0 引言

常用的钻井液脉冲随钻测量仪器以钻井液脉冲方式传输信号，受钻井液影响大，无法在空气和泡沫等可压缩钻井液体系中有效传输信号，而电磁随钻测量系统(Electromagnetic Measurement While Drilling，简称EM-MWD)的测量数据是通过地层传输电磁波信号进行传输的，具有不受钻井液影响的优点，因此电磁随钻测量系统成为解决气体和泡沫等可压缩介质中随钻测量的首选工具。2007年，气体等可压缩介质钻井技术在国内业已得到了推广应用，钻井数量逐年递增^[1]。但是，以气体和泡沫为循环介质进行定向钻井技术在国内还没有成功应用的先例。

国内外对电磁随钻测量系统已有广泛的研究，且在国外已有成熟的产品。目前国外EM-MWD仪器具有代表性的有Schlumberger的E-Pulse XR电磁遥测系统，GE Sondex plc公司的Geolink MWD系统，Weatherford研制的EMpulse MWD System，俄罗斯沙玛拉地平线公司的ZTS电磁随钻测量系统。这些系统均在国外用气体或泡沫等可压缩流体作为循环介质的水平井段轨迹控制中发挥了重要作用。国内中国石化、中国石油以及二十二所等单位也正在开展EM-MWD仪器研发，但至今尚未有在气体或泡沫定向钻井中工业化应用的产品^[2-6]。2014年，中国石化石油工程技术研究院研制出的CEM-1型EM-MWD在焦页13-1HF井进行了泡沫定向钻井应用试验，并首次取得成功。

1 CEM-1型电磁随钻测量系统结构及工作参数

CEM-1型电磁随钻测量系统由井下仪器总成和地面接收装置2大部分组成，其中井下仪器总成如图 1所示，主要包括发射天线、井下发射机、电源模块、定向测量模块和自然伽马模块。地面接收装置主要由地面接收机、接收电极、便携式手提电脑、EM-Receiver解码及处理软件和司钻指示器几大部分组成。

该系统可提供的主要测量参数包括井斜角、方位角、工具面角和自然伽马等，其工作参数如下。

测量参数及精度：井斜角0°～180°(精度±0.1°)，方位角0°～360°(精度±1.0°)，工具面0°～360°(精度±1.0°)，自然伽马0~500API(精度±5%)；

数据速率：2～12 bit/s；

传输深度：1 200~3 500 m(取决于地层电阻率)；

天线短节外径：95 mm(3 3/4 in)，121 mm(4 3/4 in)，165 mm(6 1/2 in)，203 mm(8 in)；

适用井眼尺寸：118 mm以上井眼均适用；

仪器外径：45 mm；

井下仪器长度：7 500 mm；

连续工作时间：≥120 h；

最高工作温度：125 ℃；

最大工作压力：105 MPa。

2 电磁信号传输影响因素分析

在泡沫钻井中EM-MWD系统的传输信道由钻杆、泡沫钻井液、套管和地层等共同构成。电磁波在此信道中传播受多种因素影响，其中主要因素有地层电阻率、表层金属套管、载波频率、环空钻井介质及地面环境^[7]。

2.1 地层电阻率的影响

EM-MWD在地层介质中传播不可避免地受到信道介质的影响，特别是传输信道介质在地层中非均匀性分布时，电磁波传播的衰减和畸变更为严重，导致EM-MWD系统的传输性能急剧退化，因此地层中电磁波的衰减规律一直是EM-MWD系统研究的重点与难点^[5]。

地层的主要电磁参数为介电常数ε，磁导率μ和电导率(电阻率)σ。由于地层的磁导率与真空中的磁导率差别很小，对电磁信号影响不大；对于ε和σ，可以统一用复电导率表示，即

