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电磁波随钻无线传输系统

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电磁波 无线 传输 系统
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磁波随钻测量系统及现场试验 摘要: 欠平衡钻井与气体钻井技术的快速发展,使电磁随钻测量技术成为研究的热点。中国电波传播研究所推出的 自主研发的,具有独立知识产权的,国内首套工程化的电磁波随钻测量系统。简述了电磁随钻测量技术的工作原理和发展趋势;介绍了 系统构成和试验情况,试验表明该系统已能满足实际作业需求,达到国际同类产品水平。 关键词: 欠平衡钻井;电磁随钻测量;地质导向;现场试验 中图分类号: 文献标识码: A 0 引言 在钻井过程中,将井底的工程参数与地质参数实时传输至地面,利于井眼轨迹实时监测与纠偏。目前现场应用的随钻信息传输方式主要有泥浆脉冲和电磁波两种,由于电磁波方式不受钻井介质的影响,更适用于欠平衡钻井与气体钻井。近年来,随着欠平衡钻井技术与气体钻井技术的推广,欠平衡钻井和气体钻井占新钻井比例逐渐增加,这为电磁随钻测量( 统提供了广阔的发展空间,因此,电磁随钻测量技术也再次成为研究的热点。 中国电波传播研究所于 2006 年启动了电磁随钻测量系统研制的工作,历经理论研究、原理样机研制、工程样机研制几个阶段, 2010 年推出 000 电磁波随钻测量系统,现场试验表明该系统已满足现场施工的要求,标志着我国已拥有独立知识产权的、工(商)业化的电磁波随钻测量系统。 1 工作原理、技术特点及应用领域 1. 1 工作原理 如图 1 所示的电磁波随钻测量系统,发射机将井下传感器测量的信息调制激励到用特殊工艺绝缘的上下钻柱之间,信号经由钻柱、套管、钻井介质、地层构成的信道传输到地面,地面 接收系统通过测量地面两点之间的电位差的变化获得相关信息,指导工程施工。 图 1 电磁波随钻测量系统示意图 要技术特点 ( 1)信息以电磁波的形式传输,受钻井介质影响小; ( 2)井下没有活动部件,可靠性高; ( 3)仪器结构形式对传输率选择限制少,传输率选择更灵活; ( 4)不受泥浆循环和开停泵的限制,可连续传输信息节省钻井时间; ( 5)传输深度受地层电阻率影响较大,有些区块不能满足深度要求; ( 6)不受堵漏剂限制,适于漏失地层钻井; ( 7)结构简单,装卸方便; ( 8)容易实现双向通信。 要应用领域 ( 1)欠平衡钻井; ( 2)气体钻井或泡沫钻井; ( 3)煤层气钻井; ( 4)泥浆中需加入堵漏材料,不适合泥浆脉冲传输的高侵入地层钻井; ( 5)适合电磁波传输的定向井和水平井; ( 6)垂直钻井控制。 2 系统构成及技术指标 系统构成 磁波随钻测量系统主要有井下工具、地面系统及系统软件构成。其中井下工 具主要包括绝缘天线、控制模块、功放模块、电池组件、测量模块(定向、伽马、环空压力等);地面系统主要包括专用接收天线、地面接收机、工业计算机、深度系统、打印机、司钻显示器及辅助设备;系统软件主要包括系统设置、仪器刻度、数据采集和处理、工程应用模块。 磁波随钻测量系统构成及信息传递流程如图 2 所示。 图 2 磁波随钻系统构成及信息传递框图 2. 2 技术指标 磁波随钻测量系统详 细技术指标见表 1。 