隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式綜述

徐 峰 陳 敏

(川慶鉆探工程公司測(cè)井分公司 重慶)

0 引 言

隨鉆測(cè)井技術(shù)(logging while drilling)，起源于20 世紀(jì)50 年代。由于隨鉆測(cè)井是測(cè)量與鉆井同步進(jìn)行，不需要鉆完井后再測(cè)量，并且對(duì)于鉆井角度幾乎沒(méi)有要求，所以與傳統(tǒng)電纜測(cè)井技術(shù)相比，它具有實(shí)時(shí)性，高效性，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井等優(yōu)勢(shì)。在地質(zhì)導(dǎo)向與地層評(píng)價(jià)上起著重要作用，并且有可能最終取代電纜測(cè)井［1］。

但是由于鉆井時(shí)的井下高溫高壓等惡劣環(huán)境，使得隨鉆測(cè)井的信號(hào)傳輸困難，而且現(xiàn)代測(cè)井技術(shù)中的測(cè)井資料內(nèi)容日益增多，對(duì)隨鉆測(cè)井技術(shù)的信號(hào)傳輸速率要求越來(lái)越高，信號(hào)傳輸速率的限制已經(jīng)成為隨鉆測(cè)井技術(shù)發(fā)展的瓶頸。因此，尋找一種具有較高速率的信號(hào)傳輸方式已經(jīng)成為隨鉆測(cè)井技術(shù)發(fā)展的突破口。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)隨鉆測(cè)井的信號(hào)傳輸方式的研究已經(jīng)取得一定成果，如泥漿脈沖信號(hào)傳輸方式、聲波信號(hào)傳輸方式與電磁波信號(hào)傳輸方式。但是目前這些信號(hào)傳輸方式并不能完全滿足隨鉆測(cè)井系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，所以對(duì)信號(hào)傳輸方式的研究仍然是隨鉆測(cè)井技術(shù)研究的重點(diǎn)。

1 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)傳輸方式及原理

隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式可以分為有線傳輸與無(wú)線傳輸。由于在鉆井的同時(shí)要對(duì)測(cè)井信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，處理與傳輸，并且鉆桿是由短節(jié)一節(jié)一節(jié)組成，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，用電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸十分困難。因此，現(xiàn)在的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式幾乎都是無(wú)線傳輸。隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)的無(wú)線傳輸方式有三種:泥漿脈沖信號(hào)傳輸、電磁波信號(hào)傳輸與聲波信號(hào)傳輸。

1.1 泥漿脈沖信號(hào)傳輸

泥漿脈沖信號(hào)傳輸方式是利用鉆井液作為傳輸介質(zhì)進(jìn)行信號(hào)傳輸。它的基本原理是井下的測(cè)量信號(hào)經(jīng)編碼后，傳送給脈沖器的驅(qū)動(dòng)電路，使脈沖器的錐閥、旋轉(zhuǎn)閥或轉(zhuǎn)子工作，從而使泥漿產(chǎn)生壓力脈沖。地面設(shè)備再采集這個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)濾波整形解碼后，得到測(cè)量信息。

泥漿脈沖信號(hào)傳輸方式根據(jù)脈沖發(fā)生器的不同分為三種類型［2］:

正脈沖傳輸方式。正脈沖傳輸?shù)拿}沖發(fā)生器的工作原理:通過(guò)改變脈沖發(fā)生器中針閥與小孔的相對(duì)位置，改變流道的截面積，使得鉆柱內(nèi)部的泥漿壓力升高，形成一個(gè)正脈沖壓力波。正脈沖傳輸方式的信號(hào)比較穩(wěn)定，井下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維修都比較方便，不需要專門(mén)的無(wú)磁鉆鋌。但是它的傳輸速率比較低。

負(fù)脈沖傳輸方式。負(fù)脈沖傳輸?shù)拿}沖發(fā)生器的工作原理:通過(guò)泄流閥的開(kāi)啟，使得泥漿從鉆鋌上的泄流孔流道井眼環(huán)空，從而使得鉆柱內(nèi)部的泥漿壓力降低，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖的壓力波。負(fù)脈沖傳輸方式雖然信號(hào)也比較穩(wěn)定，但是同樣傳輸速率低，并且還有污染環(huán)空、能量損失大等缺點(diǎn)，已經(jīng)逐漸被淘汰。

