磁耦合有缆钻杆关键技术与发展趋势

胡永建 黄衍福 李显义

中国石油集团工程技术研究院北京石油机械有限公司

0 引言

磁耦合有缆钻杆应用磁耦合原理完成有缆钻杆间的无线通信，在不改变接单根等常规钻井工艺的条件下实现了地面、井下数据的双向、高速、全天候传输。

作为磁耦合有缆钻杆的典范，美国国民油井华高(NOV)旗下IntelliServ 公司的智能钻杆(IntelliPipe)是全球第一个商业化应用的磁耦合有缆钻杆系统，被称为21世纪最具革命性的钻井工艺［1-2］。NOV的eVolve钻井参数优化服务的目的是实现自动化、数据驱动的智能钻井，包括实现全井筒数据采集的BlackStream 沿钻柱测量工具和实时决策分析的SoftSpeed 专家系统等，所有数据通过基于智能钻杆的宽带网络(Broadband Network)传输，通讯速率高达57 kb/s［3-6］。中国石油经济技术研究院遴选了2018 年值得关注的10大国外工程技术进展：钻井参数优化技术特指NOV 的eVolve 钻井参数优化服务；在随钻前探技术和智能钻机技术中，具有高速、双向特性的磁耦合有缆钻杆也将发挥重要作用［7］。

作为“十三五”深井超深井钻完井技术发展目标之一［8］，中国石油集团工程技术研究院自主研制了Ø127 mm 全系统、全功能磁耦合有缆钻杆系统，称为信息钻杆(InforPipe)，通讯速率为100 kb/s，其中继器同时具备钻压、扭矩、振动、转速、黏滑、环空压力、环空温度等多种分布式参数测量功能，可获得全井筒的工程参数，该系统已成功完成多次现场试验，初步具备了商业化应用条件。

1 工作原理与系统结构

1.1 工作原理

与钻井液脉冲、电磁波、声波等井下数据传输方法不同，有缆钻杆技术使用光纤、双绞线、同轴电缆等完成数据传输，自建的通讯线路不受地层、钻井液、钻具等的影响，具有全天候工作的能力，更容易实现高速、高可靠性的通讯。其中光纤方式在连续油管作业中更方便部署［9］。

俄罗斯电动钻具使用有缆钻杆在传输电能的同时传输井下信息，有缆钻杆之间通过双接触导电装置有线连接［10］；挪威国家石油公司的ReelWell 钻井法使用双壁钻杆实现了钻井液的闭环循环，其双壁结构相当于同轴电缆，双向通讯速率64 kb/s［11-12］；国内也有企业及研究机构研制有缆钻杆［13］，但未见商业化应用报道。这些有缆钻杆的钻杆间连接均使用有线方式。

磁耦合有缆钻杆使用同轴电缆传输高频信号，其钻杆间连接为磁耦合无线方式。如图1所示，水眼内同轴电缆是主要传输信道，使用双绞线等线缆也可以传递信号，但通讯速率较低、通讯距离较近［14-15］，与之相比，本文所说的装备同轴电缆的有缆钻杆可称之为高频有缆钻杆。每根高频磁耦合有缆钻杆的两头都装配有磁耦合线圈，钻杆间的信道连接是磁耦合无线感应通讯方式。

图1通讯信道示意图Fig.1 Sketch of communication channel

图2为钻杆接头之间磁耦合无线通讯示意图。在有缆钻杆的公接头与母接头处各放置了一个磁耦合线圈(单匝或多匝)，高频信号通过线圈之间的磁耦合实现无线通讯。磁耦合线圈放置在铁氧体材料中，具有高磁导率、低电导率特性的铁氧体材料一方面形成磁场回路，另一方面可避免在金属中产生涡流带来能量损耗。