式中：ω为载波的角频率，j为虚数单位。

由于在EM-MWD系统中载波频率很低，σ≥ωε，所以，地层电磁参数中对电磁波传播产生影响的主要因素是电阻率。

电阻率对电磁信号衰减特性的理论计算已经有大量的理论研究，垂直电偶极子在地面的电磁场分量中，电场分量远大于磁场分量^[6-7]，根据地面电场径向分量与纵向分量的信噪比，EM-MWD系统接收电场的径向分量效果最佳。地面上钻杆与距离钻杆x处2点之间的接收电压为^[8]：

式中：，为汉克尔函数的变量；μ₀为地层磁导率；σ₂、ε₂分别为电导率和介电常数；γ为地面上2点在径向的距离，m；b₁为传输线模型的等效半径，m；h₁为发射天线在井底的深度，m；H⁽¹⁾₀为汉克尔函数；，为地面接收电极1和2之间的压差，V；Z₀₁、γ₀₁分别为传输线的特性阻抗和传播常数；I₀为均匀有损传输线的输入电流，A。

采用不同电阻率，利用式(2)计算得出地面上电场与深度的关系，如图 2所示。

钻柱由单根钻杆连接而成，钻杆与钻杆连接螺纹之间存在接触电阻，钻杆与地层间也存在接触电阻，由于接触电阻的大小随钻井时产生的振动变化，进而影响了钻柱中信号电流的稳定性。

针对单位长度钻杆上的不同电阻，利用式(2)计算出地面上电场与深度的关系，如图 3所示。

从图 2和图 3可以看出，地层电阻率与单位长度钻杆上的电阻对信号的影响较大；地层电阻率越高信号随深度增加衰减越小；单位长度钻杆上的电阻越小信号随深度增加衰减越小。

2.2 表层金属套管的影响

根据理论研究^[7]，套管的存在对电磁波随钻测量系统的传输信道特性有显著的影响。当激励源在套管内时，由于套管的短路分流效应和屏蔽效应，地面上的信号较弱。激励源出了套管后，因套管短路分流效应的消失，地面上的信号变大。

当激励源在套管内时，地面上的接收电压见式(2)。当激励源在套管外时，地面上的接收电压为：

式中：V_t为发射天线上的激励电压；h₃为发射天线上部的钻杆长度，m；γ₀₂为地层中的传播常数。

由于金属套管单位长度上的电阻小于实际钻杆单位长度上的电阻，故激励源在金属套管内时，地面检测电压的衰减率要比无金属套管时地面电压的衰减率慢;激励源出套管后，地面检测电压随源深度的衰减与无金属套管情况下的衰减规律相类似。当激励源处在金属套管内时，由于在源处的短路效应，地面检测电压要低于无金属套管时的情况；激励源出金属套管后，短路效应迅速解除，地面检测电压出现跃变现象，跃变的幅度与金属套管的长度及其单位长度上的电阻率有关。

2.3 载波频率的影响

由于电磁随钻测量所用载波频率f_r为超低频，所以波长较长，若地层平均电阻率为10 Ω·m以下，则2 000 m的传输深度一般为1个波长左右。

载波频率的选择要考虑以下因素：

(1) 传输衰减的大小(信号随深度增加而衰减的程度)。根据研究可知，信号的载波频率越高，传输衰减越大，因此要增加传输深度，频率应尽量低。

(2) 信息的传输速率(载波频率的大小直接影响信息的传输速率)。载波的频率越高，最大信息传输速率也就越大，因此要想得到较大的传输速率，应增大载波频率。

(3) 主要的干扰频率范围。电磁随钻测量环境主要干扰源为井场的机电干扰和周围的工业干扰。干扰频率为50 Hz及其倍频。为了便于信号的提取，选择频率应远离50 Hz及其倍频。

(4) 与其配套的发射机设计。由于发射机的设计受到钻井环境的限制，低频率的信号发射会给发射机设计带来困难(由于发射机的设计中常使用变压器，但低频变压器的体积较大)。

