井底數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究

趙繼斌　陳若銘　李曉軍

摘要：隨著MWD隨鉆測量工具的出現(xiàn)，鉆井作業(yè)過程實現(xiàn)了井眼軌跡參數(shù)（井斜、方位和工具面角）的無線隨鉆測量及實時傳輸，極大的促進(jìn)了水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展。隨著鉆井工具的發(fā)展，能測到的井下參數(shù)越來越多，如何快速的將這些數(shù)據(jù)傳到地面成為了急需解決的一個問題。本文主要介紹了當(dāng)前的幾種數(shù)據(jù)傳輸方式及各自優(yōu)缺點，同時分析了井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并闡述了井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：多參數(shù) 傳輸速率 井下數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）02-0000-00

1 引言

近年來，隨著油氣田的勘探開發(fā)，可開采儲量不斷減少，各油田面臨穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的問題。LWD、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、隨鉆井底壓力測量系統(tǒng)及進(jìn)行近鉆頭參數(shù)測量的鉆井安全工具等大量的提速、提效鉆井工具，這些隨鉆測量工具的出現(xiàn)，在一定程度上實現(xiàn)了三維、可視化鉆井，同時也促進(jìn)了深井、超深井等難開采油氣藏的開發(fā)，為各油田實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)、降本增效提供了技術(shù)支撐。但是，隨著隨鉆測量工具的不斷發(fā)展，井下工具由最初可測量三個參數(shù)的MWD發(fā)展到多參數(shù)的無風(fēng)險鉆井工具，由于當(dāng)前使用的鉆井液脈沖傳輸速率低，只有0.5-2bit/s，已經(jīng)無法滿足多個井底參數(shù)測量工具實時傳輸?shù)氖┕ひ?，國?nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)開始嘗試研究新的、能夠更快速度傳輸數(shù)據(jù)的方式，通過傳輸機(jī)構(gòu)、傳輸方式及傳輸介質(zhì)的改變，研究出了一些具備傳輸速率快、容量大的井底數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

2 井底數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)介紹

當(dāng)前，在隨鉆測量領(lǐng)域應(yīng)用最普遍、最常見的是鉆井液正脈沖信號傳輸。近年來，國內(nèi)外石油公司及科研院所研發(fā)出了智能鉆桿傳輸、連續(xù)波傳輸、聲波傳輸、電磁波等高速率的傳輸技術(shù)，但還需進(jìn)一步研究、完善，不過，這幾種傳輸技術(shù)出現(xiàn)，在很大程度上促進(jìn)了可視化鉆井的實現(xiàn)。

2.1 鉆井液脈沖信號傳輸技術(shù)

鉆井液脈沖信號傳輸技術(shù)是鉆井使用最普遍的一項傳輸技術(shù)，其工作原理為在井下工具上連接脈沖信號發(fā)生裝置，地面的立管上安裝有壓力傳感器。當(dāng)信號發(fā)生器動作時，鉆柱內(nèi)

鉆井液流道面積發(fā)生變化，造成鉆柱內(nèi)形成壓力波動，當(dāng)信號發(fā)生器進(jìn)行規(guī)律動作，不斷地改變流道面積，即可形成有規(guī)律的壓力信號。通過立管上的壓力傳感器將鉆柱內(nèi)的壓力波動監(jiān)測到，并發(fā)送到地面的工作機(jī)組，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理、計算后，即可知井下上傳的數(shù)據(jù)。鉆井液傳輸技術(shù)由于信號發(fā)生裝置的不同，其信號產(chǎn)生機(jī)理也不同，可以分為正脈沖、負(fù)脈沖和連續(xù)波三種傳輸方式。

（1）負(fù)脈沖傳輸方式；鉆井液負(fù)脈沖傳輸方式產(chǎn)生較早，但目前使用的不多。主要是由于其信號發(fā)生裝置（見圖1）的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。負(fù)脈沖信號發(fā)生裝置在鉆鋌壁上裝有一個閥，通過控制閥的開啟與關(guān)閉來實現(xiàn)信號產(chǎn)生與數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)閥開啟的時候，鉆柱內(nèi)一部分液體經(jīng)閥流出，鉆柱內(nèi)的壓力降低，當(dāng)閥關(guān)閉的時候，鉆柱內(nèi)壓力上升。由于在產(chǎn)生壓力變化（見圖2）的時候，鉆柱內(nèi)的壓力是降低的，所以叫負(fù)脈沖信號傳輸。

