無線數據傳輸技術在石油行業中的應用及展望

蔡 鵬覃 毅董照顯楊全枝陳 超

1.中國石油大學（華東）石油工程學院 (山東 青島 266555)

2.中國石油渤海鉆探工程有限公司 第一固井公司 （河北 任丘 062550)

無線數據傳輸技術在石油行業中的應用及展望

蔡 鵬1覃 毅2董照顯1楊全枝1陳 超1

1.中國石油大學（華東）石油工程學院 (山東 青島 266555)

2.中國石油渤海鉆探工程有限公司 第一固井公司 （河北 任丘 062550)

概括總結了在石油行業中使用的無線數據傳輸技術，主要可分為常規無線數據傳輸和井下無線隨鉆傳輸。提出了兩點展望：利用短距離無線采集與遠程無線數傳相結合，可實現鉆采現場參數實時監測；研發聲波無線數據傳輸新型鉆桿接頭，能克服能量衰減問題，提高聲波傳輸距離。

無線數據傳輸 聲波 石油行業

石油行業是一個資金技術密集、跨多學科的國家戰略行業[1]。隨著油氣可采量不斷遞減、競爭日趨激烈，為提高經濟效益，各油田企業正朝著自動化、信息化、智能化發展。無線數據傳輸可有效降低人員成本，使現場作業更加快捷靈活，已在地震勘探[2]、管道泄漏檢測[3]、油井測量[4]、氣體檢測[5]、海上平臺監控[6]等領域[7-9]得到廣泛應用。

本文概括總結了在石油行業中使用的無線數據傳輸技術，主要分為常規無線數據傳輸和井下無線隨鉆傳輸，并提出了兩個發展方向。

1 無線數據傳輸技術

無線數據傳輸是指以無線方式傳輸工業現場設備輸出的各種物理量。與傳統有線數據傳輸方式相比，無線數據傳輸具有以下優勢：①安裝周期短，節約資金；②維護簡便，靈活多變；③搬遷迅速，便于擴充監測點；④應用領域廣，適合一些不具備鋪設電纜條件的區域。

無線數據傳輸的開端可以追溯到1897年，科學家馬可尼（Marconi）利用無線電在陸地上和一只拖船之間進行了消息的傳輸。經過一百多年的發展，無線數據傳輸技術日臻成熟。無論是太空飛船，還是深水機器人，乃至地質導向鉆井，均成功運用到無線數據傳輸技術。在石油行業，無線數據傳輸技術可分為兩類：常規無線數據傳輸和井下信息無線數據傳輸。

1.1 常規無線數據傳輸

人們在地面之上進行的常規無線數據傳輸，傳輸載體一般采用電磁波。常規無線數據傳輸以射頻技術、微電子技術及集成電路技術為基礎，近年來取得飛速發展，傳輸速率和可靠性逐漸提高，某些性能甚至可媲美有線數據傳輸[10]。在石油行業中，常規無線數據傳輸主要用于通訊、無人監測等領域。根據傳輸原理不同，常規無線數據傳輸分類如表1所示。

由表1可知，常規無線數據傳輸多種多樣，而且技術成熟。值得注意的是，石油鉆采現場環境復雜，有線傳輸會受諸多限制，因此無線數據傳輸更具未來發展潛力。但常規無線數據傳輸設備的防爆性能和抗干擾能力有待提高。

1.2 井下信息無線數據傳輸

在石油鉆探過程中，需要從地面到油氣層鉆開一個井眼以建立油氣通道，并用井底鉆具組合中的測量工具實時測取地質參數、軌跡參數、鉆井參數等相關信息。測量工具一般貼近鉆頭附近，處于地層深處，其獲取的地層信息如何返回地面，一直是石油行業的研究熱點。若采用電纜傳輸井下信號，不僅費用高昂，而且會影響正常鉆井作業。目前，井下信息無線數據傳輸方法主要有鉆井液脈沖、電磁波和聲波3種。其中,鉆井液脈沖和電磁波方式已經應用于生產實踐[11-12]。

表1 常規無線數據傳輸不同種類

1.2.1 鉆井液脈沖式無線數據傳輸

鉆井液脈沖式隨鉆測量信息傳輸是借助鉆井液的壓力波來傳輸信號的，其原理是鉆井液在地面泥漿泵動力作用下在鉆柱內高速流動[11]，使鉆井液脈沖發生器的葉輪產生扭矩，激發驅動電路產生驅動電流，以驅動發生器閥門帶動鎖齒銷軸運動。當控制機構的旋轉鎖齒釋放一個齒位，鉆井液脈沖發生器的轉子就會轉過一個特定角度,從而導致鉆井液脈沖發生器流道開啟或關閉，這樣間歇性的開啟和關閉就會產生鉆井液壓力脈沖，把井下隨鉆測量信號轉換為鉆井液脈沖信號，然后將其送至地面，完成井下信息從井底到地面的傳輸。目前鉆井液脈沖遙傳傳輸速率很低，一般只能達到4～16b/s[12]，這在很大程度上限制了井下測量數據的實時傳輸，另外對鉆井液要求也很高，一般要求鉆井液含砂量小于4%，含氣量小于7%[13]。尤其在氣體鉆井過程中，由于氣體是可壓縮的，會導致脈沖強度減弱，使信號傳輸更加困難。

1.2.2 電磁波無線數據傳輸

井下電磁波發射器把井下數據傳感器測量的數據轉換成電磁信號，經過地層傳播至地面，由地面的信號接收器接收，然后由計算機終端處理器對信號進行處理，最后做出評價，如圖1、圖2所示。

