无线通信系统在MeXpress过钻杆存储式测井中的应用

童茂松，曹宇欣，历程军

(中国石油测井有限公司大庆分公司 黑龙江 大庆 163412)

0 引 言

油田开发后期，勘探开发对象越来越复杂，水平井、三维绕障井以及大位移井逐年增多，水平位移长，技术套管浅，井况复杂、恶劣，常规的水平井与大斜度井测井工艺不能满足要求。过钻杆测井系统为大斜度井、大位移水平井、复杂井的测井资料采集提供了有力的手段。过钻杆测井工艺属于存储式测井工艺，采用钻井液泵送方法，电缆带着测井仪器在钻具水眼内穿行，直至释放到裸眼段；依靠吊挂系统在钻具内着陆后，吊挂系统分离；起钻测井，数据存储在井下存储短节内；目的层测井结束后，将仪器收回至地面，进行数据读取与处理。采用该工艺，能够实现“钻具到哪里就能测到哪里的目标”[1-3]，且时效高、安全性好。

在国内外的其他过钻杆测井系统中，地面采集系统(通过电缆与遥测短节)与仪器之间通过有线连接，在仪器输送过程中能够监控仪器。当仪器到达目的层段后，测井工程师检查仪器状态正常后下发测井指令，置仪器于正常测井状态后，脱开吊挂系统，有线连接被切断[1]，此后地面系统无法再与井下仪器建立信息连接。在测井结束需要回收井下仪器时，测井工程师无法控制井下仪器，存在以下明显缺陷：(1)无法判断测井完成情况，包括各仪器状态、存储信息状态，无法指导钻井队下一步施工方案；(2)无法实现收拢支臂、关闭仪器，增加仪器回收难度。一旦无法回收，仪器需要依靠钻具上提至井口，增加了仪器在井下的风险，施工效率也降低；(3)无法判断电池状态，一旦电池在井下出现故障，到达地面后拆卸过程中可能导致泄漏、爆炸、伤人事故[4]。

为了解决以上问题，开发了过钻杆测井无线通信系统，与电缆遥传系统共同组成了过钻杆存储式测井通信系统，实现地面采集系统和井下仪器的信息交换，是MeXpress过钻杆测井系统的专有技术。可以在地面控制井下仪器，也可以采集井下仪器的数据，避免了电气绝缘问题，实现了仪器输送、仪器收回过程中的测井仪器监控，提高测井时效、成功率与安全性，为过钻杆测井系统的广泛应用奠定了基础[1,4]。

本文简要介绍了无线通信系统的构成与通信方式，重点分析了该系统在MeXpress过钻杆存储式测井中的应用。

1 无线通信系统介绍

无线通信系统与MeXpress过钻杆存储测井的吊挂系统进行了集成，吊挂系统由上吊挂和下吊挂组成。

图1所示为测井仪器输送与收回过程中(吊挂系统对接时)的过钻杆测井通信系统。由图1可见，无线通信系统作为过钻杆测井通信系统的一部分，主要由上下无线通信模块、上下天线组成，其中上部无线通信模块集成在上吊挂中，与遥测短节相连；下部无线通信模块集成在下吊挂中，与井下仪器相连。

图1 过钻杆测井通信系统构成示意图

上下无线通信模块的电路相同，实现信号调制与解调。天线形式一致，尺寸略有差异。无线通信采用半双工模式，上下无线通信均具有发送与接收功能，天线既作为发送天线也作为接收天线。在无线通信系统工作时，发送单元受控发送，接收单元一直在接收。为了确保准确性、可靠性和稳定性，无线通信还采用了校验和重发机制。

无线通信系统相当于一个通信连接的透明层，在电缆与井下仪器通过吊挂系统连接时，在不采用直接电气连接的情况下，为井下遥测短节和井下仪器提供了信号通路。当上下吊挂装置脱离后，无线通信系统仍然处于工作状态，一旦二者再次连接上，即可再次实现通信，保障了测井结束后对仪器的监控。

1.1 无线通信系统构成

无线通信模块的原理框图如图2所示，主要由电源转换单元、主控单元、发送单元、接收单元组成，信号发送与接收复用一个天线。

图2 无线通信模块框图

电源转换单元是将输入的+5 VDC转换为+5 VDC、+3.3 VDC、+1.5 VDC、隔离+5 VDC、隔离+3.3 VDC等直流电源，为无线通信系统的各部分电路供电。还提供参考电压(VREF，2.5 V)，用于无线信号检测的参比。

主控单元是无线通信系统的控制核心，完成以下功能：

1)通过CAN实现无线通信系统与井下仪器总线的数据交换；

2)通过SPI总线实现与发送单元、接收单元的数据交换；

3)控制发送单元的工作；

4)校验与重发机制：在接收状态下，采用自动请求重传方式，进行数据校验，如果有错，即向对方发送请求；

5)在上下无线通信单元同时发送的情况下，确保CAN总线上ID优先的信息优先发送，另一方则停止发送；

6)为发送接收单元提供同步时钟(SYS_CLK)和复位信号。

发送单元是将来自主控单元的数据(TX_DATA)进行二进制通断键控(OOK)调制，调制后的信号通过功率放大，经过同轴电缆馈入天线后发送出去。

接收单元将来自于天线的信号进行包络解调、数据恢复后，还原成来自于对方发过来的数据(RX_DATA)，送入主控单元。

1.2 系统通信方式

无线通信系统采用双向半双工通信方式。

当地面向井下仪器发送指令时，该指令由地面主机发送到地面调制解调板，调制后经由电缆到达遥测短节，该短节将该指令发送到吊挂系统上部井下仪器CAN总线上，上无线通信模块将该指令发送出去，下无线通信模块接收到该指令，并将指令传到下部仪器的CAN总线上，将该指令送至目标仪器，执行指令，由此完成地面指令到达井下仪器的过程。

