电磁波随钻测量系统上课讲义

石油勘探与开发226 2013年4月PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.40 No.2 文章编号：1000-0747(2013)02-0226-06 DOI: 10.11698/PED.2013.02.13基于载波通信原理的电磁波随钻测量技术苏毅1，齐昕1，刘阳1，张金光2（1. 北京科技大学机械工程学院；2. 山西潞安环保能源开发股份有限公司地质处）基金项目：中央高校基本科研业务费专项资助项目（FRF-TP-12-059A）摘要：为了提高电磁波随钻测量中数据传输速率，增加信号遥测深度，解决钻杆寿命低、可靠性差和电磁信号散射严重等问题，提出了基于载波通信原理的随钻测量技术。

该技术利用载波原理，通过耦合变压器将电磁波信号耦合到钻杆上，利用钻杆和大地构成导波系统，从而实现井上与井下的数据传输。

通过分析电磁波在地层和钻杆中的传输特性，得到钻杆中的传输线波动方程，并给出系统的总体构成及设计方案。

采用LM1893作为载波模块，研制出井下发射机和井上接收机系统，并对系统进行了优化设计。

结果表明，利用载波技术将电磁波加载至钻杆，通过钻杆-大地构成的传输信道，能够把井下测量参数传输到地面，同时还可把地面设置参数及指令发送到井下，实现地面与井下的双向通信。

图7参11关键词：电磁波随钻测量；透地通信；载波通信；数据传输中图分类号：TE631 文献标识码：AElectromagnetic measurement while drilling technology based onthe carrier communication principleSu Yi1, Qi Xin1, Liu Yang1, Zhang Jinguang2(1. School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. GeologicalDepartment, Shanxi Lu’an Environmental Energy Development Co. Ltd., Changzhi 046204, China)Abstract:To improve data transfer rate and signal telemetry depth in electromagnetic measurement while drilling (EM-MWD), and to solve the problems of short life expectancy and poor reliability of drill pipes as well as serious electromagnetic scattering, this paper presents the measurement while drilling (MWD) method based on the carrier communication principle. Based on carrier technology, the electromagnetic wave signal was coupled with the drill pipe through the coupling transformer, where the drill pipe and formation can form the guiding wave system to achieve data transfer between the ground and the bottom. The transmission line equation is developed based on the analysis of the transmission characteristics of electromagnetic waves in strata and drill pipes, and the overall structure of the system is presented. The real transmitter and receiver are produced by using LM1893 as the carrier module. In addition, the system optimization is proposed. The electromagnetic waves loaded on the drill pipe using carrier technology can transmit drilling measurement parameters from the bottom to the surface in real time, and send setting parameters and commands from the surface to the bottom simultaneously through the drill pipe-formation channel, and thus achieve the implementation of bi-directional communication between the ground and the bottom.Key words:EM-MWD; through-the-earth communication; carrier communication; data transmission0 引言在石油、天然气及煤矿的开采钻井工程中，需要由井下实时向地面传输测量信号，这些信号主要包括地层流体、岩性和储集层物性等岩石物理识别信号，以及钻头的方向、位置、轨迹和造斜工具面向等工程参数信号。

