（仪器科学与技术专业论文）无线随钻测量地面装置的设计与研究.pdf

- _ - 。 l 一 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 同期：丝边：立：2 7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：圈 日期： 豫t j 帚 摘要 摘要 在现代石油钻井施工过程中，为准确测量井眼参数，提高井眼轨迹控制力度， 使钻头精确命中目标油层，钻井工艺中普遍采用了随钻测量技术，随钻测量技术 是指在钻井过程中进行井下信息实时测量和传输的技术简称，其特点是在不中断 钻头正常钻进的情况下获得钻头附近测得的某些信息，并将信息以特殊的方式传 输到地面；地面装置再通过对信号进行分析与处理，按照井下仪器规定的编码方 式进行译码，获取施工所需要的定向数据、地层特性和钻井参数等各种信息。 现在在石油钻井施工现场井下测量系统向地面传输信号采用最普遍的方式 是通过泥浆液作为传输介质的无线传输方式；在这种传输方式中，井下各种测量 信息以泥浆脉冲的形式通过泥浆液传递到地面，地面系统再通过压力传感器实时 采集压力脉冲信号，并对信号进行必要的预处理，在将脉冲信号还原之后进行信 号识别，最终按照井下仪器规定的编码方式解码，实时显示当前钻井过程中的各 种测量信息。 本文通过对无线随钻测量系统测量和传输原理的介绍，逐步提出了对地面装 置设计的各项要求；之后重点阐述了地面装置设计的硬件和软件结构，在硬件设 计过程中完成了从压力传感器到地面计算机的整个信号采集通道的搭建；在软件 设计过程中选择了f i r 数字滤波器来对脉冲信号进行还原，通过对曼彻斯特编码 规则的研究，得到了可以对脉冲信号进行有效识别的算法。 最后在现场实验基础上对地面解码软件的设计作了进一步修改，提高地面装 置实时工作的准确性。实验结果表明地面装置达到了预期的设计功能，基本完成 了设计目标。本文还针对实验中发现的不足，指出了需要进一步改进的地方，为 地面系统的完善提出了一些建议。 关键词随钻测量；脉冲信号还原；脉冲信号识别；曼彻斯特编码 a b s t r a c t a b s tr a c t i nt h em o d e mo i l “1 1 i n ge n 西n e e r i n g ，i no r d e rt om ea s _ u r eb o r e h o l ep a r a m e t e r s a c c u r a t e l y i n c r e a s ec o n t r o le 筋r r t so ft i 匈e c t o l l i tt h et a 唱e to i ll a y e ra c c u r a t e l y “l l i n gp r o c e s sg e n e r a l l yu s em em e a s u r 锄e n t w h i l e - d l l i n gt e c h n o l o g y ，m w di sa a b b r e v i a t i o no fm et e c l l l l o l o g yo fr e a l t i m em e a s w 铋e 1 1 ta n d 协a n s m i s s i o nf o r u n d e 增r o 硼【d i n f o m l a t i o n d u r i n g t h ed r i l l i n g p r o c e s s i t sc h a u r a c t e r i z ew i m o u t i n t 删i n gn o m a l “l l i n gc o n d i t i o n sw h e ni n s t m m e n t sm e a s u r es o m ei n f o r m a t i o n n e a rt h ed r i l l ，a 1 1 dt r a n s m i ti n f o r i i l a t i o nt ot h eg r o u n di na s p e c i a lw a y ；i n s t m m e n t so n t h e 刚da 1 1 a l y s i sa n dp r o c e s s ，m e nd e c o d es i 印a l i na c c o r d a n c ew i t hm ep r o v i s i o n s o fd o w l l i l o l e 印p a r a t u sf o r 饥c o d i n 舀r e q u i r ef o rm ec o n s t n j 嘶o no ft h eo r i e n t a t i o n d a t 钆s mf o r n l a t i o n ，d r i l l i n gp a r a m e t e r sa