李 皋， 陳 澤， 孟英峰， 陳一健， 蔣祖軍

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川成都 610500；2.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川德陽 618000)

無線隨鉆測量(measurement while drilling，MWD)按傳輸通道的不同可分為鉆井液脈沖、電磁波和聲波等方式[1]，其中鉆井液脈沖傳輸方法不適用于氣體鉆井[2_3]。目前，氣體鉆井中普遍使用電磁隨鉆測量(electromagnetic measurement while drilling，EM-MWD)技術(shù)[4_6]，但該技術(shù)存在許多限制，信號傳輸時(shí)受復(fù)雜地層影響大、衰減快及抗噪聲能力差，導(dǎo)致信號傳輸頻率和測量深度受限[7_9]。

微波隨鉆測量(microwave measurement while drilling，MMWD)技術(shù)是在現(xiàn)有隨鉆測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，在近鉆頭安裝隨鉆測量短節(jié)采集數(shù)據(jù)、利用鉆桿作為微波波導(dǎo)將井下測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄诓⑦M(jìn)行處理的一種新方法，以實(shí)現(xiàn)井下地層特性參數(shù)和鉆井參數(shù)的測量。王蘇虹等人[10_11]研究認(rèn)為，頻率2.4 GHz的微波更適用于在鉆桿中傳輸；劉清友等人[12]在氣體鉆井過程中利用微波隨鉆監(jiān)測的方法實(shí)現(xiàn)了對返出氣體濕度的在線連續(xù)監(jiān)測；徐小祥等人[13]對扭矩傳感器進(jìn)行了校正，提高了MMWD的測量精度；張從邦等人[14]將微波無線中繼應(yīng)用于氣體鉆井井眼軌跡控制中，大幅降低了井眼軌跡監(jiān)測的誤差。但目前還沒有研制出應(yīng)用于井下的MMWD隨鉆測量裝置。筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了頻率2.4 GHz微波在鉆桿中傳輸?shù)目尚行裕治隽丝稍阢@桿中傳播的波形，利用設(shè)計(jì)的MMWD樣機(jī)及配套軟件開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，MMWD技術(shù)采用多級中繼接力在鉆桿內(nèi)部空間中傳輸，能夠有效避免地層因素的影響，提高傳輸效率，增大測量深度。

1 MMWD隨鉆測量技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

1.1 鉆桿內(nèi)高頻波傳輸特性研究

為了驗(yàn)證頻率2.4 GHz微波在井下環(huán)境中傳輸?shù)目尚行裕谒拇╔井進(jìn)行了井下信號傳輸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，樣機(jī)在下井過程中有信號返回，當(dāng)下至井深1 350.00 m時(shí)圖像信號變差，下至井深1 400.00 m處接收不到信號，樣機(jī)上提至井深1 350.00 m時(shí)圖形信號恢復(fù)良好，說明在井下可以利用頻率2.4 GHz微波傳輸信號。

微波功率的衰減主要來源于波導(dǎo)內(nèi)壁的表面電流和波導(dǎo)內(nèi)部的傳輸介質(zhì)。由于氣體鉆井中氣體對微波功率衰減的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)，將鉆桿看作理想圓波導(dǎo)，則微波的傳輸主要使用波導(dǎo)技術(shù)，產(chǎn)生微波功率衰減的主要因素就是波導(dǎo)內(nèi)壁表面的電流。

由波導(dǎo)理論可知，波導(dǎo)內(nèi)只能存在橫磁波(TM波)或橫電波(TE波)。對于TM波，其衰減系數(shù)為：

(1)

式中：n，m為整數(shù)，每一對n，m值對應(yīng)波導(dǎo)中的一個波形；αTM為TMnm波形的衰減系數(shù)，Np/m；a為波導(dǎo)半徑，m；RS為波導(dǎo)表面電阻，Ω；Z0為自由空間波阻抗，g/cm3·(m/s)；λ為波長，m；λnm為TMnm波形或TEnm波形的截止波長，m。