当井下仪器有数据向地面传输时，该仪器竞争总线成功后，将数据上传到CAN总线上，下无线通信模块收到该数据并将其发送出去，上无线通信模块接收到该数据后将其上传到上部仪器CAN总线上，遥测短节将数据经由电缆送到地面调制解调板，解调后送给地面主机，由此完成井下仪器的数据到达地面系统的过程。

2 无线通信系统应用分析

无线通信系统的主要作用是提供遥测短节和井下仪器之间的信号通路，是MeXpress过钻杆测井系统的专有技术，在电缆与井下仪器通过吊挂系统连接时，实现井下仪器监控，上传仪器状态参数与测井数据，下发指令。

过钻杆测井无线通信系统在大庆油田、吉林油田和新疆油田测井应用120口井，无线通信在井下恶劣环境中单井工作时间超过20h，钻井液含有腐蚀性物质，且其电阻率甚至小于0.1m，工作全部正常，测井成功率达到92%，资料合格率100%。

经过现场应用，对无线通信系统在过钻杆存储式测井中的应用进行了分析归纳，在仪器输送、起钻测井以及测井结束后均有应用，具体如下。

2.1 仪器投放过程中的应用

当井口连接仪器完成后，可以在地面判断井下仪器的工作情况，正常后方可以进行后续工作。

当仪器在钻具内穿行时，监视井下仪器，解决了湿接头式、泵出存储式等测井工艺中的仪器盲下问题，可以有效避免仪器损坏。也可以下发指令置电池于休眠状态，减少电池消耗，从而延长电池在测井中的应用时间，当仪器即将到达井底时，下放测井指令唤醒电池，进入仪器监控状态。

当仪器泵出时，通过无线上传的测井仪器状态与测井数据，为测井工程师提供直观的仪器完全泵出(全部到达目的层)指示，杜绝仪器泵出判断失误，提高测井成功率。

仪器安全着陆后，下发测井指令，启动仪器，推开支臂，确保仪器正常工作。

如果在上述过程中发现井下仪器故障，可以及时将其收回，并更换井下仪器，显著提高测井时效。

由于无线通信的距离为90 mm左右，在需要将上下吊挂装置脱开，以便收回电缆的过程中，通过无线信号的有无可以判断吊挂是否完全脱离，有利于现场施工。

2.2 起钻测井过程中的应用

在起钻测井过程中，由于采用钻具上提，带动仪器向上运动，实现资料采集。此时测井仪器与地面的距离非常远，地面无法监控井下仪器。

在某些特殊的情况下，根据需要，可以再次下放电缆，并自动建立无线通讯。这一点非常重要，因为在起钻测井过程中，尤其是在复杂井况中施工，极易出现卡钻现象，如果解卡困难或者解卡动作幅度过大，对于井下仪器的安全是十分不利的。当井下有放射源时，风险更大，因此在这些情况下，下放电缆与上吊挂，上下吊挂对接后，通过无线通信下放指令，收回支臂，关闭电池供电，将仪器提至井口，避免由于仪器损伤导致放射源落井事故，并最大限度满足钻井队解卡需求。

2.3 测井结束后的应用

目的层测井结束后，可以下放电缆与上吊挂，对接成功后，自动建立无线通信，通过无线通信上传的信息，包括井下仪器状态、测井数据量、测井时间等参数判断测井完成情况，有利于进行后续工作安排。

如果一切正常，则收回支臂，上提电缆，通过无线通信系统上传的测井仪器响应，判断测井仪器是否完全进入钻具内，确认后关闭电池供电，并通过电缆将井下仪器上提至井口，降低仪器在井下的风险，也方便井口拆卸仪器，并且不必等待依赖钻具将仪器提至井口，提前进行数据读取与处理，提高测井时效。在多分枝井测井或需要多串下井的特殊情况下，例如由于井况恶劣，放射性测井串需要在第二串下井，则在第一串测完后，井下剩余的钻具无需提至井口，在该深度再次下钻具，工程师进行第一串测井的数据读取与处理，极大地提高测井时效。

一旦发现井下仪器无信号或者不正常时，尤其是电池不正常(存储测井时井下仪器采用电池供电)，则在地面做好准备工作，配备相应的检测与防护工具，避免了电池在井口的危险。因为一旦电池出现故障，在到达地面时，由于温度差异、压力释放等，极易爆炸，发生人员伤害。此时可以尝试取出仪器，如果仪器顺利提至井

口，钻井队进行循环，等待地面确认后进行下一步工作，如果测井不成功(包括测量段不足或某支仪器不正常)，则可以在钻具停留的深度再次下放钻具，实施第二次测井，节约施工时间。

3 结束语

1)在上下吊挂对接状态下，无线通信系统为井下遥测短节和井下仪器提供了信号通路。

2)在测井仪器输送过程中，避免盲下，并可准确判断仪器泵出情况。

3)在测井过程中，根据需要通过无线通信系统关闭仪器，有利于仪器与放射源安全。

4)在测井结束后，利用无线通信系统判断井下测井完成情况，确定下步施工方案。