其中電磁波發射器[13-16]主要包括對信號編制、調制和功率放大。終端處理器主要包括濾波、消噪、解調和譯碼等。目前制約此項技術的主要因素就是信號衰減問題，尤其是現代鉆井朝著更深、更遠的方向發展，需要更強的電磁信號。

1.2.3 聲波無線數據傳輸

隨鉆聲波測量是在鉆井作業過程中，把井下聲波發生器產生的聲波作為載體，把鉆具系統、井下流體和地層作為聲波的傳輸介質，在井下與地面之間建立無線傳輸系統，實現信息傳輸功能。然而它也有很多明顯的缺陷，碼間干擾以及大量的噪音給后面的信號處理帶來很大的麻煩；另外聲波的傳播形式是球面傳播，沿空間某一方向傳播幅度會越來越小，即衰減問題也是需要克服的一道難關。

2 展望

無線數據傳輸技術持續推進石油行業向“三化”快速發展，同時石油行業起到一定的反作用，積極拓展了井眼底部、海上鉆井平臺等特殊環境下的無線數據傳輸技術。筆者根據石油行業工況，對無線傳輸技術的發展方向做了如下探討：

2.1 發展方向一：短距離無線采集與遠程無線數傳系統

無論是陸地還是海上，油氣鉆采現場均需要對不同參數進行實時監測，以確保安全生產。當一個較小范圍內存在固定的若干個監測點，用有線數據傳輸能滿足要求。然而，在施工現場往往存在分散的多個監測點，且連接對象位置不固定。若用有線數據傳輸方式，會出現布線、故障檢查困難等問題。如在海上鉆井時，用電纜傳輸方式監測雙平臺施工參數（圖3），操作極其困難，而且不便維修。

針對此類難題，采用一種短距離無線采集與遠程無線數傳相結合的系統（圖4）[17]，能有效實現多區域多觀測點的參數實時監測，從而提高油田現代化管理水平。短距無線數據采集系統由無線傳感器（獲取監測信號并轉換成無線電信號）和短距無線接收器（接收無線電信號）組成。遠程無線數據傳輸系統包括遠程無線數據發射器、增益天線、遠程無線數據接收器，其接收的多個觀測點信號將被傳送至采集儀，再連通計算機終端進行相關數據處理。該系統中，選擇哪一種短距離無線數傳和哪一種遠程無線數傳搭配至關重要。根據不同的現場監測距離和傳輸量，提出了幾種具有潛力的無線數據傳輸組合方式（見表2）。

表2 無線數據傳輸組合方式

在方案2中，超寬帶作為新興無線傳輸技術，傳輸量超大，可與傳輸信號高保真的IEEE802.11相結合，構成油區無線視頻監控系統。方案4具有傳輸數據量大、傳輸質量高等特點，適合石油鉆采現場，有一定的開發潛力。

2.2 發展方向二：聲波無線數據傳輸新型鉆桿接頭

聲波具有傳輸速率大、方向性好、穿透能力強等特點，逐漸成為井下信息無線數據傳輸的研究熱點。中國石油大學（華東）于2007年設計出近鉆頭聲波無線隨鉆測斜系統（圖5），在室內到達1 000b/s的傳輸速度，并在勝利油田進行了現場實驗。但利用聲波進行井下信息無線數據傳輸時，鉆桿接頭處存在的縫隙會造成信號失真[18-20]，導致信號衰減加劇甚至傳輸失敗。因此有必要設計一種新型鉆桿接頭，在確保鉆桿連接緊密的同時，又能放大聲波信號起到中繼站的作用。此接頭的優點是有目共睹的，但首先要考慮以下問題：如何把聲波信號放大器安置在鉆桿接頭中；如何在不影響正常接單根的同時又確保鉆桿連接處清潔無雜質。該方法可克服聲波傳輸的能量衰減問題，是一個值得研究探討的方向。

3 認識和建議

（1）無線數據傳輸技術的快速發展，使石油行業更加自動化、信息化和智能化。井下信息無線數據傳輸成為石油行業一大特色，但遠遠沒有達到理想目標，需要進一步的研究。

（2）根據石油行業特點，無線數據傳輸可以分為常規無線數據傳輸和井下無線數據傳輸。常規短距離無線數據傳輸技術已經成熟，可用于短距離無線采集，與遠程無線數傳輸相結合，將是一個頗具吸引力的方案。哪一種短距離無線數傳輸和哪一種遠程無線數傳輸搭配更合理，有待進一步的實驗研究。

（3）目前的聲波無線數據傳輸已能實現較高速率數據傳輸，但聲波在井下衰減嚴重，存在局限性。如研制出能緊密連接鉆桿、放大聲波信號的鉆桿接頭，將使聲波傳輸距離更遠，是一個頗具吸引力的方案。

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It is summarized that wireless data transmission technologies used in petroleum industry can be divided into conventional wireless data transmission and wireless data transmission of drilling information.Then two outlooks are presented in the paper,one is that combining the short distance wireless data collection with remote wireless data transmission can realize the real-time monitoring for the parameters in drilling site;the other is that studying a new drilling pipe joint of acoustic wireless data transmission can overcome the energy attenuation and increase the distance of acoustic transmission.

wireless data transmission;acoustic wave;petroleum industry

蔡鵬（1988-），男，在讀碩士研究生，現從事油氣井相關理論研究。

黃永場

2012-02-09