表 1 磁波随钻测量系统技术指标 井斜 0~180°,±工作温度 ~125℃ 方位 0~360°, ±最大工作压力 105具面 0~360°, ±抗震动 20g 0~300机 伽马 0~500±7% 抗冲击 1000g/特率 s 电池工作时间 >200h 适用地层 2~1000Ω•m 绝缘天线强度 抗拉载荷 120t 抗压载荷 50 t 3 现场试验 为了检验系统的传输能力、稳定性、可靠性、测量精度与实用性,先后做了传输深度对比试验、绝缘天线强度试验和实际作业试验。试验表明,系统工作稳定可靠,且测量精度能够满足现场施工需求,具备了推广的条件。 输深度对比试验 为了检验系统的传输性能,选地层电阻率较低的区块进行了试验, 2010 年 1 月在胜利油田 进行了 司的 磁波随钻测量系统传输性能对比试验,两套系统在各下一次,传输深度为 1460m, 输深度为 1420m,两系 统的传输深度相当,说明 统传输性能已达到国际同类产品水平。 缘天线强度实用性试验 发射天线是经特殊工艺将钻柱分成绝缘的两部分,两部分之间的连接既要保证电气上的绝缘,又要满足机械强度要求,制作难度较大。且绝缘天线还是电磁波随钻传输系统是否可靠和实用的一个关键环节。因此,为了检验绝缘天线的强度是否满足现场施工的要求, 2010 年 3 月在胜利油田 进行绝缘天线实际打钻试验,共进尺 1000m。起出后进行了仔细的检查,没有发现绝缘天线有受损的痕迹,且绝缘良好,表明绝缘天线强度已满足现 场施工要求。 际作业试验 2010 年 12 月 8 日 ~12 月 10 日,在大牛地气田 ,进行了 000 实际作业试验。实现3049m~3304m 实际钻进,信号传输稳定、系统工作正常、地面系统可靠接收信号并正确解码,深度系统稳定准确的跟踪钻头深度,并在钻井状态下与起下钻过程中测得井斜方位信息。与普利门公司的电子多点测斜仪测得井斜方位信息进行了对比,一致性很好,说明 磁波随钻测量系统的测量精度已满足工程要求。与电子多点测斜仪的测量结果比较的具体情况见表 2。 表 2 量结果与电子多点测量结果比较表 量结果 电子多点测量结果 测量点井深 m 井斜 ° 方位 ° 测量点井深 m 井斜 ° 方位 ° 4 器起出后进行了全面的检查,仪器工作正常,绝缘天线没有明显的磨损和破坏痕迹,绝缘良好满足系统要求。图 3 为井深 3265m 时地面工程应用软件与信号处理软件界面。 图 3 井深 3265m 时地面工程应用软件与信号处理软件界面 2011 年 9 月 12 日至 10 月 17 日,在山西吕梁三交区块和忻州保德区块连续进行了 5 口煤层气丛式定向井作业,仪器性能稳定,一次下井成功率 100%。表 3 为保 5 4 井设计和中靶数据。图 4 和图 5 分别为保 5 4 定向井井眼轨迹投影图(其中红线为实钻轨迹,绿线为设计轨迹),从表 3、图 4、图 5 可以看出使用 业完成的定向井作业,实钻轨迹按设计行进,顺利 中靶,达到了施工预期,表明具备实际作业的能力。 表 3 保 5 4 井设计和中靶数据表 地理位置 山西省忻州市保德县 井号 保 5 4 靶 点: 设 计 数 据 靶点:实 钻 数 据 设计造斜点(米) 110 实钻造斜点(米) 110 靶点设计垂深(米) 630 中靶垂深(米) 点设计位移(米) 合位移(米) 点设计方位(度) 153 闭合方位(度) 半径(米) 20 靶心距(米) 点设计斜深(米) 靶实际斜深(米) 计中靶坐标 X: 钻中靶 X: : : 图 4 保 5 4 井实钻水平投影图 图 5 保 5 4 井实钻垂直剖面图 2011 年 9 月 28 日至 10 月 17 日,在延长油矿西平 1 井,进行了水平井施工,实现了随钻自然伽马测量及与 合录井仪一体化作业。在施工过程中,井深 700m 时下入仪器, 980m 开始造斜,完钻井深1770m,其中水平段 307m,仪器工作稳定,顺利实现中靶,未出现因仪器故障引起的起下钻事故。