連續(xù)波傳輸方式。連續(xù)波傳輸方式的脈沖發(fā)生器的工作原理:發(fā)生器由轉(zhuǎn)子與定子組成。轉(zhuǎn)子在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，使得流道的截面積發(fā)生連續(xù)變化，泥漿的壓力也連續(xù)變化，由此產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)壓力波信號(hào)。連續(xù)波傳輸方式是泥漿脈沖信號(hào)傳輸中信號(hào)傳輸速率最高的，目前能達(dá)到50 bit/s，并且具有一定的抗干擾能力。

1.2 電磁波信號(hào)傳輸

隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)的電磁波信號(hào)傳輸方式是利用電磁波在介質(zhì)中傳輸來(lái)傳送數(shù)據(jù)的。將測(cè)量信號(hào)通過(guò)井下的調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制為電磁波，通過(guò)鉆桿、地層以及泥漿介質(zhì)傳送給地面接收設(shè)備。由于電磁波傳輸可以用鉆桿、地層及泥漿作為傳輸介質(zhì)，并且受鉆井介質(zhì)影響較小，所以能用于空氣、泡沫或泥漿的欠平衡鉆井;并且它的傳輸速度也較快，可以實(shí)現(xiàn)地面與井下的雙向傳輸［3］。電磁波信號(hào)傳輸?shù)娜秉c(diǎn)是電磁波信號(hào)的傳輸容易受傳輸介質(zhì)電導(dǎo)率的影響，導(dǎo)致信號(hào)不易被探測(cè)與接收;并且電磁波在介質(zhì)中傳輸時(shí)衰減很快，而且頻率越高，衰減越明顯，所以電磁波傳輸?shù)念l率基本都是低頻，在2 Hz ～20 Hz 之間。這樣也限制了電磁波信號(hào)傳輸?shù)乃俾?。所以使用這種方法傳輸?shù)木嚯x不能太大，不適合深井測(cè)量。

1.3 聲波信號(hào)傳輸

隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)的聲波傳輸方式是利用聲波能在介質(zhì)中傳輸?shù)奈锢硖匦詠?lái)實(shí)現(xiàn)的。聲波傳輸具有較高的信號(hào)傳輸速率，可以達(dá)到幾百bit/s，是泥漿脈沖傳輸方式的10 倍以上;而且聲波傳輸同電磁波傳輸一樣，不需要專門(mén)的信號(hào)傳輸通道，可以通過(guò)土層、鉆桿等中介物質(zhì)進(jìn)行傳播，通過(guò)聲波的頻率、幅度等變化來(lái)傳遞數(shù)據(jù)［4］。但是聲波是一種機(jī)械波，它的衰減比較嚴(yán)重，需要每隔一段距離就安裝一個(gè)中繼器，即便如此也很難適用于深井測(cè)量;而且它易受干擾，在鉆井設(shè)備和井下鉆具產(chǎn)生的聲波噪聲影響下，檢測(cè)識(shí)別出測(cè)量信號(hào)比較困難。

2 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)傳輸方式設(shè)計(jì)及應(yīng)用的主要問(wèn)題

隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的信號(hào)傳輸與傳統(tǒng)的電纜測(cè)井的信號(hào)傳輸相比，存在許多特殊性，其設(shè)計(jì)及應(yīng)用時(shí)的主要問(wèn)題有:

(1)由于隨鉆測(cè)井是鉆井與測(cè)量是同時(shí)進(jìn)行，所以信號(hào)傳輸只能在高溫、高壓的環(huán)境下進(jìn)行。在這種惡劣的環(huán)境下進(jìn)行信號(hào)傳輸，只能采用耐高溫耐高壓的信號(hào)傳輸方案并對(duì)信號(hào)傳輸設(shè)備采取保護(hù)措施(例如，井下信號(hào)傳輸設(shè)備都是安裝在鉆桿內(nèi))。這樣不僅遏制了信號(hào)傳輸方式選擇范圍，并且特殊的工藝要求還會(huì)影響工作效率、增加測(cè)量成本。