i l do t h e ri n f o m a t i o n 1 1 1o i ld r i l l i n gc o n s t r u c t i o nf i e l dn o w ，t h em o s tc 伽1 m o nw a yo fu n d e r g m u n d t e 玎e s t r i a ls i 印a lm e a s u r e m e n ts y s t 锄t r a 【n s m i s s i o ni st h r o u 曲m es l u n yl i q u i da sm e 胁s m i s s i o nm e d i u mf o rw i r e l e s st r a l l s m i s s i o n mt h i st r a n s m i s s i o n ，m eu n d e r g r o u n d e q u i p m e n t 仃a 1 1 s m i tt h ev 撕o u sm e a s u r e m e n ti n f o n n a t i o ni nt h ef o 肌o fm u dp u l s e n u i dt h r o u 曲t l l em u dt r a n s 向t 0t 1 1 eg r o u n d ，m eg r o u n de q u i p m e n tc o l l e c tr e a l - t i m e p r e s s u r ep u l s es i 髓a lt h r o u 曲p r e s s u r es e n s o ra n dm en e c e s s a 叫s i 印a lp r 印r o c e s s i n g t h a tw i l lr e s t o r et h ep u l s es i 盟a l 撒e rs i 盟a lr e c o g n i t i o n ，a tl a s tm ei n s t n m l e n td e c o d e s i 印a 1a c c o r d i n gt oe n c o d i n gm o d eo ft h ei n s t m m e l l tu n d e 瑁u n d ，r e a l t i m ed i s p l a y t h ec l l n 。e n td n l l i n gp r o c e s sm ev a r i o u sm e a s u r e m e n ti n f o m l a t i o n f i r s t ，t h et h e s i si n t l o d u c e sm e a s u 阍：i l e i l ta n dt r a n s m i s s i o nt h e o 叫o ft h em w d s y s t e m ，i tp r o p o s e st h ed e s i 印r e q u e s to ft h ei n s t r u m e n t so nt h eg r o u n dp r o 伊e s s i v e l y ； t h e i li tf o c u s e so nt h eh a r d w a r ea n ds o 脚a r ea r c h i t e c t u r ed e s i 印，t h eh a r d w a r ed e s i g n p r o c e s st 0c o m p l e t e 丘o mt h ep r e s s u r e s e n s o rt om e 孕o u n dc o m p u t e rs e tu p t h r o u 曲o u tt h es i g l l a la c q u i s i t i o nc h a n n e l s ；i nt h es o r w a r ed e s i 印p r o c e s s ，w es e l e c t t h ef l rd i 百t a lf i l t e rt or e s t o r et h ep u l s es i 印a l ，w eh a v eb e e i lo b t a i n e do nt h ep u l s e s i g n a l sr e c o g n i t i o nt h a tc a ne f i e c t i v e l yi d e n t i f yt h ea l g o r i t h mm m u 曲r e s e a r c ht h e m a n c h e s t e re n c o d i n g1 1 1 1 e s f i n a l l y ，w em o d i f i e dt h ed e s i g no fd e c o d i n gs u r f a