所测自然伽马曲线与电测伽马曲线对比如图 6 所示,图中只给出了井深从 980m 到 1150m 的曲线比较 (其中红线为量 线,蓝线为电测 线 )。从图中可以看出,两种仪器所测曲线变化趋势吻合较好,表明 然伽马仪器测量数据可信。 图 6 西平 1 井随钻与电测自然伽马曲线比较图 4 电磁波随钻 测量技术的发展趋势 由于电磁波随钻测量系统的传输深度受地层电阻率影响较大,限制了其推广应用,因此提高传输深度扩大应用范围是其主要发展趋势之一。在工作频率一定的前提下系统传输深度主要取决于发射机的功率、发射效率、信道衰减大小和地面信号处理能力等几个方面。目前使用提高传输深度的方法主要有有线接力、无线中继、地面信息融合几种。俄罗斯 列电磁波随钻测量系统井下使用大功率涡轮发电机解决发射功率增大带来的耗能问题,但目前涡轮发电机对泥浆要求较高,如果高性能涡轮发电机(适合于气体钻井或对泥浆要求低)研制成功,提高 发射功率也是一种可供选择的方法。 随着新型泥浆脉冲发生器的出现,泥浆脉冲式随钻测量系统的传输速率大幅度提高,电磁波随钻测量系统传输率高的优势逐渐消失,如何提高信息传输率成为其发展趋势之一。利用集成芯片进行中继转发的研究已经起步,这种方法以中频或高频电磁波为载波,在井底安装发射器,在地面安装接收器,在钻孔中设置多个中继转发器。利用电子集成技术把转发器制成集成芯片,每个芯片都有电池、天线和其他部件,电池可使用几个星期甚至几个月。芯片间仅有几米的距离,传输速率可达几兆比特每秒。此技术一旦试验成功,降能很好的解决随钻测量的传输问题。 地质导向技术让钻头长上了 “眼睛 ”,推动了钻井技术的发展。如何拓展电磁随钻测量系统使其具有近钻头测量和方位测量功能,为地质导向提供技术支撑,成为电磁波随钻测量技术的另一个发展趋势。目前国外几家大公司的产品已具备了此功能。 通过增加工程参数的随钻测量,如:钻压、钻速、环空压力、扭力 /反扭力等,可以实时监控了解钻具的实际工况,帮助钻井工程师指导现场施工 , 降低作业风险,实现优快钻井,这也是电磁波随钻传输测量技术的一个发展趋势。 5 结论 ( 1)电磁波随钻测量技术具有结构简单、可靠性高 、受钻井介质及开关泵的影响小、节省钻井时间等特点,欠平衡钻井技术与气体钻井技术的推广,为电磁随钻测量技术的发展提供了广阔的空间。 ( 2) 磁波随钻测量系统传输能力已达到国际同类产品水平,绝缘天线强度已满足现场施工要求,测量精度能够满足工程需要,具备了工业化的条件。目前,环空压力与电阻率测量短节的仍在研制之中。 ( 3)提高传输深度,增加信息传输速度,拓展测量功能等是电磁波随钻测量技术的主要发展趋势。 ( 4)国内技术瓶颈的突破,将会加快电磁波随钻测量技术在浅层油气资源、煤层气、适合电磁信息传 输的油气田开发中的推广速度。 参考文献 [1] 张进双,赵小祥,刘修善 磁波随钻测量系统及其现场试验[ J] 2005, 28( 3) :25[2] 邵养涛,姚爱国,张明光 . 电磁波随钻遥测技术在钻井中的应用与发展[ J] 007, 35( 3) :77[3] 刘修善,杨春国,涂玉林等。我国电磁随钻测量技术的进展[ J] 2008, 30( 5) :25随钻测量技术分类 按照传输方式可分为: 有线随钻和无线随钻。 无线随钻按照 介质不同又分为: 泥浆压力脉冲随钻 (电磁波随钻 ( 叫常规无线随钻,它在以泥浆作为钻井介质条件下可稳定工作,也是目前应用最广的随钻测量技术。 点: 1)随着钻井技术不断发展,气体钻井、欠平衡钻井逐渐被采用,介质中的气相成分导致钻具中 流体可压缩性较强,其应用受到限制 。 2)传输速率低。 3)价格昂贵。 4)某些部件易损导致使用成本太高。 