(2)隨鉆測(cè)井的鉆桿是由許多短節(jié)連接而成，而在隨著鉆井深度的增加，短節(jié)的數(shù)量也在增加，與此同時(shí)還要保持信號(hào)的傳輸，這就對(duì)信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)有特殊要求。用傳統(tǒng)的電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸難以勝任，因?yàn)殡S著鉆井深度的增加，在加接短節(jié)時(shí)必須要提出電纜和儀器，而這勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重影響工作效率。因此，現(xiàn)在隨鉆測(cè)井的信號(hào)傳輸基本都是采用的無(wú)線信號(hào)傳輸。然而無(wú)線信號(hào)傳輸相對(duì)于電纜信號(hào)傳輸在傳輸速率與抗干擾能力上都難以相比，就目前而言電纜信號(hào)傳輸速率要比無(wú)線信號(hào)傳輸速率幾乎高1 000 倍［5］。對(duì)于測(cè)井參數(shù)日益增多，測(cè)井資料內(nèi)容日益豐富的今天，無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)膫鬏斔俾实偷木窒扌砸苍絹?lái)越突出。

3 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)傳輸方式的應(yīng)用

由于信號(hào)傳輸方式的不同，不同類型的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用情況也不相同。

3.1 泥漿脈沖信號(hào)傳輸方式

作為起源最早的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)傳輸方式，泥漿脈沖信號(hào)傳輸曾極大推動(dòng)了隨鉆測(cè)井技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展應(yīng)用，泥漿脈沖信號(hào)傳輸仍然是技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最為廣泛的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)傳輸方式。對(duì)于泥漿正脈沖信號(hào)傳輸方式，國(guó)內(nèi)外均有各自實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品，如Halliburton 公司的High - speed Directional Survey 系統(tǒng);中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司“地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用”課題組研制開(kāi)發(fā)的CGMWD 系統(tǒng)等。

而作為信號(hào)傳輸速率更高，抗干擾能力更強(qiáng)的連續(xù)波信號(hào)傳輸方式，國(guó)內(nèi)只是給出了連續(xù)波泥漿脈沖樣機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)方案，并沒(méi)有實(shí)際的產(chǎn)品。國(guó)外的Schumlburger 公司在這方面有比較成熟的儀器產(chǎn)品，如PowerPulser 新型無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x器。PowerPulser 的信號(hào)傳輸速度比正脈沖傳輸方式的傳輸速度快近10 倍，而且操作簡(jiǎn)單，方便維修［6］。

3.2 電磁波脈沖信號(hào)傳輸方式

由于近年來(lái)欠平衡井、氣體鉆井等特殊鉆井工藝的出現(xiàn)，而電磁波傳輸受鉆井介質(zhì)影響小，適用于空氣、泡沫或者泥漿等環(huán)境，使得電磁波傳輸逐漸成為研究的熱點(diǎn)［7］。我國(guó)在這方面的技術(shù)比較缺乏，還處在信號(hào)編碼、信號(hào)傳輸特性分析以及開(kāi)發(fā)單個(gè)系統(tǒng)樣機(jī)階段。國(guó)外已經(jīng)有了比較成熟的產(chǎn)品，如Schumlburger公司的E 脈沖電磁傳輸系統(tǒng)［8］;Halliburton 公司的電磁MWD 系統(tǒng)等［9］。

3.3 聲波信號(hào)傳輸方式

由于數(shù)據(jù)傳輸速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投入成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)傳輸方式突破的重點(diǎn)，國(guó)外石油公司也已經(jīng)陸續(xù)對(duì)聲波信號(hào)傳輸進(jìn)行了研究，并且取得一些階段性成果。例如基于彈性波傳播理論和磁致伸縮技術(shù)的新型聲波式隨鉆測(cè)井系統(tǒng)，利用鉆桿柱剛性好，彈性波通過(guò)鉆桿柱進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)穩(wěn)定性高，使得信號(hào)傳輸?shù)目煽啃耘c傳輸速率得到極大提高。但是聲波傳輸作為一種新興的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式，還處于研制試驗(yàn)階段，市場(chǎng)上并沒(méi)有相關(guān)的隨鉆測(cè)井產(chǎn)品。而我國(guó)關(guān)于隨鉆測(cè)井的聲波信號(hào)傳輸這方面的研究還處于理論階段［10］。

4 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)傳輸方式的發(fā)展趨勢(shì)

由于隨鉆測(cè)井技術(shù)在鉆井當(dāng)中起著越來(lái)越重要的作用，國(guó)內(nèi)外對(duì)隨鉆測(cè)井技術(shù)研發(fā)的投入也越來(lái)越大。而作為隨鉆測(cè)井技術(shù)的關(guān)鍵突破口，隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)傳輸技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)入快車道。不僅無(wú)線信號(hào)傳輸中的三種傳輸方式是研究的重點(diǎn)，作為實(shí)際應(yīng)用困難，但是傳輸速率更高，更穩(wěn)定的有線傳輸也是一個(gè)很重要的突破方向。

