刘新平 随钻测井数据传输技术应用现状及展望

随钻测井数据传输技术应用现状及展望 刘新平1,房　军2,金有海2 (1.中国石油大学计算机与通信工程学院,山东东营257061;2.中国石油大学机电工程学院,山东东营257061) 摘要:介绍了随钻测井通信系统的数据传输方式、实现原理及国内外应用现状,分析了各传输方式的性能优缺点及应用局限性。对随钻测井数据传输技术的发展和攻关方向提出了展望。有线传输向双向高速率实时通讯发展,既能向井底供电又能双向传输数据的智能钻柱,解决井下面临的数据传输滞后和井下供电不足问题。目前通用的钻井液脉冲传输方式重点应转向连续波脉冲发生器,使其能根据不同的机械钻速、不同的钻井液、不同的井深、不同的钻杆直径、不同的压力波幅值等因素使信号发生器产生不同频率,利用人工神经网络建立连续压力波变频率传输预测控制模型,以增强其环境适应能力。电磁传输及声波传输技术主要是研究解决其信号衰减问题,提高信号传输可靠性,加大测量数据的传输深度;光纤传输主要是解决由于循环压力导致光纤磨损和破损问题,同时降低开发成本。 关键词:随钻测井;数据传输;有线传输;无线传输 Application Status and Prospect of LWD Data Transmission Technology L IU Xin2ping1,FAN G J un2,J IN You2hai2 (1.Computer and Communication Engineering College,China Universit y of Pet roleum,Dongying,Shandong 257061,China; 2.Mechanical and Elect rical Engineering College,China Universit y of Pet roleum,Dongying,Shandong 257061,China) Abstract:Modes,p rinciples,implementatio ns and applicatio n stat us of logging whiledrilling (L WD)data t ransmissio n technolo gies,as well as t heir advantages,disadvantages and limitatio ns in perfo rmance,are summarized.Their researching and developing directio ns are co nsidered as follow s:t he cable t ransmissio n technolo gy is to develop not o nly highspeed,real2time,two2way co mmunicatio n,but al so power supply to downhole;t he drilling fluid p ul se t ransmissio n technolo gy,who se po sitive p ul se mo de has been available in co mmercial use,sho uld focus o n t he co ntinuo us wave p ul se generato r and establish fo recast and co nt rol mo del of variable f requency t ransmissio n of co ntinuo us p ressure wave using artificial neural net wo rk to enhance it s enviro nmentaladap tabilit y;t he elect ro magnetic t ransmissio n technolo gy and t he aco ustic t ransmissio n technology need to solve t heir signal at tenuatio n,to imp rove reliabilit y of data t ransmissio n,and to increase t ransmissio n dep t h;t he main p ro blem needs to be solved in t he op tical fiber t ransmissio ntechnology is abrasio n o r damage of t he op tical fiber and it s co st reductio n. Key words:lo gging while drilling(L WD),data t ransmissio n,cable t ransmissio n,wireless t ransMission 0　引　言 随钻测井LWD(Logging While Drilling)是在随钻测量MWD(Measurement While Drilling)基础上发展起来的一种功能更齐全、结构更复杂的随钻测量系统。