DQ-Ⅰ型電磁波隨鉆測量儀器的研制

王振雷

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

電磁波隨鉆測量是20世紀(jì)80年代進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用的一項(xiàng)新技術(shù),無需循環(huán)鉆井液傳輸數(shù)據(jù)，適合于在霧化、泡沫、充氣、空氣等循環(huán)介質(zhì)中使用，具有傳輸信號速率高、測量時間短、成本低等特點(diǎn)。該技術(shù)解決了在某些介質(zhì)中采用傳統(tǒng)泥漿脈沖系統(tǒng)無法傳輸?shù)膯栴}。因此我院自主研制的DQ-Ⅰ型電磁波隨鉆測量儀器具有良好的市場前景和較大的經(jīng)濟(jì)社會效益[1-2]。

1 儀器傳輸原理研究

電磁波隨鉆測量儀器利用鋰電池組對井下儀器供電,采用鉆桿上、下分隔絕緣的偶極發(fā)射天線的垂直電場激勵方式，借助隨鉆電磁信道將數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到地表。首先將儀器按鉆具組合接入鉆柱中，鋰電池組對井下系統(tǒng)供電，各測量模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給中控模塊，中控模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳輸給發(fā)射模塊，發(fā)射模塊以信源和信道復(fù)合編碼方式把信號加載到低頻電磁波上，經(jīng)由發(fā)射天線傳送到地表,地面采集裝置通過地面接收天線以及連在鉆桿上的天線接收信號，并將信號發(fā)送給處理裝置進(jìn)行模擬濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給地面計算機(jī)，濾波解碼軟件進(jìn)行數(shù)字濾波和信源、信道復(fù)合解碼發(fā)送給測量數(shù)據(jù)分析軟件實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示[2-5]。

2 電磁波隨鉆測量儀器的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

2.1 發(fā)射天線激勵方式的設(shè)計

電磁波儀器發(fā)射天線的激勵方式選擇是非常重要的。

圖1 垂直電場激勵原理圖

如圖1所示，鉆井條件下實(shí)際可行的激勵方式只有激勵沿鉆桿的軸向電流和激勵繞鉆桿的水平電流環(huán)2種激勵方式，激勵沿鉆桿方向的電磁場。2種偶極天線的激勵產(chǎn)生的電場在地面上的水平分量之比為：

式中：S——磁偶極子的環(huán)面積；

l——電偶極子長度；

h——井深；

T∝1。

受鉆鋌直徑的限制，磁偶極子的環(huán)面積很小，而電偶極子的可以做得較長。由于井下垂直電激勵比磁激勵效率高，因此該儀器井下發(fā)射天線采用垂直電場激勵。

2.2 井下儀器電子電路設(shè)計

儀器電路部分主要由電源電路、井下中控及存儲電路、電磁波發(fā)射電路、地面接收電路組成。

（1）電源電路的設(shè)計。由于井下采用16節(jié)鋰電池組供電，為了滿足各不同電路中芯片的供電需求，設(shè)計了電源電路，提供+5V、+12V，同時將電池組供出的30V電發(fā)送給各電子模塊。

（2）井下中控及存儲電路的設(shè)計。中控模塊是井下儀器的“大腦”，接收信號后，對其進(jìn)行計算和邏輯處理，發(fā)送給電磁波發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射模塊，并把數(shù)據(jù)存儲在存儲芯片（2M）中，儀器取回地面后可以在預(yù)留的端口采集回放得到完整的實(shí)測井下數(shù)據(jù)，對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

（3）電磁波發(fā)射電路的設(shè)計。電磁波發(fā)射電路是井下電路設(shè)計的最大難點(diǎn)，它不但要實(shí)現(xiàn)電磁波信號的信源信道復(fù)合編碼，還要進(jìn)行功率監(jiān)控和保護(hù)。發(fā)射模塊首先接收中控模塊傳輸?shù)男盘柌⑦M(jìn)行校驗(yàn)，然后進(jìn)行濾波和補(bǔ)償，然后將數(shù)據(jù)以信源編碼和信道編碼復(fù)合編碼方式把信號加載到這個可調(diào)頻率的信號上，將加載的信號以功率元件形成藕合橋式差動功率輸出進(jìn)行放大和功率控制，并由單片機(jī)對發(fā)射電壓進(jìn)行調(diào)解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率的調(diào)節(jié)。最終由發(fā)射天線向地層發(fā)射，發(fā)射電路的電路原理示意圖如圖3所示。

圖2 中控及存儲模塊電路結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 電磁波發(fā)射電路結(jié)構(gòu)原理圖

（4）地面接收電路的設(shè)計。地面接收電路是電磁波信號能否識別的關(guān)鍵，電路首先就是要實(shí)現(xiàn)對微小的電磁波信號的采集和數(shù)字濾波，由主控芯片控制進(jìn)行兩級放大和A/D轉(zhuǎn)換，并將處理后的數(shù)據(jù)以RS232的協(xié)議發(fā)送給地面的計算機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

圖4 地面解碼電路結(jié)構(gòu)原理圖

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

2015年10月，在大慶鉆井一公司某隊(duì)進(jìn)行DQ-Ⅰ型電磁波隨鉆測量儀器水平井比對隨鉆現(xiàn)場試驗(yàn)，比對的儀器是哈里伯頓的FEWD，該井是水平井，造斜段打完并下好技套。儀器出套管后開始工作，共上傳數(shù)據(jù)5000多組，測試數(shù)據(jù)與LWD測試數(shù)據(jù)比對圖如圖5所示。

該口井現(xiàn)場試驗(yàn)表明：

（1）DQ-Ⅰ型EM-MWD可以實(shí)現(xiàn)停泵接單根時的靜態(tài)測量，與FEWD相比測試數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠；

（2）DQ-Ⅰ型EM-MWD現(xiàn)場安裝、測試更加簡潔快速方便；

（3）DQ-Ⅰ型EM-MWD信號傳輸速率快，解碼成功率高。

4 結(jié)論與建議

（1）研制了一套電磁波隨鉆測量儀器，能夠?qū)崿F(xiàn)甚低頻電磁波隨鉆數(shù)據(jù)上傳，并且地面系統(tǒng)能夠?qū)崟r解碼、顯示及存儲數(shù)據(jù)；

（2）采用了井下發(fā)射天線垂直電場激勵的設(shè)計，使電磁波信號更好的傳輸；

（3）該儀器測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、傳輸速率快、性能穩(wěn)定可靠、井口操作簡潔快速，滿足定向井和水平井施工要求，具備推廣應(yīng)用條件。

[1]吳清忠，徐廣飛，王輝東，彭萬勇.ZTS-42/AP型EM-LWD電磁波儀器的現(xiàn)場應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012（1）:79-80.

[2]趙志學(xué)，王振雷，田玉棟，韓玉安.ZTS-42 AP型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)在泡沫鉆井中的試驗(yàn)[J]石油礦場機(jī)械，2011（8）:78-81.

圖5 DQ-Ⅰ型電磁波儀器與哈里伯頓FEWD數(shù)據(jù)比對圖

[3]劉修善，侯緒田，涂玉林，楊春國.電磁隨鉆測量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油鉆探技術(shù)，2006（5）:4-9.

[4]張進(jìn)雙，趙小祥，劉修善.ZTS電磁波隨鉆測量系統(tǒng)及其現(xiàn)場試驗(yàn)[J].鉆采工藝，2005（3）:25-27.

[5]王榮景，鄢泰寧，等，ZTS-172M電磁波隨鉆測量系統(tǒng)及其在勝利油田的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報，2005（S1）:33-35.