(1)無(wú)線信號(hào)傳輸方式。泥漿脈沖信號(hào)傳輸方式作為目前應(yīng)用最廣的隨鉆測(cè)井信號(hào)傳輸方式，雖然連續(xù)波信號(hào)傳輸方式已經(jīng)有了實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品，但是由于技術(shù)還不夠成熟，還有很大的提升空間，所以仍然是隨鉆測(cè)井系統(tǒng)信號(hào)傳輸研究的一個(gè)重點(diǎn)。而新興的電磁波信號(hào)傳輸方式與聲波信號(hào)傳輸方式，因?yàn)樾盘?hào)傳輸速率較快，能實(shí)現(xiàn)雙向通信，受鉆井介質(zhì)影響較小，能夠適應(yīng)空氣、泡沫或泥漿的欠平衡環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，是以后隨鉆測(cè)井信號(hào)傳輸研究的主攻方向。當(dāng)前電磁波信號(hào)傳輸與聲波信號(hào)傳輸需要解決的問(wèn)題主要是信號(hào)衰減與噪聲干擾的問(wèn)題。

(2)有線信號(hào)傳輸方式。傳統(tǒng)的電纜信號(hào)傳輸方式在隨鉆測(cè)井系統(tǒng)中顯然是不行的。國(guó)外已經(jīng)有公司開(kāi)始研究通過(guò)特制鉆桿使得電纜在隨鉆測(cè)井中進(jìn)行信號(hào)傳輸成為可能。這種方法主要是將信號(hào)傳輸導(dǎo)體埋入鉆桿短節(jié)體內(nèi)，鉆桿短節(jié)之間通過(guò)接頭連接進(jìn)行信號(hào)傳輸，這樣就能既不干擾鉆井作業(yè)又能做到有線傳輸?shù)碾p向、高速與穩(wěn)定。如IntelliServ 公司開(kāi)發(fā)的鉆桿高速數(shù)據(jù)遙傳系統(tǒng)IntelliPipe，它在鉆桿接頭之間采用電磁感應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［11］。

這種方法的缺點(diǎn)是成本高，接頭信號(hào)傳輸可靠性差，電力下傳也比較困難。但是這為隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的有線信號(hào)傳輸提供了一個(gè)很好的方向，所以隨鉆系統(tǒng)的有線信號(hào)傳輸?shù)难芯糠较蚩梢允墙鉀Q鉆桿與鉆桿間的信號(hào)傳輸不可靠與井下供電不足問(wèn)題。

［1］時(shí)鵬程.隨鉆測(cè)井技術(shù)在我國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用［J］. 測(cè)井技術(shù)，2002，26(6)

［2］楊 謙，王智明，張玉美. 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)泥漿脈沖傳輸方式介紹［J］.湖南農(nóng)機(jī)，2010，37(3)

［3］劉修善，侯緒田. 電磁隨鉆測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34(5)

［4］S. Vimal，G. Wallace，D. Johnson，et al. Design Considerations for a New High Data Rate LWD Acoustic Telemetry System［C］. SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition，Perth，Australia，2004

［5］劉選朝，張紹槐. 智能鉆柱信息及電力傳輸系統(tǒng)的研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34(5)

［6］楊 虹，丁水浩，李舟波，等. 碎鉆測(cè)井技術(shù)的發(fā)展［J］.世界地質(zhì)，2004，23(3)

［7］范業(yè)活，聶在平，李天祿. 碎鉆電磁波傳輸理論模型與信道特性分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，28(5)

［8］Schlumberger，E-Pulse［EB/OL］. http://www.slb.com，2002，12

［9］Halliburton，LWD/MWD services［EB/OL］. http://www.myhalliburton.com，2002，12

［10］杜 勇，胡建斌，李艷萍，等. 聲波傳輸測(cè)試技術(shù)在油田的應(yīng)用［J］.測(cè)控技術(shù)，2005，24(11)

［11］ReeveM S，Macpherson J，Zaeper R，et al. High -Speed Drillstring Telemetry Network Enables New Real - time Drilling and Measurement Technologies ［C］//IADC/SPE Drilling Conference:99134 -MS，2006