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基本概念

1、什么是MWD仪器？

MWD仪器就是Measurement While Drilling的缩写，意思是随钻测量仪器。随钻测量仪器是整个测量仪器家族中的一个重要成员。

2、测量仪器测什么？

测量仪器得到的数据是目前井下钻头附近位置的井斜、方位、仪器工具面。

这些参数都是什么意思呢？举个例子，这些数据现在的普通手机都可以测量这些数据：

a、井斜（横竖角度）相当于测量手机横竖状态，在手机上会给出横屏或者竖屏。

b、方位（东南西北）相当于手机的指南针。

c、仪器工具面（上下左右头怎么转）相当于手机的一些“720度全景网站”，场景画面可以随着手机转动而更新。

测量仪器融合了井斜、方位、仪器工具面等测量，但是由于一百多年前这类仪器发明之初主要关注井斜数据，因此中国石油圈很多人还是把它俗称为“测斜仪器”。

3、为什么要测量？

钻井就像走路一样，要有拐弯到达终点，走路要睁着眼睛观察哪个路口拐弯。钻井也一样要控制钻头钻到靶点，测量仪器就是所谓的眼睛。告知目前在什么地方，目标在哪里。

如下图的一个例子，一口定向井需要在测量仪器的指导下，在地下蜿蜒钻进几千米到达油层靶点。

4、什么是“随钻”测量？

随钻的意思是相对于传统的停钻来说的。有别于电缆测井仪器或者其他仪器以“停止钻井”为代价，然后下入测量仪器获得数据的方法。

钻井间隔停钻测量的方法，相当于闭着眼睛走了几步，停下来睁开眼看看在哪里。如果有随钻技术的话，可以在钻进的时候，实时地获得井下数据，知道具体位置。相当于睁着眼睛走路。

5、为什么要随钻测量？

a、首先是停钻会耗时耗钱，一旦停止钻进行测量作业的话，要花费至少4-6个小时，多则8-10个小时。如果在海上作业这段作业时间可能就耗费平台日费几十万到百万美元。

b、在没有测量数据指导时的纯粹盲钻，可能导致偏离靶点，导致井眼碰撞等风险。

c、测量时，钻杆静止不动导致井壁垮塌卡钻等问题。

所以随钻测量克服了“停钻”测量的种种缺点。可以在钻进的时候，实时地获得井下数据，知道具体位置。随钻测量除了价格高，其他方面完胜“停钻”测量的方法。

6、如何实现随钻的“实时数据”？

井下仪器没有电缆和地面仪器联通。那就需要井下仪器的编码发射器、地面接收器和一套解码程序。井下仪器的编码发射器一般有二个途径可以实现。

a、钻井液脉冲。 相当于手放在水龙头下的水流里，水龙头旋钮扭动，手所受到的冲击力压力就有变化；井下仪器通过一个电子机械开关限制钻井液的流动按一定频率顺序传出数据，地面传感器就会感受到压力变化然后解调信号。

b、无线电磁脉冲，井下仪器发射无线电信号脉冲。地面有无线接收器接收到无线信号。

现代的随钻测量仪器MWD是由“停钻测量”的测量仪器前辈们一步一步进化而来的。我们来理顺一下MWD及其前辈们。

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测量仪器的家族发展史

测量仪器在最开始的时期可能仅仅是为了测量最终井打到了哪里，如果没有可以控制轨迹的仪器，那只知道而无法控制，作用是有限的。

所以测量仪器的发展与轨迹定向控制仪器的发展是紧密相关的。定向仪器越先进可控性越强，那么对包括测量频率及精度的数据质量要求越高，这就客观上促进了测量仪器的发展，从而在一定空间和时间内油田能获得更大的产能，提高了油田业的效益。

