[摘" " 要]近鉆頭測斜技術(shù)可以有效提高特殊工藝井、定向井及水平井等高精度井施工中井眼軌跡控制能力，精確預測鉆頭位置處的垂深?；陔姶挪o線傳輸技術(shù)，設計近鉆頭測斜無線通信系統(tǒng)。現(xiàn)場試驗表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)測斜數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠地無線實時傳輸，為高精度的井斜控制奠定了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]近鉆頭;測斜;無線傳輸;接收;發(fā)射

[中圖分類號]TE271 [文獻標志碼]A

在油田短半徑側(cè)鉆鉆井過程中，短半徑造斜段對造斜率要求較高。高造斜率與滯后的測量間距，使得軌跡控制沒有回旋余地，甚至會導致井眼回填。因此，需要近鉆頭測量儀器來提供近鉆頭井眼軌跡數(shù)據(jù)。目前，普通的馬達定向作業(yè)狀態(tài)下，因MWD（隨鉆測量）測點位置距離鉆頭位置較遠，一般約為20m，無法及時獲取近鉆頭軌跡數(shù)據(jù)，因此無法及時對軌跡進行調(diào)整。同樣，LWD（隨鉆測井）測點距離鉆頭約10m，也無法及時提供地質(zhì)數(shù)據(jù)，不利于地質(zhì)導向，導致油藏鉆遇率較低[1-2]。

為了實現(xiàn)近鉆頭測斜[3]，提高特殊工藝井、定向井及水平井等高精度井施工中井眼軌跡控制能力，精確預測鉆頭位置處的垂深，本文的近鉆頭測斜系統(tǒng)在馬達與鉆頭之間增加了一個短節(jié)，用以測量近鉆頭井斜及方位伽馬數(shù)據(jù)，近鉆頭測點距離鉆頭約1m。通過無線傳輸?shù)姆绞綄⒔@頭測量數(shù)據(jù)傳送到上接收短節(jié)，再利用MWD實現(xiàn)近鉆頭測量數(shù)據(jù)實時上傳。這樣在鉆井過程中能夠?qū)崟r獲取近鉆頭測量信息，包括井眼軌跡數(shù)據(jù)及方位伽馬數(shù)據(jù)。作業(yè)者可根據(jù)伽馬測量結(jié)果對地層信息進行判斷，并及時調(diào)整井眼軌跡，實現(xiàn)地質(zhì)導向的目的，增加油藏鉆遇率。

針對近鉆頭測量數(shù)據(jù)的無線傳輸，目前主要有兩種實現(xiàn)方式，即基于超聲波的近鉆頭測斜信號傳輸[4]和基于電磁波的近鉆頭測斜信號傳輸[5-6]。電磁波在信號傳輸距離和穩(wěn)定性方面優(yōu)于超聲波，本文采用基于電磁波的近鉆頭測斜信號的傳輸方式，以實現(xiàn)近鉆頭測量數(shù)據(jù)的實時上傳。

1 近鉆頭測斜系統(tǒng)

近鉆頭測斜系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括鉆頭、測量短節(jié)、馬達、接收短節(jié)和MWD/LWD系統(tǒng)。為了能精確測量重力場矢量，系統(tǒng)在硬件上采用由3支石英加速度計構(gòu)成的正交結(jié)構(gòu)，其測量電路基于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字信號處理電路實現(xiàn)，采用實時濾波解算算法。

測量接收來自采集短節(jié)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)字解碼和校驗，提取出有效數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)總線將有效數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)主控電路，再由主控電路將有效數(shù)據(jù)編碼后上傳給地面。

實際使用時，采集短節(jié)與接收短節(jié)之間的數(shù)據(jù)傳輸距離是一根螺桿鉆具的距離。無線通信天線設計采用低阻抗發(fā)射天線和低噪聲接收天線，通信系統(tǒng)調(diào)制方式采用高效的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)方法。

2 無線通信系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設計

由于大地對電磁波信號有強烈的衰減，常規(guī)的電磁波無線通信（如2.4GHz）幾乎無法在地層中使用，把發(fā)射天線置于地層之中，無線信號幾乎被地層全部吸收。

