基于ANSYS的電磁隨鉆測(cè)量信號(hào)中繼傳輸特性分析

邵 春，陳明華，徐 林，2，龍小平，胡 闖

1中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院 2中石化石油機(jī)械股份有限公司

0 引言

隨鉆測(cè)量技術(shù)可以將井下的工具面角、井斜角、方位角等參數(shù)實(shí)時(shí)地傳輸至地面，從而輔助地面對(duì)井眼軌跡精確控制[1-4]。電磁隨鉆測(cè)量?jī)x(EM-MWD)采用低頻電磁波作為信號(hào)載體傳輸井下測(cè)量信息。相較于鉆井液脈沖隨鉆測(cè)量，EM-MWD具有適用于氣體(包括空氣、泡沫、充氣、霧化)鉆井[4-6]和漏失地層鉆井[7]、易實(shí)現(xiàn)雙向通信[8]等優(yōu)勢(shì)，因此EM-MWD在油氣鉆井領(lǐng)域逐漸受到重視。但是，EM-MWD信號(hào)在地層中傳輸會(huì)逐漸衰減，導(dǎo)致其測(cè)量深度受到限制。在我國(guó)臨盤、勝利等地層電阻率低于4 Ω·m的低阻地層區(qū)塊，EM-MWD有效傳輸深度僅為1 600 m[9]。因此，提高EM-MWD信號(hào)傳輸深度，使其在低阻地區(qū)的深部鉆井中得以應(yīng)用，能夠?qū)M-MWD推廣至油氣深部鉆井。

中繼器是一種提高EM-MWD信號(hào)傳輸深度的重要裝置[10]，通過在上部鉆桿加裝中繼器的方式，對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，可以大大增加EM-MWD的傳輸深度。為此，應(yīng)用ANSYS有限元軟件建立EM-MWD信號(hào)中繼傳輸?shù)亩S軸對(duì)稱模型，分析信號(hào)中繼傳輸特性，為中繼器合理現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 EM-MWD信號(hào)中繼傳輸工作原理

EM-MWD信號(hào)中繼傳輸分為一級(jí)收發(fā)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)兩個(gè)過程，其工作原理如圖1。其中，一級(jí)收發(fā)通過儀器本體內(nèi)置的測(cè)量模塊實(shí)時(shí)測(cè)量鉆頭附近的工具面角、井斜角和方位角等參數(shù)，并使用發(fā)射模塊將各參數(shù)轉(zhuǎn)換為交變電壓信號(hào)，進(jìn)而加載到絕緣短節(jié)兩端的鉆桿上向上發(fā)射。位于鉆桿中部的中繼器采集中繼絕緣短節(jié)兩端鉆桿之間的電勢(shì)差，并對(duì)其放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)化、解碼等處理以獲得井下測(cè)量信息。

圖1 EM-MWD信號(hào)中繼傳輸工作原理

中繼轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)獲得的井下測(cè)量信息進(jìn)行編碼、波形合成、功率放大等處理[9-12]，再次以交變電壓的形式加載到中繼絕緣短節(jié)兩端的鉆桿上，進(jìn)而將井下信息傳輸至地面。在地面距離井口一定距離位置埋設(shè)一根電極，地面信號(hào)處理系統(tǒng)通過連接電極和井架接收中繼信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)化、解碼等處理以獲得井下測(cè)量信息。

2 建模與求解

2.1 建立幾何模型

為便于建立幾何模型，作出如下合理假設(shè)[3，13]：①井眼軌跡為直井，且井身各處橫截面為相等圓形，井眼軸線與套管軸線重合；②鉆柱為一根等徑鉆桿，忽略鉆頭、鉆鋌、鉆桿接頭等；③設(shè)置一層套管，且套管與地層緊密貼合；④地層為均質(zhì)地層，忽略地層非均質(zhì)性?？紤]到單口直井與附近地層具有軸對(duì)稱性，將模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，如圖2所示。

圖2 二維軸對(duì)稱的ANSYS模型示意圖

設(shè)置模型基本參數(shù)如下：模型深度D=3 200 m，其中未鉆地層深度D2=200 m，模型寬度W=1 000 m；下部鉆桿長(zhǎng)度Lbd=10 m，中部鉆桿長(zhǎng)度Lmd=1 489.5 m，上部鉆桿長(zhǎng)度Lad=1 499.5 m，絕緣短節(jié)長(zhǎng)度Inl=0.5 m，鉆桿壁厚Td=0.009 19 m，套管下入深度Ddp=1 499.5m，套管壁厚Dt=0.008 94 m；鉆桿直徑Dd=0.127 m，井眼直徑Dw=0.244 5 m；網(wǎng)格加密區(qū)寬度We=50 m。

