无线随钻测量泥浆脉冲信号传输浅析

陶鑫

【摘 要】无线脉冲随钻测斜仪是以钻井液作为信号传输介质，使井下探管所测数据能够以压力脉冲形式在钻杆内部传输到地面。在脉冲信号传输的过程中，将会受到噪声的影响，噪声来源有钻井泵活塞运动、井下动力钻具、钻头切削等。本文将对这些噪声的来源及特性进行分析，从而提出避免脉冲信号被干扰的办法。

【关键词】泥浆脉冲；传输；噪声

无线脉冲随钻测斜仪是以钻井液作为信号传输介质，使井下探管所测数据能够以压力脉冲的形式在钻杆内部传输到地面，但泥浆脉冲信号传输过程容易受到钻井泵活塞运动、井下动力钻具、钻头切削等噪声的影响，其频率越接近于脉冲信号的频率，就越容易对地面信号的解码产生影响，因此对钻井液的性能、钻进参数及钻井设备的要求较高。

1.泥浆脉冲信号的产生及传输

钻井液压力脉冲传输是将被测参数转变成钻井液压力脉冲，由钻杆内部自井底传输到地面，国内基于泥浆脉冲传输信号的MWD有正、负脉冲等类型。以国产海蓝YST-48R为例，当井下定向探管的流量开关判断停泵后，定向探管开始测量停泵数据，当流量开关判断开泵后，定向探管将测量的数据变成电信号，发送到脉冲发生器，由它控制仪器脉冲发生器的伺服阀阀头。当伺服阀阀头不工作时，由于钻井液在循环套和限流环的斜坡处产生反冲，将驱动头总成最下端的主阀头顶起，阀筒内弹簧被压紧，这时钻井液可顺利通过限流环。当伺服阀阀头向上提起时，泥浆将流入驱动头总成的内孔，使驱动头总成内外压力平衡，阀筒内弹簧释放，使在主阀头与限流环处泥浆的过流面积减小，这样就产生一个正的钻井液压力脉冲，类似的还有负脉冲传输系统、连续波传输系统。

2.影响钻井液脉冲信号传输的因素

最影响钻井液脉冲无线随钻仪器信号传输的是传输介质不稳定，压力脉冲在钻井液中传输衰减严重，且易受到外界噪声干扰。若要在地面成功捕捉到脉冲信号，就要尽量提高压力脉冲的初始信号强度，降低外界噪声干扰，控制噪声频率，提高信号传输信噪比。

（1）井深对脉冲信号的影响：泥浆脉冲信号传输过程是自身压能与动能的转化，传输路径越长，丢失能量越多，最终被接收到的信号就越弱。对海蓝YST-48R仪器而言，传输的频率范围为0.5-1Hz，在井较深时可选择0.5Hz作为信号传输频率，以提高信噪比。

（2）钻井液中的杂物造成的衰减：钻井液中有杂物，当累积到一定程度时，会使泵压不稳定，干扰仪器脉冲信号传输，还会堵塞脉冲发生器阀筒内腔，使驱动总成内的主导杆不能做满行程运动，从而降低初始脉冲的幅度，降低信噪比，甚至造成信号丢失。在施工过程中，必须使用钻杆滤清器，以防止此类事情发生。

（3）钻井液含气量对信号传输的影响：钻井液的含气量对压力脉冲的传输有直接影响，含气量达到7%时会对压力脉冲产生较大的衰减，甚至使地面无法接收到脉冲信号，因此要处理好泥浆，降低泥浆中的含气量。

（4）钻井泵空气包的影响：由于钻井泵凡尔的往复运动使泥浆流动呈周期性变化，所以立管处的压力也是正弦周期性变化。空气包的用途就是减少压力变化和机械震动，使泥浆流动平稳，同时也会影响井下脉冲发生器传上来的压力脉冲信号，造成对泥浆脉冲信号的干扰。为避免这状况，空气包充压压力应为立管压力的1/4～l/3。同时，单泵钻进时，其它泵应被隔离。

（5）压力传感器的安装对信号的影响：压力传感器的安装位置对于在低的信噪比情况下也很关键，应安装在主管线上，距离方钻杆越近越好，避免安装在管线末端、阀门和其它传感器附近；压力传感器应水平安装，以免混入空气和泥浆结饼堵塞压力传感器。

