磁耦合有纜鉆桿關鍵技術與發展趨勢

胡永建 黃衍福 李顯義

中國石油集團工程技術研究院北京石油機械有限公司

0 引言

磁耦合有纜鉆桿應用磁耦合原理完成有纜鉆桿間的無線通信，在不改變接單根等常規鉆井工藝的條件下實現了地面、井下數據的雙向、高速、全天候傳輸。

作為磁耦合有纜鉆桿的典范，美國國民油井華高(NOV)旗下IntelliServ 公司的智能鉆桿(IntelliPipe)是全球第一個商業化應用的磁耦合有纜鉆桿系統，被稱為21世紀最具革命性的鉆井工藝［1-2］。NOV的eVolve鉆井參數優化服務的目的是實現自動化、數據驅動的智能鉆井，包括實現全井筒數據采集的BlackStream 沿鉆柱測量工具和實時決策分析的SoftSpeed 專家系統等，所有數據通過基于智能鉆桿的寬帶網絡(Broadband Network)傳輸，通訊速率高達57 kb/s［3-6］。中國石油經濟技術研究院遴選了2018 年值得關注的10大國外工程技術進展：鉆井參數優化技術特指NOV 的eVolve 鉆井參數優化服務；在隨鉆前探技術和智能鉆機技術中，具有高速、雙向特性的磁耦合有纜鉆桿也將發揮重要作用［7］。

作為“十三五”深井超深井鉆完井技術發展目標之一［8］，中國石油集團工程技術研究院自主研制了?127 mm 全系統、全功能磁耦合有纜鉆桿系統，稱為信息鉆桿(InforPipe)，通訊速率為100 kb/s，其中繼器同時具備鉆壓、扭矩、振動、轉速、黏滑、環空壓力、環空溫度等多種分布式參數測量功能，可獲得全井筒的工程參數，該系統已成功完成多次現場試驗，初步具備了商業化應用條件。

1 工作原理與系統結構

1.1 工作原理

與鉆井液脈沖、電磁波、聲波等井下數據傳輸方法不同，有纜鉆桿技術使用光纖、雙絞線、同軸電纜等完成數據傳輸，自建的通訊線路不受地層、鉆井液、鉆具等的影響，具有全天候工作的能力，更容易實現高速、高可靠性的通訊。其中光纖方式在連續油管作業中更方便部署［9］。

俄羅斯電動鉆具使用有纜鉆桿在傳輸電能的同時傳輸井下信息，有纜鉆桿之間通過雙接觸導電裝置有線連接［10］；挪威國家石油公司的ReelWell 鉆井法使用雙壁鉆桿實現了鉆井液的閉環循環，其雙壁結構相當于同軸電纜，雙向通訊速率64 kb/s［11-12］；國內也有企業及研究機構研制有纜鉆桿［13］，但未見商業化應用報道。這些有纜鉆桿的鉆桿間連接均使用有線方式。

磁耦合有纜鉆桿使用同軸電纜傳輸高頻信號，其鉆桿間連接為磁耦合無線方式。如圖1所示，水眼內同軸電纜是主要傳輸信道，使用雙絞線等線纜也可以傳遞信號，但通訊速率較低、通訊距離較近［14-15］，與之相比，本文所說的裝備同軸電纜的有纜鉆桿可稱之為高頻有纜鉆桿。每根高頻磁耦合有纜鉆桿的兩頭都裝配有磁耦合線圈，鉆桿間的信道連接是磁耦合無線感應通訊方式。

圖1通訊信道示意圖Fig.1 Sketch of communication channel

圖2為鉆桿接頭之間磁耦合無線通訊示意圖。在有纜鉆桿的公接頭與母接頭處各放置了一個磁耦合線圈(單匝或多匝)，高頻信號通過線圈之間的磁耦合實現無線通訊。磁耦合線圈放置在鐵氧體材料中，具有高磁導率、低電導率特性的鐵氧體材料一方面形成磁場回路，另一方面可避免在金屬中產生渦流帶來能量損耗。

