DQ-Ⅰ型電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x器的研制

王振雷

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

電磁波隨鉆測(cè)量是20世紀(jì)80年代進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用的一項(xiàng)新技術(shù),無(wú)需循環(huán)鉆井液傳輸數(shù)據(jù)，適合于在霧化、泡沫、充氣、空氣等循環(huán)介質(zhì)中使用，具有傳輸信號(hào)速率高、測(cè)量時(shí)間短、成本低等特點(diǎn)。該技術(shù)解決了在某些介質(zhì)中采用傳統(tǒng)泥漿脈沖系統(tǒng)無(wú)法傳輸?shù)膯?wèn)題。因此我院自主研制的DQ-Ⅰ型電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x器具有良好的市場(chǎng)前景和較大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益[1-2]。

1 儀器傳輸原理研究

電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x器利用鋰電池組對(duì)井下儀器供電,采用鉆桿上、下分隔絕緣的偶極發(fā)射天線的垂直電場(chǎng)激勵(lì)方式，借助隨鉆電磁信道將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到地表。首先將儀器按鉆具組合接入鉆柱中，鋰電池組對(duì)井下系統(tǒng)供電，各測(cè)量模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給中控模塊，中控模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳輸給發(fā)射模塊，發(fā)射模塊以信源和信道復(fù)合編碼方式把信號(hào)加載到低頻電磁波上，經(jīng)由發(fā)射天線傳送到地表,地面采集裝置通過(guò)地面接收天線以及連在鉆桿上的天線接收信號(hào)，并將信號(hào)發(fā)送給處理裝置進(jìn)行模擬濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給地面計(jì)算機(jī)，濾波解碼軟件進(jìn)行數(shù)字濾波和信源、信道復(fù)合解碼發(fā)送給測(cè)量數(shù)據(jù)分析軟件實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示[2-5]。

2 電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 發(fā)射天線激勵(lì)方式的設(shè)計(jì)

電磁波儀器發(fā)射天線的激勵(lì)方式選擇是非常重要的。

圖1 垂直電場(chǎng)激勵(lì)原理圖

如圖1所示，鉆井條件下實(shí)際可行的激勵(lì)方式只有激勵(lì)沿鉆桿的軸向電流和激勵(lì)繞鉆桿的水平電流環(huán)2種激勵(lì)方式，激勵(lì)沿鉆桿方向的電磁場(chǎng)。2種偶極天線的激勵(lì)產(chǎn)生的電場(chǎng)在地面上的水平分量之比為：

式中：S——磁偶極子的環(huán)面積；

l——電偶極子長(zhǎng)度；

h——井深；

T∝1。

受鉆鋌直徑的限制，磁偶極子的環(huán)面積很小，而電偶極子的可以做得較長(zhǎng)。由于井下垂直電激勵(lì)比磁激勵(lì)效率高，因此該儀器井下發(fā)射天線采用垂直電場(chǎng)激勵(lì)。

2.2 井下儀器電子電路設(shè)計(jì)

儀器電路部分主要由電源電路、井下中控及存儲(chǔ)電路、電磁波發(fā)射電路、地面接收電路組成。

（1）電源電路的設(shè)計(jì)。由于井下采用16節(jié)鋰電池組供電，為了滿足各不同電路中芯片的供電需求，設(shè)計(jì)了電源電路，提供+5V、+12V，同時(shí)將電池組供出的30V電發(fā)送給各電子模塊。

（2）井下中控及存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)。中控模塊是井下儀器的“大腦”，接收信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和邏輯處理，發(fā)送給電磁波發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射模塊，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片（2M）中，儀器取回地面后可以在預(yù)留的端口采集回放得到完整的實(shí)測(cè)井下數(shù)據(jù)，對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

（3）電磁波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)。電磁波發(fā)射電路是井下電路設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)，它不但要實(shí)現(xiàn)電磁波信號(hào)的信源信道復(fù)合編碼，還要進(jìn)行功率監(jiān)控和保護(hù)。發(fā)射模塊首先接收中控模塊傳輸?shù)男盘?hào)并進(jìn)行校驗(yàn)，然后進(jìn)行濾波和補(bǔ)償，然后將數(shù)據(jù)以信源編碼和信道編碼復(fù)合編碼方式把信號(hào)加載到這個(gè)可調(diào)頻率的信號(hào)上，將加載的信號(hào)以功率元件形成藕合橋式差動(dòng)功率輸出進(jìn)行放大和功率控制，并由單片機(jī)對(duì)發(fā)射電壓進(jìn)行調(diào)解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率的調(diào)節(jié)。最終由發(fā)射天線向地層發(fā)射，發(fā)射電路的電路原理示意圖如圖3所示。

圖2 中控及存儲(chǔ)模塊電路結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 電磁波發(fā)射電路結(jié)構(gòu)原理圖

（4）地面接收電路的設(shè)計(jì)。地面接收電路是電磁波信號(hào)能否識(shí)別的關(guān)鍵，電路首先就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)微小的電磁波信號(hào)的采集和數(shù)字濾波，由主控芯片控制進(jìn)行兩級(jí)放大和A/D轉(zhuǎn)換，并將處理后的數(shù)據(jù)以RS232的協(xié)議發(fā)送給地面的計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

圖4 地面解碼電路結(jié)構(gòu)原理圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2015年10月，在大慶鉆井一公司某隊(duì)進(jìn)行DQ-Ⅰ型電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x器水平井比對(duì)隨鉆現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，比對(duì)的儀器是哈里伯頓的FEWD，該井是水平井，造斜段打完并下好技套。儀器出套管后開(kāi)始工作，共上傳數(shù)據(jù)5000多組，測(cè)試數(shù)據(jù)與LWD測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)圖如圖5所示。

該口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：

（1）DQ-Ⅰ型EM-MWD可以實(shí)現(xiàn)停泵接單根時(shí)的靜態(tài)測(cè)量，與FEWD相比測(cè)試數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠；

（2）DQ-Ⅰ型EM-MWD現(xiàn)場(chǎng)安裝、測(cè)試更加簡(jiǎn)潔快速方便；

（3）DQ-Ⅰ型EM-MWD信號(hào)傳輸速率快，解碼成功率高。

4 結(jié)論與建議

（1）研制了一套電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x器，能夠?qū)崿F(xiàn)甚低頻電磁波隨鉆數(shù)據(jù)上傳，并且地面系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)解碼、顯示及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；

（2）采用了井下發(fā)射天線垂直電場(chǎng)激勵(lì)的設(shè)計(jì)，使電磁波信號(hào)更好的傳輸；

（3）該儀器測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、傳輸速率快、性能穩(wěn)定可靠、井口操作簡(jiǎn)潔快速，滿足定向井和水平井施工要求，具備推廣應(yīng)用條件。

[1]吳清忠，徐廣飛，王輝東，彭萬(wàn)勇.ZTS-42/AP型EM-LWD電磁波儀器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012（1）:79-80.

[2]趙志學(xué)，王振雷，田玉棟，韓玉安.ZTS-42 AP型電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在泡沫鉆井中的試驗(yàn)[J]石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011（8）:78-81.

圖5 DQ-Ⅰ型電磁波儀器與哈里伯頓FEWD數(shù)據(jù)比對(duì)圖

[3]劉修善，侯緒田，涂玉林，楊春國(guó).電磁隨鉆測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油鉆探技術(shù)，2006（5）:4-9.

[4]張進(jìn)雙，趙小祥，劉修善.ZTS電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)及其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J].鉆采工藝，2005（3）:25-27.

[5]王榮景，鄢泰寧，等，ZTS-172M電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)及其在勝利油田的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2005（S1）:33-35.