2. 新疆格瑞迪斯石油技术股份有限公司
2. Xinjiang Grand Oilfield Technology Inc
0 引言
目前，常规伽马测井已得到广泛应用，在提高储层钻遇率方面发挥着重要作用[1]。但常规伽马测量仪器都有一个缺点：伽马测点距离钻头基本都在9 m以上，测量盲区大，对薄油层和页岩气的导向作用受限[2]。针对薄油层和页岩气开采，近钻头地质导向技术是有力的开采手段[3-4]，国外三大油服商已成熟掌握该技术[5]，国内也研发了CGDS-Ⅰ近钻头地质导向钻系统[6]。这些仪器基本都是是以电磁波、超声波或导线传输数据[7-8]，难与其他马达配合使用，仪器维护不便且服务费用昂贵。
笔者拟在此介绍一种由新疆格瑞迪斯石油技术有限公司引进的最新研制的近钻头测量仪器-GRDS-1，该仪器可在钻井过程中及时测量钻头处的地质参数，利用电信号将数据传递到常规MWD仪器，再传输到地面。GRDS-1能与其他公司马达配合使用，维护方便。笔者通过模拟试验和现场试验验证了GRDS-1利用电信号传输数据的稳定性与可靠性，以期为仪器研发和使用提供一条新的思路。
1 近钻头测量仪器GRDS-1 1.1 仪器组成GRDS-1由发射极(见图 1)、接收极和常规MWD组成。发射极安装在螺杆和钻头之间，连接钻头端为负极，连接螺杆端为正极，本体分布有3个盖板，盖板内安装电池、伽马探管、井斜探管和微型处理器。发射极将数据通过电信号发出。
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| 图 1 近钻头伽马测传短节(发射极) Fig.1 Near-bit gamma-ray transmission joint (emitter) 1-正极；2-绝缘环；3-负极；4-耐磨带；5-盖板。 |
接收极连接在MWD仪器串上，如图 2所示。它检测发射极的放电信号，并将解码数据传给MWD。常规MWD由探管、电池、脉冲器和扶正器等组成，以钻井液正脉冲信号的形式传递数据到地面解码器[9]。
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| 图 2 仪器连接示意图 Fig.2 Schematic diagram of instrument connection 1-打捞头；2-铁翼扶正器；3-MWD探管；4-胶翼扶正器；5-电池；6-负极；7-绝缘环；8-正极；9-MWD脉冲器。 |
1.2 工作原理
GRDS-1采用放电频率信号和钻井液正脉冲信号相结合的方式传递数据，位于钻头和螺杆之间的发射极采集近钻头自然伽马和井斜数据，利用电信号输数据，放电频率信号传输如图 3所示。图中横坐标代表仪器放电时间间隔，纵坐标表示仪器放电电压。GRDS-1以不同的放电频率信号传输数据。
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| 图 3 放电频率信号传输 Fig.3 Discharge frequency signal transmission |
仪器工作时所处的工作环境如图 4所示。接收极的正极与发射极的正极直接相连，接收极负极通过钻井液和地层的综合电阻后与发射极的负极相连。接收极检测到发射极的放电频率信号，解码后传输到MWD，经过MWD正脉冲信号传输到地面。
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| 图 4 仪器工作环境示意图 Fig.4 Schematic diagram of the instrument working environment |
1.3 仪器特点
(1) 测量盲区短。按钻头长度0.25 m计算，GRDS-1仪器井斜零长0.50 m，伽马零长0.65 m，可以实时、准确地描绘钻头处岩性和井眼轨迹变化。
(2) GRDS-1采取电信号和钻井液脉冲相结合的方式传输数据，发射极依靠电信号近距离无线短传数据到MWD，MWD应用正脉冲信号将数据传到地面，解决了电磁波信号传递受传输距离和地层电阻率影响[10]的难题。
(3) GRDS-1安装在钻头与螺杆之间，可与不同厂家的导向螺杆马达配合使用，单独维护，操作简单，服务费用较低。
1.4 仪器主要性能参数最高工作温度150 ℃，最高工作压力138 MPa，工具长度0.86 m，测量井斜范围0~180°，测量井斜精度±0.2 °，锂电池工作时间约140 h。
