一種用于近鉆頭測量儀的無線短傳系統設計

朱　博，孫　衍，梁　耀

(1.西安石油大學　陜西　西安　710065；2.中國石油集團測井有限公司　陜西　西安　710054)

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一種用于近鉆頭測量儀的無線短傳系統設計

*朱博1，2，孫衍1，2，梁耀2

(1.西安石油大學陜西西安710065；2.中國石油集團測井有限公司陜西西安710054)

摘要：針對隨鉆測井中心研制的近鉆頭測量儀，設計了一套無線短傳系統。該系統分為上下兩部分，分別置于螺桿鉆具的兩端，采用環形變壓器進行信號的雙向通信，同一個變壓器既做為發射變壓器，也做為接收變壓器。設計的系統能夠適應地層變化帶來的信號衰減，較好地完成近鉆頭測量中無線短傳的任務。

關鍵詞：近鉆頭測井；無線短傳；變壓器

0引言

隨著近鉆頭測井技術的發展，在靠近鉆頭的位置安裝了更多用于數據采集的傳感器，這樣能更及時、更準確的獲得井下采集信息[1]。但同時也產生了一個問題，就是如何將數據傳輸到地面。因為在近鉆頭測井系統中，隨鉆近鉆頭儀器位于螺桿鉆具之下，鉆頭之上，如圖1所示。由于螺桿鉆具無法過線，因此近鉆頭儀器的信號只能通過無線發送的方式，越過螺桿鉆具送往上方接收器，再由泥漿通訊等方式傳往地面。因此設計一套性能良好的無線短傳系統在隨鉆近鉆頭測井中具有極其重要的意義[2]。

無線電磁通信是利用法拉第電磁感應原理建立的一種井下通信方式[3]，它被廣泛應用于各種類型的測井儀器中，本文以無線電磁通信為核心技術，分別從收發線圈，信號調理電路以及上位機控制程序三個方面對該通信系統進行闡述和介紹。

圖1　近鉆頭測井儀器整體示意圖

1整體系統設計

本文設計的無線短傳系統如圖2所示，其分為上下兩部分，分別置于螺桿鉆具的兩端，儀器采用環形變壓器進行測井信號的雙向通信，上下兩支通訊儀器，電路相似，只是與其他儀器的接口有所區別。上儀器接口是從接口，與整串儀器的通訊電路配接；近鉆頭儀器的接口是主接口，與近鉆頭的其他儀器相連，進行控制和取數。

圖2　無線短傳系統原理圖

2收發線圈設計

儀器使用環形變壓器作為收發線圈，進行信號的雙向通訊。同一個變壓器既做為發射線圈，也做為接收線圈，時分復用。如圖3所示為收發線圈工作原理圖。

圖3　收發線圈工作原理圖

變壓器結構可以分為線圈和磁心兩個部分，本文中采用環形繞制線圈的方式制作線圈系，即將線圈繞在一個固定于鉆鋌上的環形磁鐵上，該環形線圈既可作為接收線圈，也可為作為發射線圈。由于原理相似，以發射線圈為例說明，如圖3所示，當給該環形線圈通入交流電時，在鉆鋌的各個方向和地層之間會產生渦流，該渦流會在接收線圈周圍產生交變的電磁場，因而接收線圈上會產生感應電流，通過對該電流信號進行處理和分析，就能得到井下的數據信息[4]。

在這個方案中，環形變壓器的制作是難點，本文采用直接在鉆鋌上直接制作鐵芯的方式代替傳統的固定鐵芯方式，增加了系統的穩定性和可靠性，通過特殊的工藝提高了線圈系的質量。制作完成的環形變壓器示意圖如圖4所示。

