自上世紀(jì)末，可在隨鉆測量工程中應(yīng)用無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)(以下簡稱：EM-MWD)技術(shù)出現(xiàn)后，在近二十年的時(shí)間里已日趨成熟，EM-MWD技術(shù)與其他隨鉆測量技術(shù)相比，最大的優(yōu)越性在于：可在任何鉆井液中使用，如泥漿、氣體、泡沫等(MWD僅能在泥漿中傳輸信號(hào));停鉆、停泵時(shí)仍可傳輸井下數(shù)據(jù)(MWD在停泵時(shí)無法傳輸信號(hào)); 可在滑行鉆和轉(zhuǎn)盤鉆中使用(有線隨鉆測斜儀只能在滑行鉆中使用)。但EM-MWD技術(shù)也有弱點(diǎn)，就是在不同電阻率的地層中信號(hào)的傳輸深度和傳輸速率是不一樣的，也就是說EM-MWD的信道可靠性很大程度上受地層電阻率的影響。
不良導(dǎo)體降低EM-
MWD信息傳輸效率
在鉆井過程中，鉆柱作為驅(qū)動(dòng)鉆頭鉆進(jìn)的連接管線要隨著鉆頭進(jìn)入地層，當(dāng)鉆柱深入地下時(shí)就類似于埋入地層的長電極或是裸導(dǎo)線，如果將這深入地層的鉆柱在下部某一位置斷開再加入一絕緣短節(jié)將斷開的鉆柱連接上，同時(shí)將信號(hào)源的電壓加到斷開的兩鉆柱上，絕緣短節(jié)兩側(cè)的鉆柱就形成了兩個(gè)電極。
由于地層是電阻性的半導(dǎo)電體，相當(dāng)于加載到兩電極上的負(fù)載，這樣鉆柱與地層形成一個(gè)回路，使信號(hào)電流在回路中傳導(dǎo)(見圖1、圖2)，因?yàn)殂@柱是導(dǎo)電體在鉆井過程中通過泥漿或直接接觸井壁與地層聯(lián)通，就像埋入地下的裸導(dǎo)線，鉆柱中的電流在上傳過程中也向地層擴(kuò)散，如果鉆柱是垂直地心的，其電流擴(kuò)散形態(tài)在垂直刨面上就如圖1所示。當(dāng)電流沿鉆柱擴(kuò)散時(shí)，在地層中產(chǎn)生的電流場在地面上就會(huì)形成以鉆柱為中心的同心圓狀的電勢(電壓)場(見圖1)，這就是井下信號(hào)向地面的傳送過程。
接收井下向上傳送的信號(hào)，需要在離鉆柱一定距離之外的大地上打下一接地極，用電壓測量裝置跨接在鉆柱與接地極間，即可測量到以鉆柱為中心的同心圓狀信號(hào)輻射電壓，從而獲取到井下上傳的信號(hào)。由上所述分析可知，EMMWD的傳輸機(jī)理就是以“鉆柱——地層”構(gòu)成電流信號(hào)傳導(dǎo)回路，在地面通過測量電流流過地層時(shí)產(chǎn)生電壓降來接收信號(hào)。
EM-MWD信道模型
及主要參數(shù)分析
當(dāng)信號(hào)電流沿鉆柱上傳時(shí)，電流就會(huì)向與鉆柱接觸的地層傳導(dǎo)擴(kuò)散致使上傳電流不斷衰減，其衰減的規(guī)律遵從下式：(1)式中：I(z)為信號(hào)電流在z點(diǎn)的有效值，A;Io為源點(diǎn)處信號(hào)電流的有效值，A;z為鉆柱上某一點(diǎn)距信號(hào)電流源的距離，m; 為磁導(dǎo)率，一般取4π•10-7(H/m); 為地層電阻率， Ω•m;f為信號(hào)電流頻率，Hz;n為電阻率的分層數(shù),為正整數(shù);i為不同電阻率的分層標(biāo)號(hào)，從1、2、…n 。從上式可知決定上傳到地面信號(hào)電流大小的主要參數(shù)是：Io 、 、f、z ，在這幾個(gè)參數(shù)中 、z是由井況決定的是客觀存在，而Io、f是由設(shè)計(jì)而定的。
由于EM-MWD信道構(gòu)成的其中一部分是客觀環(huán)境，從根本上決定了EM-MWD信道在信號(hào)傳輸?shù)乃p量上存在不確定性，從一算例的曲線(見圖3)看出當(dāng)?shù)貙与娮杪?變化時(shí)信號(hào)傳輸受到的影響，即在同樣深的傳輸距離下，Io、f不變時(shí) 越小信號(hào)衰減的就越快。為了盡可能減小地層對EM-MWD信道的影響，就要增大Io減小f但f不宜太小否則信號(hào)的傳輸速率太低影響隨鉆測量的實(shí)時(shí)性。
根據(jù)對EM-MWD信道特性分析，為使它具有更好的適用性與可靠性，建立EM-MWD信道必須從兩個(gè)方面進(jìn)行，首先是增大井下信號(hào)的發(fā)射強(qiáng)度，即增大(1)式中的Io，Io增大了將減緩電流的沿程擴(kuò)散。下面再通過一算例來說明增大Io對井下上傳信號(hào)的作用，在圖4中繪出了Io分別為1A和10A時(shí) I(z)傳輸?shù)孛娴淖兓瑘D中曲線坐標(biāo)的橫軸是井深，縱軸是沿鉆柱傳導(dǎo)的發(fā)射信號(hào)電流 ，在橫軸上選定一井深點(diǎn)其后通過Io=1A和Io=10A兩曲線找出在縱軸上的對應(yīng)值，例如，在橫軸上取一點(diǎn) z=5739(米)，Io=1A的曲線在縱軸上對應(yīng)的I(z)=100nA, Io=10A的曲線在縱軸上對應(yīng)的I(z)=1000nA，可見傳到地面的信號(hào)強(qiáng)度亦增大了10倍，這十分有利于地面信號(hào)的接收。
