摘要：介绍了随钻测量仪器（MWD）工作原理及信号传输方式，分析了信号在传输过程中的噪声因素及降噪措施，针对导致信号衰减的不同因素，采取相应提高信号传输质量的措施，以减少信号的衰减。
关键词：随钻测量仪器；噪声；衰减；措施
随钻测量仪器（MWD）用于钻井过程中井下信息的实时测量与上传，其特点是在不中断正常钻进的情况下获得钻头附近测得的数据信息，并将数据传到地面。MWD采集的数据主要是定向数据，即井斜、方位和工具面。MWD为下部钻具的一部分，其产生的信号被安装在地面的传感器检测到后，经过译码和处理，便可得到定向所需的各项数据。MWD的最大优点是能够实时将井下的信息传送到地面，供现场施工人员及时作出判断[ 1 ]。
1 信号传输方式及特点
1.1 传输方式
目前MWD实现信号传输的方式主要有连续波、正脉冲、负脉冲和电磁波四种。
1.1.1 连续波方式
连续波脉冲发生器的转子在泥浆作用下产生正弦压力波，由井下探管编码后的测量数据通过调制系统控制的定子相对于转子的角位移，使这种正弦或余弦压力波在时间上出现相位移或角位移，在地面连续检测这些相位或频率的变化，并通过数字译码和计算得到测量数据，原理如图1所示。其优点是数据传输速度快、精度高；缺点是结构复杂，数字译码能力较差。
图1 连续波方式工作原理
1.1.2 正脉冲方式
泥浆正脉冲发生器的针阀与小孔的相对位置能够改变泥浆在小孔处的截面积，从而引起钻柱内部泥浆压力的升高，针阀的运动是由井下探管编码的测量数据通过调制器控制电路来实现的。在地面通过连续地检测立管压力的变化，并通过译码转换成测得的井下数据，原理如图2所示。正脉冲发生器不需要专门的无磁钻铤，具有结构简单、尺寸小、使用操作和维修方便等优点，但正脉冲发生器数据传输慢，不适合传输地质参数。
图2 泥浆正脉冲方式工作原理
1.1.3 负脉冲方式
泥浆负脉冲发生器需要组装在专门的无磁钻铤中使用，开启泥浆负脉冲发生器的泄流阀，使钻柱内的泥浆从泄流阀经无磁钻铤细流孔流到井眼环空，从而降低钻柱内部的泥浆压力。泄流阀的动作是由井下探管编码的测量数据通过调制器控制电路来实现的，在地面通过连续检测立管压力的变化，并通过译码转换成测得的井下数据。原理如图3所示，优点是数据传输速度快，适合传输定向数据和地质参数；缺点是下井仪器的结构复杂，组装、操作和维修不便且需要专门的无磁钻铤。
图 3 泥浆负脉冲方式工作原理
1.1.4 电磁波传输方式
电磁波信号传输主要依靠地层介质来实现。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、解码、计算，得到实际的测量数据。优点是数据传输速度快，适合普通泥浆、泡沫泥浆、空气钻井、激光钻井等钻井施工中传输定向数据和地质参数；缺点是地层介质对信号的影响较大，低电阻率的地层电磁波不能穿过，电磁波传输的距离有限，不适合超深井施工。
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1.2 信号传输的特点
a） MWD的连续波、正脉冲、负脉冲信号传输方式均是依靠泥浆进行信号传输，信号的传输速度对泥浆的含气量非常敏感，随着含气量的增加，传输速度急剧下降。泥浆各组分的含量和密度直接影响到其密度和压缩性，水基泥浆的信号传输速度一般高于油基泥浆。负脉冲信号的传输速度高出正脉冲信号约10 %。通常，随着钻井液密度和压缩性的提高，信号传输速度降低。
b）信号的传输过程是一种能量转换过程，存在着延迟和衰减，泥浆脉冲信号在井筒中的往复传播类似于阻尼振荡并逐渐衰竭[ 2 ]。
