随钻测井系统的信号传输方式综述

徐 峰 陈 敏

(川庆钻探工程公司测井分公司 重庆)

0 引 言

随钻测井技术(logging while drilling)，起源于20 世纪50 年代。由于随钻测井是测量与钻井同步进行，不需要钻完井后再测量，并且对于钻井角度几乎没有要求，所以与传统电缆测井技术相比，它具有实时性，高效性，适用于复杂结构井等优势。在地质导向与地层评价上起着重要作用，并且有可能最终取代电缆测井［1］。

但是由于钻井时的井下高温高压等恶劣环境，使得随钻测井的信号传输困难，而且现代测井技术中的测井资料内容日益增多，对随钻测井技术的信号传输速率要求越来越高，信号传输速率的限制已经成为随钻测井技术发展的瓶颈。因此，寻找一种具有较高速率的信号传输方式已经成为随钻测井技术发展的突破口。随着技术的发展，人们对随钻测井的信号传输方式的研究已经取得一定成果，如泥浆脉冲信号传输方式、声波信号传输方式与电磁波信号传输方式。但是目前这些信号传输方式并不能完全满足随钻测井系统对数据传输速率的要求，所以对信号传输方式的研究仍然是随钻测井技术研究的重点。

1 随钻测井系统信号传输方式及原理

随钻测井系统的信号传输方式可以分为有线传输与无线传输。由于在钻井的同时要对测井信号进行测量，处理与传输，并且钻杆是由短节一节一节组成，在高速转动的时候，用电缆进行信号传输十分困难。因此，现在的随钻测井系统的信号传输方式几乎都是无线传输。随钻测井系统信号的无线传输方式有三种:泥浆脉冲信号传输、电磁波信号传输与声波信号传输。

1.1 泥浆脉冲信号传输

泥浆脉冲信号传输方式是利用钻井液作为传输介质进行信号传输。它的基本原理是井下的测量信号经编码后，传送给脉冲器的驱动电路，使脉冲器的锥阀、旋转阀或转子工作，从而使泥浆产生压力脉冲。地面设备再采集这个脉冲信号，通过滤波整形解码后，得到测量信息。

泥浆脉冲信号传输方式根据脉冲发生器的不同分为三种类型［2］:

正脉冲传输方式。正脉冲传输的脉冲发生器的工作原理:通过改变脉冲发生器中针阀与小孔的相对位置，改变流道的截面积，使得钻柱内部的泥浆压力升高，形成一个正脉冲压力波。正脉冲传输方式的信号比较稳定，井下结构简单，操作维修都比较方便，不需要专门的无磁钻铤。但是它的传输速率比较低。

负脉冲传输方式。负脉冲传输的脉冲发生器的工作原理:通过泄流阀的开启，使得泥浆从钻铤上的泄流孔流道井眼环空，从而使得钻柱内部的泥浆压力降低，产生一个负脉冲的压力波。负脉冲传输方式虽然信号也比较稳定，但是同样传输速率低，并且还有污染环空、能量损失大等缺点，已经逐渐被淘汰。

连续波传输方式。连续波传输方式的脉冲发生器的工作原理:发生器由转子与定子组成。转子在电机的驱动下产生旋转，使得流道的截面积发生连续变化，泥浆的压力也连续变化，由此产生一个连续压力波信号。连续波传输方式是泥浆脉冲信号传输中信号传输速率最高的，目前能达到50 bit/s，并且具有一定的抗干扰能力。

1.2 电磁波信号传输

随钻测井系统信号的电磁波信号传输方式是利用电磁波在介质中传输来传送数据的。将测量信号通过井下的调制系统调制为电磁波，通过钻杆、地层以及泥浆介质传送给地面接收设备。由于电磁波传输可以用钻杆、地层及泥浆作为传输介质，并且受钻井介质影响较小，所以能用于空气、泡沫或泥浆的欠平衡钻井;并且它的传输速度也较快，可以实现地面与井下的双向传输［3］。电磁波信号传输的缺点是电磁波信号的传输容易受传输介质电导率的影响，导致信号不易被探测与接收;并且电磁波在介质中传输时衰减很快，而且频率越高，衰减越明显，所以电磁波传输的频率基本都是低频，在2 Hz ～20 Hz 之间。这样也限制了电磁波信号传输的速率。所以使用这种方法传输的距离不能太大，不适合深井测量。