与MWD相比,LWD传输的信息更多20世纪90年代以来M WD和L WD的发展日趋结合,是信息化和智能化钻井的基础和重要组成部分[1]。随着定向井、丛式井以及水平井技术的不断发展,随钻测井技术的应用也越来越广泛。随钻测井与常规的电缆测井及存储式测井的主要区别在于其数据传输的实时性,测井曲线是在地层液体有轻微入侵甚至没有入侵的情况下获得的,因而更接近地层的真实情况。通过对井下测量数据的现场分析、处理和解释,有助于及时有效地进行综合地层评价,并在钻井过程中精细调节钻井轨迹,完善钻井进程。因此,信号传输是随钻测井技术的一个关键环节,同时也是制约随钻测井技术发展的“瓶颈”。国际三大石油技术服务公司斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 着当今世界随钻测井技术的前沿,对于地面与井下通信系统,他们的工作紧紧围绕有线传输和无线传输2大系列展开。与国外技术相比,我国还处在引进和消化国外MWD技术的阶段[2],个别单位和研究机构已经成功研制出了基于正脉冲的泥浆压力波无线随钻测量系统,但还应加快其它通信方式的MWD研究步伐,以尽快消除M WD技术长期被国外垄断的局面。本文就2大系列MWD/LWD数据传输原理、特点及发展现状作简要分析,并指出今后研究的重点和方向。 1　有线传输方式 有线传输方式包括电缆传输方式、特种钻杆传输方式及光纤传输方式。 1.1　电缆传输方式 电缆随钻信号传输的方法[3]是通过钻杆内部下入电导线,导线的类型与电测中的电缆相似,是铠装电缆。随着钻井的加深,加接单根时必须提出电缆和仪器,或者是预先将电缆线套入到钻杆内孔中解决这一问题可采用2种 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 ,一种是在钻柱中段某一合适位置加接1个侧入式密闭装置,该装置类似一个三通接头,上下通道连接钻柱,侧向通道可将预先下入钻柱内的定向测量仪器的电缆线变换到钻柱外侧,电缆线附在钻柱外壁上,这种方法对于钻进中钻柱不回转时是有效的,但也必须防止电缆线的磨损与挤压。另一种办法是通过在钻杆内部的卷轴 上存放一段额外长度的电缆,采用这种方法时,装在系统内的电机锁销可使在加新单根时电缆暂时中断,并且在起钻前须先把整段电缆全部收回。另外,还有一种同轴导体系统可用于信号传输它采用的是同轴布线方式,配以包有绝缘层的铜管式中心导体。这种导体插人普通的钻杆内,液体压力可使之膨胀,从而与钻杆内壁贴紧密封。当钻柱接好后,信号可以在钻杆间相互传递,形成高速双向信息网络。目前该方法已在试验井中应用并获得成功,它的最高传输速率可达2 Mbit/s[4]。 电缆传输方式的优点是传输速率高,可双向传递信息,同时可以从地面直接向井下传感器提供电力,井底不须附加动力源;其缺点是制作工艺相对复杂,并且经常影响正常钻进过程。 1.2　特种钻杆传输方式 这种方法是将连续导体附在钻杆内使其成为钻杆整体的一部分。装在接头内的特殊连接装置使钻柱可在整个长度内导电。传感器装在一个特殊的钻铤内。铠装电缆(或跨接线)将这个钻铤与钻杆下端连接起来。在方钻杆顶部安装一个绝缘的滑环,该滑环与地面设备相连。该传输方式研究的关键是钻杆接头设计。钻杆接头设计方法主要有感应法,湿接头法、霍尔效应传感器法和导线对接法等[5]。由美国Grant Predi2co公司研制的感应接头遥测钻杆系统,钻柱两端各有1个感应线圈,根据感应原理依次向相邻接头线圈传输数据,传输速率可达1 Mbit/s。初步解决了钻杆上、卸扣时无须接上或卸开钻杆上导线接头问题,其智能钻杆采用铜导线来输送电能,可以根据井下硬件用电量大小来确定输电功率的大小[6]。IntelliServ公司开发的钻杆高速数据遥传系统In2telli Pipe,同样选择以非接触感应方式作为钻杆接头之间传输数据的方法,数据传输速度高达2Mbit/s[7]。俄罗斯采用在钻杆每个单根内吊电缆,在钻杆接头处加电插头方式进行信号传输。法国IFP公司采用了唇密封的电钻杆,成功试用于1 000 m浅井。我国这方面技术尚属空白。特种钻杆传输方式的优点是数据传输快、双向通信简单;缺点是需要特殊钻杆,成本高,在接头处获得连续电路比较困难,可靠性差,难以实现电力下传。 