水平定向钻随钻测量仪无线传输技术研究

水平定向钻随钻测量仪无线传输技术研究

陈翔刘启华

中石化江汉油建工程有限公司湖北省武汉市430000

摘要：本文主要针对水平定向钻中随钻测量仪无线传输的方法进行可行性分析，确定最终的技术手段及研究方向。

关键词：水平定向钻随钻测量仪无线传输

水平定向钻衍生于石油钻井技术，其随钻测量仪也基于如此，但工况有所不同。石油钻井一般为垂直向下，特点是深度大，水平位移小。而水平定向钻则通常都是水平位移大。目前水平定向钻中的常用的随钻测量也是与石油钻井的随钻测量一样，通过电缆传输信号。但是电缆连接的可靠性不高，电缆容易在钻杆通道内短路或断裂，且电缆连接的时间也比较长，影响效率，所以需要开发一套无线传输的随钻测量仪。

目前井下测量数据通过无线传输一般有三种形式，一种为通过电磁波传输，另一种为通过泥浆脉冲传输，还有一种为通过声波传输。相比泥浆脉冲，声波传输这两种传输方式，电磁波传输方式在数据传输速率、钻井液方面具备明显优势。所以水平定向钻上的随钻测量无线传输形式的研究方向也确定通过以电磁波为载体来传输数据。

目前石油钻井上在无线电磁波传输上的产品及性能如下：

通过对市场上的一些产品了解，井下数据无线传输最高速率不超过12比特每秒，且地层电阻率的会影响传输速率。水平定向钻随钻测量仪需要传输的数据有三轴重力加速度分量（3个带正负的4位十进制数据），三轴磁场强度分量（3个带正负5位十进制数据），探棒温度（1个正负2位十进制数据）。全部传输这些数据带宽为107比特。如果通过电缆传输，可以做到实施传输这些数据。但是通过电磁波传输，由于传输速率的影响，随钻测量仪在运动状态下，数据无法做到实时观察，只能等待随钻测量仪在稳定状态下读取数据。读取数据需要等待一个过程。这样就意味着在水平定向钻钻进过程中，每一次观察数据都需要等待9-12秒左右。这样下来，每一根钻杆在钻进过程中，需要观察数据所花费的总时间可能要超过10分钟。所以电磁波传输方式没有问题，主要研究的方向是如何提高电磁波传输效率。

水平定向钻在导向孔钻进时，地面需要观察随钻测量仪数据有司钻及控向两名作业人员。两人观察数据的时间和侧重也各不相同。司钻主要是观察面向角数据及倾角，方位角的变化趋势，当使用泥浆马达后，倾角的方位角的变化趋势也不一定能及时观察到。主要还是靠司钻对地层的认识和之前钻进的规律。而控向则是在每根钻杆完成后观察倾角及方位角数据。

所以针对水平定向钻和石油钻井的不同，在研发改进时应确定两种模式，一种为全部数据传输模式，一种为简易数据传输模式。钻进过程中，司钻观察数据采用简易数据传输模式。而每根钻杆钻进完成后，需要采集数据记录时采取全部数据传输模式。这样可以大大减少观察数据的等待时间。

采用简易数据传输模式时，应对数据做出处理。

1、去除无用数据，水平定向钻最大深度不会超过200米，不会像石油钻井那样遭遇高温地层，所以温度数据可以删除不需要传输。钻进过程中，并不需要实时查看方位角，所以也可以将磁场强度数据删除，只传输重力加速度数据，这样仍可以计算出面向角和倾角。

2、降低数据精度，将数据末位数删掉几位，仅保留2位。减少数据量。这样对计算后的面向角，倾角减少的数据精度会下降为千分之一，这样角度精度范围为0.36°。

通过简易数据传输模式的要求，基本需要传输的数据仅为3个带正负的2位十进制数据。这样所需的传输数据的带宽为33比特。这样观察数据的等待时间将会下降为3-4秒。3-4秒的延迟将会和正常有线随钻测量仪操作类似。

由于有两种数据传输模式，需要调整模式就需要地面和井下形成双向通道，但国内多位单向传输模式。所以在基于单向传输模式下，需要定义两种模式的切换，这时可以在井下安装一个压力传感器模块，通过感知泥浆压力的变化来进行模式的自动切换，当感知到泥浆压力上升时，这时定向钻是正在进行钻进过程中，所以模式切换至简易数据模式。当压力下降至一定范围后，即为停钻状态，这时需要采集数据，所以模式自动切换至完整数据传输模式。

通过上述思路对石油钻井的无线随钻测量仪进行针对性的改造后，再推广至水平定向钻运用，将会极大的提高水平定向钻的施工效率。

参考文献：

[1]《随钻电磁测量电磁波传输技术的研究》汪松