电磁随钻测量中继器研制与应用

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(1. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100101；2. 中国石油化工股份有限公司 石油工程技术研究院，北京 100101)

电磁波随钻测量系统(EM-MWD)的信号传输深度受地层电阻率影响很大。目前，国外EM-MWD产品最大传输距离只有4 000多m，低阻油区甚至更短。我国鄂北地区，地层电阻率较高，均值在10～30 Ω·m左右，该地区EM-MWD传输深度能够达到3 000多m；而临盘、胜利等区块，地层电阻率一般低于4 Ω·m，EM-MWD产品在该地区传输深度最大只能达到1 600 m左右。EM-MWD有限的传输距离限制了其使用范围[1-4]。

为了解决传输深度问题，国内外在电磁信号中继技术方面进行了大量研究，但是真正推广应用的很少。在国内，只有川庆钻探公司工程技术研究院研制的CQEMWD-I型电磁波接力系统，以及中煤科工集团西安研究院研制的电磁信号中继器[5-6]，但是这2种电磁信号中继器都采用有线的方式进行信号的传输，现场使用存在诸多不便，下钻过程中需要停止较长时间，下入延伸天线，降低了钻井效率。在国外，只有Halliburton公司的相关专利介绍，没有相关应用报道[7-8]。中石化石油工程技术研究院研制了一套完全采用无线传输方式的电磁信号中继器系统，当钻井井深大于信号传输深度时，在钻柱上加装信号中继转发器，通过中继转发器接收井底发射机发射的信号，对信号进行功率放大后，再以不同的频率发射，地面接收机接收的是中继器发出的信号。通过东北、江苏等油区的大量应用证明，安装井下电磁信号中继器是提高EM-MWD传输深度最有效、经济的手段。

1 电磁信号中继系统结构及工作原理

1.1 中继器结构

电磁信号传输中继器主要由信号接收/发射天线组件、中继器电路模块和电池组模块等组成，系统结构如图1所示。

1) 中继器天线。

中继器天线具有2个功能，它既完成对井下发射机信号的接收，又实现对中继电磁信号的发射。该天线主要由上接头、下接头和绝缘接头3部分组成。其中上、下接头部分实现与上部和下部钻具的连接，绝缘接头将钻柱分隔成上下绝缘的两段，作为天线的两极，实现电磁中继信号的接收和发射。

2) 中继器电路模块。

中继器电路模块主要包括信号接收及处理模块和信号发射模块两大部分组成。信号接收处理模块是中继器的核心部分，也是实现信号中继的关键部件，主要由模拟信号前端处理器、A/D转换、数字滤波器、控制及数字信号处理器、数字信号处理软件等部分组成；对接收的井底信号进行自动增益控制、数字滤波、解调、解码、重新编码调制、SPI总线控制、数据通信等数字信号处理及系统控制。信号发射模块由信号整形电路、功率放大电路、辅助电路组成。完成对来自信号处理模块重新编码调制的电磁信号的功率放大，并通过信号接收/发射天线将放大后的电磁信号发射出去。

3) 电池组模块。

为中继器各部分提供电源。

1.2 工作原理

电磁随钻测量中继器主要通过接收/发射天线接收井下发射机发出的电磁信号，经过中继器电路模块进行信号的放大、滤波及A/D转换，解码井底的测量数据信号，然后再将解码后的信号重新编码形成新的数据帧，通过波形合成，功率放大，经过发射天线将信号转发给地面接收机，从而实现电磁信号的接力传输[5]，其原理框图如图2所示。

2 电磁信号中继器的关键技术

2.1 中继器信号接收处理技术

中继器的接收处理器是中继器的核心部分，硬件结构上主要由模拟输入信号前端处理器、A/D转换、嵌入式微控制器组成，实现信号耦合、自动增益控制、模拟滤波及A/D 模数转换等功能。硬件电路结合软件编程实现数字信号滤波、信号解调、信号解码等数字信号处理任务。

其中，输入信号前端处理器的核心部分是自动增益控制器，由3级完全相同的可编程增益放大器、模拟低通滤波器以及SPI总线组成，如图3所示。

图3 输入信号前端处理器结构框图

进行井下信号传输时，随着地层环境不同，接收到的电磁信号幅值可能会发生较大变化，使用自动增益控制的优点在于能够根据接收到的信号强度自动改变放大倍数，使处理后的信号幅值维持在一个比较稳定的范围内，降低了后续信号处理的难度，提高了传输的准确度。