电磁波地层传输的随钻测量技术,不受钻井媒质的影响。其优点如下: 1)适用范围广。由于它不受钻井介质的影响,因 此克服了常规无线随钻在气体钻井 和混合媒质钻井中应用的局限性。 2)成本较低。随着油田开发的进一步深入,水平井、定向井等增加产量的关键技术 已被大量采用。低成本的 水平井施工中,具有广阔的应用前 景。 3)设备简单,无需动力设备,可靠性较高。 4)电磁波易实现双向传输,通过地面遥测可在钻井施工中随时根据需要控制井下钻 具。 点: 电磁波传输受地层电阻率影响较大,影响实际传输深度,适用范围受到限制。 无线随钻测量混合系统( 无线随钻测量 技术按照传输介质不同分为 :泥浆压力脉冲随钻测量 (电、磁波随钻测量 (前者以钻井液为传输介质,后者以地层为传输介质,二者具有各自不同的特点,相互补充成为目前无线随钻测量的主要工具。另,按照随钻测量距离钻头位置还包括近钻头测量技术,近钻头测量与无线随钻测量系统结合,将近钻头方位伽马、方位电阻率、井斜等参数传输至地面,在地质导向应用中意义很大。为叙述方便,以下泥浆脉冲随钻测量系统简称 磁随钻测量系统简称 线随钻测量混合系统简称 线随钻测量技术 特点 以泥浆为钻井介质条件下可稳定工作,已成为国内发展最快、应用最广的无线随钻测量技术。但是由于其对介质要求较高 ,当出现介质可压缩性增强(如泡沫钻井等)、钻遇易漏失等情况下其应用受到限制。同时传输速率低、动力设备易损使用成本较高。 介质影响较小 ,在泡沫钻井以及易漏失井中克服了 局限性。同时具有传输速率高、易实现双向通信等优点。但 地层电阻率影响较大 ,高阻、高导地层均影响其传输深度。 通常的随钻测量一般都是在动力钻具以后进行,距离钻头较远,由于测 量点偏离钻头较远,实时导向过程容易偏离设计轨道,特别在薄层油气资源的开发中尤其不便。近钻头测量技术使得随钻测量更接近钻头位置,在实时导向中更容易控制钻头在储层中的行进轨迹。 点 实现三者有机的结合 ,实现无线随钻测量系统整体设计。在优化设计基础上,充分考虑相互间的兼容性,能够为用户提供成套的无线随钻测量系统,从而为油气资源开发提供全方位、更周到、更有效的技术服务。 技术目标: ( 1) 适应性强,主要是指对钻井介质、地层电阻率、钻井工艺等的 适应能力 ( 2) 井下工具  模块化设计、标准电气和通信接口,兼容性强 可打捞设计 ,降低施工风险 电池组安全设计和节能降耗设计 ( 3) 地面系统:  地面接口箱兼容电磁、泥浆脉冲两类信号处理和解码  系统软件: 人机对话视窗操作界面 自动深度跟踪 井眼轨迹描述功能 实时曲线数据显示实时工具面图显示 资料的处理、记录和存档 理 图 作原理框图。 图 线随钻测量混合系统构成原理框图系统由地面系统和井下仪器两大部分组成。井下仪器由电磁随钻发射单元、泥浆脉冲发生器单元、近钻头测量单元以及传感器单元等构成,可以同时下井作业,根据需求,或电磁随钻测量、或泥浆脉冲随钻测量方式。地面系统主要由工业计算机、地面接口箱、记录仪、地面天线、井口传感器以及司钻显示器等构成。地面系统兼容两种工作方式信号的解调和解码。 下仪器 作原理 井下仪器采用标准串行总线( 最多可以挂接 32 个终端设备,通过分配不同的地址进行识别。井下仪器 工作受控于定向仪,通过振动开关状态或自动工作协议启动每一帧数据的发送。当电磁随钻模式时,经发射机进行编码、调制、功率放大,通过绝缘天线( 射,经地层和钻柱向地面传输,地面接口箱通过地面天线接收信号,进行放大、采集、数字滤波、解码恢复数据,送往计算机,进行曲线、数据显示和记录。