综合上述因素，电磁随钻测量的载波频率应选择在30 Hz以下，但也不能过低。采用不同载波频率，利用式(2)计算可得地面上电场与深度的关系，如图 4所示。

2.4 钻井循环介质的影响

由于泡沫钻井液的密度低，具有流体静压力低，且能形成紧密的气泡结构，所以，在钻井中使用会带来钻头寿命长、机械钻速高以及携带岩屑的清洗井眼能力强等诸多优点。

电磁随钻测量系统以低频电磁波为载波信号进行传输，与传统的机械式钻井液脉冲MWD相比，该技术不受钻井液质量影响，主要受地层电阻率影响，泡沫介质比钻井液介质电阻率高，更有利于电磁波信号传输。与空气介质相比，由于空气介质电阻率过高，形成信号绝缘，故泡沫介质电阻率比空气更低，传输效果更好。

2.5 地面环境对电磁波信号的影响

井场环境对信号的接收与解码影响十分显著。接收机对井场环境抗干扰能力直接影响系统测量深度极限。文献^[9]给出了井场噪声的分析和测试方法，根据现场测试，井场噪声有如下特点：①由于井场远离市区，工业干扰较少，噪声远小于市区。②主要干扰源为井场的机电干扰和井场周围的工业干扰。③钻机的工作状态对环境噪声的影响不明显。④在钻杆接卸过程中有脉冲干扰出现。

图 5为现场所采噪声时域波形图，图 6为其频谱分析图。由于工频陷波、滤波和调理电路的存在，所采噪声均为带内噪声。从频谱分析图可以看出，低通滤波器的截止频率15 Hz以外的噪声得到了很好地抑制。

3 现场应用

CEM-1型电磁随钻测量系统在涪陵礁石坝地区焦页13-1HF井进行了泡沫定向现场试验，共试验3井次，累计进尺555.47 m，钻进时间164 h。

3.1 焦页13-1HF井施工基本情况

焦页13-1HF井属于川东南地区川东高陡褶皱带包鸾-焦石坝背斜带焦石坝构造，井别为评价井。勘探目的层为龙马溪组，A靶垂深2 399 m，位移415.63m，设计方位301.9°；B靶垂深2 382 m，位移1 978.03 m，方位343.64°。Φ311.2 mm二开的定向段使用泡沫钻井液既能提高机械钻速，又能有效防漏和防垮，对整个焦石坝会战提速提效有重大意义。

中石化石油工程技术研究院和江汉钻井公司在施工之前制定了详细的操作措施，并在使用过程中对空气螺杆等设备进行了优选，摸索出了一套电磁波仪器在泡沫定向中的操作方案，并在国内首次获得了泡沫定向技术应用的成功。

泡沫定向钻具组合：Φ311.2 mm MD537K+Φ216.0 mm 1.25°单弯螺杆×1根+浮阀+Φ285.0 mm STB+Φ203.2 mm无磁钻铤×1根+EMWD短节+减震器×1根+Φ177.8 mm钻铤×3根+Φ127.0 mm HWDP×22根+Φ127.0 mm DP。

钻井参数：钻压100~120 kN，转速40 r/min，空气排量120 m³/min，泡沫液排量8 L/s，泵压5.40 MPa。

3.2 泡沫定向技术准备

电磁波仪器下钻到底后，空气排量开至100 m³/min时，螺杆制动频繁，判断为排量不足，逐步提升排量至120 m³/min，泡沫液排量开至8 L/s，取得比较理想的效果。但是在螺杆初期使用时，螺杆极易制动，送钻稍微不均就导致螺杆制动。

通过摸索发现，开足排量可以直接接触井底，但是接触过程必须均匀缓慢，加足钻压至120 kN，机械钻速较为明显。在需要上提钻具时，为了保护螺杆，先将气液排量减半，循环1~2 min后再上提钻具，防止螺杆因突然停泵反转导致转子部分脱扣而产生“飞车”现象。

钻遇长兴组时，泡沫定向钻时在10~16 min/m之间，复合钻进钻时在4~7 min/m，提速效果不明显。钻穿长兴组后，钻时下降，复合钻钻时在2~4 min/m之间，定向钻进时在9 min/m左右，且定向工具面稳定，提速效果良好。

