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中国石化胜利石油工程有限公司-钻井工程技术公司-定向井公司
摘要：介绍了无线随钻测量系统中泥浆脉冲信号的传输方式和特点，分析了干扰脉冲信号传输的因素，以及造成脉冲信号衰减的影响因素，并提出了相应的解决方法。
关键词：传输方式；信号干扰；信号衰减
随钻测量是获得井下信息最重要的技术手段。目前该技术普遍应用在中国各油田的大位移水平井、定向斜井的钻进过程中，并取得了显著的成果，大大提高了油气井的钻采效率比。信号的传输是随钻测量的关键技术之一，无线随钻测量系统信号的传输主要有电磁波和泥 浆脉冲两种，电磁波在地层中传输时，信号严重衰减，只能以较低的频率发送信号，因此国内主要采用泥浆脉冲进行信息传输，可靠性较好，能远距离传输，更符合钻井实际情况。但泥浆脉冲信号在传输过程中需要解决两大问题：信号干扰和信号衰减。本文将对泥浆脉冲随钻测量系统的工作方式以及信号传输过程中的干扰和衰减问题进行探讨。
1、泥浆脉冲信号传输方式及特点
目前，泥浆脉冲信号传输方式主要有三种，即连续波、正脉冲和负脉冲三种方式。
（1）连续波方式
连续波脉冲发生器的转子在泥浆作用下产生正弦压力波，由井下探管编码后的测量数据通过调制系统控制的定子相对于转子的角位移，使这种正弦或余弦压力波在时间上出现相位移或角位移，在地面连续检测这些相位或频率的变化，并通过数字译码和计算得到测量数据。其优点是数据传输速度快、精度高；缺点是结构复杂，数字译码能力较差。
（2）正脉冲方式
泥浆正脉冲发生器的针阀与小孔的相对位置能够改变泥浆在小孔处的截面积，从而引起钻柱内部泥浆压力的升高，针阀的运动是由井下微处理器编码的测量数据通过调制器控制电路来实现的。在地面通过连续地检测立管压力的变化，并通过译码转换成不同的测量数据。正脉冲发生器具有结构简单、尺寸小、使用操作和维修方便等优点，但正脉冲发生器数据传输慢，不适合传输地质资料参数。
（3）负脉冲方式
泥浆负脉冲发生器需要组装在专用的无磁钻铤中使用，开启泥浆负脉冲发生器的泄流阀，使钻柱内的泥浆从泄流阀经无磁钻铤细流孔流到井眼环空，从而降低钻柱内部的泥浆压力。泄流阀的动作是由井下微处理器编码的测量数据通过调制器控制电路来实现的，在地面通过连续检测立管压力的变化，并通过译码转换成不同的数据。优点是数据传输速度快，适合传输定向和地质资料；缺点是下井仪器的结构复杂，组装、操作和维修不便，需要专用的无磁钻铤。
2、信号的干扰因素
泥浆脉冲信号在传输过程中存在很多干扰信号，这些信号在同时间内可能组合在一起，使得对有用的钻井液脉冲信号识别非常困难。
（1）泥浆泵
当泥浆泵工作良好时，在立管上产生的干扰主要有两个：①较弱的泵的冲程干扰可忽略不计；②较强的活塞运动干扰。通常，无线随钻测量的脉冲信号传输频率的可选范围为 0.5-1.0Hz，而泥浆泵的频率通常大于 1Hz，MWD 地面设备用低通滤波器即可将其过滤。但当泵工作不平衡或密封性有问题时，也能对脉冲信号产生干扰，因此应及时排除泵的故障。
（2）泥浆中的气泡
泥浆中的气泡在上升过程中，由于压力逐渐减小而导致体积膨胀并最终破裂。破裂的气泡形成众多微小的干扰信号源，这些干扰信号在冲洗液通道中反射、叠加，从而增加了信号分离的难度，此时可以通过控制泥浆中的气泡量来减少这种干扰的影响。