当泥浆脉冲工作模式时,定向仪将数据通过总线送往脉冲发生器驱动电路进行移位编码,串行移位脉冲控制驱动储能器件的充放电,放电脉冲驱动脉冲发生器电磁阀或步进电机等而改变泥浆通道流量,从而产生泥浆通道压力变化,地面传感器感知压力变 化恢复成为电脉冲信号,地面接口箱进行数据采集、数字滤波和解码恢复数据。当需要近钻头测量时,近钻头测量工具置于螺杆以下贴近钻头的位置 ,钻头近钻头传感器测量参数经发射模块进行数据编码、载波调制、驱动后裔电磁波形式向地层发射,近钻头接收模块置于螺杆上部 ,接收信号进行解码和数据恢复,并通过总线将数据送往发射及或泥浆脉冲驱动电路。相关近钻头测量技术在经后续研发后采用,本方案充分考虑其与系统的兼容性和电器接口的设计。 原理框图如图 示 面系统 作原理 地面接口向兼容泥浆 脉冲、电磁波传输两种工作方式。当处于电磁波模式,地面接口箱接收来自井筒和参考电极之间电位差信号 ,放大、滤波、数字化、数字信号处理、解调解码和数据恢复,依此完成对电磁波传输随钻信号的地面接收。当处于泥浆脉冲工作模式时,井口立管压力传感器通过司钻显示器拾取压力变化信号,经线缆向接口箱传输,接口箱通过数字化信号处理,包括滤波、解调解码恢复数据,由此完成泥浆脉冲模式信号的接收。地面接口箱与计算机通过 进行数据交换。司钻显示器既作为井口数据、图形、文字实时显示工具,又作为井口传感器信号采集中心。司钻显示器通过总 线与接口箱交换数据。司钻显示器采集信息包括:立压、悬重、绞车、泵冲等,根据需要将相关数据向接口箱传送。当定录一体时,压力传感器信号和深度信息由录井仪直接提供,需考虑数据接口的设计。如通过 络、其它总线等直接获得。系统传感器信息较多,可以提供钻石信息服务。 地面系统原理框图如图 示。 术特点 这样的无线随钻测量混合系统 ,诠释了系统构成的灵活性和兼容性,并不一定要混合系统一次下井,实际工程上我们会按照需求,决定井下工具采用泥浆脉冲随钻还是电磁随钻。它们之间很好的兼容 性便于现场施工,采用同样的传感器、同样的供电方式、只需要取舍某些单元即可。 同时系统向下兼容近钻头测量和电磁随钻通信接力,具有更强的适用性。 有如下特点 :  兼容性强: 1) 工作模式兼容 2) 传感器通用 3) 电池组通用 4) 兼具近钻头测量以及电磁随钻接力技术  对钻井介质适应性强  电池无剩余使用节约成本  提高随钻测量实效  可打捞降低施工风险  无线传感器便于系统的现场安装和布置  强大的软件处理能力,视窗界面便于操作 随钻产品适用性设计三要素 适用性是体现产品设计在实际应用过程中满足需求的能力,可靠性、维修性和保障性是适用性的三要素。需要说明的是,这三要素包括设计和管理两大方面,且贯彻于产品的策划、设计、加工、试验和使用等整个寿命周期。 可靠性: 所谓可靠性,是指产品在规定的时间和给定的条件下,无故障完成规定功能的概率。在随钻测量系统中,减少故障发生的概率是可靠性设计的终极目标。 为此,必须遵循如下准则: · 零部件控制 零部件(包括元件和器件)是构成系统的最基本元素,在设计过程中应慎重选择、严格控制(包括筛选、老化和必要的环境实验),特别是井下设备,在其工作中将承受较大的环境应力,零部件的选择更应严格。 · 降额设计 零部件的故障率与其承受的应力密切相关,降低应力是提高零部件可靠性的有效方法。众所周知,井下设备比地面设备承受的环境应力要大得多,所以必须降额设计,对零部件的应力强度留有余地。 · 热设计 零部件,特别是电路元器件,其工作特性具有较高的温度敏感性,并且其本身也是重要的热源。因此,井下电路不宜功耗过大 。并且利用热传导、对流、辐射等原理进行合理的热设计,以降低零部件热失效的概率。 · 简化设计 按照可靠性设计理论,产品复杂度越高,其可靠性越低。因此在确保产品功能的条件下,应尽量降低产品的复杂度。