其次，提升地面接收機(jī)的接收靈敏度和信噪比，使接收機(jī)能拾取到由井下傳到地面的微弱信號(hào)。盡可能的增大井下信號(hào)的發(fā)射強(qiáng)度或是發(fā)射功率，以及提高地面接收機(jī)前置放大器的接收靈敏度，是研究開發(fā)EM-MWD技術(shù)的兩條重要原則。
EM-MWD在
不同井況下的適用性
2009年6月2～4日和6月25～27日以及2010年5月23～27日，中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院研制的EM-MWD系統(tǒng)，先后在重慶“同福 001-X1”井”、四川“秋林001-X4”井和“龍107井”進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。EM-MWD在隨鉆過程中井下信號(hào)上傳良好，三井次實(shí)驗(yàn)均獲得成功。
在實(shí)驗(yàn)的三口井中“同福001-X1”、“秋林001-X4”井是泥漿液鉆井，“龍107井”是氣體鉆井。其中“秋林001-X4井”井況：井眼直徑8.5吋;二開完井井深2910米;泥漿電阻率小于0.1Ω•米;“同福001-X1井”井況：井眼直徑8.5吋;完井井深1348米;泥漿電阻率約5Ω•米;“龍107井”;井況：井眼直徑8.5吋;隨鉆測量井深2880米;鉆井液為氣體;EM-MWD在“秋林001-X4井”實(shí)驗(yàn)中，泥漿電阻率小于0.1Ω•米，并且在用電池供電的情況下，信號(hào)的最大傳輸深度是2310米，傳輸速率是0.7bit/秒(載頻頻率0.7Hz)。
在“龍107井”氣體鉆井的隨鉆測量實(shí)驗(yàn)中，同樣是在電池供電的情況下，信號(hào)的最大傳輸深度是2876米，傳輸速率達(dá)到3.5 bit/秒(載頻頻率3.5Hz)。從現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可看出：不論是泥漿井還是氣體井EM-MWD均可應(yīng)用;EM-MWD在泥漿井中應(yīng)用時(shí)受到泥漿電阻率的影響其傳輸深度和傳輸速率不如氣體鉆井;在泥漿鉆井的條件下不論是停泵還是開泵，是下鉆還是起鉆，只要EM-MWD井下發(fā)射鉆鋌與井筒內(nèi)的泥漿接觸 EM-MWD信道就可以建立，井下信號(hào)就可以向上傳送。
在氣體鉆井中，因?yàn)闅怏w是絕緣的，所以連接在EM-MWD井下發(fā)射鉆鋌下部的鉆頭必須接觸井底或井壁信道才能建立。
發(fā)射功率左右信號(hào)
傳輸深度和速率
在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的EM-MWD系統(tǒng)中，井下部分配有最大發(fā)射功率為500W的電流信號(hào)發(fā)射器，為發(fā)射器提供電功率的是井下500W泥漿渦輪發(fā)電機(jī)，該系統(tǒng)在 “秋林001-X4”井用發(fā)電機(jī)供電時(shí)信號(hào)的最大傳輸深度是2910米(此深度是二開完井井深)，并且傳輸速率達(dá)到3.5 bit/秒(載頻頻率3.5Hz)。
此外，在“同福001-X1”井的隨鉆測量實(shí)驗(yàn)中，在1000米深度點(diǎn)將泥漿泵停泵時(shí)EM-MWD依靠電池供電，地面接收機(jī)收到的信號(hào)波形與泥漿泵開泵時(shí)發(fā)電機(jī)為EM-MWD供電，地面接收機(jī)收到的信號(hào)波形進(jìn)行對比(見圖5)，對比后看出電池供電時(shí)信號(hào)的平均幅度(峰-峰值)大約是0.03V，發(fā)電機(jī)供電時(shí)信號(hào)的平均幅度(峰-峰值)大約是0.12V，后者幅度比前者增大了3倍。此時(shí)用電池供電的井下信號(hào)發(fā)射功率是3.6W，用發(fā)電機(jī)供電的井下信號(hào)發(fā)射功率是200W。經(jīng)以上的數(shù)據(jù)和圖形對比充分說明，增大井下信號(hào)電流的強(qiáng)度或是發(fā)射功率對提高EM-MWD傳輸深度和傳輸速率作用是明顯的，因此在同樣的深度下，井下發(fā)射功率越大，地面收到的信號(hào)就越強(qiáng)，越有利于提高傳輸速率減少誤碼率。
通過對EM-MWD傳輸機(jī)理的分析和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐可得出，要建立一個(gè)受地層影響較小的、傳輸距離較深的、傳輸速率較快的EM-MWD信道，必需從兩個(gè)方面進(jìn)行，一方面提高井下信號(hào)的發(fā)射功率，另一方面提高地面接收機(jī)的接收靈敏度，這樣構(gòu)成的EM-MWD系統(tǒng)其可靠性將會(huì)進(jìn)一步的提升，在不同井況的隨鉆測量中適用性將會(huì)更強(qiáng)，只有這樣EM-MWD技術(shù)才能得到更大范圍的推廣。
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