c）信号的衰减程度主要与钻柱的尺寸及材料特性、脉冲频率以及钻井液的类型、组分、粘度和压缩性有关，而与钻井液密度无关。在常规钻井作业中，信号频率和钻井液粘度是主要的可控因素且对信号的衰减程度均有显著影响，信号频率比钻井液粘度对信号的影响相对更大，当脉冲频率较高、钻井液粘度较大时，信号衰减得更快。
2 降低噪声信号的方法
通常有两个因素决定泥浆脉冲信号的强度：一是井下脉冲发生器产生的原始脉冲大小；另一个是脉冲信号传输过程的衰减程度。为了提高信噪比，可以增大脉冲发生器产生的初始脉冲幅度，也可以减小信号的衰减程度。但是，一般的MWD脉冲发生器产生的初始脉冲幅度基本上是个定值，所以，为了提高信噪比，应尽可能减小泥浆脉冲传输过程的衰减程度，使立管处的泥浆脉冲信号强度满足解码要求。衰减因素是一些能够消耗有用信号能量的物理参数，减小这些参数的影响就是要找到产生信号衰减的根源并做些调整，以使信号传到地面后仍保持足够的强度。泥浆脉冲信号产生衰减的因素有深度、泥浆密度、粘度和含气性、空气包等[3-5]。
2.1 深度对信号的衰减
泥浆脉冲信号传输的路径越长，丢失的能量就越多。当井比较深时，地面接收到的泥浆脉冲信号幅度相对来说要小些，信噪比不可避免地受到影响。这时，可以降低信号传输频率，使脉冲发生器小阀动作慢点，以增大初始脉冲的幅度，提高信噪比。
2.2 杂物造成的衰减
若泥浆中有杂物，当其积累到一定程度时，会堵塞脉冲发生器内腔，使阀不能做全行程运动，从而降低了初始脉冲的幅度和信噪比，甚至造成失去信号。推荐使用钻杆滤网，可减少此情况的发生。
2.3 气体对信号的衰减
泥浆中气体将会严重影响泥浆脉冲信号的传输，含气量大时会较大地减小脉冲幅度，甚至使地面无法接收到脉冲信号。可以先判断存在的衰减是否为气体造成的衰减，然后再对比高频和低频脉冲信号传输中脉冲幅度的减小程度，以确定采取的措施。例如，改变信号传输频率、循环泥浆[5]等。
2.4 空气包的影响
由于泥浆泵活塞的运动使泥浆流动呈周期性变化，所以在立管处的压力呈正弦周期性变化。空气包的用途是减少压力变化和机械震动，使泥浆流动平稳，同时也会造成井下脉冲发生器传上来的有用泥浆脉冲信号的衰减，一般没有显著衰减，不会造成信号接收问题。但是，当条件恶劣例如井较深或地层复杂时，应考虑其造成的衰减。解决的关键是调节空气包，遵循的原则是：空气包冲压压力应为立管压力的1/ 4～1/ 3，当用一台泵时，其他的泵应被隔离。
2.5 压力传感器的安装对信号的影响
压力传感器的安装位置对于提高信噪比也相当重要。应尽可能地安装在主管线上，避免安装在管线末端、阀门和其他传感器附近；应水平安装，以防混入空气及泥浆结饼而堵塞传感器球阀。
参考文献：
[1]苏义脑，窦修荣.随钻测量、随钻测井与录井工具[J].石油钻采工艺，2006，27（1）：74-78.
[2]张进双，赵小祥，刘修善.ZTS电磁波随钻测量系统及其现场试验[J].钻采工艺，2005（3）：25-27.
[3]肖仕红，梁政.智能钻井电缆信号传输的研究现状及难点[J].石油矿场机械，2007，36（2）：7-10.
[4]王江萍，王怡，鲍泽富.钻井过程监测与实时故障诊断综述[J].石油矿场机械，2006，35（6）：15-19.
[5]魏强，李黔.一种新型负压脉冲钻井工具的设计及研究[J].石油矿场机械，2007，36（6）：39-41.
论文作者:刘文茂,姚筠
论文发表刊物:《文化时代》2019年17期
论文发表时间:2020/1/16
标签：脉冲论文; 信号论文; 泥浆论文; 发生器论文; 井下论文; 数据论文; 电磁波论文; 《文化时代》2019年17期论文;