由于理想導(dǎo)體的電導(dǎo)率趨近于無窮大，因而RS=0，所以對于理想導(dǎo)體來說，衰減系數(shù)α=0。由于鉆桿不是理想導(dǎo)體，所以微波在鉆桿內(nèi)傳輸一定會有衰減。截止波長與波導(dǎo)截面的形狀有關(guān)，TM波的截止波長滿足：

(2)

式中：ρnm表示第一類n階貝塞爾函數(shù)Jn(kca)的第m個根。

對于TE波，其衰減系數(shù)為：

(3)

TE波的截止波長滿足：

(4)

表1 圓波導(dǎo)中TMnm波的值

表2 圓波導(dǎo)中TEnm波的值Table Value of TEnm wave in a circular waveguide

鋼制套管的電導(dǎo)率σ=5×106Ω·m，磁導(dǎo)率μ≈μ0，頻率f=2.4 GHz，將其代入式(1)或式(3)，計(jì)算可得這8種波形的衰減系數(shù)，可知8種波形的衰減系數(shù)差別很大，其中TE11波形的衰減系數(shù)最小，為6.15×10-4Np/m，TE12的衰減系數(shù)最大，為8.40×10-3Np/m。如果選擇合適內(nèi)徑的鉆桿，限制衰減系數(shù)大的波形的形成，則能顯著提高微波傳輸?shù)木嚯x和效率。

1.2 MMWD技術(shù)設(shè)計(jì)方案

氣體鉆井過程中由于信號衰減，單級微波的傳輸距離是受限的，可以通過多級無線中繼接力傳輸技術(shù)延長微波信號的傳輸距離。位于鉆頭處的信號發(fā)射模塊將實(shí)時(shí)采集的參數(shù)通過鉆桿中多個中繼短節(jié)構(gòu)成的鏈?zhǔn)街欣^網(wǎng)絡(luò)不斷向上接力傳輸，最終傳輸至井口信號接收器，再利用井口信號接收器將微波信號從鉆具內(nèi)部傳送到外部自由空間，由地面中繼器接收后傳至終端接收器，從而實(shí)現(xiàn)井下測量信息的上傳。該方案中微波信號中繼傳輸采用透明式傳輸方式，即中繼不進(jìn)行信號糾錯等處理，直接轉(zhuǎn)發(fā)接收信號，中繼部分電路不需要有信號處理功能，因此能降低功耗并減小其體積(見圖1)。

1.3 MMWD儀器結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)

MMWD隨鉆信號傳輸短節(jié)有2種結(jié)構(gòu)，分別適用于API鉆桿和雙臺階鉆桿。姿態(tài)模塊中加裝了井下參數(shù)采集模塊，其主要功能是采集井下井斜角、溫度等相關(guān)信息，經(jīng)過一系列調(diào)制操作，以微波信號的形式向地面?zhèn)鬏?，如圖2和圖3所示。

圖1 MMWD中繼接力傳輸示意Fig.1 Schematic diagram of MMWD relay transmission

圖2 適用于API鉆桿的測量短節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure design of measurement sub applicable for API drill pipe

測量與信號傳輸系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活和性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee模塊包括中心協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點(diǎn)。中心協(xié)調(diào)器具有網(wǎng)絡(luò)發(fā)起組織、維護(hù)和管理功能；路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。經(jīng)室內(nèi)測試，ZigBee模塊的數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)到128 kb/s。

終端接收器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與處理，主要利用MMWD配套處理軟件實(shí)現(xiàn)井下測量參數(shù)的監(jiān)控。

圖3 適用于雙臺階鉆桿的測量短節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure design of measurement sub applicable for double-step drill pipe

軟件根據(jù)功能分為2部分，即數(shù)據(jù)監(jiān)控部分和數(shù)據(jù)處理部分，數(shù)據(jù)監(jiān)控部分以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為核心，主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線繪制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警等功能，達(dá)到分析井下情況與微波通訊狀況的目的；數(shù)據(jù)處理部分以歷史數(shù)據(jù)為核心，主要實(shí)現(xiàn)文件格式轉(zhuǎn)換、文件分類存儲、歷史曲線顯示和歷史數(shù)據(jù)顯示等功能，能將數(shù)據(jù)監(jiān)控部分記錄存儲的二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為可直接調(diào)用的文本格式文件，依據(jù)模塊的不同地址將文件分類存儲，并能將每個分類存儲的數(shù)據(jù)文件繪制成歷史數(shù)據(jù)曲線，同時(shí)具備數(shù)據(jù)顯示功能，便于對測量數(shù)據(jù)和微波通訊系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

