隨鉆測量技術的發展現狀和前景研究

薛曉衛(中石化經緯有限公司江漢測錄井分公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

隨鉆測量技術是由國外引進，最早發現該技術的時間是在1980年，當時推出了最初版本的隨鉆測量工具，但是當時該工具只有井斜、方位、工具面測量的功能，應用整體比較受限。

如果地質條件比較復雜，則不能滿足鉆井需求。在此基礎上研發了定向鉆井技術，對隨鉆測量技術進行了創新，提高碎鉆測量技術數據傳輸效率、穩定性，而且在實際應用中還表現出極高的耐磨性、抗震性，對比傳統技術手段的應用體積比較小。

目前，隨鉆測量技術在煤礦、化工等各個領域均得到應用。在高斜度井、水平井等數量不斷增加的現代，隨鉆測量工具、鉆井工具開始以組合的形式使用，建成常規電纜測井之后可以實時傳輸數據。目前，隨鉆測量技術已經非常成熟，在原本功能基礎上可以支持異常地層壓力、地層密度、伽馬射線、中子孔隙度等的測量，同時包括隨鉆測井與地質導向的功能。基于此，本文圍繞隨鉆測量技術對其發展與應用現狀進行討論，總結今后技術的發展前景。

1 隨鉆測量技術概述

隨鉆測量技術涉及到兩個部分，分別是地面、地下測量兩部分。化工行業應用該技術以井下系統比較常見，該系統由供電、測量、信號發生、數據傳輸組成，其供電形式為電池與渦輪供電[1]。如果采用電池供電，具有持續性的特點，但是往往作業時間比較有限，而渦輪供電的應用存在限定條件，即開泵運行條件方可達到供電目的，可在排量與耗電量比較大的情況下使用。隨鉆測量技術的測量對象包括鉆井軌跡井斜、方位、工具面這些關鍵參數，將該技術和一些功能比較特殊的測量短節結合應用，可以對電阻率、扭矩、環空密度等和重要參數進行測量。轉子、定子中間的通道開關一旦有壓力脈沖產生，會有數據傳輸需求，此為井下信號，數據傳輸分為有線與無線兩種，適用于光纖、鉆井液、電磁波等工作情況。

根據化工領域隨鉆測量技術的應用，總結該技術原理如下：接近鉆頭位置的井底組合鉆具安裝測量工具，貼近鉆頭之后可以測量得到數據，持續鉆進可以向地面傳輸信息，支持鉆進同時進行測量。目前，石油鉆井使用隨鉆測量技術涉及到很多比較復雜的系統，而且各個系統結構、功能各異，常規隨鉆測量技術系統由信號遙測通道、信號與脈沖發生器、井下電源、參數傳感器、隨鉆測量地面系統組成，負責定向參數、地層評價參數、鉆井參數和安全鉆井參數的測量。

2 隨鉆測量技術發展與應用現狀

隨鉆測量技術在我國的起步比較晚，但是技術從研發開始一直到實現商業化應用的時間其實比其他國家短，其間僅有5～10年的時間。我國市場中隨鉆測量有關產品已經相對成熟，例如電池驅動與渦輪發電驅動的裝置。以某頁巖氣工區為例，該工區普遍采用上述兩種隨鉆測量技術儀器，繪制自然伽馬實時傳輸曲線，幫助地質導向者制定科學的決策，使該工區水平段1 500～2 300 m實現了穿越。2021年此工區作業共計儀器入井次數超過了200次，但故障率只有6.0%，大部分井儀器均為零故障，代表隨鉆測量技術在化工領域的應用已經進入到成熟期[2]。