1.3　光纤传输方式 将具有简单保护层的廉价光纤下入到井眼中,光纤长度为整个钻柱的长度,从底部钻具组合(B HA)到地面。光纤既能够从地面沿轴向井下循环,又能够从底部钻具组合反循环到地面[8]。美国圣地亚国家实验室已研制成功并试验过用于MWD的光纤遥测系统。使用的光纤电缆很细小,成本低,可短时间使用,最后在钻井泥浆中磨损掉并被冲走。在美国天然气研究所的测试中,光纤成功到达915 m深处。光纤遥测技术能以大约1 Mbit/s的速率传送数据,比其他商用的无线随钻遥测技术快5个数量级。 2　无线传输方式 无线MWD按传输通道分为泥浆脉冲、电磁波 和声波3种方式,最新的组合式目前还处在研究阶 段。其中泥浆脉冲和电磁波方式已经应用到生产实 践中,以泥浆脉冲式使用最为广泛。 2.1　泥浆脉冲传输方式[9 210] 目前,以钻井液为介质的信号传输方式有正脉 冲、负脉冲和连续波等3种。 负脉冲信号发生器:发送器由泄流阀门组成,当 阀门打开时,使得一部分钻井液从钻柱内流向环空。 因此,开闭阀门就会引起管内的压力波产生一系列 的负脉冲,将数据传输到地面。从信号产生的机理 来看属于泄流型信号发生器(见图1)。 图1　泥浆负脉冲方式工作原理示意图 正脉冲信号发生器:在井下信号发生器中有1 个节流阀,由液压调节器控制。当阀动作时,通过钻 柱的钻井液流形成瞬时压缩,引起管内压力增加,从 而产生一系列压力脉冲传输到地面。从信号产生的 机理看,属于节流型信号发生器(见图2),目前应用 比较广泛。 图2　泥浆正脉冲方式工作原理示意图 连续信号发生器:由1个转子和1个定子组成, 每个定子和转子上带有多个叶片,由电机驱动转子 打开或部分关闭定子叶片间的开口,当开口增大时, 泥浆流动畅通,压力减小;当开口关闭时,泥浆流动 受阻,压力增大。控制转子瞬时开闭或者连续开闭, 就会产生脉冲或者连续压力波动信号。从信号产生 的机理来看,也属于节流型信号发生器(见图3)。 图3　连续波方式工作原理示意图 在泥浆脉冲系统中,由于脉冲扩散、调速的限制 和泥浆系统其他特性的局限性,使得数据的传输速 度比较慢,压力波在泥浆中的传播速度约为1 200 m/s,数据传输率不高,传输信号易受噪声的影响。 其优点是不需要绝缘电缆和特殊钻杆,而是用泥浆 流作为动力,降低了开发成本。 在以上3种泥浆脉冲系统中,正脉冲和负脉冲 传输方式的传输速率较低,抗干扰能力差,容易产生 误码;而连续波方式传输速率较高,抗干扰能力强。 负脉冲信号发生器由于存在污染环空、信号速率低、 能量损失大等缺点,已逐渐被淘汰。目前,以正脉冲 方式传输的随钻测量系统在国内外均有较成熟的理 论研究和实际应用产品,如Halliburton公司的 HDS1(High2Speed Directio nal Survey)系统,即新 一代“探路者”MWD系统;Sperry2Sun公司的 DWD系统;中国石油天然气集团公司“地质导向钻 井技术研究与应用”课题组研制开发的CGMWD系 统等,但目前以正脉冲方式传输的随钻测量系统传 输速率还较低,一般在0.5～5 bit/s。以连续波方 式传输信息的随钻测量系统,因结构复杂、难度大, 目前只有斯伦贝谢公司(Anadrill)拥有产品(Pow2 er Pul ser TM),以24 Hz的频率发送信号,数据传输 率最高为12 bit/s,理论和技术都还不够成熟。 Halliburto n目前也在致力于开发以连续波方式传 输信息的随钻测量系统,目标是使传输速率达到 20～30 bit/s[11]。 2.2　电磁(EM)传输 电磁随钻测量(Electromagnetic Measurement While Drilling,简称EM2M WD)是20世纪80年代 进入工业化应用的一项新技术[12]。其信号传输的 方法有2种:以地层为传输介质和以钻柱为传输导 体[13]。井下仪器将测量的数据加载到载波信号上, 测量信号随载波信号由电磁波发射器向四周发射。 地面检波器在地面将检测到的电磁波中的测量信号 卸载并解码、计算,得到实际的测量数据。 电磁传输作为把MWD/LWD数据从井下传送 到地面的一种替代方法,20世纪80年代中期实现 了商业化生产和应用,目前正处于发展之中[14 215] 。 这种方法是双向传输的,可以在井中上下行传输,不 需要泥浆循环,EM的传输速率为1～12 bit/s。EM 传输的优点是不需要机械接收装置,数据传输速度 较快,适合于普通泥浆、泡沫泥浆、空气钻井、激光钻 井等钻井施工中传输定向和地质资料参数。缺点是 由于传输信号快速衰减,导致EM测量方法只适合 在浅井中使用,且低电磁波频率接近于大地频率,易 受井场电气设备和地层电阻率的影响,从而使信号 的探测和接收变得较困难。 俄罗斯在该技术领域走在了前面,技术较成 熟,其生产的ZTS电磁波随钻测量系统代表了电 磁波传输的先进水平。