研發(fā)的MMWD樣機(jī)在元壩氣田元陸x井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。該井設(shè)計(jì)井深4 930.00 m，二開采用氣體鉆井技術(shù)從井深702.00 m鉆至井深3 402.00 m。MMWD樣機(jī)在該井氣體鉆井井段進(jìn)行了試驗(yàn)。樣機(jī)第一趟鉆井下工作時(shí)間120.0 h，進(jìn)尺1 270.43 m，純鉆時(shí)間76.3 h；第二趟鉆工作時(shí)間58.0 h，進(jìn)尺345.67 m，純鉆時(shí)間36.6 h；第三趟鉆工作時(shí)間56.0 h，進(jìn)尺256.12 m，純鉆時(shí)間28.2 h，3趟鉆均基本實(shí)現(xiàn)了井底測量數(shù)據(jù)的傳輸。

第一趟鉆,開鉆注氣后井下測量短節(jié)處溫度驟降，然后隨著井深增大逐漸上升；第二趟鉆,開鉆后由于使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，鉆具振動加劇，致使設(shè)備工作不穩(wěn)定，信號干擾嚴(yán)重，因此下鉆過程中能夠接收到連續(xù)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，開鉆后數(shù)據(jù)間斷直至信號微弱；第三趟鉆，下鉆到底后井下測量短節(jié)距離地面2 753.44 m，能夠正常接收數(shù)據(jù)，測得井底最高溫度為51 ℃，設(shè)備仍可正常工作，地面接收到的數(shù)據(jù)格式正確，無亂碼現(xiàn)象。

3趟鉆井下測量短節(jié)上傳的溫度數(shù)據(jù)如圖4所示，隨鉆測量井斜角與測井井斜角對比情況如圖5所示。由圖4、圖5可知，3趟鉆測得的溫度基本符合地層溫度分布規(guī)律，測傳井斜角曲線與測井井斜角曲線吻合度也較高。

圖4 3趟鉆井下測量短節(jié)上傳溫度數(shù)據(jù)Fig.4 Uploaded temperature data of measurement sub during three trips

圖5 3趟鉆隨鉆測量井斜角數(shù)據(jù)與測井井斜角對比Fig.5 Comparison of the inclination data by MWD and by wire-logging during three trips

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上驗(yàn)證了MMWD樣機(jī)在氣體鉆井過程中測傳數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。在試驗(yàn)過程中，微波傳輸信號最大測傳井深達(dá)到3 010.00 m，單次入井無故障工作時(shí)長達(dá)120.0 h，3趟鉆總工作時(shí)間234.0 h，且樣機(jī)仍能正常工作，井下數(shù)據(jù)測量、存儲和上傳均正常，地面數(shù)據(jù)解碼處理無誤。同時(shí)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用高強(qiáng)度鈦合金通訊天線可以提高天線的抗沖蝕能力；鉆具在入井前做好清潔除銹工作，可以延長信號中繼短節(jié)的有效通訊距離和提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3 結(jié) 論

1) 鉆桿中可以傳播8個波形，包括3個TM波形(TM01，TM11和TM21)和5個TE波形(TE01，TE11，TE21，TE31和TE12)，其衰減系數(shù)存在較大差異。

2) 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，MMWD樣機(jī)在氣體鉆井過程中能夠穩(wěn)定工作，測傳深度達(dá)到3 000.00 m以上，測得的地層溫度及井斜角也基本符合實(shí)際情況。

3) 室內(nèi)測試時(shí)MMWD樣機(jī)中安裝的ZigBee模塊的數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)到128 kb/s，建議在現(xiàn)場開展MMWD樣機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速率試驗(yàn)。