壓不再明顯變化。當鉆井液電阻率為1Ω·m、0.1Ω·m和0.01Ω·m時，絕緣短節長度分別達到0.25m、0.6m 和0.9m時地面接收電壓接近最大值。由圖3(b)可以得出類似結論，當鉆井液電阻率為20Ω·m、1Ω·m和0.1Ω·m時，絕緣短節長度分別達到0.2m、0.5m 和0.8m時地面接收電壓接近最大值。對比圖3(a)和圖3(b)，地層電阻率越大，鉆井液電阻率越小，地面接收電壓達到最大值對應的絕緣短節越長。這是由于在高阻地層和低阻鉆井液條件下，當絕緣短節過短時，在其附近易形成局部渦流，導致激勵源有效發射功率降低，地面接收電壓減小。而地礦鉆探中使用的鉆井液電阻率一般大于0.1Ω·m，且EM-MWD適用地層電阻率為1～200Ω·m[8-9]。因此，在工程實際中一般可以取絕緣短節長度0.5m，既能避免絕緣短節過短導致地面接收電壓偏低，又不至于絕緣短節過長而徒增加工難度和費用。

2.3絕緣短節電阻分析

在分析絕緣短節電阻對信號傳輸的影響時，設定絕緣短節長度1m，鉆井液電阻率10Ω·m。圖4為不同地層電阻率條件下，絕緣短節電阻與地面接收電壓的關系。

由圖4可以看出，地面接收電壓隨絕緣短節電阻增大而增加，但增加速度逐漸變緩。當地層電阻率為25Ω·m、50Ω·m和200Ω·m時，絕緣短節電阻分別達到35Ω、65Ω和100Ω時地面接收電壓接近最大值。因此，地層電阻率越高，地面接收電壓達到最大值對應的絕緣短節電阻越大。這是由于在高阻地層條件下，當絕緣短節電阻較小時，激勵源易通過絕緣短節形成電流回路而損耗部分功率，導致地面接收電壓減小。而EM-MWD適用地層電阻率一般不高于200Ω·m，則絕緣短節電阻達到數百歐姆即可滿足工程應用要求。

圖4絕緣短節電阻與地面接收電壓的關系

3絕緣短節研制

本文研制一種礦用絕緣短節，其包括短節本體、保護接頭和扶正器，連接方式見圖5。

短節本體由一段無磁鋼材制成，長度0.5m，外徑73mm。短節本體兩端螺紋表面、內外表面及端面均加工柔性耐磨陶瓷絕緣層，其中螺紋表面絕緣層厚度為0.1～0.2mm，內外表面及端面絕緣層厚度為0.3～0.5mm。該柔性耐磨陶瓷材料抗壓強度大于110MPa、剪切強度大于72MPa、絕緣強度大于70kV/mm、耐磨損為27mg；保護接頭安裝在短節本體兩端，且向螺紋連接處注入螺紋膠使密封良好，并使用2kN·m預緊力將保護接頭與短節本體緊固連接；扶正器安裝在保護接頭一端，使絕緣短節本體保持居中，避免短節本體外表面絕緣層與孔壁摩擦而破壞。

圖5絕緣短節結構示意圖

圖6本絕緣短節在山東萊州SD-GOLD
鉆孔電磁波隨鉆測量試驗

4現場試驗

中國地質大學(武漢)自主研發了一套電磁波隨鉆測量系統，并加工配套了的絕緣短節。本電磁波隨鉆測量系統發射功率5W，發射頻率2.5Hz。

2013年3月，使用該套儀器在山東萊州SD-GOLD鉆孔進行電磁波隨鉆測量試驗，試驗現場見圖6。下井前地面模擬試驗正常，檢測絕緣短節電阻大于8MΩ。絕緣短節安裝在距離鉆頭2.3m位置，地面信號接收裝置兩端分別與鉆機繃繩和接地電極連接，接地電極與鉆機之間距離為50m。試驗過程中，地面接收信號正常，最終試驗孔深1330m，垂深1300m，接收信號穩定，電勢差大于1mV，說明絕緣短節工作良好，未失效。起鉆后，觀察短節本體外表面絕緣層無明顯損傷，檢測絕緣短節電阻仍大于8MΩ，說明本絕緣短節絕緣性能和機械性能良好，能夠滿足地礦工程應用要求。

5結論

1)研制一種礦用絕緣短節，并進行野外試驗，試驗結果表明該絕緣短節能夠應用于地礦鉆探。

2)絕緣短節長度和電阻越大對信號傳輸越有利，地面接收電壓越大，但當長度和電阻增加到一定值后地面接收電壓不再有明顯變化。

3)工程應用中，一般絕緣短節長度取0.5m、電阻達到數百歐姆即可滿足電磁波隨鉆測量的要求。

參考文獻

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Key parameters analysis and development of mining EM-MWD insulated gap

SHAO Chun1，XU Lin1，WANG Lin-gang2

(1.Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China；2.Shandong Gold Geology and Mineral Resources Co.，Ltd.，Laizhou 261400，China)

Abstract:Insulated gap is an important component of Electromagnetic Measurement While Drilling (EM-MWD).It is necessary to take not only the length and the insulation，but also the mechanical properties of insulated gap into account when designing and processing.Applying ANSYS，this article analyzes the rule of the influence of the key parameters of insulated gap on EM-MWD signal transmission.According to the analysis，the insulated gap can meet the EM-MWD requirements when the length of it is 0.5m and the resistance value reaches a few hundreds ohms.Based on this analysis，a mining insulated gap is developed，of which the length is 0.5m and the resistance value exceeds 8MΩ.Its mechanical properties are similar to those of drilling pipes.The result of field test shows that the mining insulated gap can be used in engineering practice.

Key words：electromagnetic measurement while drilling(EM-MWD)；insulated gap；parameters analysis；development

收稿日期：2015-11-10

作者簡介：邵春(1972-)，男，河南信陽人，博士，副教授，主要從事隨鉆測量技術研究。E-mail：shaochun_74@163.com。

中圖分類號：TD421

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0160-04