无线数据传输技术在石油行业中的应用及展望

蔡 鹏覃 毅董照显杨全枝陈 超

1.中国石油大学（华东）石油工程学院 (山东 青岛 266555)

2.中国石油渤海钻探工程有限公司 第一固井公司 （河北 任丘 062550)

无线数据传输技术在石油行业中的应用及展望

蔡 鹏1覃 毅2董照显1杨全枝1陈 超1

1.中国石油大学（华东）石油工程学院 (山东 青岛 266555)

2.中国石油渤海钻探工程有限公司 第一固井公司 （河北 任丘 062550)

概括总结了在石油行业中使用的无线数据传输技术，主要可分为常规无线数据传输和井下无线随钻传输。提出了两点展望：利用短距离无线采集与远程无线数传相结合，可实现钻采现场参数实时监测；研发声波无线数据传输新型钻杆接头，能克服能量衰减问题，提高声波传输距离。

无线数据传输 声波 石油行业

石油行业是一个资金技术密集、跨多学科的国家战略行业[1]。随着油气可采量不断递减、竞争日趋激烈，为提高经济效益，各油田企业正朝着自动化、信息化、智能化发展。无线数据传输可有效降低人员成本，使现场作业更加快捷灵活，已在地震勘探[2]、管道泄漏检测[3]、油井测量[4]、气体检测[5]、海上平台监控[6]等领域[7-9]得到广泛应用。

本文概括总结了在石油行业中使用的无线数据传输技术，主要分为常规无线数据传输和井下无线随钻传输，并提出了两个发展方向。

1 无线数据传输技术

无线数据传输是指以无线方式传输工业现场设备输出的各种物理量。与传统有线数据传输方式相比，无线数据传输具有以下优势：①安装周期短，节约资金；②维护简便，灵活多变；③搬迁迅速，便于扩充监测点；④应用领域广，适合一些不具备铺设电缆条件的区域。

无线数据传输的开端可以追溯到1897年，科学家马可尼（Marconi）利用无线电在陆地上和一只拖船之间进行了消息的传输。经过一百多年的发展，无线数据传输技术日臻成熟。无论是太空飞船，还是深水机器人，乃至地质导向钻井，均成功运用到无线数据传输技术。在石油行业，无线数据传输技术可分为两类：常规无线数据传输和井下信息无线数据传输。

1.1 常规无线数据传输

人们在地面之上进行的常规无线数据传输，传输载体一般采用电磁波。常规无线数据传输以射频技术、微电子技术及集成电路技术为基础，近年来取得飞速发展，传输速率和可靠性逐渐提高，某些性能甚至可媲美有线数据传输[10]。在石油行业中，常规无线数据传输主要用于通讯、无人监测等领域。根据传输原理不同，常规无线数据传输分类如表1所示。

由表1可知，常规无线数据传输多种多样，而且技术成熟。值得注意的是，石油钻采现场环境复杂，有线传输会受诸多限制，因此无线数据传输更具未来发展潜力。但常规无线数据传输设备的防爆性能和抗干扰能力有待提高。

1.2 井下信息无线数据传输

在石油钻探过程中，需要从地面到油气层钻开一个井眼以建立油气通道，并用井底钻具组合中的测量工具实时测取地质参数、轨迹参数、钻井参数等相关信息。测量工具一般贴近钻头附近，处于地层深处，其获取的地层信息如何返回地面，一直是石油行业的研究热点。若采用电缆传输井下信号，不仅费用高昂，而且会影响正常钻井作业。目前，井下信息无线数据传输方法主要有钻井液脉冲、电磁波和声波3种。其中,钻井液脉冲和电磁波方式已经应用于生产实践[11-12]。

表1 常规无线数据传输不同种类

1.2.1 钻井液脉冲式无线数据传输

钻井液脉冲式随钻测量信息传输是借助钻井液的压力波来传输信号的，其原理是钻井液在地面泥浆泵动力作用下在钻柱内高速流动[11]，使钻井液脉冲发生器的叶轮产生扭矩，激发驱动电路产生驱动电流，以驱动发生器阀门带动锁齿销轴运动。当控制机构的旋转锁齿释放一个齿位，钻井液脉冲发生器的转子就会转过一个特定角度,从而导致钻井液脉冲发生器流道开启或关闭，这样间歇性的开启和关闭就会产生钻井液压力脉冲，把井下随钻测量信号转换为钻井液脉冲信号，然后将其送至地面，完成井下信息从井底到地面的传输。目前钻井液脉冲遥传传输速率很低，一般只能达到4～16b/s[12]，这在很大程度上限制了井下测量数据的实时传输，另外对钻井液要求也很高，一般要求钻井液含砂量小于4%，含气量小于7%[13]。尤其在气体钻井过程中，由于气体是可压缩的，会导致脉冲强度减弱，使信号传输更加困难。

1.2.2 电磁波无线数据传输

井下电磁波发射器把井下数据传感器测量的数据转换成电磁信号，经过地层传播至地面，由地面的信号接收器接收，然后由计算机终端处理器对信号进行处理，最后做出评价，如图1、图2所示。