（3）噪声干扰
泥浆压力脉冲信号以一定的速度在钻柱中沿轴向向地面传播，泥浆压力脉冲信号传到地面后，会造成一定的衰减，与很多干扰信号混合在一起。在泥浆介质中有很多噪声源以及由于现场条件变化而产生的一些噪声。这些噪声主要包括泵噪声、钻井噪声和反射信号。反射信号主要由于脉冲遇到钻头或泵时，反弹形成的反射波产生反射信号。这些噪声大多都属于非同频的噪声，在信号识别和检测中，可以采用硬件电路滤波方式来滤除这些噪声。
（4）活动钻具
活动钻具的速度过快、过猛，将导致立管中的压力突变，从而造成泥浆脉冲信号丢失，所以在活动钻具时要尽量做到轻提、轻放，这样才能保证泥浆脉冲信号的有效传输。
（5）使用空气室的影响
空气室的作用是减小压力变化和机械震动，使泥浆流动平稳。但与此同时空气室也会衰减井下脉冲发生器传上来的有用的泥浆脉冲信号，通常情况下不会有显著的衰减，不至于造成信号接收问题。但当条件恶劣时，如钻井较深、地层复杂，则必须考虑它。
（6）井底动力机
井底动力机的频率一般远高于信号传输的频率，且这种干扰信号在沿冲洗液通道向井口传播的过程中会逐渐衰减并很快消失，一般可以忽略，但某些异常情况下，如在钻头阻力大于螺杆产生的扭矩而导致螺杆压死停转时，地面立管压力将突然升高，可能淹没泥浆脉冲信号，导致地面解码失败。
3、造成信号衰减的原因分析
（1）深度对信号的衰减
泥浆脉冲信号传输的路径越长，丢失的能量越多。当井比较深时，地面接收到的泥浆脉冲信号幅度相对来说要小些，信噪比不可避免地受到影响。这时可以选择使用较小尺寸的孔板，或减小蘑菇头与孔板间的距离，以增大初始脉冲的幅度，提高信噪比。
（2）气体对信号的衰减
泥浆中气体将会严重影响泥浆脉冲信号的传输，含气量大时会较大地减小脉冲幅度，甚至使地面接收信号失败。可以在初始脉冲中先判断存在的衰减是否为气体衰减，再将脉冲信号在高频传输和低频传输中脉冲幅度的减小进行比较，以确定采取的措施。例如，改变信号传输频率、循环泥浆等。
（3）泥浆中含砂量的影响
与泥浆中气泡的影响相反，含砂量对泥浆密度影响较大，但对泥浆压缩性的影响相对较小，随着含砂量的增加，会影响阀门的行程运 动，从而降低初始脉冲的幅度。
（4）泥浆类型的影响
泥浆通常分为水基泥浆和油基泥浆，油基泥浆的压缩性比水基泥浆大，对于相同的脉冲类 型，信号在油基泥浆中的传输速度低于在水基泥浆中的传输速度。
（5）压力传感器的安装对信号的影响
压力传感器的安装在低信噪比条件下也相当重要。应尽可能地安装在主管线上，避免安装在管线末端、阀门和其他传感器附近；应水平安装，以防止混入空气及泥浆结饼而堵塞传感器球阀。
4、结论
本文介绍了泥浆脉冲随钻测量的传输方式及其特点，分析了在钻井过程中对脉冲信号产生干扰的几点因素，比如泥浆泵、泥浆中的气泡、噪声、空气室的影响等，并提出了一些解决方法。对于泥浆脉冲信号的衰减问题，指出钻井深度、泥浆中的气泡量、含砂量、泥浆类型及压力传感器安装位置对信号的衰减都有一定的影响。对此，可以调整孔板的大小，或调整孔板与蘑菇头的间隙来增加脉冲初始强度，通过调整钻井液质量，比如减少含砂量，控制泥浆中的气体含量，来削弱脉冲信号的衰减程度，以保证地面系统能接收到足够强的脉冲信号，实施解码。
参考文献：
[1] 孟华东.MWD无线随钻技术在冀东油田定向井中的应用.应用技术，2010年第11期：23-24.