《电磁场电磁波》讲义一、电磁场的基本概念在我们生活的世界中，电磁场是一种非常重要的存在。

简单来说，电磁场是由电场和磁场相互作用而形成的一种物理场。

电场，就像是一种无形的力量，能够对带电粒子产生作用。

比如，当我们摩擦一个气球，使它带上静电，然后靠近小纸屑时，纸屑会被吸引过来，这就是电场在起作用。

磁场呢，则是由运动的电荷或者电流产生的。

我们常见的磁铁周围就存在磁场，指南针能够指示方向，就是因为受到了地球磁场的影响。

电磁场中的电场强度和磁场强度是描述电磁场性质的重要物理量。

电场强度表示电场的强弱和方向，而磁场强度则反映磁场的大小和指向。

二、电磁波的产生当电荷加速运动时，会产生变化的电场和磁场，而这种变化的电场和磁场相互激发、相互依存，就形成了电磁波。

例如，在一个简单的电路中，当电流快速变化时，比如在无线电发射机中，就会产生电磁波向周围空间传播。

电磁波的产生需要一个源，这个源可以是一个振荡电路，也可以是其他能够产生快速变化电流或电场的装置。

三、电磁波的特性电磁波具有一些重要的特性。

首先是波动性，它像水波一样，有波长、频率和波速。

波长是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。

频率则是指单位时间内电磁波振动的次数。

而波速就是电磁波在空间中传播的速度，在真空中，电磁波的速度约为每秒 30 万公里。

电磁波还具有粒子性，被称为光子。

光子具有能量和动量。

电磁波的另一个重要特性是它能够在真空中传播，不需要任何介质。

这与机械波有很大的不同，比如声波需要通过空气、水等介质才能传播。

四、电磁波的分类按照波长或频率的不同，电磁波可以分为很多种类。

无线电波，它的波长较长，频率较低，常用于广播、通信等领域。

微波，在雷达、微波炉等设备中有广泛应用。

红外线，具有热效应，常用于红外遥感、加热等。

可见光，这是我们能够用眼睛直接看到的部分，包含了红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等颜色。

紫外线，具有杀菌消毒的作用，但过量的紫外线对人体有害。

X 射线，在医学诊断、材料检测等方面发挥着重要作用。

电磁波无线随钻测斜仪使用介绍范洪涛,王　刚,郑　翔,黄　平(新疆石油管理局钻井公司,新疆克拉玛依834009)摘　要:随着欠平衡钻井技术的发展及老油区复杂区块和薄油层开发力度的加大,传统的依靠泥浆脉冲传输信号仪器的不足之处越来越明显。

国外利用电磁波传输井下测量信号随钻仪器得到开发并利用,并在未来据有很广的应用前景。

关键词:欠平衡;薄油层;电磁波仪器中图分类号:P634　文献标识码:B　文章编号:1004—5716(2009)02—0063—021　工作原理仪器测量元件的测量原理与其他仪器相同,不同之处在于信号的传输方式,目前国际上使用的信号传输方式有:泥浆传输、电磁波传输、声波传输、有线电缆传输和复合式传输(无线加有线)。

我们引进的是型号为3TC-42(仪器外径为42mm)以电磁波为传输方式的仪器,其工作原理是:电磁波的传输是通过钻柱与接地线之间的形成电势回路,通过地层传输到地面后被接收。

具体过程如下:用专用的绝缘短节把钻具分为上下两极,仪器、绝缘短节的下端与绝缘短节下部钻具连接;仪器的发射天线通过绝缘短节的上端与上部钻具连接到钻台线,地面钻台连接线与处理器连接。

这样形成电磁波传输的电势回路。

仪器测量的参数转换成电磁波信号,当仪器天线发射信号时,电磁波透过地层传输到地面后被接受装置的接地线接收到,完成信号的传输。

如果信号很弱,可采用加长天线传输信号。

2　技术性能和指标2.1　仪器的性能和精度 仪器的使用条件:最大抗压60MPa,测量环境的最大温度不超过100℃。

井斜角测量范围:0°～180°,绝对误差不超过正负0.2°。

水采气工艺。

根据中原油田气藏类型多,气井问题复杂,气田开发已进入中后期的实际状况,建议从以下几个方面给予重视:(1)合理、充分利用地层能量,根据不同的开发阶段和生产条件,及时取全取准生产资料、产能试井以及生产测井等资料,对这些资料进行科学的分析研究,从而制定科学合理的工作制度,搞好动态预测,找准开发中存在的问题。