c es o f t w a r eb a s e do nf i e l d e x p 嘶m e n t st oi m p r o v et h er e a l t i m ew o r ka c c u r a c yo ft h es u r f a c ee q u i p m e n t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tm ei n s t r u m e n t so nt h eg r o u n da c h i e v et h ed e s i r e d d e s i g nf e a t u r e sa n dt h eb a s i cd e s i g no b j e c t i v e s t h i sa r t i c l ea l s of i n d si n a d e q u a t ef o r e x p e r i m e n t st h a tr e q u i r e 如r t h e ri m p r o v e m e n t ，g i v e ss o m es u g g e s t i o n st oi m p r o v et h e 北京t q k 人学顺i j 学化论史 p e 响衄a j l c eo ft h ei n s t m m e n t so nt h eg r o u n d k e y w o r d s ：m e a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n g ； p u l s e s i 印a 1r e d u c t i o n ； p u l s e s i 印a l r e c o 舯i t i o n ；m a n c h e s t e re n c o d i n g i v 日录 目录 摘要i a b s t r a c t ii i 目录v 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 国内外研究现状及进展2 1 3 课题研究主要任务7 第2 章无线随钻测量系统测量与传输原理9 2 1 无线随钻测量系统组成9 2 2 井下测量传输系统介绍。lo 2 2 1 姿态测量原理11 2 2 2 脉冲传输原理13 2 3 地面系统介绍15 2 3 1 地面系统硬件组成及功能l5 2 3 2 地面系统软件功能1 7 第3 章无线随钻测量地面装置硬件设计1 9 3 1 地面装置硬件设计方案1 9 3 2 硬件选型及设计2 0 3 2 1 防爆箱设计2 0 3 2 1 信号采集箱设计2 2 3 3 本章小结2 6 第4 章无线随钻测量地面装置软件设计2 9 4 1 引。言。2 9 4 2 地面装置软件设计方案2 9 4 3 泥浆压力脉冲信号调理滤波算法实现3 l 4 3 1 泥浆压力脉冲信号传输过程中噪声信号分析31 4 3 2f i r 数字滤波器设计3 3 4 4 泥浆脉冲信号识别算法实现3 7 4 4 1 曼彻斯特编码定义3 7 4 4 2 曼彻斯特编码脉冲信号的识别3 8 4 5 地面装置软件编写与调试4 3 4 6 本章小结5 0 第5 章现场实验结果分析及修改5 1 5 1 现场实验结果比较与分析5 1 5 1 1 现场实验平台搭建一5 1 5 1 2 现场实验结果对比及分析5 2 5 2 地面软件的修改5 5 5 3 本章小结5 6 结论与展望5 7 参考文献5 9 北京t 业人学硕i 学位论文 攻读硕士学位期间取得的成果6 3 致谢6 5 v i 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 当今世界，石油作为地球上一种有限的矿产资源在现代社会中已经成为人们 生活中不可或缺的必需品：利用石油可炼制汽油、煤油、柴油等燃料油和各种机 器所需要的润滑油；可制造合成纤维、合成橡胶、塑料以及农药、化肥、炸药、 医药、染料、油漆、合成洗涤剂等多种产品，石油产品己被广泛地应用到国民经 济各个部门，因此人们也经常把石油称为“工业的血液”。为了满足人们对这种不 可再生资源同益增长的需求，人们不断加大对这种化石燃料的开发和利用，世界 石油工业应运而生。 世界石油工业走过了1 5 0 多年艰难而曲折的历程，从最初的盲目人力开采到 现代数字油田的建成，世界石油工业发生了质的飞跃。回顾石油工业的发展历程， 可以清楚的看到石油工业的发展无不与科技进步紧密相连，实际上石油工业发展 史本身就是一部石油科技发明与技术创新的文明进步史。科技进步深化了人类对 世界石油资源的认识，世界油气探明储量和产量不断提高；科技进步使勘探开发 成本一收益综合效益不断提高，使人类获取油气资源的领域不断扩展；科技进步 在推动石油产业链不断向广度深度延伸的同时促进了石油工业和环境的和谐发 展。 