1.3 声波信号传输

随钻测井系统信号的声波传输方式是利用声波能在介质中传输的物理特性来实现的。声波传输具有较高的信号传输速率，可以达到几百bit/s，是泥浆脉冲传输方式的10 倍以上;而且声波传输同电磁波传输一样，不需要专门的信号传输通道，可以通过土层、钻杆等中介物质进行传播，通过声波的频率、幅度等变化来传递数据［4］。但是声波是一种机械波，它的衰减比较严重，需要每隔一段距离就安装一个中继器，即便如此也很难适用于深井测量;而且它易受干扰，在钻井设备和井下钻具产生的声波噪声影响下，检测识别出测量信号比较困难。

2 随钻测井系统信号传输方式设计及应用的主要问题

随钻测井系统的信号传输与传统的电缆测井的信号传输相比，存在许多特殊性，其设计及应用时的主要问题有:

(1)由于随钻测井是钻井与测量是同时进行，所以信号传输只能在高温、高压的环境下进行。在这种恶劣的环境下进行信号传输，只能采用耐高温耐高压的信号传输方案并对信号传输设备采取保护措施(例如，井下信号传输设备都是安装在钻杆内)。这样不仅遏制了信号传输方式选择范围，并且特殊的工艺要求还会影响工作效率、增加测量成本。

(2)随钻测井的钻杆是由许多短节连接而成，而在随着钻井深度的增加，短节的数量也在增加，与此同时还要保持信号的传输，这就对信号传输的介质有特殊要求。用传统的电缆进行信号传输难以胜任，因为随着钻井深度的增加，在加接短节时必须要提出电缆和仪器，而这势必会严重影响工作效率。因此，现在随钻测井的信号传输基本都是采用的无线信号传输。然而无线信号传输相对于电缆信号传输在传输速率与抗干扰能力上都难以相比，就目前而言电缆信号传输速率要比无线信号传输速率几乎高1 000 倍［5］。对于测井参数日益增多，测井资料内容日益丰富的今天，无线信号传输的传输速率低的局限性也越来越突出。

3 随钻测井系统信号传输方式的应用

由于信号传输方式的不同，不同类型的随钻测井系统在实际中的应用情况也不相同。

3.1 泥浆脉冲信号传输方式

作为起源最早的随钻测井系统信号传输方式，泥浆脉冲信号传输曾极大推动了随钻测井技术的发展。经过几十年的发展应用，泥浆脉冲信号传输仍然是技术最为成熟，应用最为广泛的随钻测井系统信号传输方式。对于泥浆正脉冲信号传输方式，国内外均有各自实际应用的产品，如Halliburton 公司的High - speed Directional Survey 系统;中国石油天然气集团公司“地质导向钻井技术研究与应用”课题组研制开发的CGMWD 系统等。

而作为信号传输速率更高，抗干扰能力更强的连续波信号传输方式，国内只是给出了连续波泥浆脉冲样机的工作原理和设计方案，并没有实际的产品。国外的Schumlburger 公司在这方面有比较成熟的仪器产品，如PowerPulser 新型无线随钻测量仪器。PowerPulser 的信号传输速度比正脉冲传输方式的传输速度快近10 倍，而且操作简单，方便维修［6］。

3.2 电磁波脉冲信号传输方式

由于近年来欠平衡井、气体钻井等特殊钻井工艺的出现，而电磁波传输受钻井介质影响小，适用于空气、泡沫或者泥浆等环境，使得电磁波传输逐渐成为研究的热点［7］。我国在这方面的技术比较缺乏，还处在信号编码、信号传输特性分析以及开发单个系统样机阶段。国外已经有了比较成熟的产品，如Schumlburger公司的E 脉冲电磁传输系统［8］;Halliburton 公司的电磁MWD 系统等［9］。