超低頻SLF（30～300Hz）和極低頻MLF（低于30Hz）電磁波在地殼電性結(jié)構(gòu)探測中具有獨特優(yōu)勢，它可以穿透數(shù)十公里的地層。

針對鉆井液中的各種導電離子，本文設計了電流式無線通信系統(tǒng)，其硬件基于泥漿和鉆具構(gòu)成電流回路，算法基于小信號檢測和抗干擾編解碼技術(shù)。

無線通信模塊使用SLF頻率，包括發(fā)送模塊和接收模塊。發(fā)送模塊置于近鉆頭測試短節(jié)中，接收模塊置于與MWD主控模塊連接的無線數(shù)據(jù)接收短節(jié)中。

由于井下信號的傳輸易受泥漿電阻率和地層電阻率影響，低頻信號在地層傳輸過程中會大幅度衰減，衰減幅度甚至會達到-100dB。本文采用儀表放大器對微弱的低頻信號進行采集和放大，并通過數(shù)據(jù)卷積和擴頻技術(shù)實現(xiàn)微弱信號的提取。

同時，微弱的井下信號易受工頻噪聲和大地噪聲的干擾，為了有效提升降噪抗干擾能力，本文在硬件上采用模擬濾波器和數(shù)字濾波器來濾除噪聲，算法上采用前向糾錯編碼來消除噪聲導致的誤碼信息。此外，采用BCH編碼，糾錯能力為可以糾正每21比特之中的3個任意誤碼。

同時，為了避免集中大面積突發(fā)噪聲，本文采用交織和解交織算法，展開局部集中噪聲誤碼。

2.2 硬件設計

測量短節(jié)中的中控電路將測量數(shù)據(jù)通過RS485總線發(fā)送給單片機。單片機接收數(shù)據(jù)后，完成數(shù)據(jù)記錄和成幀，然后經(jīng)過BCH編碼和交織，按位通過發(fā)送電路驅(qū)動到發(fā)射天線上發(fā)射出去。

無線通信發(fā)射模塊電路框圖（如圖2（a）所示），電磁波信號經(jīng)過地層傳輸，耦合到接收天線上，經(jīng)過由電容和電阻構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡，進入無線通信接收模塊電路。在無線通信接收模塊電路中，輸入信號經(jīng)過3次放大和濾波，以及限幅整形后，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，進入FPGA進行數(shù)字信號處理。然后進行波形頻率分析，隨后完成數(shù)據(jù)的解調(diào)和解幀。最后，數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機處理，對誤碼糾錯后進行分析并存儲，并通過RS485接口發(fā)送到儀器總線上。

2.3 算法設計

2.3.1 小信號提取算法

模擬電路采集的信號極其微弱，本文基于高精度ADC將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，基于關(guān)聯(lián)參數(shù)表卷積輸出，然后經(jīng)過FFT頻域展開，按小波分析的原理，實現(xiàn)信號的“顯微鏡”功能。由于計算量很大，需要高速處理平臺，本文選用FPGA，實現(xiàn)此部分功能。

2.3.2 前向糾錯算法

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，用于發(fā)現(xiàn)傳輸錯誤的碼稱為檢錯碼。檢錯碼和編碼、譯碼等結(jié)合使用可以實現(xiàn)碼字的糾錯。其中，譯碼是糾錯碼實現(xiàn)中最復雜的部分，它是糾錯碼能否應用的關(guān)鍵。糾錯碼可由硬件實現(xiàn)，也可用軟件實現(xiàn)。糾錯能力、編碼效率和解碼復雜性是衡量一個糾錯碼質(zhì)量的重要參數(shù)。

在構(gòu)造糾錯碼時，將輸入信息分成k位一組進行編碼。若編出的n位長碼僅與本組的位信息k位有關(guān)，則稱這樣的碼為分組碼。由于這時使用n位符號傳送了k位信息，所以編碼效率（碼率）為k/n。若編出的n位長碼不僅與本組的k個信息位有關(guān)，而且與其前面若干組的信息位有關(guān)，則稱為網(wǎng)格碼。線性網(wǎng)格碼在編碼運算時為卷積運算，又叫做卷積碼。