进入2 1 世纪，世界能源供求形式日益严峻，国际油价持续走高，国际大石 油公司之间的博弈日趋激烈，为适应新形势，抢占战略制高点，依靠科技进步、 强化自主创新、掌握核心技术已成为国际大石油公司提高核心竞争力、增强综合 实力、实现可持续发展的战略选择。当前世界石油工业的发展面临严峻挑战，勘 探开发环境越来越恶劣，勘探开发目标越来越复杂，油气资源品质越来越差，环 境保护要求越来越严格。 随着现有油田的不断枯竭，勘探开发活动正在越来越多的面向地层情况更 复杂、环境更恶劣的地区，未来的油气勘探开发对象将逐步向深层、深海和自然 地理位置十分恶劣的沙漠、高山和高寒不毛之地转移。随着地质目标的日趋复杂， 油气藏勘探、评价、丌发和生产等环节都对测井技术提出了更高的要求。石油公 司希望通过测井作业，能够实时的采集数据，更快速的识别目的层，更准确的确 定地层参数，提高每口井眼的采收率；同时要求测井作业能够在r 益复杂的井筒 条件下和更恶劣的环境中顺利实施；降低成本的压力，要求测井作业最少的占用 井场时间，提高测井效率【3 】。正是在这样的需求形势下，随钻测量技术作为一种 先进的测井技术被广泛运用到人斜度井、多分支井、水平井等各种复杂情况下的 北京t 业人学形! i 。学位论文 石油勘探开发中。为了满足实时测量、高速率、高准确率的需求，随钻测量仪器 将向着多组合、小尺寸、高可靠、高分辨率、低成本的方向发展，同时测井采集 的原始数据量呈爆炸式增长，测量数据的高速传输、处理及实时高效的使用，需 要不断丌发出新的随钻测量地面系统来满足需要。 近几年来随钻测量技术处于强势发展之中，测井系列不断完善，几乎所有的 测井项目都能以随钻测量的方式来实现。采用随钻测量的方式在深井、大斜度井、 钻机日费用高、机械钻速高的情况下，使地层评价的总成本明显降低，施工效率 得到提高，在井眼轨迹控制，局部地层倾角，地层和沉积解释等方面都有较高的 准确性。随钻测量仪器的可靠性显著提高，测井时间进一步缩短。地面系统采用 了统一数据传输格式和通讯接口标准、高数据传输率的电缆传输系统，使数据采 集吞吐量和传输速度显著提高，广泛应用了可视化地面实时采集软件，并集成快 速直观解释处理软件，加快了测井资料获取和向用户提交，提高了现场施工的工 作效率f7 1 。 1 2 国内外研究现状及进展 随钻测量技术是目前国际国内石油测井行业中普遍采用的一种先进测量技 术，按地面系统与井下仪器通信方式可分为有线传输和无线传输两种方式。 有线传输方式包括电缆传输方式、特种钻杆传输方式及光纤传输方式。电缆 随钻信号传输的方法是通过钻杆内部下入电导线，导线的类型与电测中的电缆相 似，是铠装电缆。随着钻井的加深，加接单根时必须提出电缆和仪器，或者是预先 将电缆线套入到钻杆内孔中。电缆传输方式的优点是传输速率高，可双向传递信 息，同时可以从地面直接向井下传感器提供电力，井底不须附加动力源：其缺点是 制作工艺相对复杂，并且经常影响正常钻进过程。美国科学钻井公司研制的g m l 】l d 系统就是基于电缆传输的随钻测量产品。 特种钻杆传输方法是将连续导体附在钻杆内使其成为钻杆整体的一部分。装 在接头内的特殊连接装置使钻柱可在整个长度内导电。传感器装在一个特殊的钻 铤内。铠装电缆( 或跨接线) 将这个钻铤与钻杆下端连接起来。在方钻杆顶部安 装一个绝缘的滑环，该滑环与地面设备相连。这种传输方式的优点是数据传输快、 双向通信简单：缺点是需要特殊钻杆，成本高，在接头处获得连续电路比较困难， 可靠性差，难以实现电力下传。 光纤传输方式是将具有简单保护层的廉价光纤下入到井眼中，光纤长度为整 个钻柱的长度，从底部钻具组合到地面。光纤既能够从地面沿轴向井下循环，又 能够从底部钻具组合反循环到地面。这种传输方式的优点是传输速率很高，缺点 是光纤极易磨损失效，使用时l 凸j 短。美国圣地亚国家实验室已研制成功并试验过 第1 币绪论 用于m 1 】i d 的光纤遥测系统。使用的光纤电缆很细小，成本低，。叮短时间使用，最 后在钻井泥浆中磨损掉并被冲走。在美国天然气研究所的测试中，光纤成功达到 9 1 5 m 深度。光纤遥测技术能以大约1 mb p s 的速率传送数据，比其它商用的随钻 遥测技术快5 个数量级。 无线传输方式按传输通道分为钻井液脉冲、电磁波和声波三种传输方式【l 们。 钻井液是指具有满足钻井和完井工程所需要的多种功能的循环流体。由于初期的 钻井液是由最简单的泥土和水组成，“钻井泥浆”或“泥浆”就成为钻井液沿用 至今的代名词。目前，以钻井液为传输介质的信号传输方式有正脉冲、负脉冲和 连续波等三种。在泥浆脉冲系统中，井下仪器将测量数据以脉冲的形式通过钻柱 中不断循环的泥浆液传递到地面。这种传输方式的优点是不需要绝缘电缆和特殊 钻杆，而是用泥浆流作为动力，降低了开发成本。在以上三种泥浆脉冲系统中，正 脉冲和负脉冲传输方式的传输速率较低，抗干扰能力差，容易产生误码：而连续波 方式传输速率较高，抗干扰能力强。负脉冲信号发生器由于存在污染环空、信号 速率低、能量损失大等缺点，已逐渐被淘汰。