3.3 声波信号传输方式

由于数据传输速度快、结构简单、投入成本低等优点，已经成为随钻测井系统信号传输方式突破的重点，国外石油公司也已经陆续对声波信号传输进行了研究，并且取得一些阶段性成果。例如基于弹性波传播理论和磁致伸缩技术的新型声波式随钻测井系统，利用钻杆柱刚性好，弹性波通过钻杆柱进行数据传输时稳定性高，使得信号传输的可靠性与传输速率得到极大提高。但是声波传输作为一种新兴的随钻测井系统的信号传输方式，还处于研制试验阶段，市场上并没有相关的随钻测井产品。而我国关于随钻测井的声波信号传输这方面的研究还处于理论阶段［10］。

4 随钻测井系统信号传输方式的发展趋势

由于随钻测井技术在钻井当中起着越来越重要的作用，国内外对随钻测井技术研发的投入也越来越大。而作为随钻测井技术的关键突破口，随钻测井系统信号传输技术的发展也进入快车道。不仅无线信号传输中的三种传输方式是研究的重点，作为实际应用困难，但是传输速率更高，更稳定的有线传输也是一个很重要的突破方向。

(1)无线信号传输方式。泥浆脉冲信号传输方式作为目前应用最广的随钻测井信号传输方式，虽然连续波信号传输方式已经有了实际应用的产品，但是由于技术还不够成熟，还有很大的提升空间，所以仍然是随钻测井系统信号传输研究的一个重点。而新兴的电磁波信号传输方式与声波信号传输方式，因为信号传输速率较快，能实现双向通信，受钻井介质影响较小，能够适应空气、泡沫或泥浆的欠平衡环境等优点，是以后随钻测井信号传输研究的主攻方向。当前电磁波信号传输与声波信号传输需要解决的问题主要是信号衰减与噪声干扰的问题。

(2)有线信号传输方式。传统的电缆信号传输方式在随钻测井系统中显然是不行的。国外已经有公司开始研究通过特制钻杆使得电缆在随钻测井中进行信号传输成为可能。这种方法主要是将信号传输导体埋入钻杆短节体内，钻杆短节之间通过接头连接进行信号传输，这样就能既不干扰钻井作业又能做到有线传输的双向、高速与稳定。如IntelliServ 公司开发的钻杆高速数据遥传系统IntelliPipe，它在钻杆接头之间采用电磁感应进行数据传输［11］。

这种方法的缺点是成本高，接头信号传输可靠性差，电力下传也比较困难。但是这为随钻测井系统的有线信号传输提供了一个很好的方向，所以随钻系统的有线信号传输的研究方向可以是解决钻杆与钻杆间的信号传输不可靠与井下供电不足问题。

［1］时鹏程.随钻测井技术在我国石油勘探开发中的应用［J］. 测井技术，2002，26(6)

［2］杨 谦，王智明，张玉美. 随钻测量系统泥浆脉冲传输方式介绍［J］.湖南农机，2010，37(3)

［3］刘修善，侯绪田. 电磁随钻测量技术现状及发展趋势［J］.石油钻探技术，2006，34(5)

［4］S. Vimal，G. Wallace，D. Johnson，et al. Design Considerations for a New High Data Rate LWD Acoustic Telemetry System［C］. SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition，Perth，Australia，2004

［5］刘选朝，张绍槐. 智能钻柱信息及电力传输系统的研究［J］.石油钻探技术，2006，34(5)

［6］杨 虹，丁水浩，李舟波，等. 碎钻测井技术的发展［J］.世界地质，2004，23(3)

［7］范业活，聂在平，李天禄. 碎钻电磁波传输理论模型与信道特性分析［J］.电波科学学报，2013，28(5)

［8］Schlumberger，E-Pulse［EB/OL］. http://www.slb.com，2002，12

［9］Halliburton，LWD/MWD services［EB/OL］. http://www.myhalliburton.com，2002，12

［10］杜 勇，胡建斌，李艳萍，等. 声波传输测试技术在油田的应用［J］.测控技术，2005，24(11)

［11］ReeveM S，Macpherson J，Zaeper R，et al. High -Speed Drillstring Telemetry Network Enables New Real - time Drilling and Measurement Technologies ［C］//IADC/SPE Drilling Conference:99134 -MS，2006