其中电磁波发射器[13-16]主要包括对信号编制、调制和功率放大。终端处理器主要包括滤波、消噪、解调和译码等。目前制约此项技术的主要因素就是信号衰减问题，尤其是现代钻井朝着更深、更远的方向发展，需要更强的电磁信号。

1.2.3 声波无线数据传输

随钻声波测量是在钻井作业过程中，把井下声波发生器产生的声波作为载体，把钻具系统、井下流体和地层作为声波的传输介质，在井下与地面之间建立无线传输系统，实现信息传输功能。然而它也有很多明显的缺陷，码间干扰以及大量的噪音给后面的信号处理带来很大的麻烦；另外声波的传播形式是球面传播，沿空间某一方向传播幅度会越来越小，即衰减问题也是需要克服的一道难关。

2 展望

无线数据传输技术持续推进石油行业向“三化”快速发展，同时石油行业起到一定的反作用，积极拓展了井眼底部、海上钻井平台等特殊环境下的无线数据传输技术。笔者根据石油行业工况，对无线传输技术的发展方向做了如下探讨：

2.1 发展方向一：短距离无线采集与远程无线数传系统

无论是陆地还是海上，油气钻采现场均需要对不同参数进行实时监测，以确保安全生产。当一个较小范围内存在固定的若干个监测点，用有线数据传输能满足要求。然而，在施工现场往往存在分散的多个监测点，且连接对象位置不固定。若用有线数据传输方式，会出现布线、故障检查困难等问题。如在海上钻井时，用电缆传输方式监测双平台施工参数（图3），操作极其困难，而且不便维修。

针对此类难题，采用一种短距离无线采集与远程无线数传相结合的系统（图4）[17]，能有效实现多区域多观测点的参数实时监测，从而提高油田现代化管理水平。短距无线数据采集系统由无线传感器（获取监测信号并转换成无线电信号）和短距无线接收器（接收无线电信号）组成。远程无线数据传输系统包括远程无线数据发射器、增益天线、远程无线数据接收器，其接收的多个观测点信号将被传送至采集仪，再连通计算机终端进行相关数据处理。该系统中，选择哪一种短距离无线数传和哪一种远程无线数传搭配至关重要。根据不同的现场监测距离和传输量，提出了几种具有潜力的无线数据传输组合方式（见表2）。

表2 无线数据传输组合方式

在方案2中，超宽带作为新兴无线传输技术，传输量超大，可与传输信号高保真的IEEE802.11相结合，构成油区无线视频监控系统。方案4具有传输数据量大、传输质量高等特点，适合石油钻采现场，有一定的开发潜力。

2.2 发展方向二：声波无线数据传输新型钻杆接头

声波具有传输速率大、方向性好、穿透能力强等特点，逐渐成为井下信息无线数据传输的研究热点。中国石油大学（华东）于2007年设计出近钻头声波无线随钻测斜系统（图5），在室内到达1 000b/s的传输速度，并在胜利油田进行了现场实验。但利用声波进行井下信息无线数据传输时，钻杆接头处存在的缝隙会造成信号失真[18-20]，导致信号衰减加剧甚至传输失败。因此有必要设计一种新型钻杆接头，在确保钻杆连接紧密的同时，又能放大声波信号起到中继站的作用。此接头的优点是有目共睹的，但首先要考虑以下问题：如何把声波信号放大器安置在钻杆接头中；如何在不影响正常接单根的同时又确保钻杆连接处清洁无杂质。该方法可克服声波传输的能量衰减问题，是一个值得研究探讨的方向。

3 认识和建议

（1）无线数据传输技术的快速发展，使石油行业更加自动化、信息化和智能化。井下信息无线数据传输成为石油行业一大特色，但远远没有达到理想目标，需要进一步的研究。

（2）根据石油行业特点，无线数据传输可以分为常规无线数据传输和井下无线数据传输。常规短距离无线数据传输技术已经成熟，可用于短距离无线采集，与远程无线数传输相结合，将是一个颇具吸引力的方案。哪一种短距离无线数传输和哪一种远程无线数传输搭配更合理，有待进一步的实验研究。

（3）目前的声波无线数据传输已能实现较高速率数据传输，但声波在井下衰减严重，存在局限性。如研制出能紧密连接钻杆、放大声波信号的钻杆接头，将使声波传输距离更远，是一个颇具吸引力的方案。

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It is summarized that wireless data transmission technologies used in petroleum industry can be divided into conventional wireless data transmission and wireless data transmission of drilling information.Then two outlooks are presented in the paper,one is that combining the short distance wireless data collection with remote wireless data transmission can realize the real-time monitoring for the parameters in drilling site;the other is that studying a new drilling pipe joint of acoustic wireless data transmission can overcome the energy attenuation and increase the distance of acoustic transmission.

wireless data transmission;acoustic wave;petroleum industry

蔡鹏（1988-），男，在读硕士研究生，现从事油气井相关理论研究。

黄永场

2012-02-09