2.2 中继器信号转发处理技术

中继器信号转发处理器接收处理器发送的信息，进行相应处理后，将接收到的数据转换为电磁信号，交给中继器天线转发。

硬件结构上主要由FPGA版CPU、信号发射电路、保护电路组成。其中CPU编程实现信号编码、调制、工作电流控制。为了方便地面接收机区分井下发射机和中继器发出的两路信号，防止信号互相干扰，中继器信号转发处理器的调制信号以不同于井下发射机的频率发射。

软件方面采用实时操作系统，将要完成的工作分解为多个任务，并按处理的紧迫程度对任务进行区分。实时操作系统的多级中断嵌套处理机制，能够确保对紧迫程度较高的实时事件进行及时响应和处理。同时实时操作系统与嵌入式微控制器相结合，最大限度地降低了实时操作系统任务数量增加所引起的系统性能下降，使系统运行速度进一步提高。

2.3 信道编码技术

信道编码是指为了提高通信性能而设计的信号变换，使传输信号更好地抵抗各种信道损伤的影响，例如噪声、干扰以及衰减等[9]。大规模集成电路和高速数字信号处理技术的应用可以使信道改善10 dB，而成本却比诸如提高发射功率或采用更大尺寸的天线少得多。中继器在接收数据时采用卷积码编解码、帧同步校验和差分译码来保证传输可靠性。

3 现场应用

3.1 松辽油区胜利1井现场应用

胜利1井为预探直井，设计井深4 330 m。井下发射机安装在钻头上方，中继器安装在井下发射机上方1 558 m处。

调研结果显示，松辽地区0～3 000 m地层电阻率较低，为3～15 Ω·m，平均值为3～4 Ω·m。在3 000 m以下，地层电阻率均比较高，能够达到15～600 Ω.m。通过文献[10]理论分析， 该地区地层电阻率较低，井下发射机的有效传输距离只有2 100～2 300 m，井深继续增加，则地面接收机的解码误码率增加，仪器可靠性降低。加装中继器后，整套EM-MWD系统的传输深度达到3 521 m。CEM-1型地面接收机能够成功接收到电磁随钻测量仪在井底发射的测量数据，标志着中继器系统成功完成井下发射机信号的接收和二次转发。在这次试验过程中，中继器系统工作良好，信号稳定可靠，效果明显。仪器入井26 h，在起下钻和循环时，系统解码正常，得到的测量参数准确；中继器工作正常，中继传输效果明显。

3.2 东北油田SW33-27井应用情况

SW33-27井为定向井，设计井深2 360.94 m，造斜点1 650 m。井下发射机安装在螺杆上方无磁钻杆中，中继器安装在井下发射机上方1 250 m处。

在本井施工中，CEM-1及中继器在该井共进行了7趟钻应用，没有出现信号中断情况，仪器工作稳定。发射机累计工作时间为480.4 h，中继器累计工作时间为406.8 h。通过SW33-27井的应用，表明电磁随钻测量中继器系统在可靠性方面已达到了工业化应用要求。

根据完钻后该井实测地层电阻率计算，电阻率平均值为17.4 Ω·m，但该井地层电阻率分布极不均匀，从套管下深到300 m，平均地层电阻率超过10.4 Ω·m 。300～1 200 m，地层电阻率在1～5 Ω·m。井深大于1 200 m，电阻率又升高。地层电阻率分布曲线如图4所示，图5为该井实测信号衰减曲线。

图4 地层电阻率曲线

图5 电磁信号衰减曲线(放大100倍)

由图4～5知，信号衰减规律基本与地层电阻率分布规律相吻合，500 m处，信号幅度在8.5 V，此后衰减加快。到1 300 m，测得信号最大幅度只有0.038 V。因此，中继器在该井信号传输中发挥了重要作用，根据中继器安装位置，提高信号传输深度在80%以上，否则，无法完成该井施工。钻井过程中，井斜角、方位角测量稳定，测斜时，同一点的方位角测量值没有变化，且静态测量值与动态值误差小。图6和图7分别是电测方位角、井斜角与CEM-1测斜数据对比曲线。

图6 EM-MWD与电测方位角对比

图7 EM-MWD与电测井斜角对比

4 结论

1) 通过在钻柱中间加装中继器系统，大幅提高了电磁随钻测量仪器的信号传输深度，扩大了电磁随钻测量系统的应用范围。

2) 采用完全无线的方式传输信号，操作方便，传输速度快，有效地解决了电磁随钻测量的技术瓶颈问题。

3) 现场应用结果表明：电磁随钻测量中继器系统测量数据与电测数据吻合，测量精确可靠，将成为电磁随钻测量定向服务的常规手段，前景广阔。