電磁隨鉆測量中繼器研制與應用

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(1. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100101；2. 中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院，北京 100101)

電磁波隨鉆測量系統(EM-MWD)的信號傳輸深度受地層電阻率影響很大。目前，國外EM-MWD產品最大傳輸距離只有4 000多m，低阻油區甚至更短。我國鄂北地區，地層電阻率較高，均值在10～30 Ω·m左右，該地區EM-MWD傳輸深度能夠達到3 000多m；而臨盤、勝利等區塊，地層電阻率一般低于4 Ω·m，EM-MWD產品在該地區傳輸深度最大只能達到1 600 m左右。EM-MWD有限的傳輸距離限制了其使用范圍[1-4]。

為了解決傳輸深度問題，國內外在電磁信號中繼技術方面進行了大量研究，但是真正推廣應用的很少。在國內，只有川慶鉆探公司工程技術研究院研制的CQEMWD-I型電磁波接力系統，以及中煤科工集團西安研究院研制的電磁信號中繼器[5-6]，但是這2種電磁信號中繼器都采用有線的方式進行信號的傳輸，現場使用存在諸多不便，下鉆過程中需要停止較長時間，下入延伸天線，降低了鉆井效率。在國外，只有Halliburton公司的相關專利介紹，沒有相關應用報道[7-8]。中石化石油工程技術研究院研制了一套完全采用無線傳輸方式的電磁信號中繼器系統，當鉆井井深大于信號傳輸深度時，在鉆柱上加裝信號中繼轉發器，通過中繼轉發器接收井底發射機發射的信號，對信號進行功率放大后，再以不同的頻率發射，地面接收機接收的是中繼器發出的信號。通過東北、江蘇等油區的大量應用證明，安裝井下電磁信號中繼器是提高EM-MWD傳輸深度最有效、經濟的手段。

1 電磁信號中繼系統結構及工作原理

1.1 中繼器結構

電磁信號傳輸中繼器主要由信號接收/發射天線組件、中繼器電路模塊和電池組模塊等組成，系統結構如圖1所示。

1) 中繼器天線。

中繼器天線具有2個功能，它既完成對井下發射機信號的接收，又實現對中繼電磁信號的發射。該天線主要由上接頭、下接頭和絕緣接頭3部分組成。其中上、下接頭部分實現與上部和下部鉆具的連接，絕緣接頭將鉆柱分隔成上下絕緣的兩段，作為天線的兩極，實現電磁中繼信號的接收和發射。

2) 中繼器電路模塊。

中繼器電路模塊主要包括信號接收及處理模塊和信號發射模塊兩大部分組成。信號接收處理模塊是中繼器的核心部分，也是實現信號中繼的關鍵部件，主要由模擬信號前端處理器、A/D轉換、數字濾波器、控制及數字信號處理器、數字信號處理軟件等部分組成；對接收的井底信號進行自動增益控制、數字濾波、解調、解碼、重新編碼調制、SPI總線控制、數據通信等數字信號處理及系統控制。信號發射模塊由信號整形電路、功率放大電路、輔助電路組成。完成對來自信號處理模塊重新編碼調制的電磁信號的功率放大，并通過信號接收/發射天線將放大后的電磁信號發射出去。

3) 電池組模塊。

為中繼器各部分提供電源。

1.2 工作原理

電磁隨鉆測量中繼器主要通過接收/發射天線接收井下發射機發出的電磁信號，經過中繼器電路模塊進行信號的放大、濾波及A/D轉換，解碼井底的測量數據信號，然后再將解碼后的信號重新編碼形成新的數據幀，通過波形合成，功率放大，經過發射天線將信號轉發給地面接收機，從而實現電磁信號的接力傳輸[5]，其原理框圖如圖2所示。

2 電磁信號中繼器的關鍵技術

2.1 中繼器信號接收處理技術

中繼器的接收處理器是中繼器的核心部分，硬件結構上主要由模擬輸入信號前端處理器、A/D轉換、嵌入式微控制器組成，實現信號耦合、自動增益控制、模擬濾波及A/D 模數轉換等功能。硬件電路結合軟件編程實現數字信號濾波、信號解調、信號解碼等數字信號處理任務。

其中，輸入信號前端處理器的核心部分是自動增益控制器，由3級完全相同的可編程增益放大器、模擬低通濾波器以及SPI總線組成，如圖3所示。

圖3 輸入信號前端處理器結構框圖

進行井下信號傳輸時，隨著地層環境不同，接收到的電磁信號幅值可能會發生較大變化，使用自動增益控制的優點在于能夠根據接收到的信號強度自動改變放大倍數，使處理后的信號幅值維持在一個比較穩定的范圍內，降低了后續信號處理的難度，提高了傳輸的準確度。