圖2磁耦合通訊示意圖Fig.2 Sketch of magnetic-coupling communication

由于不存在電氣接頭插拔等操作，這種磁耦合無線連接方式不會影響接單根等常規鉆井工藝，具有更廣的應用范圍。為了延長磁耦合有纜鉆桿的通訊距離，對其信道建模并進行電路仿真［16］、線性仿真［17］、線性與電磁結構混合仿真［18］，確定影響衰減的主要原因并歸納調諧方法。在經過仔細調諧之后，單根有纜鉆桿的衰減可降至2 dB以內，高頻信號在無需中繼的情況下，可以在無源有纜鉆柱中傳輸一定距離(無中繼傳輸距離)，目前信息鉆桿的無中繼傳輸距離超過300 m，能有效減少中繼器的使用數量。由于通信信道是有纜鉆具和中繼器的串聯連接，減少中繼器數量不僅可以提高可靠性，也可以降低生產、運行及維護成本。

1.2 系統結構

磁耦合有纜鉆桿系統可用于轉盤鉆或頂驅鉆機。以信息鉆桿為例，適合轉盤鉆的磁耦合有纜鉆桿系統結構如圖3所示。

圖3信息鉆桿系統結構Fig.3 Structure of information drill pipe system

磁耦合有纜鉆桿是井下數據通訊網絡的物理層，每隔若干根有纜鉆桿就需要一個中繼器接力放大信號。為了實現井下與地面的網絡通訊，需要配套各類有纜鉆具和其他功能組件及設備。以信息鉆桿為例，磁耦合有纜鉆桿系統包含表1 所示的主要功能部件。

表 1信息鉆桿主要功能部件Table 1 Main functional components of information drill pipe

所有井下測量數據，包含使用虛擬串口技術得到的第三方測量工具(如各類成像測量、隨鉆核磁共振及隨鉆地震前探(VSP)等)的數據、井下單元測量的動態定向參數(在鉆柱旋轉或振動時精確測量的井斜、方位及工具面等定向參數)及各個中繼器測量的分布參數，均通過有纜鉆具與中繼器調制解調器形成的井下令牌環網傳輸，這些數據在地面與數據服務器、工作站、司鉆顯示器等共同接入標準以太網，數據可以同時發送給外部的WITSML 服務器供第三方使用；地面控制信息也可以通過地面以太網和井下令牌環網發送到井下，實現對諸如擴徑器等執行機構的控制。

在建立未來無人值守的自動化智慧交通管理系統中,車牌識別將會越加重要。車牌識別技術需要能夠自主檢測處于監控區域內的車輛并追蹤捕獲其牌照內容進行后續處理。所以車牌識別首先需要以攝像機所拍攝的包含車輛元素的視頻幀序列為對象進行車牌定位分析,然后進一步進行車牌字符識別。本文基于實時化目標檢測算法Yolov2[8]訓練車牌定位模型,并將其檢測定位的車牌區域切割作為車牌字符處理系統的激勵。

與NOV 的智能鉆桿相比［20］，中國石油集團工程技術研究院的信息鉆桿具有明顯的后發優勢：NOV 的DataSwivel 數據水龍頭只有有線通訊方式，信息鉆桿的無線短節還具備標準無線局域網通訊方式，安裝更簡便；由于使用了第三方廠家的分布參數測量工具，NOV 的中繼器DataLink 需要增加一個接口短節與BlackStream 沿鉆柱測量工具相連，而信息鉆桿的中繼器同時包含這兩種功能，在降低成本的同時提高了系統可靠性；與NOV 的NetPulse測試工具相比，信息鉆桿便攜測試儀內置虛擬網絡分析儀，可以定量測量有纜鉆具的高頻衰減特性等。

2 關鍵技術

2.1 高速調制解調器

高速調制解調器主要完成高頻信號的接收、放大、解調、調制、發射等功能。可以選擇多種信號調制方法，信息鉆桿選用了頻移鍵控(FSK)調制方式，該方式具有較好的抗干擾及抗衰減能力。圖4給出了高速調制解調器的功能框圖。