2.2 確定單元屬性

按照2.1節(jié)中的假設(shè)，設(shè)置網(wǎng)格單元類型為PLANE 230。定義材料屬性如下：鉆桿電阻率為1×10-7Ω·m ，絕緣短節(jié)電阻率為1×107Ω·m，地層電阻率4 Ω·m，鉆井液電阻率為1 Ω·m，套管電阻率為1×10-7Ω·m。

2.3 網(wǎng)格劃分與載荷加載

為保證精度的同時(shí)，提高計(jì)算效率，采用恒定網(wǎng)格和漸變網(wǎng)格相結(jié)合逐級(jí)劃分的方式[14]，具體劃分方式如下：

(1)將整個(gè)模型在橫向上分為三個(gè)區(qū)域：由鉆桿、套管以及鉆井液構(gòu)成一區(qū)，網(wǎng)格加密區(qū)為二區(qū)，網(wǎng)格非加密區(qū)為三區(qū)。

(2)一區(qū)在橫向上按照恒定長(zhǎng)度進(jìn)行分段，采用恒定四邊形網(wǎng)格劃分。

(3)二區(qū)使用漸變網(wǎng)格，由一區(qū)邊界向三區(qū)邊界方向，網(wǎng)格由密到疏過渡，采用三角形網(wǎng)格。

(4)三區(qū)同樣使用漸變網(wǎng)格，三區(qū)網(wǎng)格與二區(qū)的相比進(jìn)一步稀疏，并且越靠近地層邊界網(wǎng)格越稀疏，同樣采用三角形網(wǎng)格。

求解前，需要完成載荷加載。對(duì)于一級(jí)收發(fā)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)，分別在下部絕緣短節(jié)和中繼絕緣短節(jié)兩端加載6 V電壓，即設(shè)置絕緣短節(jié)上端邊界條件為6 V，絕緣短節(jié)下端邊界條件為0 V。加載完成后，即可進(jìn)行計(jì)算、仿真結(jié)果分析。

3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果中，一級(jí)收發(fā)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)強(qiáng)度分別由中繼絕緣短節(jié)兩端和井口與電極間電勢(shì)差表示。

3.1 鉆桿上電流分布特征

鉆桿上的電流分布如圖3所示。一級(jí)收發(fā)時(shí)，電流在下部絕緣短節(jié)處出現(xiàn)最大值，向上延伸，電流逐漸減小，在中繼絕緣處出現(xiàn)極小值；繼續(xù)向上延伸，電流先逐漸增大后減小如圖3(a)所示。中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，電流在中繼絕緣短節(jié)處出現(xiàn)最大值，向鉆桿頂部和底部延伸，電流逐漸減小，在下部絕緣短節(jié)處出現(xiàn)極小值；繼續(xù)向下延伸，電流先逐漸增大后減小，如圖3(b)所示。

圖3 鉆桿上的電流分布

3.2 套管對(duì)中繼信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/h3>

設(shè)定鉆桿長(zhǎng)度不變，固定絕緣短節(jié)位置，設(shè)定不同套管電阻率，分析逐漸下入套管過程中的信號(hào)強(qiáng)度變化如圖4所示。

由圖4(a)可知，一級(jí)收發(fā)時(shí)，當(dāng)套管位于中繼絕緣短節(jié)上部，信號(hào)強(qiáng)度隨套管下入深度增加而緩慢增大，套管電阻率越大，信號(hào)強(qiáng)度越??；當(dāng)中繼絕緣短節(jié)進(jìn)入套管后，信號(hào)強(qiáng)度迅速減小，且隨套管繼續(xù)下入，信號(hào)強(qiáng)度先略微減小后緩慢增大，套管電阻率越大，信號(hào)強(qiáng)度越大。

由圖4(b)可知，中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度變化規(guī)律與圖4(a)相似。但當(dāng)套管位于中繼轉(zhuǎn)發(fā)絕緣短節(jié)上部時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度隨套管下入增大較圖4(a)快，且不同套管電阻率曲線之間信號(hào)強(qiáng)度差別較大；當(dāng)中繼絕緣短節(jié)進(jìn)入套管后，不同套管電阻率曲線之間的信號(hào)強(qiáng)度差別較圖4(a)小。