我國現有的高溫隨鉆測量技術儀器設備，在應用中其耐溫條件已經達到了175 ℃，而且在商業運作方面具有相對成熟的經驗。很多企業開始進行隨鉆測量技術有關產品的自主研發，將高溫175 ℃條件下的繞組線性衰減問題很好地解決，而且體現出低功耗的功效，設備外徑僅有44.5 mm，在化工領域應用具有良好的成效。對比國內外關于隨鉆測量技術的研究，國外信息傳輸速率問題還沒有完全得到解決時，該技術的發展方向包括兩點，分別是旋轉導向與單元集成模塊化。其中旋轉導向技術已經非常成熟，提前設置井下儀器的若干個指令，達到雙向通信。按照實鉆軌跡選擇對應指令執行，此時可以利用閉環執行機構，旋轉的同時定向控制軌跡[3]。單元集成模塊化集合若干個參數測量裝置，將其集成到一個單根，渦輪發電負責供電，集成時涉及到改進原本傳感器，使其更加穩定，而且支持多個探頭與角度的測量，也能夠達到遠距離測量要求，了解到地層各個交界面和地層所有元素、密度與孔隙度的實際情況。

3 隨鉆測量技術的應用要點

3.1 隨鉆測量技術參數的設置

根據化工行業實踐發現，巖石、鉆孔關系很難進行精準定義，所有相關研究均是長期監測數據之后，結合實際經驗總結而來。雖然如此，鉆孔參數和巖性的聯系關系在主觀層面已經認定為有密切的聯系。巖石孔隙、裂隙、不連續面比較多，即使是對一塊巖石取樣，要想對巖石建模也存在難度。受周圍環境溫度、含水率、圍壓等因素的影響，物理力學性質并非為一個常量[4]。綜合考慮之后，建議利用鉆孔參數判斷巖石材料性質指標的精準性。滲透率和巖石強度為正比例關系，但是也存在不連續面、裂縫、孔隙等因素的干擾。要想切實滿足鉆孔爆破的需求，符合數據采集、處理技術使用要求，可以采用隨鉆測量技術對數據進行監測，在海量數據中得到有實際應用價值的巖性數據、鉆孔數據。這就需要全面了解鉆孔過程、鉆孔時需要能量、鉆孔環節所有參數和巖體強度特性聯系。

以此為前提可以劃分隨鉆測量技術參數的類別，主要有測量參數、計算參數、推導參數。鉆機設備應用隨鉆測量技術時，轉速、振動等屬于直接測量參數，扭矩、滲透率屬于計算參數，推導參數一般與實際環境有關，按照鉆機、局部巖體性質得出結算結果，作為校正的參考依據。在隨鉆測量技術相關參數中，深度、時間、扭矩、鉆速等比較常見，振動、流速和沖洗介質壓力等其他參數，可能會結合實際研究結果決定是否包含在內。此條件下的參數有兩種類型，即可控參數與不可控參數。例如，向下推力、鉆速是可控參數，滲透率、扭矩則為不可控參數[5]。巖石分類參數中滲透率比較常見，對于隨鉆測量技術而言也是如此。按照物理學原理，可以發現鉆頭具有快速穿透軟巖石的效果，所以鉆速一般會被當做巖石強度指標。滲透率這一參數在測量、分析中也具有極高的參考價值，例如某煤礦鉆孔監測工作中，滲透率發生變化可以直觀了解到煤礦石、廢煤存在的界限。要想了解地質條件，還可以關注到扭矩這一參數，有時扭矩受巖石強度影響，如果巖石強度增加，那么扭矩也會增加。通過回歸分析發現扭矩、抗壓強度為正相關關系。

3.2 隨鉆單元集成模塊化

隨鉆測量技術主要負責的是測量裸眼井段測量，具有可視化功能，可以直接了解到井段內部實際情況。但是傳輸速率在此環節是非常重要的影響因素，采集參數還無法實現實時傳輸，建議采用單元集成測量模塊，不僅可以將測量得到的數據及時存儲，還在每趟鉆讀取和仿真處理等方面有明顯優勢。單元集成模塊的主要應用范圍包括有機碳量、孔隙度、礦物組、地層密度、地層應力與傾角的測量與描述，為劃分儲集段提供依據，還可以支撐巖石力學的分析和評估，采集制定壓裂開采決策所需數據。