負(fù)脈沖信號傳輸方式與正脈沖傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸速率基本相同，但由于其信號發(fā)生裝置在經(jīng)過井下使用后的后期維護(hù)不方便，沒有得到大量的推廣使用。

（2）正脈沖傳輸方式；鉆井液正脈沖傳輸方式是目前隨鉆測量領(lǐng)域最成熟的一項技術(shù)。正脈沖信號的產(chǎn)生于負(fù)脈沖信號的產(chǎn)生方式相反，在其信號發(fā)生裝置（見圖3）上同樣有閥，但是其是通過閥的動作來減小鉆柱內(nèi)流道的變化。當(dāng)需要產(chǎn)生壓力波動（見圖4）時，控制閥上升，鉆柱內(nèi)的流道面積減小，壓力升高，當(dāng)閥回復(fù)原位的時候，壓力下降。通過閥的上下動作來實現(xiàn)信號傳輸。目前APS研發(fā)的脈沖發(fā)生器是正脈沖信號傳輸速度最快的一種信號發(fā)生器，可以達(dá)到4bit/s。

（3）連續(xù)波信號傳輸方式；連續(xù)波信號傳輸方式是近年研究出的一項新技術(shù)，其最大特點是傳輸速率快，可以達(dá)到30bit/s，可以滿足當(dāng)前隨鉆測量工具多參數(shù)實時傳輸?shù)囊?。連續(xù)波傳輸方式最大的特點是其信號產(chǎn)生裝置（見圖5）是在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生壓力波動。在裝置內(nèi)有兩圓盤，一個圓盤靜止，一個轉(zhuǎn)動。通過兩盤發(fā)生連續(xù)的相對轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)壓力波動（見圖6）的產(chǎn)生。在產(chǎn)生壓力波動的過程中，圓盤可以是沿著一個方向轉(zhuǎn)動，也可以往復(fù)轉(zhuǎn)動。

連續(xù)波信號發(fā)生裝置最早是由Mobil公司研制，由斯倫貝謝公司“分析者”分公司進(jìn)行改進(jìn)和完善的，是目前技術(shù)比較成熟的公司。隨后，哈里伯頓等公司進(jìn)行了連續(xù)波信號發(fā)生裝置的研發(fā)。國內(nèi)各研究院所在“十二五”開始了大力研究該項技術(shù)[1]。

2.2 智能鉆桿傳輸技術(shù)

智能鉆桿傳輸技術(shù)為有線傳輸技術(shù)，對鉆桿兩端接頭進(jìn)行特殊的處理，在上扣的時候，實現(xiàn)鉆桿間的自動對接。智能鉆桿傳輸速率快，是目前研究的熱點。智能鉆桿由于接頭結(jié)構(gòu)的不同，有電力載波、工頻通信及磁感應(yīng)三種傳輸方式。電力載波是將信號線與電源線共線，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，但需要解決信號的電力載波過程中的抗干擾與衰減問題。工頻通信傳輸是利用特定的電壓波形區(qū)域作為信號區(qū)域，并采用差分檢測技術(shù)，實現(xiàn)信息穩(wěn)定傳輸。目前，研發(fā)的工頻通信技術(shù)的信號傳輸速率達(dá)到25bit/s。傳輸速率相對較慢，但抗干擾能力強(qiáng)，負(fù)載的大小、傳輸距離對信號質(zhì)量不會產(chǎn)生影響，信號衰減也很小。磁感應(yīng)傳輸方式是在鉆桿兩端各自安裝線圈，在兩個線圈之間通過數(shù)據(jù)線連接；兩根鉆桿連接后，在兩個感應(yīng)線圈之間會有一個微小的間隙，數(shù)據(jù)在此間隙之間以電磁感應(yīng)方式進(jìn)行傳輸[2]。目前該方式傳輸速率快，但信號衰減嚴(yán)重，需要加裝中繼放大器，由于鉆具尺寸受限，所以，目前該方式適用深度有限。