连续波脉冲发生器虽然传输速度快， 精度高；但结构复杂，数字译码能力较差。目前，以正脉冲方式传输的随钻测量 系统在国内外均有较成熟的理论研究和实际应用产品，如哈里伯顿公司的h d s l ( h i g h s p e e dd i r e c t i o n a ls u r v e y ) 系统，即新一代“探路者”m 1 j l d 系统；斯伦 贝谢公司研制的e x p r e s sp 1 a t f o r m 测量系统：贝克休斯公司推出的f o c u s 组合测 井系统。 曼i 堂i 篓l 董| 望l 婪 捌l 最i 曼l ! 曼1 到兰旭l ：i ：l 丝 纠 ” 篆l i ：；鬈：罩；兰三薹量黧篓篓i i 2 塑艘立叠笼i 叠： ：捌 捌 垫! i ! ：! ：l | ” 毗础蠢篮誓。嘲由# 秘萄rt o d d 懈窭墨_ ，。* r 砸一撇硝埘衍嗣i rt t b 蝌坩广t 菇丽；亏面一 e 盥嘲瞄一兰竺壁胞ln “= _ f d r 一辨| 、矗荔鬻鬟缫嚣缨鬻笺缓曩鬣荔缓荔缓雾姆粉铭豫刍笔黧 ，：屯j 墨妻“苎i 璺l ：爱 l _ 哪 - 1 m f 一 ，1 _ r _ |p fi ”， h o ” 一 翅塞别j 翻结国潮茹鬻：嚣磐魄：曼疃：l 慝鬲磊磊忑f 嫒擞期璧熊l 妻礁鲤缝i 燃劳哆 粕彩艺蚓孥谨譬弼墼裟鬲掣 图1 1 贝克休斯公司推出的地面软1 ；，l ：界面 f i g u r el - ls u r f a c es o r w a r ei n t e r f - a c eo fb a k e rh u g h e s 以连续波方式传输信息的随钻测量系统，因结构复杂、难度大，目前只有斯伦 北京t 业人学硕i j 学位论文 贝谢公司( a n a d r i l l ) 拥有产品( p o w e r p u l s e rt m ) ，以2 4h z 的频率发送信号， 数据传输率最高为1 2b it s ，但理论和技术都还不够成熟。h a l l i b u r t o n 目前 也在致力于开发以连续波方式传输信息的随钻测量系统，目标是使传输速率达到 2 0 3 0b i t s 。 缪翌黟燃徽黝缨貔黝黝黝黝黝嬲燃黝黝黝黝黝黝黝黝黝獭黝黝黝删 争 醇! 凸! 四 t ! 一i 轴陋l 雨孑爵i 谳1 _ 瞄| 。 一一一“ 麓氅鲤j ，；翟籀钐嚣移；嬲燃憋堡魈恕：l 厘捌鲤苎壁删自照唆：蹩：；l 镅嬲熙急黧则压面商罐i 嗣i 澎荔硝赫：j 图1 2 哈里伯顿公司推出地面软件界面 f i g u 托l - 2s u r f a c es o 脚a r ei n t e 吨l c eo fh a l l i b u r t o n 电磁随钻测量信号传输的方法有两种：以地层为传输介质和以钻柱为传输 导体。井下仪器将测量的数据加载到载波信号上，测量信号随载波信号由电磁波 发射器向四周发射。地面检波器在地面将检测到的电磁波中的测量信号卸载并解 码、计算得到实际的测量数据。电磁波传输的优点是不需要机械接收装置，数据 传输速度较快，适合于普通泥浆、泡沫泥浆、空气钻井、激光钻井等钻井施工中 传输定向和地质资料参数。缺点是由于传输信号快速衰减，导致电磁波测量方法 只适合在浅井中使用，且低电磁波频率接近于大地频率，易受井场电气设备和地 层电阻率的影响，从而使信号的探测和接收变得较困难。俄罗斯已经研制出了电 磁波式井底遥测系统( z t s ) ，z t s 系统具有较大发射功率并可设定较低的发射频率， 在低电阻率地层中能够保证一定的传输距离，在生产实验中测量结果与传统随钻 测量系统7 5 吻合，还需要进一步提高准确度。由中国石化石油勘探开发研究院 德州石油钻井研究所研制的电磁波随钻测量系统( e m 2 一m w d ) 工程样机于2 0 0 8 年 底在胜利油阳和鄂北大牛地气f 只进行了现场实验，并取得了初步成功。 声波传输方式是利用声波或地震波经过钻杆或地层来传输信号。井下数据的 测试过程是将测试仪器和声波无线传输发射系统随钻杆或抽油泵下入，测试仪器 第l 幸绪论 将各种井下参数转化为数字信息，然后编码、暂存，将代表井下参数的二进制码脉 冲送至控制电路，发射声波振动信号，沿钻杆柱或油管传输到地面，被安装在井 口的声波接收探头接收，经放大后送入存储介质记录，进行数据处理与解释，得到 该井目前的地层评价或生产动态资料。声波遥测能显著提高数据传输率，使无线 随钻数据传输率提高一个数量级，达到1 0 0b i t s 。声波遥测和电磁波遥测一样， 不需要泥浆循环，实现方法简单、投资少。而其缺点是衰减很快，受环境干扰大， 井眼产生的低强度信号和由钻井设备产生的声波噪声使探测信号非常困难。由于 信号在钻杆柱中传播衰减很快，所以在钻杆柱内每隔4 0 0 5 0 0m 要装一个中继 站，即便如此这种传输方式依然受到深度的限制。美国圣地亚国家实验室开发了 声波遥测技术，通过钻杆的应力波快速传递信息，取代钻井液压力脉冲。但目前 该传输方式尚未应用到生产实践中。 