分組碼的碼長n和碼字個數(shù)M是一個碼的主要構(gòu)造參數(shù)。碼長為n的碼中所有碼字的位數(shù)均為n;若要用一個碼傳送k比特信息，則碼字的個數(shù)M必須滿足M≥2k。典型的分組碼是由k位信息位和r位監(jiān)督位組成的，這樣構(gòu)成的碼一般稱為系統(tǒng)碼。

分組碼中應用最廣的是線性分組碼。線性分組碼中的M個碼字之間具有一定線性約束關(guān)系，即這些碼字總體構(gòu)成了n維線性空間的一個k維子空間。稱此k維子空間為（n，k）線性分組碼。線性系統(tǒng)碼的特點是每個碼字的前k位均由這個碼字所對應的信息位組成，并通過對這k位信息位的線性運算得到后面n-k位監(jiān)督位。

線性分組碼中應用最廣的是循環(huán)碼，循環(huán)碼的主要特征是任何碼字在循環(huán)移位后仍是碼字。循環(huán)碼的優(yōu)點是其編碼和解碼手續(xù)比一般線性碼簡單，因而易于在設備上實現(xiàn)。在循環(huán)碼中，碼字可表示為多項式，其可表示成為循環(huán)碼的生成多項式與這個碼字所代表的信息多項式的乘積，因此一個循環(huán)碼可以通過給出其生成多項式來規(guī)定。常用的循環(huán)碼有BCH碼和RS碼[9]。

本文采用BCH（23，12）格式，編碼多項式為g（x）=x11+x9+x7+x6+x5+x+1。由于本設計的數(shù)據(jù)比較少，采用C語言在單片機中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的編解碼過程。

3 現(xiàn)場試驗

在天津東沽試驗井進行的實鉆試驗中，近鉆頭測斜數(shù)據(jù)與探管測斜數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖3所示，兩者吻合度達到98%。井斜測量系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)1852幀，其中，1760幀被成功接收，無線通信成功率達到95%。

在山西某井進行的實鉆測試中，近鉆頭測斜數(shù)據(jù)與探管測斜數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖4所示，經(jīng)過對比，近鉆頭測量短節(jié)的測斜數(shù)據(jù)與探管測斜數(shù)據(jù)基本一致。實鉆1100m，無線通信功能測試正常。

4 結(jié)語

本文介紹了基于電磁波的近鉆頭測斜無線通信系統(tǒng)設計。通過現(xiàn)場試驗，驗證了該系統(tǒng)能夠克服地層電阻率和泥漿電阻率影響，以及大地噪聲和工頻噪聲干擾，實現(xiàn)近鉆頭測量數(shù)據(jù)的實時無線傳輸。該系統(tǒng)已經(jīng)應用于實際的中海油工程作業(yè)中，并取得了良好效果。

參考文獻

[1] 汪海閣，劉巖生，王靈碧. 國外鉆完井技術(shù)新進展與發(fā)展趨勢（Ⅱ）[J]. 石油科技論壇，2013，32（5）：36-42.

[2] 劉白雁，王新宇，杜勇剛，等. 井斜實時測量方法研究[J]. 中國測試技術(shù)，2007，33（4）：5.

[3] 李飛，楊志堅. 無線隨鉆測量儀器FEWD現(xiàn)場施工常見問題及對策措施[J]. 石油儀器，2009，23（5）：95-96.

[4] 張忠乾. 側(cè)鉆短半徑水平井技術(shù)在春風油田石炭系的應用[J]. 長江大學學報（自然版）理工卷，2015，12（35）：45-48.

[5] 陳雷，楊國彬，張瑋，等. 委內(nèi)瑞拉奧里諾科胡寧區(qū)塊叢式三維水平井安全鉆井技術(shù)[J]. 天然氣工業(yè)，2016，36（8）：100-106.

[6] 焦明，霍宏博，竇蓬，等. 海洋隨鉆近鉆頭測斜工具研發(fā)和使用[J]. 技術(shù)研究，2020（6）：142-143.

作者簡介

蔣荻南（1982—），男，廣西桂林人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為隨鉆地面系統(tǒng)開發(fā)，井下儀器系統(tǒng)集成平臺及測量技術(shù)。