2 电信号无线短传稳定性试验 2.1 试验目的及方法为验证钻井液导电性和高阻地层[11]是否会影响GRDS-1电信号的传递，进行了无线短传试验，模拟测试各种环境下仪器传输信号的稳定性。
试验前先准备绝缘长槽，长度为10.9 m，模拟近钻头伽马工作时所处的井筒(绝缘材质相当于仪器工作环境的高阻地层)。绝缘槽内盛装的液体代表钻井液，分别盛装清水、普通钻井液、饱和盐水3种液体。将导电性好的不锈钢铁管放入长槽中，用导线将不锈钢管与近钻头伽马发射极和接收极相连，如图 5所示(不锈钢管代表与仪器连接的螺杆、钻头和钻铤)。
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| 图 5 近钻头伽马试验设备连接示意图 Fig.5 Schematic diagram of the connection of thenear-bit gamma test equipment |
2.2 试验步骤
(1) 连接好设备，用电脑驱动仪器的震动开关，使各个仪器正常工作；
(2) 记录电脑解码数据(通过电信号传递的数据)；
(3) 下载近钻头发射极内部储存器的数据(仪器真实测量的数据)；
(4) 对比电脑解码数据和内部储存器的数据(对比电信号传递的数据和真实数据)。
2.3 试验结果及结论试验结果如表 1所示。
| 绝缘槽内介质 | 发射极直读数据 | MWD译码数据 | |||
| 井斜/(°) | 伽马/API | 井斜/(°) | 伽马/API | ||
| 空气 | 89.31 | 10.30 | - | - | |
| 清水 | 89.40 | 9.60 | 89.00 | 9.50 | |
| 普通钻井液 | 92.44 | 12.60 | 92.00 | 12.50 | |
| 饱和盐水 | 89.40 | 11.00 | 89.00 | 11.00 | |
试验结果表明：GRDS-1采用电信号传递数据，不受地层电阻率的限制，在各种储层中都可以正常传递数据；仪器可以在各种导线性的钻井液体系中传输数据，如清水、普通钻井液和盐水等；近钻头伽马监测仪器不能直接在空气中传递数据，不能用于空气钻井。
3 现场应用2015年10月23日至11月14日，在塔里木油田塔中区域的中古301H井对GRDS-1进行了现场应用。该井是一口水平井，设计靶点A：6 464.18 m (斜深)/ 6 225.00 m (垂深)，设计靶点B：7 282.14 m (斜深)/ 6 265.00 m (垂深)，其目的层为奥陶系良里塔格组良二段。
使用GRDS-1后，信号传输稳定，近钻头伽马可以实时传递数据到MWD系统，利用钻井液脉冲信号实时获取钻头处的自然伽马数据，从而指导导向施工。
本井增斜段钻进至井深6 315.00 m (斜深)/6 184.92 m (垂深)，井斜62.50°，出现高伽马数据段，根据近钻头伽马数据结合邻井地层对比，卡准“良一”底界位置，为稳斜段准确入靶提供地质依据。高伽马盖层如图 6所示。
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| 图 6 高伽马盖层 Fig.6 High gamma cap layer |
水平段在储层中穿行，钻至设计井深7 271.00 m，根据近钻头伽马曲线情况，结合地震反射特征判断未钻穿B点串珠储层，决定加深本井轨迹。钻进至井深7 364.00 m见高伽马盖层段(见图 6)。钻穿高伽马段后发现优质油气显示，点火，焰高5~10 m，持续120 min，钻进至井深7 380.00 m (斜深)/6 272.2 m (垂深) 完钻。
4 结论与认识(1) 近钻头测量仪器GRDS-1测量盲区短，可测量钻头处的地层自然伽马，获取准确无滞后的地质信息，及时获得储层动态信息，优化井眼轨迹。
(2) 电信传递数据，信号稳定，可以实现在清水、钻井液以及盐水中传递信号，可以满足除空气钻外的大部分钻井工况。
(3) GRDS-1仪器可有效提高中古301H井准层状分布储层的钻遇率，对该井的轨迹进行优化控制，可为水平段准确着陆和导向提供数据支撑，是本井钻遇优质储层的重要技术保障。
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