2.3 聲波傳輸技術(shù)

鉆柱中聲波傳輸技術(shù)是以鉆柱管壁作為傳播介質(zhì)、以聲波為信號載體，利用聲波在鉆柱中的傳播進(jìn)行井下數(shù)據(jù)的無線傳輸。該技術(shù)不受鉆井介質(zhì)、地層等外界條件的限制，數(shù)據(jù)傳輸速度快，不僅可以滿足一般常規(guī)鉆井隨鉆信息傳輸?shù)男枰铱梢詽M足鉆井新技術(shù)、新工藝對隨鉆測量信息高速傳輸?shù)囊?，是一種具有極大潛力的無線信息傳輸技術(shù)。同時聲波傳輸系統(tǒng)可以利用鉆柱中出現(xiàn)的縱向彈性波，可以在鉆井過程中，通過振動的波形來判定牙輪鉆頭的磨損情況。聲波傳輸技術(shù)的最大缺點是傳輸信道不好把握，抗干擾能力弱。

2.4 電磁波傳輸技術(shù)

電磁波信號傳輸主要是依靠地層介質(zhì)來實現(xiàn)的。井下儀器將測量的數(shù)據(jù)加載到載波信號上，測量信號隨載波信號由電磁波發(fā)射器向四周發(fā)射，地面檢波器在地面上將檢測到的電磁波中的測量信號卸載并解碼、計算，得到實際的測量數(shù)據(jù)。電磁波傳輸?shù)膬?yōu)點是傳輸速度較快，適合于普通泥漿、泡沫泥漿、空氣鉆井、激光鉆井等鉆井施工中傳輸定向和地質(zhì)資料參數(shù)[3]。缺點是：電磁波傳輸?shù)木嚯x有限，不適合超深井施工。

3 技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國外已經(jīng)有了智能鉆桿、聲波傳輸、連續(xù)波傳輸?shù)雀咚俾蕚鬏敩F(xiàn)場試驗成功的相關(guān)報道。特別是智能鉆桿，已經(jīng)開始了商業(yè)化的推廣應(yīng)用。國內(nèi)目前仍處于起步研究階段，大多數(shù)的研究仍然停留于理論研究階段。智能鉆桿、聲波傳輸?shù)扔械目蒲性核M(jìn)行了試驗樣機(jī)的研制。

4 結(jié)語

隨著LWD、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具、地質(zhì)導(dǎo)向、無風(fēng)險鉆井系統(tǒng)等隨鉆測井工具的出現(xiàn)，鉆井技術(shù)實現(xiàn)智能化、可視化鉆井已經(jīng)成為可能，但進(jìn)一步的發(fā)展已經(jīng)受限于數(shù)據(jù)井下數(shù)據(jù)的傳輸速率。所以，數(shù)據(jù)實時快速傳輸已經(jīng)是急需解決的問題。隨著傳輸技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前現(xiàn)用的鉆井液傳輸技術(shù)由于成本優(yōu)勢在淺井、常規(guī)井還會繼續(xù)使用。而在，深井、超深井等特殊工藝井將會逐漸被傳輸速率快的技術(shù)所取代。智能鉆桿、聲波傳輸、電磁波傳輸?shù)燃夹g(shù)將會是未來幾年鉆井技術(shù)的研究熱點和方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊謙.隨鉆測量系統(tǒng)泥漿脈沖傳輸方式介紹[J].湖南農(nóng)機(jī)，2010（5）：27-28.

[2] 孫浩玉.智能鉆桿通訊關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中外能源，2011（8）：48-52.

[3] 馬哲.無線隨鉆測量技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].第六屆石油鉆井院所長會議，2006.

收稿日期：2015-02-10

基金項目：國家重大專項項目21課題“；西部山前復(fù)雜地層安全快速鉆井技術(shù)”；（課題編號2011ZX05021-001）

作者簡介：趙繼斌（1985—），山西壽陽人，本科，工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）機(jī)械專業(yè)，研究方向：井下鉆完井工具研發(fā)。