图2磁耦合通讯示意图Fig.2 Sketch of magnetic-coupling communication

由于不存在电气接头插拔等操作，这种磁耦合无线连接方式不会影响接单根等常规钻井工艺，具有更广的应用范围。为了延长磁耦合有缆钻杆的通讯距离，对其信道建模并进行电路仿真［16］、线性仿真［17］、线性与电磁结构混合仿真［18］，确定影响衰减的主要原因并归纳调谐方法。在经过仔细调谐之后，单根有缆钻杆的衰减可降至2 dB以内，高频信号在无需中继的情况下，可以在无源有缆钻柱中传输一定距离(无中继传输距离)，目前信息钻杆的无中继传输距离超过300 m，能有效减少中继器的使用数量。由于通信信道是有缆钻具和中继器的串联连接，减少中继器数量不仅可以提高可靠性，也可以降低生产、运行及维护成本。

1.2 系统结构

磁耦合有缆钻杆系统可用于转盘钻或顶驱钻机。以信息钻杆为例，适合转盘钻的磁耦合有缆钻杆系统结构如图3所示。

图3信息钻杆系统结构Fig.3 Structure of information drill pipe system

磁耦合有缆钻杆是井下数据通讯网络的物理层，每隔若干根有缆钻杆就需要一个中继器接力放大信号。为了实现井下与地面的网络通讯，需要配套各类有缆钻具和其他功能组件及设备。以信息钻杆为例，磁耦合有缆钻杆系统包含表1 所示的主要功能部件。

表 1信息钻杆主要功能部件Table 1 Main functional components of information drill pipe

所有井下测量数据，包含使用虚拟串口技术得到的第三方测量工具(如各类成像测量、随钻核磁共振及随钻地震前探(VSP)等)的数据、井下单元测量的动态定向参数(在钻柱旋转或振动时精确测量的井斜、方位及工具面等定向参数)及各个中继器测量的分布参数，均通过有缆钻具与中继器调制解调器形成的井下令牌环网传输，这些数据在地面与数据服务器、工作站、司钻显示器等共同接入标准以太网，数据可以同时发送给外部的WITSML 服务器供第三方使用；地面控制信息也可以通过地面以太网和井下令牌环网发送到井下，实现对诸如扩径器等执行机构的控制。

在建立未来无人值守的自动化智慧交通管理系统中,车牌识别将会越加重要。车牌识别技术需要能够自主检测处于监控区域内的车辆并追踪捕获其牌照内容进行后续处理。所以车牌识别首先需要以摄像机所拍摄的包含车辆元素的视频帧序列为对象进行车牌定位分析,然后进一步进行车牌字符识别。本文基于实时化目标检测算法Yolov2[8]训练车牌定位模型,并将其检测定位的车牌区域切割作为车牌字符处理系统的激励。

与NOV 的智能钻杆相比［20］，中国石油集团工程技术研究院的信息钻杆具有明显的后发优势：NOV 的DataSwivel 数据水龙头只有有线通讯方式，信息钻杆的无线短节还具备标准无线局域网通讯方式，安装更简便；由于使用了第三方厂家的分布参数测量工具，NOV 的中继器DataLink 需要增加一个接口短节与BlackStream 沿钻柱测量工具相连，而信息钻杆的中继器同时包含这两种功能，在降低成本的同时提高了系统可靠性；与NOV 的NetPulse测试工具相比，信息钻杆便携测试仪内置虚拟网络分析仪，可以定量测量有缆钻具的高频衰减特性等。

2 关键技术

2.1 高速调制解调器

高速调制解调器主要完成高频信号的接收、放大、解调、调制、发射等功能。可以选择多种信号调制方法，信息钻杆选用了频移键控(FSK)调制方式，该方式具有较好的抗干扰及抗衰减能力。图4给出了高速调制解调器的功能框图。

