基于電磁波的近鉆頭測斜無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[摘" " 要]近鉆頭測斜技術(shù)可以有效提高特殊工藝井、定向井及水平井等高精度井施工中井眼軌跡控制能力，精確預(yù)測鉆頭位置處的垂深?；陔姶挪o線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)近鉆頭測斜無線通信系統(tǒng)?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)測斜數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠地?zé)o線實(shí)時(shí)傳輸，為高精度的井斜控制奠定了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]近鉆頭;測斜;無線傳輸;接收;發(fā)射

[中圖分類號]TE271 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

在油田短半徑側(cè)鉆鉆井過程中，短半徑造斜段對造斜率要求較高。高造斜率與滯后的測量間距，使得軌跡控制沒有回旋余地，甚至?xí)?dǎo)致井眼回填。因此，需要近鉆頭測量儀器來提供近鉆頭井眼軌跡數(shù)據(jù)。目前，普通的馬達(dá)定向作業(yè)狀態(tài)下，因MWD（隨鉆測量）測點(diǎn)位置距離鉆頭位置較遠(yuǎn)，一般約為20m，無法及時(shí)獲取近鉆頭軌跡數(shù)據(jù)，因此無法及時(shí)對軌跡進(jìn)行調(diào)整。同樣，LWD（隨鉆測井）測點(diǎn)距離鉆頭約10m，也無法及時(shí)提供地質(zhì)數(shù)據(jù)，不利于地質(zhì)導(dǎo)向，導(dǎo)致油藏鉆遇率較低[1-2]。

為了實(shí)現(xiàn)近鉆頭測斜[3]，提高特殊工藝井、定向井及水平井等高精度井施工中井眼軌跡控制能力，精確預(yù)測鉆頭位置處的垂深，本文的近鉆頭測斜系統(tǒng)在馬達(dá)與鉆頭之間增加了一個(gè)短節(jié)，用以測量近鉆頭井斜及方位伽馬數(shù)據(jù)，近鉆頭測點(diǎn)距離鉆頭約1m。通過無線傳輸?shù)姆绞綄⒔@頭測量數(shù)據(jù)傳送到上接收短節(jié)，再利用MWD實(shí)現(xiàn)近鉆頭測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。這樣在鉆井過程中能夠?qū)崟r(shí)獲取近鉆頭測量信息，包括井眼軌跡數(shù)據(jù)及方位伽馬數(shù)據(jù)。作業(yè)者可根據(jù)伽馬測量結(jié)果對地層信息進(jìn)行判斷，并及時(shí)調(diào)整井眼軌跡，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向的目的，增加油藏鉆遇率。

針對近鉆頭測量數(shù)據(jù)的無線傳輸，目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式，即基于超聲波的近鉆頭測斜信號傳輸[4]和基于電磁波的近鉆頭測斜信號傳輸[5-6]。電磁波在信號傳輸距離和穩(wěn)定性方面優(yōu)于超聲波，本文采用基于電磁波的近鉆頭測斜信號的傳輸方式，以實(shí)現(xiàn)近鉆頭測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。

1 近鉆頭測斜系統(tǒng)

近鉆頭測斜系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括鉆頭、測量短節(jié)、馬達(dá)、接收短節(jié)和MWD/LWD系統(tǒng)。為了能精確測量重力場矢量，系統(tǒng)在硬件上采用由3支石英加速度計(jì)構(gòu)成的正交結(jié)構(gòu)，其測量電路基于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字信號處理電路實(shí)現(xiàn)，采用實(shí)時(shí)濾波解算算法。

測量接收來自采集短節(jié)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)字解碼和校驗(yàn)，提取出有效數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)總線將有效數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)主控電路，再由主控電路將有效數(shù)據(jù)編碼后上傳給地面。