究其原因，套管對(duì)中繼信號(hào)起到兩種作用：屏蔽和引導(dǎo)。當(dāng)中繼絕緣短節(jié)位于套管外部時(shí)，引導(dǎo)作用起主導(dǎo)，套管下入深度越大，電阻率越小，引導(dǎo)作用越強(qiáng)，信號(hào)強(qiáng)度越大；當(dāng)中繼絕緣短節(jié)進(jìn)入套管后，套管對(duì)信號(hào)的屏蔽作用占主導(dǎo)，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度突然減小，但套管下入一定深度后，屏蔽作用不再增加，信號(hào)強(qiáng)度隨引導(dǎo)作用的增加而緩慢增加，且套管電阻率越小，屏蔽作用越強(qiáng)，信號(hào)強(qiáng)度越小；當(dāng)中繼短節(jié)位于套管外時(shí)，由于一級(jí)收發(fā)的激勵(lì)源相比中繼轉(zhuǎn)發(fā)的激勵(lì)源離套管較遠(yuǎn)，因此，套管的引導(dǎo)作用對(duì)一級(jí)收發(fā)的信號(hào)強(qiáng)度影響較弱，導(dǎo)致一級(jí)收發(fā)不同套管電阻率曲線之間信號(hào)強(qiáng)度差距比較??；當(dāng)中繼絕緣短節(jié)進(jìn)入套管后，由于中繼轉(zhuǎn)發(fā)引導(dǎo)作用的增強(qiáng)，抵消了部分套管屏蔽作用對(duì)信號(hào)的減弱，且電阻率越小抵消得越多，使得不同電阻率曲線之間的信號(hào)強(qiáng)度差距減小。

圖4 套管下入深度以及電阻率對(duì)中繼信號(hào)傳輸影響

3.3 鉆桿長(zhǎng)度及電阻率對(duì)中繼信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/h3>

設(shè)定套管電阻率不變，固定套管深度，設(shè)定不同鉆桿電阻率，分析隨鉆桿深度增加信號(hào)強(qiáng)度變化如圖5所示。

由圖5(a)所示，一級(jí)收發(fā)時(shí)，隨中部鉆桿長(zhǎng)度的增加，鉆桿電阻率的增大，中繼器接收到的信號(hào)強(qiáng)度減小，且不同電阻率曲線的信號(hào)強(qiáng)度差距隨鉆桿長(zhǎng)度的增加而減小。

由圖5(b)所示，中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，隨上部鉆桿長(zhǎng)度的增加，鉆桿電阻率的增大，地面接收到的信號(hào)強(qiáng)度減小，且不同電阻率曲線的信號(hào)強(qiáng)度差距隨鉆桿長(zhǎng)度的增加而增大。

究其原因，當(dāng)鉆桿電阻率一定時(shí)，隨鉆桿長(zhǎng)度的增加，鉆桿對(duì)電流的衰減增大，信號(hào)強(qiáng)度減??；當(dāng)鉆桿長(zhǎng)度一定時(shí)，隨鉆桿電阻率的增加，鉆桿對(duì)電流的衰減加快，信號(hào)強(qiáng)度減小。

圖5 鉆桿長(zhǎng)度及電導(dǎo)率對(duì)中繼信號(hào)的影響

4 結(jié)論

(1)越靠近鉆柱電勢(shì)變化越快。電流在激勵(lì)源處出現(xiàn)最大值，并整體向鉆柱兩端遞減，但在絕緣短節(jié)處出現(xiàn)極小值。

(2)套管對(duì)中繼信號(hào)起到屏蔽和引導(dǎo)兩種作用。當(dāng)中繼絕緣短節(jié)位于套管外部時(shí)，引導(dǎo)作用起主導(dǎo)，套管下入深度越大，電阻率越小，引導(dǎo)作用越強(qiáng)，信號(hào)強(qiáng)度越大；當(dāng)中繼絕緣短節(jié)進(jìn)入套管后，套管對(duì)信號(hào)的屏蔽作用占主導(dǎo)，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度突然減小，但套管下入一定深度后，屏蔽作用不再增加，信號(hào)強(qiáng)度隨引導(dǎo)作用的增加而緩慢增加，且套管電阻率越小，屏蔽作用越強(qiáng)，信號(hào)強(qiáng)度越小。

(3)隨中部鉆桿長(zhǎng)度的增加及電阻率減小，中繼器接收到的信號(hào)強(qiáng)度減小；隨上部鉆桿長(zhǎng)度增加及電阻率減小，地面接收到的信號(hào)強(qiáng)度減小。