無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在石油行業(yè)中的應(yīng)用及展望

蔡 鵬覃 毅董照顯楊全枝陳 超

1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 (山東 青島 266555)

2.中國石油渤海鉆探工程有限公司 第一固井公司 （河北 任丘 062550)

無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在石油行業(yè)中的應(yīng)用及展望

蔡 鵬1覃 毅2董照顯1楊全枝1陳 超1

1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 (山東 青島 266555)

2.中國石油渤海鉆探工程有限公司 第一固井公司 （河北 任丘 062550)

概括總結(jié)了在石油行業(yè)中使用的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，主要可分為常規(guī)無線數(shù)據(jù)傳輸和井下無線隨鉆傳輸。提出了兩點(diǎn)展望：利用短距離無線采集與遠(yuǎn)程無線數(shù)傳相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)鉆采現(xiàn)場參數(shù)實(shí)時監(jiān)測；研發(fā)聲波無線數(shù)據(jù)傳輸新型鉆桿接頭，能克服能量衰減問題，提高聲波傳輸距離。

無線數(shù)據(jù)傳輸 聲波 石油行業(yè)

石油行業(yè)是一個資金技術(shù)密集、跨多學(xué)科的國家戰(zhàn)略行業(yè)[1]。隨著油氣可采量不斷遞減、競爭日趨激烈，為提高經(jīng)濟(jì)效益，各油田企業(yè)正朝著自動化、信息化、智能化發(fā)展。無線數(shù)據(jù)傳輸可有效降低人員成本，使現(xiàn)場作業(yè)更加快捷靈活，已在地震勘探[2]、管道泄漏檢測[3]、油井測量[4]、氣體檢測[5]、海上平臺監(jiān)控[6]等領(lǐng)域[7-9]得到廣泛應(yīng)用。

本文概括總結(jié)了在石油行業(yè)中使用的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，主要分為常規(guī)無線數(shù)據(jù)傳輸和井下無線隨鉆傳輸，并提出了兩個發(fā)展方向。

1 無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

無線數(shù)據(jù)傳輸是指以無線方式傳輸工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備輸出的各種物理量。與傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)傳輸方式相比，無線數(shù)據(jù)傳輸具有以下優(yōu)勢：①安裝周期短，節(jié)約資金；②維護(hù)簡便，靈活多變；③搬遷迅速，便于擴(kuò)充監(jiān)測點(diǎn)；④應(yīng)用領(lǐng)域廣，適合一些不具備鋪設(shè)電纜條件的區(qū)域。

無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_端可以追溯到1897年，科學(xué)家馬可尼（Marconi）利用無線電在陸地上和一只拖船之間進(jìn)行了消息的傳輸。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)日臻成熟。無論是太空飛船，還是深水機(jī)器人，乃至地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，均成功運(yùn)用到無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。在石油行業(yè)，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可分為兩類：常規(guī)無線數(shù)據(jù)傳輸和井下信息無線數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 常規(guī)無線數(shù)據(jù)傳輸

人們在地面之上進(jìn)行的常規(guī)無線數(shù)據(jù)傳輸，傳輸載體一般采用電磁波。常規(guī)無線數(shù)據(jù)傳輸以射頻技術(shù)、微電子技術(shù)及集成電路技術(shù)為基礎(chǔ)，近年來取得飛速發(fā)展，傳輸速率和可靠性逐漸提高，某些性能甚至可媲美有線數(shù)據(jù)傳輸[10]。在石油行業(yè)中，常規(guī)無線數(shù)據(jù)傳輸主要用于通訊、無人監(jiān)測等領(lǐng)域。根據(jù)傳輸原理不同，常規(guī)無線數(shù)據(jù)傳輸分類如表1所示。

由表1可知，常規(guī)無線數(shù)據(jù)傳輸多種多樣，而且技術(shù)成熟。值得注意的是，石油鉆采現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，有線傳輸會受諸多限制，因此無線數(shù)據(jù)傳輸更具未來發(fā)展?jié)摿Α５Ｒ?guī)無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的防爆性能和抗干擾能力有待提高。

1.2 井下信息無線數(shù)據(jù)傳輸

在石油鉆探過程中，需要從地面到油氣層鉆開一個井眼以建立油氣通道，并用井底鉆具組合中的測量工具實(shí)時測取地質(zhì)參數(shù)、軌跡參數(shù)、鉆井參數(shù)等相關(guān)信息。測量工具一般貼近鉆頭附近，處于地層深處，其獲取的地層信息如何返回地面，一直是石油行業(yè)的研究熱點(diǎn)。若采用電纜傳輸井下信號，不僅費(fèi)用高昂，而且會影響正常鉆井作業(yè)。目前，井下信息無線數(shù)據(jù)傳輸方法主要有鉆井液脈沖、電磁波和聲波3種。其中,鉆井液脈沖和電磁波方式已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐[11-12]。

