一种用于近钻头测量仪的无线短传系统设计

朱　博，孙　衍，梁　耀

(1.西安石油大学　陕西　西安　710065；2.中国石油集团测井有限公司　陕西　西安　710054)



一种用于近钻头测量仪的无线短传系统设计

*朱博1，2，孙衍1，2，梁耀2

(1.西安石油大学陕西西安710065；2.中国石油集团测井有限公司陕西西安710054)

摘要：针对随钻测井中心研制的近钻头测量仪，设计了一套无线短传系统。该系统分为上下两部分，分别置于螺杆钻具的两端，采用环形变压器进行信号的双向通信，同一个变压器既做为发射变压器，也做为接收变压器。设计的系统能够适应地层变化带来的信号衰减，较好地完成近钻头测量中无线短传的任务。

关键词：近钻头测井；无线短传；变压器

0引言

随着近钻头测井技术的发展，在靠近钻头的位置安装了更多用于数据采集的传感器，这样能更及时、更准确的获得井下采集信息[1]。但同时也产生了一个问题，就是如何将数据传输到地面。因为在近钻头测井系统中，随钻近钻头仪器位于螺杆钻具之下，钻头之上，如图1所示。由于螺杆钻具无法过线，因此近钻头仪器的信号只能通过无线发送的方式，越过螺杆钻具送往上方接收器，再由泥浆通讯等方式传往地面。因此设计一套性能良好的无线短传系统在随钻近钻头测井中具有极其重要的意义[2]。

无线电磁通信是利用法拉第电磁感应原理建立的一种井下通信方式[3]，它被广泛应用于各种类型的测井仪器中，本文以无线电磁通信为核心技术，分别从收发线圈，信号调理电路以及上位机控制程序三个方面对该通信系统进行阐述和介绍。

图1　近钻头测井仪器整体示意图

1整体系统设计

本文设计的无线短传系统如图2所示，其分为上下两部分，分别置于螺杆钻具的两端，仪器采用环形变压器进行测井信号的双向通信，上下两支通讯仪器，电路相似，只是与其他仪器的接口有所区别。上仪器接口是从接口，与整串仪器的通讯电路配接；近钻头仪器的接口是主接口，与近钻头的其他仪器相连，进行控制和取数。

图2　无线短传系统原理图

2收发线圈设计

仪器使用环形变压器作为收发线圈，进行信号的双向通讯。同一个变压器既做为发射线圈，也做为接收线圈，时分复用。如图3所示为收发线圈工作原理图。

图3　收发线圈工作原理图

变压器结构可以分为线圈和磁心两个部分，本文中采用环形绕制线圈的方式制作线圈系，即将线圈绕在一个固定于钻铤上的环形磁铁上，该环形线圈既可作为接收线圈，也可为作为发射线圈。由于原理相似，以发射线圈为例说明，如图3所示，当给该环形线圈通入交流电时，在钻铤的各个方向和地层之间会产生涡流，该涡流会在接收线圈周围产生交变的电磁场，因而接收线圈上会产生感应电流，通过对该电流信号进行处理和分析，就能得到井下的数据信息[4]。

在这个方案中，环形变压器的制作是难点，本文采用直接在钻铤上直接制作铁芯的方式代替传统的固定铁芯方式，增加了系统的稳定性和可靠性，通过特殊的工艺提高了线圈系的质量。制作完成的环形变压器示意图如图4所示。

第一步，先在钻铤上车环形槽；

第二步，在槽底安装绝缘套，绝缘套外表上，预先铣出走线槽，供环形变压器初级绕线时过线；

第三步，在绝缘套外绕制铁芯；

第四步，在铁芯上绕制变压器初级，并通过承压密封塞引入线路之中；

第五步，喷砂、压胶，把整个环形槽压平压实。

图4　环形变压器示意图

3电路设计

上下两支通讯仪器，电路相似，只是与其它仪器的接口有所区别。上仪器接口，是从接口，与整串仪器的通讯电路配接；近钻头仪器的接口，是主接口，与近钻头的其它仪器相连，进行控制和取数。在这个仪器中，信号处理是关键。在地层中，发射信号由环形变压器发出后，大部分能量，在发射变压器附近就被地层消耗掉了，接收变压器接收到的信号，只是一小部分；另外，随着地层的不同，接收信号的幅度也会受到影响。因此，在接收电路中必须对信号进行放大滤波，以提高信噪比；进行自适应的程控放大，以适应地层变化带来的信号衰减[5]，电路框图如图5所示。具体的电路及器件选型，将本着标准化、系统化的思路，尽量采用已有产品的成熟电路和器件，降低生产难度。另外，由于距离较短，可使用较高通讯频率。

图5　无线短传系统电路框图

4系统收发程序流程图设计

上下仪器由一个共同的CPU进行控制，仪器的上发射线圈将同时作为无线短传的电磁波通讯线圈，当仪器计算出钻头的电阻率等参数之后，即开始进行无线短传。

1)上仪器(螺旋杆上方仪器)程序流程图，如图6所示。

2)下仪器程序框图，如图7所示。

图6　上仪器程序流程图

5结论

本文针对随钻测井中心研制的近钻头测量仪，设计了一套无线短传系统。利用以前的试验板，已做了无线握手通讯、汉明码纠错编码、小信号的自适应程控放大、数字滤波、调制解调等工作，用以达到试验目的。下阶段的研究重点是如何设计使上通讯短节可以兼容电缆测井，这将在试验时，大量节约电池和井时。

图7　下仪器程序流程图

参 考 文 献

[1] 丁永浩.随钻测井技术的发展[J].世界地质，2004，23(3):270-274.

[2] 刘新平.随钻测井数据传输技术应用现状及发展[J].测井技术，2008，32(3):249-253.

[3] 李林.无线电磁波随钻测量系统研究与现场试验[C]，第十届石油钻井院所长会议，2010，10.

[4] 杜睿攀.随钻测量数据的井下无线电磁传输系统设计研究[D].西安：西安石油大学，2013.

[5] 王鹏.一种用于感应测井的放大滤波电路设计[J]，电子测试.2013，3(2):25-27.

A Design of a Wireless Transmission System for Near Bit Measurement Tool

ZHU Bo1，2，SUN Yan1，2，LIANG Yao2

(1.Xi′anShiyouUniversity,Xi′an,Shaanxi710065,China；2ChinaPetroleumLoggingCo.Ltd,Xi′an,Shaanxi710054,China)

Abstract：A set of wireless communication system was designed aiming at the measuring instrument near the bit, which was developed by the logging research center. The system is divided into two parts, which are placed at the two ends of the screw drill, and the signal is transmitted by the ring transformer, and the transformer is used as both the transmitter and the receiver. The design of this system is able to adapt formation change of signal attenuation, and can better finish task of the near bit measurement and wireless communication.

Key words：near bit logging； wireless communication； transformer

(收稿日期：2014-12-08编辑：屈忆欣)

中图法分类号：TE271

文献标识码：A

文章编号：2096-0077(2016)02-0007-03

第一作者简介：朱博，男，1986年生，西安石油大学在职研究生，现在中国石油集团测井有限公司从事测井仪器电路设计。E-mail：starsix04@126.com

基金项目：中国石油集团测井有限公司资助项目，项目名称近钻头测量仪研制，项目编号：CPL2012-A07

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