图4高速调制解调器Fig.4 High-speed modem

磁耦合线圈接收到的高频信号经由微控制器控制的单刀双掷(SPDT)电子开关进入接收模拟前端，经带通滤波、低噪声信号放大后由高速模数转换器(ADC)数字化，FPGA 进行滤波、解调等数字信号处理(DSP)，解调出的数字序列通过接口发送给微控制器；同样作为软件无线电的发射部分，FPGA 调制要发送的数字序列，经高速数模转换器(DAC)转换为模拟信号，通过射频功率放大器输出到同一个磁耦合线圈发送出去。图4只绘出了一路磁耦合线圈处理电路，一个高速调制解调器有上下两路磁耦合线圈处理电路，既可以用于单路的井下单元也可以用于两路的中继器。使用FPGA 实现数字信号处理具有紧凑、低功耗、低成本及算法灵活的优势［21］。

高速调制解调器有通讯速率与无中继传输距离2个重要指标。信息钻杆的高速调制解调器实现了在100 kb/s通讯速率下高于300 m 的无中继传输距离，并且依然有提升空间。

2.2 井下令牌环网

令牌环网是IBM 于上世纪70年代发展的一种局域网组网技术，后来被电气和电子工程师协会(IEEE)确定为802.5标准。在令牌环网中，所有工作站在网络拓扑结构上连接为一个环，每个工作站只能同相邻的工作站传输数据，通过围绕环的令牌信息授予工作站传输权限［22］。虽然由于令牌环网自身局限性，当今组网已很少使用此项技术，但其独特性能特别适合磁耦合有缆钻杆系统的井下数据高效组网传输。

在磁耦合有缆钻杆系统中，所有中继器、井下单元及数据服务器都是井下令牌环网上的工作站，可以称之为网络节点，如图5所示。从物理结构来看，网络节点通过高速调制解调器联结成链状结构，如果从数据服务器发起通讯，网络数据包下行依次经过中继器#1、#2、…、#N到达井下单元，井下单元再将网络数据包发回，经过中继器#N、…、#2、#1上行回到数据服务器，网络拓扑形成一个环路通讯，通过令牌传递实现多点对多点的数据传输。显然，在这个过程中，每个中继器要处理2次网络数据包。

图5令牌环网物理及拓扑结构Fig.5 Physical and topological structures of token ring

信息钻杆使用了简化的令牌环网协议，可以高效实现多点对多点的网络数据通讯，该简化措施可提高有效传输速率并有利于节电。井下数据到达数据服务器后就可以通过地面的标准以太网与工作站、司钻显示器等完成数据交流。地面标准以太网支持IEEE802.11无线通讯。

2.3 虚拟串口技术

作为井下信息的“高速公路”，磁耦合有缆钻杆为各类第三方井下测量工具提供了一套高速数据传输信道，可将其井下数据高速实时传输到地面，第三方井下测量工具需要和磁耦合有缆钻杆的系统接口相连完成数据连接。

一般来说，第三方测量工具的生产厂家大都已经有一套完整的系统来实现数据采集、传输及处理。以核磁共振测量为例，井下测量工具获取数据，通过测井电缆或钻井液脉冲(随钻)传送到地面，由地面系统完成信号反演等工作［23］，即地面系统与井下测量工具的通讯信道可能已经建成，或者有直连线路用于试验通讯。为了尽量不影响原有的第三方井下测量工具及地面系统，加快第三方工具与信息钻杆的集成，虚拟串口技术应运而生。

虚拟串口技术将井下令牌环网的复杂多层协议打包起来，以最常用的串口通讯技术公开给第三方厂家，以方便系统集成。

信息钻杆井下单元内部的测控模块有UART、RS232、RS485、SPI、I2C、CAN 及单信号总线等多种接口用于同第三方测量工具的接口相连。数据服务器将井下令牌环网的多层协议打包，通过虚拟串口转换器与第三方地面系统相连，在第三方地面系统看来，整个井下令牌环网被“虚拟”成简单直连的串口通讯，无需任何改变就可以沿用原来的通讯协议与自己的井下测量工具通讯。