圖4高速調制解調器Fig.4 High-speed modem

磁耦合線圈接收到的高頻信號經由微控制器控制的單刀雙擲(SPDT)電子開關進入接收模擬前端，經帶通濾波、低噪聲信號放大后由高速模數轉換器(ADC)數字化，FPGA 進行濾波、解調等數字信號處理(DSP)，解調出的數字序列通過接口發送給微控制器；同樣作為軟件無線電的發射部分，FPGA 調制要發送的數字序列，經高速數模轉換器(DAC)轉換為模擬信號，通過射頻功率放大器輸出到同一個磁耦合線圈發送出去。圖4只繪出了一路磁耦合線圈處理電路，一個高速調制解調器有上下兩路磁耦合線圈處理電路，既可以用于單路的井下單元也可以用于兩路的中繼器。使用FPGA 實現數字信號處理具有緊湊、低功耗、低成本及算法靈活的優勢［21］。

高速調制解調器有通訊速率與無中繼傳輸距離2個重要指標。信息鉆桿的高速調制解調器實現了在100 kb/s通訊速率下高于300 m 的無中繼傳輸距離，并且依然有提升空間。

2.2 井下令牌環網

令牌環網是IBM 于上世紀70年代發展的一種局域網組網技術，后來被電氣和電子工程師協會(IEEE)確定為802.5標準。在令牌環網中，所有工作站在網絡拓撲結構上連接為一個環，每個工作站只能同相鄰的工作站傳輸數據，通過圍繞環的令牌信息授予工作站傳輸權限［22］。雖然由于令牌環網自身局限性，當今組網已很少使用此項技術，但其獨特性能特別適合磁耦合有纜鉆桿系統的井下數據高效組網傳輸。

在磁耦合有纜鉆桿系統中，所有中繼器、井下單元及數據服務器都是井下令牌環網上的工作站，可以稱之為網絡節點，如圖5所示。從物理結構來看，網絡節點通過高速調制解調器聯結成鏈狀結構，如果從數據服務器發起通訊，網絡數據包下行依次經過中繼器#1、#2、…、#N到達井下單元，井下單元再將網絡數據包發回，經過中繼器#N、…、#2、#1上行回到數據服務器，網絡拓撲形成一個環路通訊，通過令牌傳遞實現多點對多點的數據傳輸。顯然，在這個過程中，每個中繼器要處理2次網絡數據包。

圖5令牌環網物理及拓撲結構Fig.5 Physical and topological structures of token ring

信息鉆桿使用了簡化的令牌環網協議，可以高效實現多點對多點的網絡數據通訊，該簡化措施可提高有效傳輸速率并有利于節電。井下數據到達數據服務器后就可以通過地面的標準以太網與工作站、司鉆顯示器等完成數據交流。地面標準以太網支持IEEE802.11無線通訊。

2.3 虛擬串口技術

作為井下信息的“高速公路”，磁耦合有纜鉆桿為各類第三方井下測量工具提供了一套高速數據傳輸信道，可將其井下數據高速實時傳輸到地面，第三方井下測量工具需要和磁耦合有纜鉆桿的系統接口相連完成數據連接。

一般來說，第三方測量工具的生產廠家大都已經有一套完整的系統來實現數據采集、傳輸及處理。以核磁共振測量為例，井下測量工具獲取數據，通過測井電纜或鉆井液脈沖(隨鉆)傳送到地面，由地面系統完成信號反演等工作［23］，即地面系統與井下測量工具的通訊信道可能已經建成，或者有直連線路用于試驗通訊。為了盡量不影響原有的第三方井下測量工具及地面系統，加快第三方工具與信息鉆桿的集成，虛擬串口技術應運而生。

虛擬串口技術將井下令牌環網的復雜多層協議打包起來，以最常用的串口通訊技術公開給第三方廠家，以方便系統集成。

信息鉆桿井下單元內部的測控模塊有UART、RS232、RS485、SPI、I2C、CAN 及單信號總線等多種接口用于同第三方測量工具的接口相連。數據服務器將井下令牌環網的多層協議打包，通過虛擬串口轉換器與第三方地面系統相連，在第三方地面系統看來，整個井下令牌環網被“虛擬”成簡單直連的串口通訊，無需任何改變就可以沿用原來的通訊協議與自己的井下測量工具通訊。

如圖3所示，虛擬串口轉換器一方面通過以太網與地面網絡相連，一方面通過物理RS232串口與第三方廠家的地面系統相連，不同第三方測量工具的地面系統可以直接通過串口與其各自的井下測量工具通訊，控制或獲取數據。為了方便集成，信息鉆桿系統同時提供了虛擬串口仿真器來仿真令牌環網。