有线传输方式的数据传输速率高，可双向传递信息，其中电缆方式和特殊钻 杆方式还可以直接从地面向井下传感器供电，但制作工艺相对复杂，并且经常影 响正常钻进过程。无线传输方式中目前普遍应用的是钻井液脉冲法，其优点是对 钻井工艺没有特殊的要求和限制，仅用钻井液流作为动力，对正常钻井作业影响 很小，且通信可靠，能远距离传输。其缺点是钻井液脉冲的数据传输速度较慢，数 据传输速率较低，在气体和气液双相流体中不能够采用钻井液脉冲传输方式。 无论是有线随钻测量技术还是无线随钻测量技术，国际三大石油技术服务公 司斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯都代表着当今世界随钻测量技术的前沿，它们 分别推出的m a x i s 5 0 0 、e c l i p s 一5 7 0 0 和e x c e l l 一2 0 0 0 成像测井地面采集系统将测 量结果转变成三维图像，使人们对井下的情况认识的更加直观，使测井技术出现 了一次大的飞跃。在面对恶劣作业环境( 高温、高压、剧烈震动、磁干扰) 时， 斯伦贝谢公司用其新的s 1 i m p u l s e 回收式随钻测量系统解决遇到的问题，该系 统能在1 8 0 和1 7 2 m p a 压力的井下环境中稳定工作；而贝克休斯公司研制的 e a r t h 随钻测量系统额定工作温度和压力也达到了1 7 6 和1 5 8 m p a ；哈旱伯顿公 司与道达尔联合开发的超高温、超高压随钻测量系统更是已经能够在2 0 0 和 2 3 0 m p a 的环境下稳定工作【1 7 】。 北京t 业人学f 砍l j 学位论文 图1 3 斯伦贝谢公司推出地面采集系统 f i g u r e1 - 3s u r f a c ea c q u i s i t i o ns y s t e mo fs c h l u i n b e 曙e r 与国外技术相比，国内随钻测量技术还有较大差距，目前还处在引进和消化 国外随钻测量技术的阶段，个别单位和研究机构已经成功研制出了具有各自特点 的无线随钻测量系统。胜利油田钻井研究院从1 9 9 7 年开始进行无线随钻测量技 术研究，目前已经成功研制出了m w d 无线随钻测量仪和随钻伽马、随钻电阻率测量 仪，总结出了一套m w d 现场应用的实践经验，掌握了井下工具的硬件电路设计、信 号处理和采集方法、机械结构设计、加工工艺等多项关键技术，在无线随钻测量 仪器、双向通讯系统、地面监控系统的研发等方面取得了突破性进展，目前正在 研制近钻头测量及方位伽马测井仪、随钻中子密度测井仪。北京普利门科技发展 有限公司丌发的p m w d 系统采用旋转阀式脉冲发射系统、高精度耐振石英加速度 计和磁通门、上悬挂方式，具有测量精度高、可靠性好、仪器吊装简单、不脱键 等特点，适用于定向井和水平井的施工。仪器有多种模式可供选择，可以通过“短 停”来切换模式。在不需要测量数据时关闭工具面，可达到节电、延长电池寿命 和减少仪器磨损的目的。北京海蓝科技发展有限公司自主研发的钻井液脉冲随钻 测斜仪采用了磁液悬浮加速度计，具有外径小、质量轻、易损件少、抗冲击性强、 可打捞、价格低等特点，适用于定向井施工。目前，y s t 一4 8 系统已投入商业化 运营，在国内占据一定的市场，该公司正进行随钻伽马及电阻率测井仪器的研制 工作。山中国石油天然气集团公司研发的新型i f 脉冲无线随钻测量系统( c g m w d ) 在2 0 0 3 年1 0 1 2 月，在大港和冀东油田进行了现场试验，获得重大阶段性成果， 但传输速率还较低，一般在0 5 5b i t s 。 第l 审绪论 为了缩小与国际先进技术的差距，国内随钻测量系统的研究应该朝小型化、 高速率、高精度、高可靠性的方向加快追赶步伐，研制出能够满足各种复杂施工 条件的产品。 1 3 课题研究主要任务 本课题研究内容主要包括：无线随钻地面系统硬件设计、泥浆压力波信号预 处理算法的研究、曼彻斯特脉冲编码识别算法的研究、地面系统实时解码软件的 设计。 论文共包括五个章节，各章内容如下： 第一章，绪论，主要介绍了本课题相关的背景以及国内外目前的研究现状和 研究意义。 第二章，无线随钻测量系统测量与传输原理，主要介绍了井下仪器测量钻头 姿态的基本原理、井下仪器将测量物理量传输到地面的过程。 第三章，无线随钻测量地面系统的硬件设计，主要介绍了系统防爆箱和信号 采集箱的硬件设计。 第四章，无线随钻测量地面系统的软件设计，主要介绍了系统中对曼彻斯特 脉冲编码信号识别算法的研究以及将编码转化成各种测量数据的程序设计。 第五章，现场实验结果分析与修改，主要介绍了地面系统在施工现场的实验 结果，并对结果进行了比较分析，提出了进一步提高准确度的校正方法。 第2 章无线随钻测量系统测量j f 输原理 第2 章无线随钻测量系统测量与传输原理 2 1 无线随钻测量系统组成 无线随钻测量系统主要由井下测量传输系统和地面系统两部分组成【1 1 1 。钻 头位于井下工具的最底端，它是直接破岩、造就井眼的重要工具。