目前，我國采用單元集成模塊化，在實踐中面臨一些難點，集中在以下三個方面：第一，隨鉆測量傳感器的合理應用。在儀器設備中，隨鉆測量傳感器屬于非常重要的部件之一。隨鉆測井實踐操作中需要用到的磁通計、加速度計和晶體，很大程度上依賴進口，采購傳感器總成轉變為采購散件，再由技術人員組裝、標定。站在客戶視角，這種方式有利于縮短維修周期，節約維修環節的成本。第二，高溫芯片與高溫材料。劃分的所有單元采集數據之后，要對所有數據進行整理、分析與處理，此環節便要用到高溫芯片。處于高溫環境下，導線、橡膠和連接點的特性一般不會發生明顯變化。但上述材料大多采用進口的形式，所以難免會存在一些限制，導致研發環節難度增加。第三，信息傳輸速率。分析鉆井液的屬性為傳輸介質，傳輸隨鉆測量參數過程中，通常很少會受到地層、震動、壓力等因素的干擾。調整鉆探速度到3～5 min/m時，隨鉆測量伽馬、電阻率只能二者選其一。泥漿脈沖發生器和其他新型技術在隨鉆測量中的參與，不僅解決了該問題，也提高了信息傳輸速率。

3.3 隨鉆測量技術多元化應用

隨鉆測量技術在化工領域應用，技術引入的初期階段只是被應用在爆破作業之前的巖體性質表征處理，有利于提升此環節的效率。采集物探、地質記錄的數據之后，將其與隨鉆測量技術監測所得數據整合，自動生成巖體地下結構、地質力學數據，作為礦山開采問題的分析依據[6]。可見隨鉆測量技術在爆破、編制支護設計方案、礦體輪廓圈定等方面具有非常顯著的優勢。例如，某煤礦的爆破孔鉆進環節使用隨鉆測量技術，現場鉆機運行產生的數據，通過SE、礦區原始地層信息的對比，發現向下推力、巖石性質變化聯系非常密切，尤其是鉆速、扭矩不變時，向下推力更是具有非常重要的意義。監測鉆進環節的數據，在爆破設計之前采集到豐富的地質數據。

因為牙輪鉆頭具有較高的成本效應，所以采礦工程的使用也非常普遍。但是發現現場與井下信息的采集依然面臨問題，如地質發生變化之后，鉆頭發生磨損或是鉆機操作不合理，上述有關信息缺失直接降低了鉆孔效率。結合實際操作經驗，對鉆頭軸向振動進行監測，獲取牙輪鉆頭運行狀態[7]。觀察過程中發現鉆頭磨損之后，鉆頭振動頻率峰值逐漸轉變為高頻。以此為前提，針對牙輪鉆頭的軸向振動構建動力學模型，對鉆頭磨損狀態做出評估，觀察并分析鉆頭軸向振動得到的模擬結果，并對比實際結果，發現建模這一方法的有效性，明確鉆頭更換的最佳時間，使鉆機運行效率得到提升。評估鉆頭磨損程度這一方面，對比鉆頭實際鉆進性能、理論性能，發現鉆頭狀態可以掌握現場環境，并科學計算得出巖石強度。若隨鉆測量技術可以采集到現場的數據、計算巖石強度，便可以與測井獲得巖石強度展開對比。

鉆孔作業發出的聲音信號可以作為巖石抗壓強度的估算依據，室內環境下應用小型氣動式鉆機。因為地層之間存在差異，同一類鉆機產生的噪聲也會不同，所以聲級變化分別對應不同的巖石類型，根據這一發現可以挑選相應的炸藥類型，調整爆破設計方案。是由當活塞和鉆具、鉆具和巖石發生相互作業，便會產生低頻聲級。鉆機排氣聲級頻率一般在125 ～2 000 Hz之間。噪聲頻譜的高頻段推力、聲級也有十分密切的聯系，如果在室內環境下可能會存在其他聲音信號的干擾，無法直觀了解到聲音信號與現場情況的關系。基于上述對隨鉆測量技術應用的討論，要想在化工領域充分發揮出該技術的優勢，還需要結合現場實際情況與技術應用要求做出調整[8]。

4 隨鉆測量技術發展前景

市場經濟在各行各業均表現出極為直觀的效果，尤其促進了市場供給與創新。化工領域也是如此，隨鉆測量技術與隨鉆測井技術在行業中的期望指數始終較高，為了適應不斷變化的行業發展趨勢，必須要明確未來隨鉆測量技術的前景。由鉆頭、實時傳輸速率、穩定性是隨鉆測量技術普遍關注的三個要點，今后隨鉆測量技術的創新與改善也有明確的方向。

