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(1. 頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 中國(guó)石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(EM-MWD)的信號(hào)傳輸深度受地層電阻率影響很大。目前，國(guó)外EM-MWD產(chǎn)品最大傳輸距離只有4 000多m，低阻油區(qū)甚至更短。我國(guó)鄂北地區(qū)，地層電阻率較高，均值在10～30 Ω·m左右，該地區(qū)EM-MWD傳輸深度能夠達(dá)到3 000多m；而臨盤、勝利等區(qū)塊，地層電阻率一般低于4 Ω·m，EM-MWD產(chǎn)品在該地區(qū)傳輸深度最大只能達(dá)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(wèn)題，國(guó)內(nèi)外在電磁信號(hào)中繼技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究，但是真正推廣應(yīng)用的很少。在國(guó)內(nèi)，只有川慶鉆探公司工程技術(shù)研究院研制的CQEMWD-I型電磁波接力系統(tǒng)，以及中煤科工集團(tuán)西安研究院研制的電磁信號(hào)中繼器[5-6]，但是這2種電磁信號(hào)中繼器都采用有線的方式進(jìn)行信號(hào)的傳輸，現(xiàn)場(chǎng)使用存在諸多不便，下鉆過(guò)程中需要停止較長(zhǎng)時(shí)間，下入延伸天線，降低了鉆井效率。在國(guó)外，只有Halliburton公司的相關(guān)專利介紹，沒(méi)有相關(guān)應(yīng)用報(bào)道[7-8]。中石化石油工程技術(shù)研究院研制了一套完全采用無(wú)線傳輸方式的電磁信號(hào)中繼器系統(tǒng)，當(dāng)鉆井井深大于信號(hào)傳輸深度時(shí)，在鉆柱上加裝信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)器，通過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)器接收井底發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大后，再以不同的頻率發(fā)射，地面接收機(jī)接收的是中繼器發(fā)出的信號(hào)。通過(guò)東北、江蘇等油區(qū)的大量應(yīng)用證明，安裝井下電磁信號(hào)中繼器是提高EM-MWD傳輸深度最有效、經(jīng)濟(jì)的手段。

1 電磁信號(hào)中繼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 中繼器結(jié)構(gòu)

電磁信號(hào)傳輸中繼器主要由信號(hào)接收/發(fā)射天線組件、中繼器電路模塊和電池組模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1) 中繼器天線。

中繼器天線具有2個(gè)功能，它既完成對(duì)井下發(fā)射機(jī)信號(hào)的接收，又實(shí)現(xiàn)對(duì)中繼電磁信號(hào)的發(fā)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)電磁中繼信號(hào)的接收和發(fā)射。

2) 中繼器電路模塊。

中繼器電路模塊主要包括信號(hào)接收及處理模塊和信號(hào)發(fā)射模塊兩大部分組成。信號(hào)接收處理模塊是中繼器的核心部分，也是實(shí)現(xiàn)信號(hào)中繼的關(guān)鍵部件，主要由模擬信號(hào)前端處理器、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波器、控制及數(shù)字信號(hào)處理器、數(shù)字信號(hào)處理軟件等部分組成；對(duì)接收的井底信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益控制、數(shù)字濾波、解調(diào)、解碼、重新編碼調(diào)制、SPI總線控制、數(shù)據(jù)通信等數(shù)字信號(hào)處理及系統(tǒng)控制。信號(hào)發(fā)射模塊由信號(hào)整形電路、功率放大電路、輔助電路組成。完成對(duì)來(lái)自信號(hào)處理模塊重新編碼調(diào)制的電磁信號(hào)的功率放大，并通過(guò)信號(hào)接收/發(fā)射天線將放大后的電磁信號(hào)發(fā)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(cè)量中繼器主要通過(guò)接收/發(fā)射天線接收井下發(fā)射機(jī)發(fā)出的電磁信號(hào)，經(jīng)過(guò)中繼器電路模塊進(jìn)行信號(hào)的放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換，解碼井底的測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)，然后再將解碼后的信號(hào)重新編碼形成新的數(shù)據(jù)幀，通過(guò)波形合成，功率放大，經(jīng)過(guò)發(fā)射天線將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給地面接收機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)的接力傳輸[5]，其原理框圖如圖2所示。

2 電磁信號(hào)中繼器的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 中繼器信號(hào)接收處理技術(shù)

中繼器的接收處理器是中繼器的核心部分，硬件結(jié)構(gòu)上主要由模擬輸入信號(hào)前端處理器、A/D轉(zhuǎn)換、嵌入式微控制器組成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)耦合、自動(dòng)增益控制、模擬濾波及A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。硬件電路結(jié)合軟件編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)濾波、信號(hào)解調(diào)、信號(hào)解碼等數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)。

其中，輸入信號(hào)前端處理器的核心部分是自動(dòng)增益控制器，由3級(jí)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(hào)前端處理器結(jié)構(gòu)框圖

進(jìn)行井下信號(hào)傳輸時(shí)，隨著地層環(huán)境不同，接收到的電磁信號(hào)幅值可能會(huì)發(fā)生較大變化，使用自動(dòng)增益控制的優(yōu)點(diǎn)在于能夠根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)改變放大倍數(shù)，使處理后的信號(hào)幅值維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，降低了后續(xù)信號(hào)處理的難度，提高了傳輸?shù)臏?zhǔn)確度。

2.2 中繼器信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)處理技術(shù)

中繼器信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)處理器接收處理器發(fā)送的信息，進(jìn)行相應(yīng)處理后，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電磁信號(hào)，交給中繼器天線轉(zhuǎn)發(fā)。