1、化学式酸瓶法或物理撞针法测量仪器

酸瓶法方法在国外20世纪初发明，四十年代在国际基本被淘汰。在国内五六十年代广泛使用。在国内在钻井停止后，用钢丝绳从钻杆内下入一个盛有氟氢酸液体小瓶的仪器串。当这个仪器串触碰到钻杆底部的阀座后触发物理机关或者计时器，如果有井斜，在氟氢酸液面会在小瓶上进行腐蚀，在不同方向形成不同高度的印记。把仪器串拉出井口后，观察液面的腐蚀印记，可以得出井下的井斜及方位仪器面。这种方法由于化学物理原因失败率高，精度低，随着科技的发展已经被淘汰。目前在教科书上都快看不到了。

还有一种是物理撞针式，在计时器触发后，撞针会在指南针罗盘上留下物理撞击印记。这种也随着科技发展被取代。

2、照相式测量仪器

这种方法在国外20世纪初发明，在二三十年代初广泛使用。在国内七八十年代开始研究，八九十年代才开始进口应用。当有了照相机胶片这个可以记录的“内存”后，就不用酸瓶法腐蚀刻度的永久刻印的方法了，这样把带有指南针罗盘和重锤的小仪器和定时照相机相连，用钢丝下入停钻的钻杆内，电池作用打开相机快门光栅曝光成像，之后把仪器取出到地面，洗出胶片观测结果。一般仪器无法转动胶片，每次施工只能照一张照片。

大部分商业化的化学式、照相式也都算是“单点测斜仪”（Single Shot），因为每次施工都只能测量一次数据，取出到地面查看结果。这个有别于概念“多点测斜仪”（Multi Shot），可以在一次施工测得多个数据。

照相式的测斜仪近些年在陆地井队还有广泛应用，在中国南海，在2014年左右基本都淘汰了。

3、电子多点测斜仪（Electronic Multi Shot）

顾名思义，多点测斜仪可以在停止钻进进行测量作业的时候，一次施工中测多个点。仪器随着电缆测井的发展而逐步改进，从二十世纪初开始发明，在不断的改进发展。当整个工业进入了电子时代后，电子多点测斜仪逐渐成熟。

a、首先电缆取代了钢丝绳，由于电缆可以供电、获取数据、控制仪器，省掉了仪器中的电池，这样就可以随时在地面用电脑通过电缆给井下仪器发送测量命令，而且可以在测量时现场QC数据，对质量低的点马上进行复测。

b、其次电子陀螺仪、电子重力计和电子罗盘等电子元件替代了物理的重锤和罗盘；电子内存取代了照相机胶片。

c、再者电缆滚筒附有深度传感器可以测量电缆的长度，为测量点提供了精确的深度计算。

现代油田业中，这种配置还在广泛使用。这些作业现一般由电缆测井部门和定向井部门交叉负责，提供电缆绞车及测量仪器。

4、投入式MWD

投入式MWD是一个划时代的产品，实现了实时的测量数据传输。仪器的前沿技术人之一应该算是斯伦贝谢的Anon，他在1981年开始年到1984年发表了大量MWD的研发及改进的论文。

在下钻前把一节投入式MWD仪器投入到钻铤内的阀座上，然后入井正常钻进，在钻井过程中，仪器把实时的测量数据传送到地面。

由于没有电缆传输数据，调制发射器被设计进了仪器，把数据通过压力变化传送信号到地面，同时地面加装压力传感器来解调井下传送的信号，变成人类可以阅读的数据。当然没有电缆供电后，电池也就被重新设计进了仪器中。