表1 常規(guī)無線數(shù)據(jù)傳輸不同種類

1.2.1 鉆井液脈沖式無線數(shù)據(jù)傳輸

鉆井液脈沖式隨鉆測量信息傳輸是借助鉆井液的壓力波來傳輸信號的，其原理是鉆井液在地面泥漿泵動力作用下在鉆柱內(nèi)高速流動[11]，使鉆井液脈沖發(fā)生器的葉輪產(chǎn)生扭矩，激發(fā)驅(qū)動電路產(chǎn)生驅(qū)動電流，以驅(qū)動發(fā)生器閥門帶動鎖齒銷軸運(yùn)動。當(dāng)控制機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)鎖齒釋放一個齒位，鉆井液脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)過一個特定角度,從而導(dǎo)致鉆井液脈沖發(fā)生器流道開啟或關(guān)閉，這樣間歇性的開啟和關(guān)閉就會產(chǎn)生鉆井液壓力脈沖，把井下隨鉆測量信號轉(zhuǎn)換為鉆井液脈沖信號，然后將其送至地面，完成井下信息從井底到地面的傳輸。目前鉆井液脈沖遙傳傳輸速率很低，一般只能達(dá)到4～16b/s[12]，這在很大程度上限制了井下測量數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸，另外對鉆井液要求也很高，一般要求鉆井液含砂量小于4%，含氣量小于7%[13]。尤其在氣體鉆井過程中，由于氣體是可壓縮的，會導(dǎo)致脈沖強(qiáng)度減弱，使信號傳輸更加困難。

1.2.2 電磁波無線數(shù)據(jù)傳輸

井下電磁波發(fā)射器把井下數(shù)據(jù)傳感器測量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電磁信號，經(jīng)過地層傳播至地面，由地面的信號接收器接收，然后由計(jì)算機(jī)終端處理器對信號進(jìn)行處理，最后做出評價(jià)，如圖1、圖2所示。

其中電磁波發(fā)射器[13-16]主要包括對信號編制、調(diào)制和功率放大。終端處理器主要包括濾波、消噪、解調(diào)和譯碼等。目前制約此項(xiàng)技術(shù)的主要因素就是信號衰減問題，尤其是現(xiàn)代鉆井朝著更深、更遠(yuǎn)的方向發(fā)展，需要更強(qiáng)的電磁信號。

1.2.3 聲波無線數(shù)據(jù)傳輸

隨鉆聲波測量是在鉆井作業(yè)過程中，把井下聲波發(fā)生器產(chǎn)生的聲波作為載體，把鉆具系統(tǒng)、井下流體和地層作為聲波的傳輸介質(zhì)，在井下與地面之間建立無線傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息傳輸功能。然而它也有很多明顯的缺陷，碼間干擾以及大量的噪音給后面的信號處理帶來很大的麻煩；另外聲波的傳播形式是球面?zhèn)鞑?，沿空間某一方向傳播幅度會越來越小，即衰減問題也是需要克服的一道難關(guān)。

2 展望

無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)持續(xù)推進(jìn)石油行業(yè)向“三化”快速發(fā)展，同時石油行業(yè)起到一定的反作用，積極拓展了井眼底部、海上鉆井平臺等特殊環(huán)境下的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。筆者根據(jù)石油行業(yè)工況，對無線傳輸技術(shù)的發(fā)展方向做了如下探討：

2.1 發(fā)展方向一：短距離無線采集與遠(yuǎn)程無線數(shù)傳系統(tǒng)

無論是陸地還是海上，油氣鉆采現(xiàn)場均需要對不同參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以確保安全生產(chǎn)。當(dāng)一個較小范圍內(nèi)存在固定的若干個監(jiān)測點(diǎn)，用有線數(shù)據(jù)傳輸能滿足要求。然而，在施工現(xiàn)場往往存在分散的多個監(jiān)測點(diǎn)，且連接對象位置不固定。若用有線數(shù)據(jù)傳輸方式，會出現(xiàn)布線、故障檢查困難等問題。如在海上鉆井時，用電纜傳輸方式監(jiān)測雙平臺施工參數(shù)（圖3），操作極其困難，而且不便維修。