随钻测量无线电磁传输系统的设计与实现在地质勘查的钻井工程中,及时准确的监测井眼轨迹并精准调整钻井姿态是钻井工程中关键技术之一。

目前,基于钻井液脉冲的数据传输方案普遍被国内外成熟的随钻测量系统(MWD)采用,但是这种传输方式受钻井液局限、传输速率低。

随钻测量无线电磁传输系统是以低频电磁波为介质,将信号进行合适的编码后,经钻杆-地层信道传输到地面。

它很好的克服传统钻井液脉冲无线传输技术的缺点,已成为国内外各大油服公司的研究热点。

但国内该方面的研究起步较晚,技术远落后于国外大型同类公司,缺乏成熟的商用产品。

因此具有自主核心技术的无线电磁传输系统的研发已成为国内业内公司与研发人员的一个攻坚任务。

本课题以随钻测量无线电磁传输系统已有成果为背景,针对在随钻测量无线电磁传输系统实现中遇到的各种难题,进行设计与改进。

主要工作包括:1.根据各项技术指标及实际工程情况,提出完整的系统方案,设计系统的总体功能框架;2.针对井下锂电池供电与长时间井下作业要求的矛盾,设计了专门的电源管理模块,实现发射系统在井下长时间待机与高效工作的需求;3.针对井下钻杆空间狭小,为发射系统提供的可利用空间有限,本文采用SOC方案实现信号的调制和发射系统的控制,有效的减少了发射系统的面积,非常方便井下电路的安装;4.受环境影响,井下通信信号衰减都比较快,载波频率都比较低,低频段的带宽较窄,本文采用BPSK调制方案,有效的降低了信号的带宽,并结合低频信号载波同步难的问题,本文设计了一种基于上下文的BPSK解调算法,该算法效率高,载波同步快,对噪声和工频信号都具有很好的抗干扰能力,并且该算法对硬件电路的要求低,本文采用FPGA实现该BPSK算法的解调,仅需FPGA最小系统和ADC即可;最后,针对该随钻测量无线电磁传输系统进行一系列相关的测试与实验,实验结果表明:该系统工作可长时间稳定工作,满足设计的各项技术指标,实现了预期功能。

电磁波随钻测量技术在煤层气钻井中的应用由于电磁波随钻测量系统（EM-MWD）的技术特点适合煤层气定向井作业，因此在国内近几年煤层气开发中得到认可，且广泛应用。

文中对煤层气钻井的作业特点和使用电磁波传输的优势进行了阐述，并对SEMWD-2000B电磁波随钻测量系统及在煤层气钻井中的应用情况进行了介绍。

标签：电磁波随钻测量;煤层气;定向井;多分支井一、煤层气钻井和EM-MWD技术的特点1.煤层气钻井特点目前开采的煤层气一般埋藏在浅层，垂深在1000米以浅。

煤层气开发与油田开发相似，也主要有直井、一般定向井、水平井（含多分枝井）几种井型，其中长水平段井和多分枝井技术的应用，可以有效增加井眼与煤层的接触，提高单井的产气量，因此煤层气井一般垂深浅，水平段长，水垂比较大[1]。

由于煤层较脆，钻井过程中机械钻速较快，且井眼容易垮塌。

钻速快，单位时间内进尺长，如果每米井深需要传输的参数一定，则钻速越快单位时间内需要传输的数据量越大，对随钻测量仪器的傳输率要求越高。

井眼易垮塌，钻井过程中容易发生复杂情况，一旦井下发生复杂情况，将井下仪器起出，然后处理井下复杂情况，可有效减少井下工具落井的损失，因此煤层气钻井使用的随钻测量仪器要求可打捞。

2、EM-MWD技术的特点EM-MWD技术以电磁波方式传输信号，与泥浆脉冲传输方式相比，由于传输不依赖于泥浆循环，其信号传输受泥浆性能影响小，在接单根期间可以传输数据，测斜不额外占用钻井时间的优势也越明显，尤其对于机械钻速越高，建井时间越短的作业。

电磁波方式与国内常用泥浆脉冲相比传输率较高，国内常用泥浆脉冲的传输率一般不到1bps，电磁波传输方式可以达到几bps。

传输率越高在实际作业中参考数据更新越快，信息延迟时间越短。

对于煤层气浅井作业，电磁波方式的传输率，能够更好的满足钻速快对传输率要求高的需求。

二、电磁波随钻测量系统这里以中国电子科技集团公司第二十二研究所研制了SEMWD-2000B电磁波随钻测量系统为例介绍电磁波随钻测量系统。