硬件結(jié)構(gòu)上主要由FPGA版CPU、信號(hào)發(fā)射電路、保護(hù)電路組成。其中CPU編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)編碼、調(diào)制、工作電流控制。為了方便地面接收機(jī)區(qū)分井下發(fā)射機(jī)和中繼器發(fā)出的兩路信號(hào)，防止信號(hào)互相干擾，中繼器信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)處理器的調(diào)制信號(hào)以不同于井下發(fā)射機(jī)的頻率發(fā)射。

軟件方面采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將要完成的工作分解為多個(gè)任務(wù)，并按處理的緊迫程度對(duì)任務(wù)進(jìn)行區(qū)分。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多級(jí)中斷嵌套處理機(jī)制，能夠確保對(duì)緊迫程度較高的實(shí)時(shí)事件進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)和處理。同時(shí)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與嵌入式微控制器相結(jié)合，最大限度地降低了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)任務(wù)數(shù)量增加所引起的系統(tǒng)性能下降，使系統(tǒng)運(yùn)行速度進(jìn)一步提高。

2.3 信道編碼技術(shù)

信道編碼是指為了提高通信性能而設(shè)計(jì)的信號(hào)變換，使傳輸信號(hào)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(guī)模集成電路和高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用可以使信道改善10 dB，而成本卻比諸如提高發(fā)射功率或采用更大尺寸的天線少得多。中繼器在接收數(shù)據(jù)時(shí)采用卷積碼編解碼、幀同步校驗(yàn)和差分譯碼來(lái)保證傳輸可靠性。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 松遼油區(qū)勝利1井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

勝利1井為預(yù)探直井，設(shè)計(jì)井深4 330 m。井下發(fā)射機(jī)安裝在鉆頭上方，中繼器安裝在井下發(fā)射機(jī)上方1 558 m處。

調(diào)研結(jié)果顯示，松遼地區(qū)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(dá)到15～600 Ω.m。通過(guò)文獻(xiàn)[10]理論分析， 該地區(qū)地層電阻率較低，井下發(fā)射機(jī)的有效傳輸距離只有2 100～2 300 m，井深繼續(xù)增加，則地面接收機(jī)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(tǒng)的傳輸深度達(dá)到3 521 m。CEM-1型地面接收機(jī)能夠成功接收到電磁隨鉆測(cè)量?jī)x在井底發(fā)射的測(cè)量數(shù)據(jù)，標(biāo)志著中繼器系統(tǒng)成功完成井下發(fā)射機(jī)信號(hào)的接收和二次轉(zhuǎn)發(fā)。在這次試驗(yàn)過(guò)程中，中繼器系統(tǒng)工作良好，信號(hào)穩(wěn)定可靠，效果明顯。儀器入井26 h，在起下鉆和循環(huán)時(shí)，系統(tǒng)解碼正常，得到的測(cè)量參數(shù)準(zhǔn)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(yīng)用情況

SW33-27井為定向井，設(shè)計(jì)井深2 360.94 m，造斜點(diǎn)1 650 m。井下發(fā)射機(jī)安裝在螺桿上方無(wú)磁鉆桿中，中繼器安裝在井下發(fā)射機(jī)上方1 250 m處。

在本井施工中，CEM-1及中繼器在該井共進(jìn)行了7趟鉆應(yīng)用，沒(méi)有出現(xiàn)信號(hào)中斷情況，儀器工作穩(wěn)定。發(fā)射機(jī)累計(jì)工作時(shí)間為480.4 h，中繼器累計(jì)工作時(shí)間為406.8 h。通過(guò)SW33-27井的應(yīng)用，表明電磁隨鉆測(cè)量中繼器系統(tǒng)在可靠性方面已達(dá)到了工業(yè)化應(yīng)用要求。

根據(jù)完鉆后該井實(shí)測(cè)地層電阻率計(jì)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(guò)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(shí)測(cè)信號(hào)衰減曲線。

圖4 地層電阻率曲線

圖5 電磁信號(hào)衰減曲線(放大100倍)

由圖4～5知，信號(hào)衰減規(guī)律基本與地層電阻率分布規(guī)律相吻合，500 m處，信號(hào)幅度在8.5 V，此后衰減加快。到1 300 m，測(cè)得信號(hào)最大幅度只有0.038 V。因此，中繼器在該井信號(hào)傳輸中發(fā)揮了重要作用，根據(jù)中繼器安裝位置，提高信號(hào)傳輸深度在80%以上，否則，無(wú)法完成該井施工。鉆井過(guò)程中，井斜角、方位角測(cè)量穩(wěn)定，測(cè)斜時(shí)，同一點(diǎn)的方位角測(cè)量值沒(méi)有變化，且靜態(tài)測(cè)量值與動(dòng)態(tài)值誤差小。圖6和圖7分別是電測(cè)方位角、井斜角與CEM-1測(cè)斜數(shù)據(jù)對(duì)比曲線。

圖6 EM-MWD與電測(cè)方位角對(duì)比

圖7 EM-MWD與電測(cè)井斜角對(duì)比

4 結(jié)論

1) 通過(guò)在鉆柱中間加裝中繼器系統(tǒng)，大幅提高了電磁隨鉆測(cè)量?jī)x器的信號(hào)傳輸深度，擴(kuò)大了電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

2) 采用完全無(wú)線的方式傳輸信號(hào)，操作方便，傳輸速度快，有效地解決了電磁隨鉆測(cè)量的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。

3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：電磁隨鉆測(cè)量中繼器系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)與電測(cè)數(shù)據(jù)吻合，測(cè)量精確可靠，將成為電磁隨鉆測(cè)量定向服務(wù)的常規(guī)手段，前景廣闊。