这种投入式的仪器对现代工业来说维护相对容易，成本低。在陆地油田广泛应用。外企的部分产品在20世纪九十年代就有成熟产品。国内在九十年代末期开始研究开发。

5、集成式MWD

可投入式的MWD结合钻铤就成为了集成一体式的MWD。

这种设备是投入式MWD的升级。推动力是与MWD相配套的随钻测井设备LWD及旋转导向设备RSS的需求。

 这些需求是什么呢？

a、发电涡轮模块的加入或者更大电池的升级。MWD作为井下设备的先驱和基本数据获取的必要设备，要提供给其他设备LWD和RSS电力。

b、井下其他仪器通讯接口的产生，及与井下其他设备需要通讯的硬件及软件升级。

c、更多的传感器的集成。

这些都要求MWD的体积更大，而大体积与小的钻铤内部空间就是一个矛盾，于是MWD的模块都分别以不同的形状固定在特制的钻铤里，以节省空间。这就是集成式的MWD。

如图，斯伦贝谢从80年代初就开始研究投入式和集成式的各种MWD。而且还在不断进化发展。

集成一体式MWD是现在外企主流的测量仪器。缺点是集成度高，维修复杂，成本相对较高。国际上的领先产品有斯伦贝谢的TeleScope，贝克休斯的OnTrack，然后二线的哈利伯顿及威德福和国际科学钻井SDI等众多外国公司，国内的前沿企业也有涉及，做的好的仅仅有中海油服等在2015年左右出品的仪器，还是处于实验改进阶段；中石油在2012年左右也有过相似的科研题目，但是最近好像听不到了声音。

6、未来的一体化/分散化的产品？

随着传感器越来越小品种越来越多，未来的产品可能将MWD，各种LWD及旋转导向高度集成一体化。

如果要知道井筒内的更多信息。就需要仪器分散化的附加在几千米钻杆的各个位置。但是这项技术的发展还要国际外企的智能钻杆的进展来推动。智能钻杆现在还在研发测试中，所以未来测量仪器产品的商业化时间还难以预知。

上述测斜仪器中酸瓶式、机械式的已经淘汰了，不纳入以后的讨论。其他各代产品在油田均有使用。需要的数据的精度是选择仪器的一个方面，各代仪器的井斜精度都在0.1度左右，方位精度在1度左右。都能满足一般井况需要。

而成本考虑主要是仪器的租用价格和仪器可靠性。不同仪器价格可能相差数十倍。如果仪器失效，带来了潜在的起钻换仪器的成本还可以估量，可是间接导致井壁失稳等更多的损失是难以估量的。越是境况复杂的井，仪器失效等带来的潜在损失越大，所以仪器可靠性是非常重要的因素。

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中国侧斜仪器市场概况

国际上的主流测仪器的关键技术在斯伦贝谢、贝克休斯、哈利伯顿、威德福四大油服手中。众多位于欧洲、美国的中小型企业在某些技术方面也有领先或者同等的位置。国内测斜仪器的厂商主要是国内石油国企下属油服公司或者定向井公司的研发设计院等部门，私企则主要由地矿勘探设计、航天飞机导航或者军工背景的公司。

就测斜仪器在国内的使用情况来看，单点测斜仪已经是基本过气的产品，在陆地可能还有一点市场。

多点测斜仪技术已经在国内比较成熟，是陆地油田的主要使用仪器，基本都已经国产化，海上已经鲜有使用。

投入式MWD活跃在中国的陆地和一小部分海上平台，国内主要使用仪器主要来源两家公司：一是哈利伯顿的Sperry Sun的Solar系列仪器，在10多年前卖给中海油服一部分仪器，在油服可以进行简单维护，大修还是要返回哈利伯顿海外基地；二是斯伦贝谢在六年前与国内民企金地伟业合资，把一部分SlimPluse以一定形式转让给了金地伟业，然后抢占陆地低端市场。这些国外厂商占据了技术和质量上的领先。

尽管国产的很多投入式仪器在陆地井队也有部分市场，但是整体来说可靠性还不高。国内产品基本没有进入海洋钻井市场。

集成式MWD主要应用于小部分陆地井队和大部分海上平台，主要是斯伦贝谢的TeleScope和贝克休斯的OnTrack等仪器，他们通过中海油服分包或者直接与中海油签订合同进入中国市场。哈利伯顿和威德福等也有少量市场。目前中海油服的产品Welleader在2015年前后也进行了测试，但是尚未大规模投入市场。

国内仪器的主要攻关问题还是在机械部分的精密度、橡胶密封圈的耐温耐油性、电子部分的抗震性和温度偏移适应性等基础问题。要进入MWD等领域的国际市场，国内中小企业难以独自完成，需要国家立项，集中技术和资金攻关。也许这样的话，未来10年内，国内产品能够实现弯道超车，占据国际领先水平。