實(shí)際使用時(shí)，采集短節(jié)與接收短節(jié)之間的數(shù)據(jù)傳輸距離是一根螺桿鉆具的距離。無線通信天線設(shè)計(jì)采用低阻抗發(fā)射天線和低噪聲接收天線，通信系統(tǒng)調(diào)制方式采用高效的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)方法。

2 無線通信系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于大地對電磁波信號有強(qiáng)烈的衰減，常規(guī)的電磁波無線通信（如2.4GHz）幾乎無法在地層中使用，把發(fā)射天線置于地層之中，無線信號幾乎被地層全部吸收。

超低頻SLF（30～300Hz）和極低頻MLF（低于30Hz）電磁波在地殼電性結(jié)構(gòu)探測中具有獨(dú)特優(yōu)勢，它可以穿透數(shù)十公里的地層。

針對鉆井液中的各種導(dǎo)電離子，本文設(shè)計(jì)了電流式無線通信系統(tǒng)，其硬件基于泥漿和鉆具構(gòu)成電流回路，算法基于小信號檢測和抗干擾編解碼技術(shù)。

無線通信模塊使用SLF頻率，包括發(fā)送模塊和接收模塊。發(fā)送模塊置于近鉆頭測試短節(jié)中，接收模塊置于與MWD主控模塊連接的無線數(shù)據(jù)接收短節(jié)中。

由于井下信號的傳輸易受泥漿電阻率和地層電阻率影響，低頻信號在地層傳輸過程中會大幅度衰減，衰減幅度甚至?xí)_(dá)到-100dB。本文采用儀表放大器對微弱的低頻信號進(jìn)行采集和放大，并通過數(shù)據(jù)卷積和擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)微弱信號的提取。

同時(shí)，微弱的井下信號易受工頻噪聲和大地噪聲的干擾，為了有效提升降噪抗干擾能力，本文在硬件上采用模擬濾波器和數(shù)字濾波器來濾除噪聲，算法上采用前向糾錯編碼來消除噪聲導(dǎo)致的誤碼信息。此外，采用BCH編碼，糾錯能力為可以糾正每21比特之中的3個(gè)任意誤碼。

同時(shí)，為了避免集中大面積突發(fā)噪聲，本文采用交織和解交織算法，展開局部集中噪聲誤碼。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

測量短節(jié)中的中控電路將測量數(shù)據(jù)通過RS485總線發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后，完成數(shù)據(jù)記錄和成幀，然后經(jīng)過BCH編碼和交織，按位通過發(fā)送電路驅(qū)動到發(fā)射天線上發(fā)射出去。

無線通信發(fā)射模塊電路框圖（如圖2（a）所示），電磁波信號經(jīng)過地層傳輸，耦合到接收天線上，經(jīng)過由電容和電阻構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入無線通信接收模塊電路。在無線通信接收模塊電路中，輸入信號經(jīng)過3次放大和濾波，以及限幅整形后，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入FPGA進(jìn)行數(shù)字信號處理。然后進(jìn)行波形頻率分析，隨后完成數(shù)據(jù)的解調(diào)和解幀。最后，數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理，對誤碼糾錯后進(jìn)行分析并存儲，并通過RS485接口發(fā)送到儀器總線上。

2.3 算法設(shè)計(jì)

2.3.1 小信號提取算法

模擬電路采集的信號極其微弱，本文基于高精度ADC將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，基于關(guān)聯(lián)參數(shù)表卷積輸出，然后經(jīng)過FFT頻域展開，按小波分析的原理，實(shí)現(xiàn)信號的“顯微鏡”功能。由于計(jì)算量很大，需要高速處理平臺，本文選用FPGA，實(shí)現(xiàn)此部分功能。

2.3.2 前向糾錯算法

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，用于發(fā)現(xiàn)傳輸錯誤的碼稱為檢錯碼。檢錯碼和編碼、譯碼等結(jié)合使用可以實(shí)現(xiàn)碼字的糾錯。其中，譯碼是糾錯碼實(shí)現(xiàn)中最復(fù)雜的部分，它是糾錯碼能否應(yīng)用的關(guān)鍵。糾錯碼可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可用軟件實(shí)現(xiàn)。糾錯能力、編碼效率和解碼復(fù)雜性是衡量一個(gè)糾錯碼質(zhì)量的重要參數(shù)。