定向、复合钻进至1 510.37 m时因复合钻造斜率过高，起钻更换钻具组合。起钻前先进行泡沫循环，之后直到用空气循环将井筒内泡沫吹完，再起钻。

3.3 CEM-1型电磁随钻测量仪使用情况

总结前几趟钻的经验，通过加固仪器的缓冲部件和电路灌封的品级，改进仪器的抗振性和稳定性后再次应用。

由于上趟钻复合钻造斜率过高，将Φ285.0 mm扶正器更换成Φ303.0 mm扶正器，新的钻具组合：Φ311.2 mm MD537K+Φ216 mm 1.25°单弯螺杆×1根+浮阀+Φ303.0 mm STB+Φ203.2 mm无磁钻铤×1根+EMWD悬挂短节+减震器×1根+Φ177.8 mm钻铤×3根+Φ127.0 mm HWDP×22根+Φ127.0 mm DP。

钻井参数：钻压100~120 kN，转速40 r/min，空气排量120~130 m³/min，泡沫液排量8~10 L/s，泵压5.40~6.05MPa。

上趟钻的螺杆井口测试时正常：空气排量17 m³/min，立压1.54 MPa。下钻到底，复合钻进。

定向时工具面稳定，但定向井段划眼难度较大，划眼时扭矩波动明显。钻进至1 703 m深度时，定向钻进加钻压工具面无反扭角，无进尺。复合钻进时钻时正常，扭矩正常。复合一个单根后再次定向，仍出现加钻压工具面无反扭角，无定向进尺现象，现场判断为下部钻具组合刚性过强，井斜超过30.00°之后，存在硬托压的点，定向难度增大。经多次尝试无效之后，决定转换钻井液钻进。井斜变化情况：井斜由2.42°提升至26.40°，方位由318.43°纠至252.54°。最大造斜率0.22°/m。CEM-1测量数据与测井数据对比如图 7和图 8所示。

3.4 使用情况总结

(1) 泡沫定向使用过程中，工具面稳定，机械钻速较钻井液定向提高1倍，同时摆工具面较钻井液定向容易。

(2) 电磁随钻测量系统的稳定性较好，而且出数据仅需3~5 s，摆工具面时钻头反扭角能迅速反应至地面，摆工具面简单。

(3) 井深较深之后，无法从钻具震动判断螺杆是否工作，同时泡沫循环时需要30 min 左右才能返出，在循环初始阶段，井下情况难以判断。

(4) 泡沫定向能有效提高机械钻速，但是单日纯钻时效在66%~75%之间，机械钻速较钻井液定向慢，若要大力推广使用，应解决该问题，尽量提高纯钻时效，这是提速提效的有效手段。

(5) 泡沫定向钻进在非产层井漏的地区可以推广使用，既能提速提效，又能节约钻井液成本。

(6) EM-MWD系统经过改良后能适应空气螺杆的高频振动，使用时间长，能有效地传输数据，同时EM-MWD系统的传输与井筒内介质无关，可以应用到钻井液定向，地面能更加有效地判断井底情况，能缩短摆工具面的时间。

(7) 通过CEM-1数据与测井数据对比可知，CEM-1测试数据与测井数据相差很小，该系统测量精确，井斜相差在0.4°以内，方位相差4.0°以内，仪器工作稳定。

(8) 本井是国内首次成功使用泡沫定向钻进技术的井。

4 结论及建议

(1) CEM-1型MWD系统传输性能基本不受钻井液性质的影响，在泡沫钻井过程中能很好地传输数据，适合在泡沫定向钻井中应用。

(2) CEM-1型MWD系统信号传输影响因素很多，如何适应地层、解决套管屏蔽问题及选择合适的工作频率等是下一步的主要研究内容。

(3) 泡沫定向钻进过程中，振动非常大，必须提高仪器的抗振性能，仪器各模块之间的连接应该用高强度的胶来避免螺纹脱落。

(4) 泡沫定向能有效提高机械钻速，但单日纯钻时效在66%~75%之间，尽量提高纯钻时效是提速提效的有效手段。