在随钻测量系统中,应使井下电路尽量简化,将复杂的功能尽量移至地面来实施,就是为了达到此目的。 · 余度设计 所谓余度设计就是用一套以上的设备来完成某项任务,从而提高产品的任务可靠性。如前所述,为了简化设计,方案中尽量简化了井下设备,但是增加了地面设备的复杂性。因此,地面设备可适当采用余度设计来保障其任务 可靠性。 · 环境防护设计 井下设备将承受冲击、振动、高温等不利环境,和泥浆、地层有害气体等腐蚀,以及放射线辐射,为此应进行构件加固、缓冲、减振、密封、隔热、屏蔽等一系列防护措施。 · 电磁兼容设计 在电磁波随钻测量系统中,将有大量的电路元件和器件在十分狭小的空间内安装,元器件的高度密集极易引起电磁干扰,从而降低可靠性。传导、感应和辐射是电磁干扰的三大途径,为此需要采用接地、去耦、滤波、屏蔽、隔离等措施以保障良好的电磁兼容性。 维修性: 所谓维修性,是指产品在规定的条件下和规定的时间内,按规定的 程序和方法进行维修时,保持或恢复到其规定状态的能力。 · 可达性设计 可达性设计可保证在维修产品时,能迅速方便的达到维修部位。此点在随钻测量系统设计特别重要。所谓可达性设计,就是尽量少拆卸构件就能对维修部件进行维修处理。为此,要在设计中,合理布置检测点、润滑点、维修点,要保证维修操作有足够的空间,包括使用工具和器材的空间。 · 标准化设计 标准化、通用性、模块化、互换性是提高产品维修效率的重要条件。 · 防差错设计 大量的使用控制元件和联接器,如开关、插头坐等。为了防止误操作,需要用安全防差错设计。安全防差错设计的主要措施是元件选择和结构设计,使元件、零件只有在正确操作和安装才发生响应。 标志设置是防止差错的辅助措施,并可提高维修效率。 保障性: 保障性是指系统的设计特性和保障资源满足使用要求的能力。这里的设计特性是指与保障有关的设计特性;保障资源是产品运行所需的人力、物力资源。 水平井测井新技术应用(电磁波传输技术) 电磁波随钻测量系统( 以电磁波形式通过地层传输的一种无线随钻测量技术, 目前在随钻导向有着很好的应用,相对于 浆脉冲无线随钻)有着诸多优势。目前国产电磁波随钻测量系统产品具有完全自主知识产权,技术成熟、可靠,传输性能达到或超过国际先进水平。在我国地层电磁波传输技术首先在无线随钻测量系统中得到应用,其传输部分包括井下收发模块和电偶极子、地面接收机和偶极子。 目前国内水平井测井工具包括: 1)早期的测井工具需要借助电缆和湿连接头以及电缆旁通; 2)钻杆输送存储试测井; 3)存储试测井工具 +电磁波传输系统。 这三种模式反映了水平井测井技术发展历程,存储试测井省去了电缆,提高了测井效率和安全,而与电磁波传输相结合,则可以实时传输关键信息至地面对井下仪器进行有效监控,无疑对水平井测井提供了更好的技术支持。 地层电磁波传输受地层电阻率影响传输深度受到限制,目前 输深度满足大于 2000 米,在国内某些区块可以达到垂深 4000 米以上,国内有诸多区块适合电磁波传输。因此,电磁波传输在水平井测井应用应有很大的市场空间。另,目前已有相关的技术支持信号传输不受限制,并且能够实现双向传输以达到遥控井下仪器。 系统(增强型 1. 概述 随着随钻电磁波( 术的推广应用,由于其传输深度的不足,因此不能满足所有或者某些井的施工要求。究其原因,大致包括如下: 1)地层电阻率影响 高导地层和高盐泥浆短路偶极子对信号层衰减加大减小了传输深度;高阻地层阻断偶极子与地层的信号耦合减小了传输深度。 举例: Ø 在胜利油田 480m, 420m。图 1为该井的电阻率曲线 图 1 胜利 Ø 大牛地油气田 该井完钻井深 3304m,为一般定向井。图 2为该井电阻率曲线 图 2 大牛地 整个井段信号传输无异常,甚至钻进状态大多能能收到稳定信号并解码。