在構(gòu)造糾錯碼時(shí)，將輸入信息分成k位一組進(jìn)行編碼。若編出的n位長碼僅與本組的位信息k位有關(guān)，則稱這樣的碼為分組碼。由于這時(shí)使用n位符號傳送了k位信息，所以編碼效率（碼率）為k/n。若編出的n位長碼不僅與本組的k個(gè)信息位有關(guān)，而且與其前面若干組的信息位有關(guān)，則稱為網(wǎng)格碼。線性網(wǎng)格碼在編碼運(yùn)算時(shí)為卷積運(yùn)算，又叫做卷積碼。

分組碼的碼長n和碼字個(gè)數(shù)M是一個(gè)碼的主要構(gòu)造參數(shù)。碼長為n的碼中所有碼字的位數(shù)均為n;若要用一個(gè)碼傳送k比特信息，則碼字的個(gè)數(shù)M必須滿足M≥2k。典型的分組碼是由k位信息位和r位監(jiān)督位組成的，這樣構(gòu)成的碼一般稱為系統(tǒng)碼。

分組碼中應(yīng)用最廣的是線性分組碼。線性分組碼中的M個(gè)碼字之間具有一定線性約束關(guān)系，即這些碼字總體構(gòu)成了n維線性空間的一個(gè)k維子空間。稱此k維子空間為（n，k）線性分組碼。線性系統(tǒng)碼的特點(diǎn)是每個(gè)碼字的前k位均由這個(gè)碼字所對應(yīng)的信息位組成，并通過對這k位信息位的線性運(yùn)算得到后面n-k位監(jiān)督位。

線性分組碼中應(yīng)用最廣的是循環(huán)碼，循環(huán)碼的主要特征是任何碼字在循環(huán)移位后仍是碼字。循環(huán)碼的優(yōu)點(diǎn)是其編碼和解碼手續(xù)比一般線性碼簡單，因而易于在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。在循環(huán)碼中，碼字可表示為多項(xiàng)式，其可表示成為循環(huán)碼的生成多項(xiàng)式與這個(gè)碼字所代表的信息多項(xiàng)式的乘積，因此一個(gè)循環(huán)碼可以通過給出其生成多項(xiàng)式來規(guī)定。常用的循環(huán)碼有BCH碼和RS碼[9]。

本文采用BCH（23，12）格式，編碼多項(xiàng)式為g（x）=x11+x9+x7+x6+x5+x+1。由于本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)比較少，采用C語言在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的編解碼過程。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

在天津東沽試驗(yàn)井進(jìn)行的實(shí)鉆試驗(yàn)中，近鉆頭測斜數(shù)據(jù)與探管測斜數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖3所示，兩者吻合度達(dá)到98%。井斜測量系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)1852幀，其中，1760幀被成功接收，無線通信成功率達(dá)到95%。

在山西某井進(jìn)行的實(shí)鉆測試中，近鉆頭測斜數(shù)據(jù)與探管測斜數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖4所示，經(jīng)過對比，近鉆頭測量短節(jié)的測斜數(shù)據(jù)與探管測斜數(shù)據(jù)基本一致。實(shí)鉆1100m，無線通信功能測試正常。

4 結(jié)語

本文介紹了基于電磁波的近鉆頭測斜無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠克服地層電阻率和泥漿電阻率影響，以及大地噪聲和工頻噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)近鉆頭測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無線傳輸。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際的中海油工程作業(yè)中，并取得了良好效果。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

蔣荻南（1982—），男，廣西桂林人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)殡S鉆地面系統(tǒng)開發(fā)，井下儀器系統(tǒng)集成平臺及測量技術(shù)。