(1)實時數據傳輸效率將不斷提升。一般隨鉆測量技術的傳輸速率在3 bit/s左右，自然伽馬、中子、密度一類的常規測井數據均可以實現實時傳輸。如果傳輸速率在6 bit/s及以上，便可以實現成像、邊界探測這一類大數據流量數據的傳輸。根據技術實踐經驗發現數據傳輸速率影響因素以機械鉆速、隨鉆測量的傳輸速率為主，定向鉆井作業中的高隨鉆傳輸速率更是非常重要，可以消除機械鉆速對測量效率的限制。

(2)隨鉆測量技術穩定性顯著增加。電子元器件本身必須具有耐高溫、耐高壓的性質，而且可以抵抗磁干擾，這在今后隨鉆測量技術的改進中都是非常必要的切入點[9]。

(3)鉆頭測量技術存在深度突破點，未來技術將實現調整井眼軌跡的實時追蹤，在隨鉆識別油氣、導向等方面做出調整與創新，促使油層鉆遇率得以提高。

(4)隨鉆測量技術的測量將更加全面，測量結果精確性、可視化程度也將不斷變化，尤其是在探邊與成像技術這一方面。我國很多化工項目應用隨鉆傳感器，該設備專利技術很多是由國外購入，今后將更加關注本土技術的研究，節省技術成本，達到全方位自主研發的目的，隨鉆測量技術可以適應更加復雜的工作環境。

(5)隨鉆測量技術已經十分先進，但依然需要不斷完善與升級，建議參考國外的成功經驗[10]。其他國家研究隨鉆測量技術獲得了成功的應用成果，尤其是對隨鉆測量技術的升級與拓展。例如無線隨鉆測量技術，要想不斷提升井下探測實力，應用無線隨鉆測量技術便需要不斷總結經驗，參考國外研發、應用無線隨鉆測量技術的成功經驗，大力研發MWD無線隨鉆斜測儀等儀器設備，提高我國隨鉆測量技術水平，逐步與世界先進技術接軌。

(6)今后關于隨鉆測量技術的應用與改進，還需要關注技術的自主研發。隨鉆測量儀器具有多種功能，而且這種綜合性儀器設備，在鉆井與自控等方面也表現出明顯的優勢，具有高科技特征。盡管隨鉆測量儀器研發環節依然存在大量的風險，而且需要較多的資金，但是實際上我國已經可以進行該技術和相關設備的自主研發，基本上滿足隨鉆測量操作的要求。為此，今后隨鉆測量技術和儀器應該進一步加大自主研發力度，開發更加多元化的功能[11]。

(7)關于隨鉆測量技術與儀器的自主研發，應該更加關注合作研究。基于現有行業自主研發環境，需要在現有隨鉆測量技術基礎上提出創新建議[12]。其一，除了隨鉆測量領域的人才外，還需與其他行業領域的技術型人才相結合，吸收國外關于隨鉆測量技術的先進經驗，發揮合作的力量進一步提高隨鉆測量技術先進性。其二，自主研發過程中，應該發揮相關政策的輔助作用，開發隨鉆測量技術在信息化、自動化、數字化行業環境下的新著手點，綜合隨鉆測量技術資源，研發更加多元化的機械儀器型號，改進近鉆頭式測量儀器結構與功能，為井下測量工作提供便利條件，并且進一步提高隨鉆測量技術精準度與應用穩定性，發揮出對于石油工程測量的優勢與價值。通通自主研發合作理念的創新，推進隨鉆測量技術的快速發展。

5 結語

綜上所述，隨鉆測量技術是目前化工領域常用技術手段，具有實時跟蹤、高效率等諸多優勢。結合目前國內外對于隨鉆測量技術的研究成果，今后在實操過程中還需要深入探究，以加強隨鉆測量技術穩定性、實時傳輸效率等為目標，不斷優化隨鉆測量技術使用效果，為化工行業提供先進技術支持，而且也能夠全面實現我國隨鉆測量技術自主研發與創新。