電磁波隨鉆測量技術在煤層氣鉆井中的應用

張美君

摘要：由于電磁波隨鉆測量系統（EM-MWD）的技術特點適合煤層氣定向井作業，因此在國內近幾年煤層氣開發中得到認可，且廣泛應用。文中對煤層氣鉆井的作業特點和使用電磁波傳輸的優勢進行了闡述，并對SEMWD-2000B電磁波隨鉆測量系統及在煤層氣鉆井中的應用情況進行了介紹。

關鍵詞：電磁波隨鉆測量;煤層氣;定向井;多分支井

一、煤層氣鉆井和EM-MWD技術的特點

1.煤層氣鉆井特點

目前開采的煤層氣一般埋藏在淺層，垂深在1000米以淺。煤層氣開發與油田開發相似，也主要有直井、一般定向井、水平井（含多分枝井）幾種井型，其中長水平段井和多分枝井技術的應用，可以有效增加井眼與煤層的接觸，提高單井的產氣量，因此煤層氣井一般垂深淺，水平段長，水垂比較大[1]。

由于煤層較脆，鉆井過程中機械鉆速較快，且井眼容易垮塌。鉆速快，單位時間內進尺長，如果每米井深需要傳輸的參數一定，則鉆速越快單位時間內需要傳輸的數據量越大，對隨鉆測量儀器的傳輸率要求越高。井眼易垮塌，鉆井過程中容易發生復雜情況，一旦井下發生復雜情況，將井下儀器起出，然后處理井下復雜情況，可有效減少井下工具落井的損失，因此煤層氣鉆井使用的隨鉆測量儀器要求可打撈。

2、EM-MWD技術的特點

EM-MWD技術以電磁波方式傳輸信號，與泥漿脈沖傳輸方式相比，由于傳輸不依賴于泥漿循環，其信號傳輸受泥漿性能影響小，在接單根期間可以傳輸數據，測斜不額外占用鉆井時間的優勢也越明顯，尤其對于機械鉆速越高，建井時間越短的作業。

電磁波方式與國內常用泥漿脈沖相比傳輸率較高，國內常用泥漿脈沖的傳輸率一般不到1bps，電磁波傳輸方式可以達到幾bps。傳輸率越高在實際作業中參考數據更新越快，信息延遲時間越短。對于煤層氣淺井作業，電磁波方式的傳輸率，能夠更好的滿足鉆速快對傳輸率要求高的需求。

二、電磁波隨鉆測量系統

這里以中國電子科技集團公司第二十二研究所研制了SEMWD-2000B電磁波隨鉆測量系統為例介紹電磁波隨鉆測量系統。該系統分為井下工具、地面系統兩部分。系統為下座鍵可打撈的結構形式，具備井眼姿態測量、方位伽馬、環空壓力測量能力，且為了滿足不同井眼作業的需求形成了系列化產品，絕緣天線（gap sub）有165/121/101mm等多個尺寸，具備小井眼的作業能力。

1、系統組成

SEMWD-2000B電磁波隨鉆測量系統主要由井下工具與地面系統組成，其中井下工具主要包括絕緣天線、絕緣短節、發射機、電池、定向探管、方位伽馬與環空壓力測量短節、座鍵短節、打撈頭、引鞋、弓形扶正器等;地面系統主要包括接收天線、接口箱、筆記本（工控機）、司鉆顯示器、深度跟蹤相關傳感器、工程軟件等。井下工具完成參數測量和信號發射。主要測量參數有井斜、方位、工具面、上下伽馬、環空壓力。地面系統主要完成電磁波信號的接收、處理、解碼、換算、顯示、深度跟蹤等功能。

2、系統技術指標

SEMWD-2000電磁波隨鉆測量系統主要技術指標如表1所示。

3、系統的技術特點

SEMWD-2000B電磁波隨鉆測量系統主要有以下技術特點。

（1）發射機參數可調，系統的工作頻率、發射功率，可在儀器下井前設置。根據作業井的實際情況，選擇系統工作頻率和井下發射機功率。

（2）下座鍵、可打撈的結構形式，在井下出現復雜情況時，可用專業工具將井下儀器起出，便于后續處理。

（3）為了煤層氣小井眼的作業需求，設計了外徑為101mm的絕緣天線;為了保證小井眼時鉆井液的流通面積，儀器扶正器處采取了縮徑的結構形式。

（4）實現了方位伽馬與環空壓力測量，方位伽馬在鉆出煤層后，可幫助判斷出的頂層還是底層，便于后續軌跡的調整;環空壓力可幫助判斷井下復雜情況。

（5）地面接口箱具有標準WITS接口，方便數據交互。

（6）系統可用無線傳感器實現深度跟蹤，減少井場布線，方便作業。

三、現場應用情況

在沁水盆地電磁波隨鉆測量系統已廣泛應用，并表現出其技術優勢。

1、方位伽馬的導向作用

方位伽馬在鉆井過程中可測量井周不同方向自然放射性信息，通過一定算法處理將窗口在不同方向的測量結果分開，在實際水平鉆井中主要關心上下兩個方向，SEMWD-2000B提供上下兩個方向的伽馬測量數據。ZX-XXX水平井作業中穿過煤層夾矸方位伽馬的時間和深度曲線。左側曲線為時間伽馬曲線，右側為深度伽馬曲線，其中黃色為上伽馬，紅色為上伽馬，說明了井眼由下向上穿過煤層夾矸的過程，由煤層進入夾矸上伽馬先變大，由夾矸進入上部煤層，上伽馬先變小。

2、信號幅度與地層電阻率相關的應用

電磁波隨鉆測量系統使用的天線為非對稱的偶極天線，天線的輸入阻抗與天線周圍的地層電阻率緊密相關。周圍地層電阻率的大小影響信號的大小，因此在煤層水平段信號的大小的突然變化具有一定的地質導向作用。

四、結論

EM-MWD傳輸率高，且信號幅度對地層電阻率敏感可用于判斷軌跡是否要出煤層，上方位伽馬測量信息，可進一步確認鉆進方向與上下底板的關系，兩項技術配合，作業優勢明顯，非常適合煤層氣定向井（水平井、分枝井）的作業，已得到業界認可。

參考文獻：

[1] 杜俊杰，范業活，韓永國.國內EM-MWD技術發展現狀及在煤層氣中應用展望[J].中國煤層氣.2014，11（S4）：6～10.

[2]李天祿，范業活，楊志強.SEMWD-2000電磁波隨鉆測量系統及現場試驗[J].錄井工程.2012，23（S2）：64～67.