隨鉆數據微存儲器井下釋放傳輸系統關鍵技術研究

李繼博，倪衛寧，曾義金

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100101； 2.中國石化 石油工程技術研究院, 北京100101)

在油井開發過程的各個階段，都需要進行地面與井下的信息交互。其中最典型的電纜測井，需要把測井儀器采集到的大量井下地層信息傳輸到地面，此時的信息傳輸是通過下放專門的多芯電纜來完成信息的傳遞。在油井開發的其它環節，由于安全和成本的考慮，不適合在井筒里布置多芯電纜，例如隨鉆測井過程中，很少采用有線的方式傳輸井下工具采集的信號。為了在隨鉆測井過程中把井下信息傳遞到地面，已經研制了多種無線傳輸方法，主要有泥漿脈沖傳輸、低頻電磁波傳輸和聲波傳輸[1-6]；此外智能鉆柱也是解決方案之一[7-9]。目前應用最廣泛、最成熟的是泥漿脈沖傳輸法，其次是低頻電磁波傳輸法，其他方法由于成本和安全等原因，投入生產服務的非常少。泥漿脈沖傳輸和低頻電磁波傳輸存在的最大問題是傳輸速率太低，以泥漿脈沖為例，目前服務的產品很難超過10 bit/s，這與電纜測井的1×105bit/s以上相差甚遠。因此，國內外各家研究機構都在開展更高速傳輸方法的研究。

采用井下釋放微存儲器將隨鉆數據傳輸到地面的大容量數據傳輸方法國內外未見成熟產品報導，國外貝殼休斯公司對該技術進行過研究[10-11]，國內中國石化石油工程技術研究院對該技術進行了專利申報[12-15]。本文將對中國石化石油工程技術研究院的相關技術進行介紹，包括隨鉆數據微存儲器井下數據交換技術、井下釋放技術和地面回收技術等。

1 井下釋放傳輸系統結構

井下釋放傳輸系統結構如圖1所示，主要包括3項關鍵技術：井下數據交換技術、井下釋放技術和地面回收技術。

圖1 井下釋放傳輸系統結構示意

1.1 井下釋放傳輸系統工作原理

釋放式數據傳輸方法如圖2所示，無線發射裝置以電信號形式接收隨鉆測井數據，然后利用無線射頻技術(RFID)將數據發送給微存儲器。微存儲器中裝有感應線圈，可接收數據，并將數據存放在存儲芯片中；當地面工程人員需要井下測井數據時，在地面發出釋放指令，釋放短節接收到該指令，使釋放裝置開始工作，將微存儲器釋放在井壁與鉆桿的環空當中，由鉆井液攜帶至地面；地面回收系統中的回收裝置可從鉆井液及巖屑中分離出微存儲器，最后進行數據讀取。

圖2 隨鉆數據傳輸系統結構框圖

1.2 井下數據交換技術

傳統的射頻標簽大多做成卡片的形式，卡片的大小主要由天線的尺寸決定。這種標簽本身就具備無線充電能力，在工作時，首先通過無線方式將其充電，使其內部電路啟動完成身份識別等功能。由于應用需求，這些射頻標簽的存儲量相對比較小，不能滿足隨鉆傳輸需求。為了應用到隨鉆傳輸上，需要外掛大容量微存儲器(如圖3)，拓展存儲空間。

圖3 無線充電大容量存儲器功能框圖

由于用于隨鉆傳輸的微存儲器需要滿足井下工況對壓力、壽命和溫度等要求，使得電池供電可行性不大。為了實現大容量微存儲器有效工作，必須提供其它可靠供電方式。為了提供這個供電電源，設計了一種借助射頻信號的無線充電技術，無線充電大容量微存儲器芯片系統如圖4所示，該系統采用1 Mbit容量存儲器，相同數據量如果采用常規傳輸方式進行傳輸(<10 bit/s)需要傳輸28 h。

a 正面 b 背面

1.3 井下釋放技術

井下釋放短節包括信號接收天線、儲存艙、控制艙、數據讀寫天線、釋放執行機構和釋放口，如圖5。信號接收天線用于接收地面的釋放指令，儲存艙用于儲存微存儲器，控制艙用于安裝存儲器釋放控制電路板，數據讀寫天線用于對存儲器進行數據讀寫，釋放執行機構用于提供存儲器的釋放力，存儲器最終由釋放孔釋放到環空中，伴隨著鉆井液返回到地面。

圖5 微存儲器井下釋放短節

1.4 地面回收技術

隨鉆數據微存儲器地面回收包括微存儲器地面回收裝置和數據讀取裝置，其流程如圖6所示。微存儲器在井下通過釋放短節釋放，然后隨鉆井液循環到地面，經振動篩分離后，隨巖屑一起進入微存儲器地面回收裝置，回收裝置采用特殊結構設計，能夠分離出存儲器并對其中的數據進行讀取，再將存儲器內的數據傳輸給計算機，最終實現井下信息的識別利用。

2 試驗研究

2.1 微存儲器無線讀寫測試

通過無線方式對1 Mbit容量微存儲器芯片系統進行了讀寫測試(如圖7)，測試讀寫速率達到250 kbit/s，完成一枚存儲器的數據交互(包含讀寫、存儲、校驗和空中傳輸等時間)需要約10 min。

圖7 微存儲器的無線讀寫測試

2.2 微存儲器壓力測試

通過超聲波打壓儀對封裝完成的存儲器進行了壓力測試，測試壓力達到70 MPa，微存儲器能夠正常讀寫，耐壓能力達到設計要求。封裝的存儲器及測試設備如圖8。

2.3 微存儲器釋放測試

將微存儲器放置在儲存倉中模擬井下環境對其進行了釋放測試，將釋放短節安裝到多功能鉆井試驗臺循環管路中，開泵循環，逐步增加循環排量至10 L/s，測試微存儲器的數據讀寫性能，讀寫完成后執行存儲器的釋放指令，完成微存儲器的釋放和回收，如圖9所示。

a 存儲器 b 測試設備

圖9 微存儲器的釋放測試

2.4 試驗結果

針對隨鉆數據微存儲器井下釋放傳輸系統的關鍵技術進行了測試，測試數據反映井下實際情況，能夠滿足井下的使用要求。針對微存儲器的讀寫測試和壓力測試表明，存儲器的讀寫速率和耐壓能力能夠滿足實際工況的要求，證明了信號傳輸、存儲器的封裝等關鍵技術的可靠性；循環模擬井釋放測試表明，儀器能夠根據釋放指令進行存儲器的可靠釋放，滿足實際工作要求。

3 結語

隨鉆數據微存儲器井下釋放傳輸系統的研制，為我國復雜油氣構造環境下油氣勘探開發中的高速率大容量井下隨鉆數據的上傳提供有力的技術支持和理論依據，解決了隨鉆成像所需要的信息瓶頸問題，為及時了解井眼及地層特性提供技術支持。

井下釋放方式提高了該技術的可靠性和經濟性，這種信息球輸送方式可以用于大容量微存儲器、微形壓力示蹤器以及其它隨鉆測量微型傳感器的發送，形成基于小尺寸半導體單元的隨鉆測量傳輸平臺，促進隨鉆測量及隨鉆高精度成像技術的發展。