2.4 分布參數測量

磁耦合有纜鉆桿強大的網絡通訊能力令全井筒參數測量成為可能，分布在全井筒的每一個中繼器都配備有一個測控模塊，可以完成多種分布參數的測量。

NOV 的BlackStream 沿鉆柱測量工具可以測量環空溫度、環空壓力等多種分布參數，獲得全井筒的全面信息。

中國石油集團工程技術研究院的信息鉆桿中繼器內置的測控模塊可以完成環空溫度、環空壓力［24］、扭矩、拉力、振動［25］等多種分布式參數測量功能［26］，各項參數的功能指標如表2所示。根據拉力可以進一步計算鉆壓，監測實時轉速變化得到黏滑參數。

由于需要沿鉆柱實現全井筒的分布參數測量，每隔一定距離的每個中繼器都具有分布參數測量功能。由于測點數量眾多，即使是常規測量技術，分布參數測量模塊的價格敏感程度也較高。信息鉆桿使用國產石英晶體壓力傳感器配合自主研制的基于多周期同步測頻技術的雙通道高精度頻率計［27］，可以替代昂貴的進口同類數字壓力計，成本僅有進口產品的五分之一。

表2信息鉆桿測控模塊功能指標Table 2 Functional indicator of measurement and control module of information drill pipe

全井筒參數數據的高效顯示是個難點，信息鉆桿首次研發了3D熱力圖來顯示全井筒分布參數數據，該顯示模塊是信息鉆桿數據服務器軟件的一部分。以圖6環空壓力為例，通過其3D熱力圖可以直觀發現井下的壓力異常井段，用于判斷井涌或井漏，并隨時顯示局部點的精確數據。

圖6環空壓力3D熱力圖Fig.6 3D thermodynamic diagram of annulus pressure

3 發展趨勢

3.1 應用領域

基于磁耦合原理的磁耦合有纜鉆桿在不改變接單根等常規鉆井工藝的條件下實現了地面、井下數據的雙向、高速、全天候傳輸。其高速通訊能力可以將井下測量工具采集的大量數據實時傳送到地面，可以在第一時間得到未受鉆井液長時間浸泡的 “新鮮”地層的真實數據，有利于得到準確測量結果，有利于實現隨鉆實時測井，有利于輔助實時鉆井決策；在配備了分布參數測量功能后可以實時得到全井筒的各項參數信息，在鉆井參數優化、控壓鉆井、保證井控安全等方面有重要意義；自建的通訊線路不受地層、鉆井液等外部因素的影響，適用于氣體鉆、泡沫鉆等非常規鉆井工藝；雙向通訊能力可用于控制井下擴徑器、閥門、取心裝置、人工中子源等的開啟與關閉。

NOV 智能鉆桿的最初研制動機就是想要將井下地震波數據實時傳送到地面，這是因為隨鉆地震波數據容量巨大，并且井下不具備實時反演的計算能力。經過多年發展，NOV 的智能鉆桿已經在鉆井多個應用領域有了長足進步，作為eVolve鉆井參數優化服務的核心組件，基于智能鉆桿的BlackStream沿鉆柱測量工具已經得到廣泛應用，如：窄壓力窗口的控壓鉆井［28］、封隔器在預定位置坐封［29］、提供精確的地層試驗數據［30］、高效堵漏［31］、監測井壁穩定性［32］、確認有效的流體屏障［33］；提供井筒完整性數據［34］；實時決策分析的SoftSpeed專家系統可以根據鉆具的振動情況來調整鉆壓等參數，在提高機械鉆速的同時延長鉆頭等鉆具的壽命，減少起鉆次數［35］。

3.2 智能(自動化)鉆井

鉆井參數優化技術可使鉆進過程保持在最優的經濟技術指標下［36］,自動化鉆井的地面與井下的雙向高速可靠通信技術仍然存在技術瓶頸［37］，高頻磁耦合有纜鉆桿的高速數據傳輸能力使作業者實時獲得井下信息，將是未來井下數據傳輸的主要方向之一［38］，可用于鉆井參數優化及自動化鉆井等領域。智能(自動化)鉆井通過建立適當的鉆井模型來優化鉆井過程，具有信息化、智能化、自動化的特點，能夠降低鉆井風險、提高鉆進效率、降低生產成本，是未來石油鉆井的發展趨勢。