如图3所示，虚拟串口转换器一方面通过以太网与地面网络相连，一方面通过物理RS232串口与第三方厂家的地面系统相连，不同第三方测量工具的地面系统可以直接通过串口与其各自的井下测量工具通讯，控制或获取数据。为了方便集成，信息钻杆系统同时提供了虚拟串口仿真器来仿真令牌环网。

2.4 分布参数测量

磁耦合有缆钻杆强大的网络通讯能力令全井筒参数测量成为可能，分布在全井筒的每一个中继器都配备有一个测控模块，可以完成多种分布参数的测量。

NOV 的BlackStream 沿钻柱测量工具可以测量环空温度、环空压力等多种分布参数，获得全井筒的全面信息。

中国石油集团工程技术研究院的信息钻杆中继器内置的测控模块可以完成环空温度、环空压力［24］、扭矩、拉力、振动［25］等多种分布式参数测量功能［26］，各项参数的功能指标如表2所示。根据拉力可以进一步计算钻压，监测实时转速变化得到黏滑参数。

由于需要沿钻柱实现全井筒的分布参数测量，每隔一定距离的每个中继器都具有分布参数测量功能。由于测点数量众多，即使是常规测量技术，分布参数测量模块的价格敏感程度也较高。信息钻杆使用国产石英晶体压力传感器配合自主研制的基于多周期同步测频技术的双通道高精度频率计［27］，可以替代昂贵的进口同类数字压力计，成本仅有进口产品的五分之一。

表2信息钻杆测控模块功能指标Table 2 Functional indicator of measurement and control module of information drill pipe

全井筒参数数据的高效显示是个难点，信息钻杆首次研发了3D热力图来显示全井筒分布参数数据，该显示模块是信息钻杆数据服务器软件的一部分。以图6环空压力为例，通过其3D热力图可以直观发现井下的压力异常井段，用于判断井涌或井漏，并随时显示局部点的精确数据。

图6环空压力3D热力图Fig.6 3D thermodynamic diagram of annulus pressure

3 发展趋势

3.1 应用领域

基于磁耦合原理的磁耦合有缆钻杆在不改变接单根等常规钻井工艺的条件下实现了地面、井下数据的双向、高速、全天候传输。其高速通讯能力可以将井下测量工具采集的大量数据实时传送到地面，可以在第一时间得到未受钻井液长时间浸泡的 “新鲜”地层的真实数据，有利于得到准确测量结果，有利于实现随钻实时测井，有利于辅助实时钻井决策；在配备了分布参数测量功能后可以实时得到全井筒的各项参数信息，在钻井参数优化、控压钻井、保证井控安全等方面有重要意义；自建的通讯线路不受地层、钻井液等外部因素的影响，适用于气体钻、泡沫钻等非常规钻井工艺；双向通讯能力可用于控制井下扩径器、阀门、取心装置、人工中子源等的开启与关闭。

NOV 智能钻杆的最初研制动机就是想要将井下地震波数据实时传送到地面，这是因为随钻地震波数据容量巨大，并且井下不具备实时反演的计算能力。经过多年发展，NOV 的智能钻杆已经在钻井多个应用领域有了长足进步，作为eVolve钻井参数优化服务的核心组件，基于智能钻杆的BlackStream沿钻柱测量工具已经得到广泛应用，如：窄压力窗口的控压钻井［28］、封隔器在预定位置坐封［29］、提供精确的地层试验数据［30］、高效堵漏［31］、监测井壁稳定性［32］、确认有效的流体屏障［33］；提供井筒完整性数据［34］；实时决策分析的SoftSpeed专家系统可以根据钻具的振动情况来调整钻压等参数，在提高机械钻速的同时延长钻头等钻具的寿命，减少起钻次数［35］。

3.2 智能(自动化)钻井

钻井参数优化技术可使钻进过程保持在最优的经济技术指标下［36］,自动化钻井的地面与井下的双向高速可靠通信技术仍然存在技术瓶颈［37］，高频磁耦合有缆钻杆的高速数据传输能力使作业者实时获得井下信息，将是未来井下数据传输的主要方向之一［38］，可用于钻井参数优化及自动化钻井等领域。智能(自动化)钻井通过建立适当的钻井模型来优化钻井过程，具有信息化、智能化、自动化的特点，能够降低钻井风险、提高钻进效率、降低生产成本，是未来石油钻井的发展趋势。