钻铤是一种钢 质厚壁的筒形管材，它一般接在钻头之上向钻头施加钻压、传递扭矩。钻杆也是 钢质厚壁管材，是钻井延伸、传递扭矩和输送钻井液的工具，在钻进过程中钻杆 需要负担钻柱重量加上井壁摩擦力。井下测量传输系统就安装在紧跟在钻头后面 的无磁钻铤当中，它通过加速度、磁通门等定向信息传感器和电阻率、自然伽马、 孔隙度等地质信息传感器实时测量钻头附近的各项参数信息，这些信息经过计算 处理之后按一定的规则以编码脉冲的形式发送出来，通过驱动脉冲发生器改变钻 杆内部循环泥浆的压力，以泥浆压力波形式发送到地面；地面系统主要由地面信 号采集箱、防爆箱地面计算机组成。地面系统通过按装在井口钻杆上方的压力传 感器将变化的压力信号传递到地面信号采集箱，信号在采集箱中经过一些预处理 之后传递到地面计算机当中，地面解码软件通过对信号进行滤波和识别将井下测 量信息实时准确直观的显示出来，实现对钻井过程的实时监控，确保井眼能够准 确命中目标油层。无线随钻测量系统的构成如图2 1 所示， 图2 1 无线随钻测量系统组成 f i g u r e2 一lt h ec o m p o s i t i o no fm e a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n gs y s t e m 北京t 业人学硕i j 学位论文 2 2 井下测量传输系统介绍 井下测量传输系统是随钻测量系统中最精密、可靠性最高的部分，由于工作 环境要求它能够耐高温、抗高压、抗震动，因此在设计和安装过程中需要特别缜 密，井下测量仪器部分统称为探管，其中主要包括安装有传感器的模拟测量短节 和将数据进行脉冲编码的数字处理短节。传感器安装完之后都需要经过安装误差 标定修正及温度补偿系数修正，井下测量传输系统被安装在贴近钻头位置的无磁 钻挺当中是为了提高钻遇地层测量的实时性和真实性，越靠近钻头测量结果越有 效，更有利于井眼轨迹控制，提高命中目标层的中靶率i l2 1 。 为了实时测量安装仪器的钻具空间姿态，井下测量过程中普遍采用了沿钻具 三个基本轴安装的相互垂直的加速度传感器和磁通门传感器。 加速度传感器是利用晶体内部在加速度作用下产生变形从而引起晶体的极 化状态发生改变的压电效应对加速度进行测量的一种传感器。加速度传感器通过 测量由于重力引起的加速度，可以计算出仪器设备相对于水平面的倾斜角度。加 速度传感器按测量轴数量的不同可以分为单轴、双轴和三轴加速度传感器。磁通 门传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度 与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。与其他类型测磁仪器相 比，磁通门传感器具有分辨力高、测量弱磁场范围宽、可靠、能够直接测量磁场 的分量和适于在匀速运动系统中使用等特点，正是由于磁通门传感器对地磁场的 高敏感性，因此在井下要求使用无磁钻挺，这样才能确保测量结果真实有效。 如图2 2 所示，在钻铤中安装的测量装置。姿态测量过程中加速度传感器和 磁通门传感器分别感应测量x ，y ，z 三轴上的重力加速度分量和地磁场分量，利用 测量相对的重力场值和地磁场值便可以计算得到能够描述钻具姿态的所需角度。 图2 2 井下测量装置安装 f i g u r e2 2d o w n h o l em e a s u r e m e n td e v i c ei n s t a a t i o n 第2 章无线随钻测量系统测量j 传输原理 2 2 1 姿态测量原理 正如空中飞行的物体可以通过航向角、俯仰角和横滚角来描述其空中姿态一 样，在钻井作业过程中一般使用井斜角、方位角和工具面角来对井下钻具的空间 姿态进行描述。 井斜角是钻具轴线与铅垂面之间的夹角，它反映了钻具前进方向相对水平面 的倾斜程度；当钻具轴线垂直于水平面向地心钻进时，井斜角为最小值0 度，当 钻具轴线垂直于水平面向地表钻进时，井斜角为最大值1 8 0 度。方位角是钻具轴 线在水平面的投影与磁北方向之间的夹角，它反映了水平面内钻具运动的方向， 取值范围是0 3 6 0 度；工具面角则是在与钻具轴线垂直的平面内，钻具的斜面法 线方向与参考方向间的夹角，它反映了钻具下一步钻进的造斜方向，取值范围是 0 3 6 0 度。 为了给出姿态角度严格的定义，在地理坐标系中( n e d 北东地坐标系) ，建 立钻具坐标系( x y z 坐标系) ，如图2 3 所示。图中，h 为水平面，v 为包含钻进 轴线的铅垂面，p 代表钻具横截面。一般，取x 轴和钻具的轴线方向一致，z 轴与 造斜钻头的造斜方向一致，y 轴跟二者垂直并构成右手直角坐标系。在上述坐标 系当中根据定义可知方位角为x 轴在水平面的投影与磁北之间的夹角，图中用1 l ， 表示，井斜角为x 轴与铅垂面的夹角，图中用。表示，工具面角为z 轴与钻孔垂直 面的夹角，图中巾所示。角度的方向都是按照x y z 坐标系右手系的方向为正。 