2.2 中繼器信號轉發處理技術

中繼器信號轉發處理器接收處理器發送的信息，進行相應處理后，將接收到的數據轉換為電磁信號，交給中繼器天線轉發。

硬件結構上主要由FPGA版CPU、信號發射電路、保護電路組成。其中CPU編程實現信號編碼、調制、工作電流控制。為了方便地面接收機區分井下發射機和中繼器發出的兩路信號，防止信號互相干擾，中繼器信號轉發處理器的調制信號以不同于井下發射機的頻率發射。

軟件方面采用實時操作系統，將要完成的工作分解為多個任務，并按處理的緊迫程度對任務進行區分。實時操作系統的多級中斷嵌套處理機制，能夠確保對緊迫程度較高的實時事件進行及時響應和處理。同時實時操作系統與嵌入式微控制器相結合，最大限度地降低了實時操作系統任務數量增加所引起的系統性能下降，使系統運行速度進一步提高。

2.3 信道編碼技術

信道編碼是指為了提高通信性能而設計的信號變換，使傳輸信號更好地抵抗各種信道損傷的影響，例如噪聲、干擾以及衰減等[9]。大規模集成電路和高速數字信號處理技術的應用可以使信道改善10 dB，而成本卻比諸如提高發射功率或采用更大尺寸的天線少得多。中繼器在接收數據時采用卷積碼編解碼、幀同步校驗和差分譯碼來保證傳輸可靠性。

3 現場應用

3.1 松遼油區勝利1井現場應用

勝利1井為預探直井，設計井深4 330 m。井下發射機安裝在鉆頭上方，中繼器安裝在井下發射機上方1 558 m處。

調研結果顯示，松遼地區0～3 000 m地層電阻率較低，為3～15 Ω·m，平均值為3～4 Ω·m。在3 000 m以下，地層電阻率均比較高，能夠達到15～600 Ω.m。通過文獻[10]理論分析， 該地區地層電阻率較低，井下發射機的有效傳輸距離只有2 100～2 300 m，井深繼續增加，則地面接收機的解碼誤碼率增加，儀器可靠性降低。加裝中繼器后，整套EM-MWD系統的傳輸深度達到3 521 m。CEM-1型地面接收機能夠成功接收到電磁隨鉆測量儀在井底發射的測量數據，標志著中繼器系統成功完成井下發射機信號的接收和二次轉發。在這次試驗過程中，中繼器系統工作良好，信號穩定可靠，效果明顯。儀器入井26 h，在起下鉆和循環時，系統解碼正常，得到的測量參數準確；中繼器工作正常，中繼傳輸效果明顯。

3.2 東北油田SW33-27井應用情況

SW33-27井為定向井，設計井深2 360.94 m，造斜點1 650 m。井下發射機安裝在螺桿上方無磁鉆桿中，中繼器安裝在井下發射機上方1 250 m處。

在本井施工中，CEM-1及中繼器在該井共進行了7趟鉆應用，沒有出現信號中斷情況，儀器工作穩定。發射機累計工作時間為480.4 h，中繼器累計工作時間為406.8 h。通過SW33-27井的應用，表明電磁隨鉆測量中繼器系統在可靠性方面已達到了工業化應用要求。

根據完鉆后該井實測地層電阻率計算，電阻率平均值為17.4 Ω·m，但該井地層電阻率分布極不均勻，從套管下深到300 m，平均地層電阻率超過10.4 Ω·m 。300～1 200 m，地層電阻率在1～5 Ω·m。井深大于1 200 m，電阻率又升高。地層電阻率分布曲線如圖4所示，圖5為該井實測信號衰減曲線。

圖4 地層電阻率曲線

圖5 電磁信號衰減曲線(放大100倍)

由圖4～5知，信號衰減規律基本與地層電阻率分布規律相吻合，500 m處，信號幅度在8.5 V，此后衰減加快。到1 300 m，測得信號最大幅度只有0.038 V。因此，中繼器在該井信號傳輸中發揮了重要作用，根據中繼器安裝位置，提高信號傳輸深度在80%以上，否則，無法完成該井施工。鉆井過程中，井斜角、方位角測量穩定，測斜時，同一點的方位角測量值沒有變化，且靜態測量值與動態值誤差小。圖6和圖7分別是電測方位角、井斜角與CEM-1測斜數據對比曲線。

圖6 EM-MWD與電測方位角對比

圖7 EM-MWD與電測井斜角對比

4 結論

1) 通過在鉆柱中間加裝中繼器系統，大幅提高了電磁隨鉆測量儀器的信號傳輸深度，擴大了電磁隨鉆測量系統的應用范圍。

2) 采用完全無線的方式傳輸信號，操作方便，傳輸速度快，有效地解決了電磁隨鉆測量的技術瓶頸問題。

3) 現場應用結果表明：電磁隨鉆測量中繼器系統測量數據與電測數據吻合，測量精確可靠，將成為電磁隨鉆測量定向服務的常規手段，前景廣闊。