第一步，先在鉆鋌上車環形槽；

第二步，在槽底安裝絕緣套，絕緣套外表上，預先銑出走線槽，供環形變壓器初級繞線時過線；

第三步，在絕緣套外繞制鐵芯；

第四步，在鐵芯上繞制變壓器初級，并通過承壓密封塞引入線路之中；

第五步，噴砂、壓膠，把整個環形槽壓平壓實。

圖4　環形變壓器示意圖

3電路設計

上下兩支通訊儀器，電路相似，只是與其它儀器的接口有所區別。上儀器接口，是從接口，與整串儀器的通訊電路配接；近鉆頭儀器的接口，是主接口，與近鉆頭的其它儀器相連，進行控制和取數。在這個儀器中，信號處理是關鍵。在地層中，發射信號由環形變壓器發出后，大部分能量，在發射變壓器附近就被地層消耗掉了，接收變壓器接收到的信號，只是一小部分；另外，隨著地層的不同，接收信號的幅度也會受到影響。因此，在接收電路中必須對信號進行放大濾波，以提高信噪比；進行自適應的程控放大，以適應地層變化帶來的信號衰減[5]，電路框圖如圖5所示。具體的電路及器件選型，將本著標準化、系統化的思路，盡量采用已有產品的成熟電路和器件，降低生產難度。另外，由于距離較短，可使用較高通訊頻率。

圖5　無線短傳系統電路框圖

4系統收發程序流程圖設計

上下儀器由一個共同的CPU進行控制，儀器的上發射線圈將同時作為無線短傳的電磁波通訊線圈，當儀器計算出鉆頭的電阻率等參數之后，即開始進行無線短傳。

1)上儀器(螺旋桿上方儀器)程序流程圖，如圖6所示。

2)下儀器程序框圖，如圖7所示。

圖6　上儀器程序流程圖

5結論

本文針對隨鉆測井中心研制的近鉆頭測量儀，設計了一套無線短傳系統。利用以前的試驗板，已做了無線握手通訊、漢明碼糾錯編碼、小信號的自適應程控放大、數字濾波、調制解調等工作，用以達到試驗目的。下階段的研究重點是如何設計使上通訊短節可以兼容電纜測井，這將在試驗時，大量節約電池和井時。

圖7　下儀器程序流程圖

參 考 文 獻

[1] 丁永浩.隨鉆測井技術的發展[J].世界地質，2004，23(3):270-274.

[2] 劉新平.隨鉆測井數據傳輸技術應用現狀及發展[J].測井技術，2008，32(3):249-253.

[3] 李林.無線電磁波隨鉆測量系統研究與現場試驗[C]，第十屆石油鉆井院所長會議，2010，10.

[4] 杜睿攀.隨鉆測量數據的井下無線電磁傳輸系統設計研究[D].西安：西安石油大學，2013.

[5] 王鵬.一種用于感應測井的放大濾波電路設計[J]，電子測試.2013，3(2):25-27.

A Design of a Wireless Transmission System for Near Bit Measurement Tool

ZHU Bo1，2，SUN Yan1，2，LIANG Yao2

(1.Xi′anShiyouUniversity,Xi′an,Shaanxi710065,China；2ChinaPetroleumLoggingCo.Ltd,Xi′an,Shaanxi710054,China)

Abstract：A set of wireless communication system was designed aiming at the measuring instrument near the bit, which was developed by the logging research center. The system is divided into two parts, which are placed at the two ends of the screw drill, and the signal is transmitted by the ring transformer, and the transformer is used as both the transmitter and the receiver. The design of this system is able to adapt formation change of signal attenuation, and can better finish task of the near bit measurement and wireless communication.

Key words：near bit logging； wireless communication； transformer

(收稿日期：2014-12-08編輯：屈憶欣)

中圖法分類號：TE271

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)02-0007-03

第一作者簡介：朱博，男，1986年生，西安石油大學在職研究生，現在中國石油集團測井有限公司從事測井儀器電路設計。E-mail：starsix04@126.com

基金項目：中國石油集團測井有限公司資助項目，項目名稱近鉆頭測量儀研制，項目編號：CPL2012-A07

·開發設計·