但是 3000m~3200显为高阻层,发射机在该井段时地面信号明显减小,过了该段后信号明显增大。图 3为理论计算和实测结果对比结果。 图 3 大牛地 2)井场环境噪声的影响 动态噪声(钻进、上提下放产生的电磁干扰)、交电干扰(漏电、近场电弧焊、重载电气设备等)为主要干扰源。 举例:以泛鄂尔多斯地区(主要是乌审旗和大牛地),该区块多井次作业,静态下最大传输垂深达到4000m,动态钻进条件下传输深度达 3300m。 到异常干扰, 80V,正常时为 干扰远大于正常钻进(动态)下的干扰,导致 2600接造成信号污染接近 20小传输深度接近 800米。 强系统技术目标 高信噪比措施 最大限度提高 输地面接收信噪比,指的是不接触任何扩展功能条件下提高地面接收机的信噪比。提高传输深度,实现 磁波传输适应国内大多数井的施工作业。 能增强 1)遥测功能 双向传输,不仅具有上传测量信息,同时具有下发指令实现对井下仪器的遥控。 2)有线接力和无线接力技术 有线接力是将发射机和偶极子天线置于接近地面的地方,并通过线缆与传感器连接,以提高传输深度。无线接力技术是在接近地面的钻柱中间设置中继器,通过无线信号的接收、数据恢复并二次编码发送,无线接力技术相较有线接力技术省去了线缆,更便于现场操作。 二种技术面临的问题:水平井施工中,造斜完毕多数井要下套管,因此进入水平段以后,偶极子天线或中继器处于套管当中,套管的屏蔽作用影响该技术的应用。 3)兼容混成系统 与泥浆脉冲传输混成的双通道系统,最大限度发挥电磁波传输优势,以提高钻井时效,两种传输技术融合优势互补,无疑是无线随钻测量系统最完备的传输技术。该技术关键是电气和机械接口设计,巧妙的将两种传输技术融合一体。 技术优势:双通道传输,不仅可以同时传输信息、也可通过命令切换交替传输、也可分别单独下井作业,具有很大的灵活性。 4)优化编码技术 提高编码效率,提高传输速率。 接收机输出信噪比决定了传输的误码率,式子 1 为归一化信噪比公式: 0=(S/N)*(W/R) …………………………………(1) 0直接关系到接收机误码率 为信号功率 N 为噪声功率 W 为噪声带宽 R 为信息的比特速率。 提高信噪比的基本方法: 1) S 代表了发射功率的大小,提高发射功率可以提高地面信噪比; 应该说提高发射功率是最有效的提高信噪比方法,但是井下环境条件以及关联因素的限制,不易做的太高。 由此带来的信噪比增益: (假设 10W 提高到 40W) 01/N0)………………………………(2) 针对高阻层提高开路电压(或功率),开路电压由 8V 增加至 16V, 那么由此获得信噪比增益: 0162/82) =6 ………………………………(3) 2) N 代表现场噪声大小,拟制噪声可以提高信噪比; a)经典的有源滤波器和软件滤波器有效滤除带外干扰 目前该类技术相当成熟,由此获得信噪比增益: …………………………………………………(4) b)相干解调或相干检波有利于提高信噪比; 相干解调检波技术已经应用,因此由此带来的信噪比增益: …………………………………………………(5) c)自适应噪声抵消算法的应用 此方法需要获得参考信号,由于参考信号获取不易,有关文章很多,提供了各种参考信号的获取办法,但是实际应用效果不佳,需进一步研究。以此获得信噪比增益: …………………………………………………(6) 3) R 代表信息传速率,通过降低传速率 ,换取信噪比的提高 a)降低信号频率 电磁波地层传输信道特性决定,频率越低,衰减系数越小 ,相应传输深度越深。但是地层复杂性,无法确定具体的信噪比增益。