智能(自动化)钻井技术需要采集大量的井下地质、工程等参数并实时传送到地面，由专家系统等软件完成数据处理、分析与判断，产生的决策指令从地面返回井下执行机构，形成双向双工闭环系统控制。传统随钻通讯方式很难满足智能(自动化)钻井所需的高速、双向且稳定可靠的随钻数据传输：钻井液脉冲发生器通过压力波单向传输数据，速率不超过每秒几十比特；电磁波(EM)通讯速率低，其传输距离受地层电阻率等性质的影响大。同样作为无线通讯技术，国内正处于试验阶段的声波通讯的可靠性也受环境条件影响。

采用有线通讯技术的磁耦合有缆钻杆不受钻井液、地层等环境条件影响，不仅能满足智能(自动化)钻井高速、双向的通讯需求，更可以进行组网通讯。NOV 的eVolve钻井参数优化服务仅仅是智能(自动化)钻井的初步尝试，凭借其独特优势，磁耦合有缆钻杆日后可能获得长足发展。

3.3 不足之处

油气市场在经历了几年低迷后，钻井业对于成本控制有了更迫切的需求。与采用其他技术的有缆钻杆相比，磁耦合有缆钻杆不改变常规钻井工艺，自身也可以作为常规钻杆使用，具有显著的竞争优势。虽然有更高的性价比，与常规钻井工艺相比，磁耦合有缆钻杆依然有更高的应用成本，这可能是妨碍其未来广泛应用的主要瓶颈。

NOV 认为使用有缆钻杆可以缩短钻井时间、节省钻井费用［39-40］。通过提高井下网络的通讯可靠性来减少维修、维护成本［41］。中国石油集团工程技术研究院的信息钻杆在减少应用成本方面也有如下对策。

(1)减少研发成本：采用新技术、新方法、新器件，充分发挥后发优势，缩短研制及实验时间。

(2)减少生产成本：前文以石英晶体压力传感器为例，可利用新工艺、新技术降低硬件成本；通过改进装配及检验工艺降低生产难度，缩短生产时间；通过使用标准件来减少器件库存备货等。

(3)减少运行成本：通过提高通讯速率、增大无中继传输距离来减少中继器的使用，以减少高温锂电池的消耗等。

(4)减少维护成本：通过提高系统可靠性来减少维修成本，通过增强系统易用性来减少培训成本等。

4 结论

(1)有缆钻杆技术使用线缆完成数据传输，不受地层、钻井液、钻具等影响，具有全天候工作的能力，更容易实现高速、高可靠性的通讯。磁耦合有缆钻杆使用同轴电缆传输高频信号，钻杆间连接为磁耦合无线感应，兼容常规的钻井工艺，目前已经实现商业化应用。

(2)磁耦合有缆钻杆分为地面及井下两部分：地面系统包含数据服务器、工作站、司钻显示器及无线短节等功能部件，井下系统由中继器、井下单元以及各类有缆钻具组成。由于是自建信道，扶正器等钻具均需要专用的有缆钻具。

(3)磁耦合有缆钻杆的专用技术包含高速调制解调器、井下令牌环网、分布式参数测量及虚拟串口等，其中虚拟串口技术封装了复杂的令牌环网通讯协议，更方便第三方测量工具厂家利用磁耦合有缆钻杆的高速优势。

(4)通过磁耦合有缆钻杆，井下随钻数据可以高速实时上传，有利于辅助实时钻井决策，在配备分布参数测量功能后可以实时得到全井筒的各项参数信息，在钻井参数优化、控压钻井、保证井控安全等方面有重要意义，也是智能(自动化)钻井的井下通讯基础。