3.噪声对脉冲信号传输的影响

由于钻井施工中有许多噪声，要想减少噪声强度，就要清楚噪声产生的根源，同时了解脉冲信号和噪声的频率特性，进而采取相应措施消除、压制噪声，以获取高信噪比。

（1）钻井泵噪声的特性：一般情况钻井泵工作良好时，在立管上产生的噪声，一是较弱的泵冲程噪声，可忽略不计；二是较强的凡尔往复运动噪声。泵工作不正常时，若发现异常杂波，应及时排除泵的故障。另外若用两个三缸泵，应使冲程大小一致，若工作在不同的冲程速率，将产生一个和脉冲信号频率接近的、严重的活塞运动噪声干扰。

（2）扭矩噪声的特性及采取的降噪措施：坚硬岩层、高陡构造、PDC钻头、稳定器都有可能产生扭矩噪声，如果钻头的剪切力是主要的扭矩噪声源，提起钻具时噪声将消失。如果稳定器是主要的噪声源时，只有停止转盘转动，噪声才会消失。当扭矩噪声严重干扰脉冲信号接收时，应改变钻进参数，使扭矩噪声频率远离泥浆脉冲信号频率，以排除噪声干扰，或者改变仪器脉宽，提高信号传输频率。

（3）螺杆噪声及采取的降噪措施：一般情况下螺杆失速可能造成脉冲信号错误，从而造成地面解码失败。当地层加在钻头上的阻力大于螺杆所能产生的最大扭矩力时，螺杆将停转，这时地面立管压力将突然升高，淹没了压力脉冲信号或者产生错误的脉冲波形，导致地面解码错误，所以钻进时应平稳加压。

（4）活动钻具产生的噪声：活动钻具过于猛烈，将会在钻具内产生一个较强的压力波动，从而造成泥浆脉冲信号丢失，一般情况下活动钻具时要轻提慢放，使泥浆信号能有效传输。

（5）电磁干扰噪声：一般出现在使用电磁波传输井下信号的无线随钻仪器中，可以不考虑它，除非有损坏，造成局部无法屏蔽，影响信号在电缆中的传输，因此对有破损的电缆应进行修复或尽量使用全新无伤的电缆。

4.实例分析

（1）孤东6-斜20井：该井为一口大斜度定向井，采用国产YST-48R正脉冲无线随钻仪进行随钻测量，应用大庆Ⅱ-130钻机施工，设备性能较差，在钻至1200m时，发现仪器波形明显变小，且由“单峰型”变为“双峰型”，仪器不能进行数字解码。起钻更换脉冲发生器后，在井口测试波形仍然为“双峰型”。排除仪器因素后，在检查钻井设备时发现空气包有破损，更换新的空气包并且调整好压力后，仪器恢复正常工作。

（2）陈气12-斜30：该井为一口小井眼气井，采用国产YST-48R无线随钻仪进行随钻测量，在钻至467m时发现泵压突然下降，仪器信号减弱，检查时发现，循环罐内钻井液含气量已达50%，加入消泡剂处理钻井液4h后，泵压、仪器信号恢复正常。

（3）苏6-13-5H：该井为一口水平气井，二开为复合型井眼，定向段井眼尺寸215.9mm，采用YST-48R进行随钻测量，在钻至2800m时，因甲方要求提高钻井液粘度及比重，加入4t钠土后发现仪器信号杂乱，地面无法正常解码，经检查为加入药品未充分搅拌就进入钻杆，造成泥浆性能突变，循环3h后信号恢复正常。

5.结束语

在无线随钻现场施工中，提高信号传输的信噪比是成功获取随钻参数的关键，在整个过程中应注意影响信噪比的各种因素，并采取措施提高信噪比，保证施工的顺利进行；在仪器使用过程中，既要保证仪器本身的保养、组装和配件的组合，还要把钻井液性能，设备运行情况、钻井参数结合起来。因此，保证泥浆脉冲无线随钻仪器的正常使用，使井下数据快速、准确的传输到地面，为定向施工提供保障。

【参考文献】

[1]刘修善，苏义脑.钻井液脉冲信号的传输速度研究[J].石油钻探技术，2000.

[2]鄢泰宁，郭香芬.定向斜井与水平井地质导向技术[M].石油工业出版社，2003.

[3]刘伟，刘洪亮.钻井液脉冲信号传输影响因素分析[J].石油钻探技术，2010.