針對此類難題，采用一種短距離無線采集與遠(yuǎn)程無線數(shù)傳相結(jié)合的系統(tǒng)（圖4）[17]，能有效實(shí)現(xiàn)多區(qū)域多觀測點(diǎn)的參數(shù)實(shí)時監(jiān)測，從而提高油田現(xiàn)代化管理水平。短距無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由無線傳感器（獲取監(jiān)測信號并轉(zhuǎn)換成無線電信號）和短距無線接收器（接收無線電信號）組成。遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)發(fā)射器、增益天線、遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)接收器，其接收的多個觀測點(diǎn)信號將被傳送至采集儀，再連通計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)中，選擇哪一種短距離無線數(shù)傳和哪一種遠(yuǎn)程無線數(shù)傳搭配至關(guān)重要。根據(jù)不同的現(xiàn)場監(jiān)測距離和傳輸量，提出了幾種具有潛力的無線數(shù)據(jù)傳輸組合方式（見表2）。

表2 無線數(shù)據(jù)傳輸組合方式

在方案2中，超寬帶作為新興無線傳輸技術(shù)，傳輸量超大，可與傳輸信號高保真的IEEE802.11相結(jié)合，構(gòu)成油區(qū)無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。方案4具有傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸質(zhì)量高等特點(diǎn)，適合石油鉆采現(xiàn)場，有一定的開發(fā)潛力。

2.2 發(fā)展方向二：聲波無線數(shù)據(jù)傳輸新型鉆桿接頭

聲波具有傳輸速率大、方向性好、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，逐漸成為井下信息無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯繜狳c(diǎn)。中國石油大學(xué)（華東）于2007年設(shè)計(jì)出近鉆頭聲波無線隨鉆測斜系統(tǒng)（圖5），在室內(nèi)到達(dá)1 000b/s的傳輸速度，并在勝利油田進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。但利用聲波進(jìn)行井下信息無線數(shù)據(jù)傳輸時，鉆桿接頭處存在的縫隙會造成信號失真[18-20]，導(dǎo)致信號衰減加劇甚至傳輸失敗。因此有必要設(shè)計(jì)一種新型鉆桿接頭，在確保鉆桿連接緊密的同時，又能放大聲波信號起到中繼站的作用。此接頭的優(yōu)點(diǎn)是有目共睹的，但首先要考慮以下問題：如何把聲波信號放大器安置在鉆桿接頭中；如何在不影響正常接單根的同時又確保鉆桿連接處清潔無雜質(zhì)。該方法可克服聲波傳輸?shù)哪芰克p問題，是一個值得研究探討的方向。

3 認(rèn)識和建議

（1）無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，使石油行業(yè)更加自動化、信息化和智能化。井下信息無線數(shù)據(jù)傳輸成為石油行業(yè)一大特色，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到理想目標(biāo)，需要進(jìn)一步的研究。

（2）根據(jù)石油行業(yè)特點(diǎn)，無線數(shù)據(jù)傳輸可以分為常規(guī)無線數(shù)據(jù)傳輸和井下無線數(shù)據(jù)傳輸。常規(guī)短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已經(jīng)成熟，可用于短距離無線采集，與遠(yuǎn)程無線數(shù)傳輸相結(jié)合，將是一個頗具吸引力的方案。哪一種短距離無線數(shù)傳輸和哪一種遠(yuǎn)程無線數(shù)傳輸搭配更合理，有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

（3）目前的聲波無線數(shù)據(jù)傳輸已能實(shí)現(xiàn)較高速率數(shù)據(jù)傳輸，但聲波在井下衰減嚴(yán)重，存在局限性。如研制出能緊密連接鉆桿、放大聲波信號的鉆桿接頭，將使聲波傳輸距離更遠(yuǎn)，是一個頗具吸引力的方案。

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It is summarized that wireless data transmission technologies used in petroleum industry can be divided into conventional wireless data transmission and wireless data transmission of drilling information.Then two outlooks are presented in the paper,one is that combining the short distance wireless data collection with remote wireless data transmission can realize the real-time monitoring for the parameters in drilling site;the other is that studying a new drilling pipe joint of acoustic wireless data transmission can overcome the energy attenuation and increase the distance of acoustic transmission.

wireless data transmission;acoustic wave;petroleum industry

蔡鵬（1988-），男，在讀碩士研究生，現(xiàn)從事油氣井相關(guān)理論研究。

黃永場

2012-02-09