图2 3 姿态角度在坐标系中的表示 f i g u r e2 3t h es i g n i 6 c a t i o no fa t t i t u d ea n g l ei nc o o r d i n a t e s 根据旋转变换中的欧拉定理，载体在空间中的姿态可用相对于地理坐标系 有限次的转动来表示【4 2 】。再结合图2 3 可知，n e d 坐标系经过一系列的旋转变换 可以变换到x y z 坐标系，而这些旋转角度即为上述定义的姿态角。具体变换如图 2 4 所示，起始时钻具坐标系与n e d 坐标系重合( n 与x 轴、e 与y 轴、d 与z 轴相 北京t 、【k 人学硕f j 学位论文 对应) ，随后绕d 轴旋转1 l ，角，成为x l y l d 坐标系，再绕y l 旋转。角，成为x y l z l 坐标系，最后绕x 轴旋转巾角，就得到钻具当前的坐标系x y z 坐标系。 图2 4 欧拉旋转变换 f i 目l r e2 - 4e u l e rr o t a t i o nn 丑n s f o r m a t i o n 每次的旋转相当于一次坐标变换，可以用相应的变换矩阵来表示，它们具有 如下的标准形式： 乃= 睾引仨嘲 r ，l oo 1 局= lo c o s 矽 s i n 矽 ( 2 一1 ) i os i n 矽c o s 矽j 观= 饬心u 脚 ( 2 2 ) = 彤彤碍z ( 2 3 ) q ，g y ，g z r ，而重力场在n e d 坐标系可表示为【o ，o ，g 】r ，其中g 为当地重力加速 q ，g y ，g z 1 = 髟凡 o ，o ，g 7 ( 2 4 ) 第2 章无线随钻测量系统测晕= 与传输原理 t a n 秒：下二坠( 2 5 ) 、l g 孑+ g 孑 t a n 矽= 导 ( 2 6 ) u z 同样，利用沿钻具三个轴向x y z 安装的三轴磁通门测量的地磁场为【毋，岛，吃】7 ， 结合式( 2 3 ) ，有 风，尾，玩 7 = 彤彤碍 毋，毋，芝r ( 2 7 ) 式中：氐、暖和为地磁场在地理坐标系中的分量，由于在地理坐标系中地 磁场的方向是由北极指向南极，因此没有东向分量，即 吃= o ( 2 8 ) 则联合公式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可得方位角1 l r 的表达式 t a n = 丽弗貉蠢呖 9 ， 其中g = g 1 2 + g y 2 + g 2 根据推导的公式可知，只要实时测量得到重力加速度和地磁场强度在三个轴 的分量，便可以通过公式计算出测量时刻钻具在井下的井斜角e 、方位角1 l r 和工 具面角由。 2 2 2 脉冲传输原理 测量数据在井下经过计算后按一定规则和顺序的编码脉冲方式发送出来，通 过泥浆液传输到地面，其中泥浆作为传输介质也有严格要求，要具有一定的密度、 黏度、滤失量、泥饼、切力及含砂量等，并随着钻井所钻遇的地层变化能及时做 出调整。目前泥浆脉冲信号传输方式有j 下脉冲、负脉冲和连续波三种【l6 1 。 正脉冲信号发生器：在井下信号发生器中有1 个节流阀，由液压调节器控制。 当井下仪器控制阀动作时，通过钻柱的钻井液流形成瞬时压缩，引起管内压力增 加，从而产生一系列压力脉冲传输到地面。从信号产生的机理看，属于节流型信号 发生器，如图2 5 ，目前应用比较广泛。 北京t 业人学顾i j 学f 证论文 我蟹獯力 图2 5 泥浆止脉冲方式工作原理示意图 f i g u r e2 5t h ew o i k i n gp r i n c i p l ed i a g r 锄o fm u dp o s i t i v ep u l s em o d e 负脉冲信号发生器：发送器由泄流阀门组成，当阀门打开时，使得一部分钻井 液从钻柱内流向环空。因此，开闭阀门就会引起管内的压力波产生一系列的负脉 冲，将数据传输到地面。从信号产生的机理来看属于泄流型信号发生器，如图 2 6 。 藏嚣舷力 图2 6 泥浆负脉冲方式j 二作原理示意图 f i g u r e2 6t h ew o r k i n gp r i n c i p l ed i a 伊a mo fm u dn e g a t i v ep u l s em o d e 连续信号发生器：由1 个转子和1 个定子组成，每个定子和转子上带有多个 叶片，由电机驱动转子打开或部分关闭定子叶片间的开口，当开口增大时，泥浆流 动畅通，压力减小：当开口关闭时，泥浆流动受阻，压力增大。控制转子瞬时开闭或 者连续开闭，就会产生脉冲或者连续压力波动信号。从信号产生的机理来看，也属 于节流型信号发生器，如图2 7 。 在泥浆脉冲系统中，由于脉冲扩散、调速的限制和泥浆系统其他特性的局限 性，使得数据的传输速度比较慢，压力波在泥浆中的传播速度约为1 2 0 0 m s ，数据 传输率不高，传输信号易受噪声的影响。其优点是用泥浆流动作为动力，降低了 开发成本，给井下发电设备提供动力来源的同时还具有携带岩