欧美国家近几年也推出了几 种新的EM传输系统:精确钻井康谱乐公司的EM2 M WD系统[16];斯伦贝谢公司的E脉冲电磁传输系 统[17](传输率最高12 bit/s);哈里伯顿Sperry2Sun 公司的电磁MWD系统[18];Weatherford公司开发 的TrendSET MWD系统[19]等。从20世纪末开 始,中国石油勘探开发研究院对井下电磁信号短传 技术进行了深入系统的研究,成功研制了NBLOG2 1型测量短节,用于测量近钻头的井斜角、底层电阻 率和自然伽马。哈尔滨工业大学赵永平也对电磁波 信号传输作过深入的研究,建立了油井大地电磁信 道的模型,确立了一个可以测试实际信号传输能力 的试验系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。但总体来讲国内在这方面的技术 仍很缺乏,还处在信号编码、信号传输特性分析以 及开发单个系统样机阶段。 2.3　声波传输 该传输方式是利用声波或地震波经过钻杆或地 层来传输信号。井下数据的测试过程是将测试仪器 和声波无线传输发射系统随钻杆或抽油泵下入,测 试仪器将各种井下参数转化为数字信息,然后编码、 暂存,将代表井下参数的二进制码脉冲送至控制电 路,发射声波振动信号,沿钻杆柱或油管传输到地 面,被安装在井口的声波接收探头接收,经放大后送 入存储介质记录,进行数据处理与解释,得到该井目 前的地层评价或生产动态资料[20]。声波遥测能显 著提高数据传输率,使无线随钻数据传输率提高1 个数量级,达到100 bit/s[21]。 声波遥测和电磁波遥测一样,不需要泥浆循环, 实现方法简单、投资少。而其缺点是衰减很快,受 环境干扰大,井眼产生的低强度信号和由钻井设备 产生的声波噪声使探测信号非常困难。由于信号在 钻杆柱中传播衰减很快,所以在钻杆柱内每隔400 ～500 m要装1个中继站,它的电路包括接收器、放 大器、发射器和电源。要在钻杆柱内附加这么多元 件,又要让钻杆柱在很深的钻井条件下工作,使得声 学信息通道式MWD系统使用起来很复杂,因而能 使用的最大井深为3 000～4 000 m。美国圣地亚国 家实验室开发了声波遥测技术,通过钻杆的应力波 快速传递信息,取代钻井液压力脉冲。但目前该传 输方式尚未应用到生产实践中。 3　性能对比及展望 综上所述,几种传输方式各有优缺点和应用局 限(见表1)。 表1　信息传输方式的比较 有线传输方式的数据传输速率高,可双向传递 信息,其中电缆方式和特殊钻杆方式还可以直接从 地面向井下传感器供电,但制作工艺相对复杂,并且 经常影响正常钻进过程。 无线传输方式中目前普遍应用的是钻井液脉冲 法,其优点是对钻井工艺没有特殊的要求和限制, 仅用钻井液流作为动力,对正常钻井作业影响很小, 且通信可靠,能远距离传输。其缺点是钻井液脉冲 的数据传输速度较慢,数据传输速率较低,在气体和 气液双相流体中不能够采用钻井液脉冲传输方式。 通过对以上传输方式的性能分析,从而可以找 出其不足和应用局限性,进而明确下一步的研究方 向。事实上,在MWD技术进入商业化应用的近30 年间,其通信系统一直都在不断地改进和完善。可 以展望,未来MWD数据传输技术需要在以下几个 方面继续攻关并有望取得重要进展。 (1)有线传输向双向高速率实时通讯发展。针 对钻杆间接头信号传递的技术难题,发展既能向井 底供电又能双向传输数据的智能钻柱,解决井下面 临的数据传输滞后和井下供电不足问题,是有线钻 柱传输技术未来的发展方向。 (2)对目前通用的钻井液脉冲传输方式,主要 目标是实现更高的数据传输速率、提高工作可靠性 以及增强环境适应能力,因此研究重点应转向连续 波脉冲发生器。使其能根据不同的机械钻速、不同 的钻井液、不同的井深、不同的钻杆直径、不同的压 力波幅值等因素使信号发生器产生不同频率,利用 人工神经网络建立连续压力波变频率传输预测控制 模型,使传输效果最佳;同时根据叶轮的转矩、叶轮 的磨蚀等,对叶轮的结构(如叶轮的叶片数、叶轮形 状、面积、厚度等)进行优化设计,以增强其环境适应 能力。笔者目前正在进行相关的课题研究。 (3)对电磁传输、光纤传输以及声波传输技术 应进行积极研究,为探索新兴随钻数据遥传技术做 进一步技术储备。对电磁传输及声波传输技术主要 是研究解决其信号衰减问题,提高信号传输可靠性, 加大测量数据的传输深度;光纤传输主要是解决由 于循环压力导致光纤磨损和破损问题,同时降低开 发成本。 参考文献: [1]　苏义脑,窦修荣.随钻测量、随钻测井与录井工具[J]. 石油钻采工艺,2005,27(1):74278. 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