智能(自動化)鉆井技術需要采集大量的井下地質、工程等參數并實時傳送到地面，由專家系統等軟件完成數據處理、分析與判斷，產生的決策指令從地面返回井下執行機構，形成雙向雙工閉環系統控制。傳統隨鉆通訊方式很難滿足智能(自動化)鉆井所需的高速、雙向且穩定可靠的隨鉆數據傳輸：鉆井液脈沖發生器通過壓力波單向傳輸數據，速率不超過每秒幾十比特；電磁波(EM)通訊速率低，其傳輸距離受地層電阻率等性質的影響大。同樣作為無線通訊技術，國內正處于試驗階段的聲波通訊的可靠性也受環境條件影響。

采用有線通訊技術的磁耦合有纜鉆桿不受鉆井液、地層等環境條件影響，不僅能滿足智能(自動化)鉆井高速、雙向的通訊需求，更可以進行組網通訊。NOV 的eVolve鉆井參數優化服務僅僅是智能(自動化)鉆井的初步嘗試，憑借其獨特優勢，磁耦合有纜鉆桿日后可能獲得長足發展。

3.3 不足之處

油氣市場在經歷了幾年低迷后，鉆井業對于成本控制有了更迫切的需求。與采用其他技術的有纜鉆桿相比，磁耦合有纜鉆桿不改變常規鉆井工藝，自身也可以作為常規鉆桿使用，具有顯著的競爭優勢。雖然有更高的性價比，與常規鉆井工藝相比，磁耦合有纜鉆桿依然有更高的應用成本，這可能是妨礙其未來廣泛應用的主要瓶頸。

NOV 認為使用有纜鉆桿可以縮短鉆井時間、節省鉆井費用［39-40］。通過提高井下網絡的通訊可靠性來減少維修、維護成本［41］。中國石油集團工程技術研究院的信息鉆桿在減少應用成本方面也有如下對策。

(1)減少研發成本：采用新技術、新方法、新器件，充分發揮后發優勢，縮短研制及實驗時間。

(2)減少生產成本：前文以石英晶體壓力傳感器為例，可利用新工藝、新技術降低硬件成本；通過改進裝配及檢驗工藝降低生產難度，縮短生產時間；通過使用標準件來減少器件庫存備貨等。

(3)減少運行成本：通過提高通訊速率、增大無中繼傳輸距離來減少中繼器的使用，以減少高溫鋰電池的消耗等。

(4)減少維護成本：通過提高系統可靠性來減少維修成本，通過增強系統易用性來減少培訓成本等。

4 結論

(1)有纜鉆桿技術使用線纜完成數據傳輸，不受地層、鉆井液、鉆具等影響，具有全天候工作的能力，更容易實現高速、高可靠性的通訊。磁耦合有纜鉆桿使用同軸電纜傳輸高頻信號，鉆桿間連接為磁耦合無線感應，兼容常規的鉆井工藝，目前已經實現商業化應用。

(2)磁耦合有纜鉆桿分為地面及井下兩部分：地面系統包含數據服務器、工作站、司鉆顯示器及無線短節等功能部件，井下系統由中繼器、井下單元以及各類有纜鉆具組成。由于是自建信道，扶正器等鉆具均需要專用的有纜鉆具。

(3)磁耦合有纜鉆桿的專用技術包含高速調制解調器、井下令牌環網、分布式參數測量及虛擬串口等，其中虛擬串口技術封裝了復雜的令牌環網通訊協議，更方便第三方測量工具廠家利用磁耦合有纜鉆桿的高速優勢。

(4)通過磁耦合有纜鉆桿，井下隨鉆數據可以高速實時上傳，有利于輔助實時鉆井決策，在配備分布參數測量功能后可以實時得到全井筒的各項參數信息，在鉆井參數優化、控壓鉆井、保證井控安全等方面有重要意義，也是智能(自動化)鉆井的井下通訊基礎。