中國(guó)石化勝利石油工程有限公司-鉆井工程技術(shù)公司-定向井公司

摘要：介紹了無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中泥漿脈沖信號(hào)的傳輸方式和特點(diǎn)，分析了干擾脈沖信號(hào)傳輸?shù)囊蛩?，以及造成脈沖信號(hào)衰減的影響因素，并提出了相應(yīng)的解決方法。

關(guān)鍵詞：傳輸方式；信號(hào)干擾；信號(hào)衰減

隨鉆測(cè)量是獲得井下信息最重要的技術(shù)手段。目前該技術(shù)普遍應(yīng)用在中國(guó)各油田的大位移水平井、定向斜井的鉆進(jìn)過(guò)程中，并取得了顯著的成果，大大提高了油氣井的鉆采效率比。信號(hào)的傳輸是隨鉆測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一，無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)的傳輸主要有電磁波和泥 漿脈沖兩種，電磁波在地層中傳輸時(shí)，信號(hào)嚴(yán)重衰減，只能以較低的頻率發(fā)送信號(hào)，因此國(guó)內(nèi)主要采用泥漿脈沖進(jìn)行信息傳輸，可靠性較好，能遠(yuǎn)距離傳輸，更符合鉆井實(shí)際情況。但泥漿脈沖信號(hào)在傳輸過(guò)程中需要解決兩大問(wèn)題：信號(hào)干擾和信號(hào)衰減。本文將對(duì)泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的工作方式以及信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾和衰減問(wèn)題進(jìn)行探討。

1、泥漿脈沖信號(hào)傳輸方式及特點(diǎn)

目前，泥漿脈沖信號(hào)傳輸方式主要有三種，即連續(xù)波、正脈沖和負(fù)脈沖三種方式。

（1）連續(xù)波方式

連續(xù)波脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子在泥漿作用下產(chǎn)生正弦壓力波，由井下探管編碼后的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)制系統(tǒng)控制的定子相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角位移，使這種正弦或余弦壓力波在時(shí)間上出現(xiàn)相位移或角位移，在地面連續(xù)檢測(cè)這些相位或頻率的變化，并通過(guò)數(shù)字譯碼和計(jì)算得到測(cè)量數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度快、精度高；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)字譯碼能力較差。

（2）正脈沖方式

泥漿正脈沖發(fā)生器的針閥與小孔的相對(duì)位置能夠改變泥漿在小孔處的截面積，從而引起鉆柱內(nèi)部泥漿壓力的升高，針閥的運(yùn)動(dòng)是由井下微處理器編碼的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)制器控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在地面通過(guò)連續(xù)地檢測(cè)立管壓力的變化，并通過(guò)譯碼轉(zhuǎn)換成不同的測(cè)量數(shù)據(jù)。正脈沖發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、使用操作和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，但正脈沖發(fā)生器數(shù)據(jù)傳輸慢，不適合傳輸?shù)刭|(zhì)資料參數(shù)。

（3）負(fù)脈沖方式

泥漿負(fù)脈沖發(fā)生器需要組裝在專用的無(wú)磁鉆鋌中使用，開(kāi)啟泥漿負(fù)脈沖發(fā)生器的泄流閥，使鉆柱內(nèi)的泥漿從泄流閥經(jīng)無(wú)磁鉆鋌細(xì)流孔流到井眼環(huán)空，從而降低鉆柱內(nèi)部的泥漿壓力。泄流閥的動(dòng)作是由井下微處理器編碼的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)制器控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在地面通過(guò)連續(xù)檢測(cè)立管壓力的變化，并通過(guò)譯碼轉(zhuǎn)換成不同的數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度快，適合傳輸定向和地質(zhì)資料；缺點(diǎn)是下井儀器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組裝、操作和維修不便，需要專用的無(wú)磁鉆鋌。

2、信號(hào)的干擾因素

泥漿脈沖信號(hào)在傳輸過(guò)程中存在很多干擾信號(hào)，這些信號(hào)在同時(shí)間內(nèi)可能組合在一起，使得對(duì)有用的鉆井液脈沖信號(hào)識(shí)別非常困難。

（1）泥漿泵

當(dāng)泥漿泵工作良好時(shí)，在立管上產(chǎn)生的干擾主要有兩個(gè)：①較弱的泵的沖程干擾可忽略不計(jì)；②較強(qiáng)的活塞運(yùn)動(dòng)干擾。通常，無(wú)線隨鉆測(cè)量的脈沖信號(hào)傳輸頻率的可選范圍為 0.5-1.0Hz，而泥漿泵的頻率通常大于 1Hz，MWD 地面設(shè)備用低通濾波器即可將其過(guò)濾。但當(dāng)泵工作不平衡或密封性有問(wèn)題時(shí)，也能對(duì)脈沖信號(hào)產(chǎn)生干擾，因此應(yīng)及時(shí)排除泵的故障。

（2）泥漿中的氣泡

泥漿中的氣泡在上升過(guò)程中，由于壓力逐漸減小而導(dǎo)致體積膨脹并最終破裂。破裂的氣泡形成眾多微小的干擾信號(hào)源，這些干擾信號(hào)在沖洗液通道中反射、疊加，從而增加了信號(hào)分離的難度，此時(shí)可以通過(guò)控制泥漿中的氣泡量來(lái)減少這種干擾的影響。