假定在均匀地层, 号衰减系数: 00m …………………………………………(7) 减系数: 00m …………………………………………(8) 同时设定井深 2500m,由此获得的信噪比增益: 2) *25=10 ………………………………(9) b)增加码元宽度或增加波列宽度 以 制波形为例,增大波列宽度可以增大信号能量,因此也可以提高信噪比,由此可以获得的信噪比增益:(假设加宽 N=3 倍) …………………………………………(10) c)纠错编码技术 理论上该办法可以提高信噪比,实际应用效果不明显,对于井场环境噪声特点,冗余带来的传输率降低并不能获得有效的信噪比增益。因此不予采纳。 d)非传统型大功率脉动发射机 由于井下供电以电池为主,总能量是个恒定值,原理上通过提高发射功率,势 必通过损失传输率来获得连续工作时间要求。高压电磁脉冲,瞬间释放功率很大,其间隔代表传输速率,高能脉冲功率越大,间隔就需要越宽,传输速率就越低。该发射机需要设计大容量储能设备,通过充放电交替过程实现功率输出激励偶极子天线。其获得的信噪比增益为式子( 2),但是由于该方法发射机输出开路电压更高,可以对高阻地层更好的适应性和输出更高的功率,因此获得信噪比增益更高。该方法需要进一步的研究。相应设计难度很大。 举例: 10W——100W,传输率降低到原来的 10 分之一,由此获得信噪比增益: 0 …………………………………………………(11) 小结: 通过降低信号频率和提高发射机开路电压以提高高阻层适应性是目前最佳的提高信躁比方法。自适应噪声低效技术仍需要进一步的研究;相干解调和检波技术相当成熟;单纯提高发射机功率由于关联设计因素不能做的太高,目前 10W 功率已经接近极限,仅可适度增大,复杂程度提高和获得信噪比增益相比不成正比。非传统大功率脉动发射机以弥补现有发射机的不足。 输不能解决所有井的作业对深度性能的要求,必须借助中继技术或与泥浆脉冲构成 混成系统。最大限度采用 输,有利于提高钻井时效。 地位 (20139:31:21) 无线随钻测量技术的发展方向: 钻测量 /随钻测井工具的研究 磁波传输)技术和MWD(泥浆压力脉冲传输)两种技术是目前最常见的两种无线随钻测量系统,二者具有各自的优缺点。虽然目前MWD技术普遍采用,特别是常规无线随钻应用 上大量采用了MWD技术。随着钻采技术的发展和随钻测井技术的需求, 术应用前景更为广阔。 输具有的优势在于: 传输速率高; 对钻井介质要求低 双向传输更方便 无动力设备更可靠 无需依赖开停泵即时传输。 产品结构简单便于现场操作 特别值得一提的是,国产具有完全知识产权的 统已经研制成功,在关键技术上已经达到国外同类技术水平,已经实现了商业化,目前该技术正在快速发展。这表现在: 造工艺的进步 满足钻井 环境对应力的要求。 适应各种地层电阻率条件下的高效发射。 数据压缩技术目前很成熟,结合组合优化编码技术将会使得传输速率大大提高。 中继器工具已经能够实现,并且方便操作和使用。 微弱信号检测技术中的数字信号处理技术应用,对地面信噪比的提高提供了技术支持,特别是自适应噪声低效技术的应用和研究。 构工艺设计的进步 各种材料为结构 设计提供基础支持,整体结构工艺更合理、更简化更便于现场操作。 术的发展将会为无线随钻测井技术提供可靠快速的传输通道,为地质导向的发展提供技术支持。同时技术延伸后可以更好的解决近钻头测量无线短传、适应各种井下作业环境的无线控制和遥测等等。 术必将成为随钻测量 \测井应用的主要技术之一。
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本文标题:电磁波随钻无线传输系统
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