（3）噪聲干擾

泥漿壓力脈沖信號(hào)以一定的速度在鉆柱中沿軸向向地面?zhèn)鞑?，泥漿壓力脈沖信號(hào)傳到地面后，會(huì)造成一定的衰減，與很多干擾信號(hào)混合在一起。在泥漿介質(zhì)中有很多噪聲源以及由于現(xiàn)場(chǎng)條件變化而產(chǎn)生的一些噪聲。這些噪聲主要包括泵噪聲、鉆井噪聲和反射信號(hào)。反射信號(hào)主要由于脈沖遇到鉆頭或泵時(shí)，反彈形成的反射波產(chǎn)生反射信號(hào)。這些噪聲大多都屬于非同頻的噪聲，在信號(hào)識(shí)別和檢測(cè)中，可以采用硬件電路濾波方式來(lái)濾除這些噪聲。

（4）活動(dòng)鉆具

活動(dòng)鉆具的速度過(guò)快、過(guò)猛，將導(dǎo)致立管中的壓力突變，從而造成泥漿脈沖信號(hào)丟失，所以在活動(dòng)鉆具時(shí)要盡量做到輕提、輕放，這樣才能保證泥漿脈沖信號(hào)的有效傳輸。

（5）使用空氣室的影響

空氣室的作用是減小壓力變化和機(jī)械震動(dòng)，使泥漿流動(dòng)平穩(wěn)。但與此同時(shí)空氣室也會(huì)衰減井下脈沖發(fā)生器傳上來(lái)的有用的泥漿脈沖信號(hào)，通常情況下不會(huì)有顯著的衰減，不至于造成信號(hào)接收問(wèn)題。但當(dāng)條件惡劣時(shí)，如鉆井較深、地層復(fù)雜，則必須考慮它。

（6）井底動(dòng)力機(jī)

井底動(dòng)力機(jī)的頻率一般遠(yuǎn)高于信號(hào)傳輸?shù)念l率，且這種干擾信號(hào)在沿沖洗液通道向井口傳播的過(guò)程中會(huì)逐漸衰減并很快消失，一般可以忽略，但某些異常情況下，如在鉆頭阻力大于螺桿產(chǎn)生的扭矩而導(dǎo)致螺桿壓死停轉(zhuǎn)時(shí)，地面立管壓力將突然升高，可能淹沒(méi)泥漿脈沖信號(hào)，導(dǎo)致地面解碼失敗。

3、造成信號(hào)衰減的原因分析

（1）深度對(duì)信號(hào)的衰減

泥漿脈沖信號(hào)傳輸?shù)穆窂皆介L(zhǎng)，丟失的能量越多。當(dāng)井比較深時(shí)，地面接收到的泥漿脈沖信號(hào)幅度相對(duì)來(lái)說(shuō)要小些，信噪比不可避免地受到影響。這時(shí)可以選擇使用較小尺寸的孔板，或減小蘑菇頭與孔板間的距離，以增大初始脈沖的幅度，提高信噪比。

（2）氣體對(duì)信號(hào)的衰減

泥漿中氣體將會(huì)嚴(yán)重影響泥漿脈沖信號(hào)的傳輸，含氣量大時(shí)會(huì)較大地減小脈沖幅度，甚至使地面接收信號(hào)失敗?？梢栽诔跏济}沖中先判斷存在的衰減是否為氣體衰減，再將脈沖信號(hào)在高頻傳輸和低頻傳輸中脈沖幅度的減小進(jìn)行比較，以確定采取的措施。例如，改變信號(hào)傳輸頻率、循環(huán)泥漿等。

（3）泥漿中含砂量的影響

與泥漿中氣泡的影響相反，含砂量對(duì)泥漿密度影響較大，但對(duì)泥漿壓縮性的影響相對(duì)較小，隨著含砂量的增加，會(huì)影響閥門的行程運(yùn) 動(dòng)，從而降低初始脈沖的幅度。

（4）泥漿類型的影響

泥漿通常分為水基泥漿和油基泥漿，油基泥漿的壓縮性比水基泥漿大，對(duì)于相同的脈沖類 型，信號(hào)在油基泥漿中的傳輸速度低于在水基泥漿中的傳輸速度。

（5）壓力傳感器的安裝對(duì)信號(hào)的影響

壓力傳感器的安裝在低信噪比條件下也相當(dāng)重要。應(yīng)盡可能地安裝在主管線上，避免安裝在管線末端、閥門和其他傳感器附近；應(yīng)水平安裝，以防止混入空氣及泥漿結(jié)餅而堵塞傳感器球閥。

4、結(jié)論

本文介紹了泥漿脈沖隨鉆測(cè)量的傳輸方式及其特點(diǎn)，分析了在鉆井過(guò)程中對(duì)脈沖信號(hào)產(chǎn)生干擾的幾點(diǎn)因素，比如泥漿泵、泥漿中的氣泡、噪聲、空氣室的影響等，并提出了一些解決方法。對(duì)于泥漿脈沖信號(hào)的衰減問(wèn)題，指出鉆井深度、泥漿中的氣泡量、含砂量、泥漿類型及壓力傳感器安裝位置對(duì)信號(hào)的衰減都有一定的影響。對(duì)此，可以調(diào)整孔板的大小，或調(diào)整孔板與蘑菇頭的間隙來(lái)增加脈沖初始強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)整鉆井液質(zhì)量，比如減少含砂量，控制泥漿中的氣體含量，來(lái)削弱脈沖信號(hào)的衰減程度，以保證地面系統(tǒng)能接收到足夠強(qiáng)的脈沖信號(hào)，實(shí)施解碼。

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