[2] 梁树义等.海洋钻井MWD现场常见问题浅析.内蒙古石油化工，2012年第15 期：28-30.
摘要：介绍了无线随钻测量系统中泥浆脉冲信号的传输方式和特点，分析了干扰脉冲信号传输的因素，以及造成脉冲信号衰减的影响因素，并提出了相应的解决方法。
关键词：传输方式；信号干扰；信号衰减
随钻测量是获得井下信息最重要的技术手段。目前该技术普遍应用在中国各油田的大位移水平井、定向斜井的钻进过程中，并取得了显著的成果，大大提高了油气井的钻采效率比。信号的传输是随钻测量的关键技术之一，无线随钻测量系统信号的传输主要有电磁波和泥 浆脉冲两种，电磁波在地层中传输时，信号严重衰减，只能以较低的频率发送信号，因此国内主要采用泥浆脉冲进行信息传输，可靠性较好，能远距离传输，更符合钻井实际情况。但泥浆脉冲信号在传输过程中需要解决两大问题：信号干扰和信号衰减。本文将对泥浆脉冲随钻测量系统的工作方式以及信号传输过程中的干扰和衰减问题进行探讨。
1、泥浆脉冲信号传输方式及特点
目前，泥浆脉冲信号传输方式主要有三种，即连续波、正脉冲和负脉冲三种方式。
（1）连续波方式
连续波脉冲发生器的转子在泥浆作用下产生正弦压力波，由井下探管编码后的测量数据通过调制系统控制的定子相对于转子的角位移，使这种正弦或余弦压力波在时间上出现相位移或角位移，在地面连续检测这些相位或频率的变化，并通过数字译码和计算得到测量数据。其优点是数据传输速度快、精度高；缺点是结构复杂，数字译码能力较差。
（2）正脉冲方式
泥浆正脉冲发生器的针阀与小孔的相对位置能够改变泥浆在小孔处的截面积，从而引起钻柱内部泥浆压力的升高，针阀的运动是由井下微处理器编码的测量数据通过调制器控制电路来实现的。在地面通过连续地检测立管压力的变化，并通过译码转换成不同的测量数据。正脉冲发生器具有结构简单、尺寸小、使用操作和维修方便等优点，但正脉冲发生器数据传输慢，不适合传输地质资料参数。
（3）负脉冲方式
泥浆负脉冲发生器需要组装在专用的无磁钻铤中使用，开启泥浆负脉冲发生器的泄流阀，使钻柱内的泥浆从泄流阀经无磁钻铤细流孔流到井眼环空，从而降低钻柱内部的泥浆压力。泄流阀的动作是由井下微处理器编码的测量数据通过调制器控制电路来实现的，在地面通过连续检测立管压力的变化，并通过译码转换成不同的数据。优点是数据传输速度快，适合传输定向和地质资料；缺点是下井仪器的结构复杂，组装、操作和维修不便，需要专用的无磁钻铤。
2、信号的干扰因素
泥浆脉冲信号在传输过程中存在很多干扰信号，这些信号在同时间内可能组合在一起，使得对有用的钻井液脉冲信号识别非常困难。
（1）泥浆泵
当泥浆泵工作良好时，在立管上产生的干扰主要有两个：①较弱的泵的冲程干扰可忽略不计；②较强的活塞运动干扰。通常，无线随钻测量的脉冲信号传输频率的可选范围为 0.5-1.0Hz，而泥浆泵的频率通常大于 1Hz，MWD 地面设备用低通滤波器即可将其过滤。但当泵工作不平衡或密封性有问题时，也能对脉冲信号产生干扰，因此应及时排除泵的故障。
（2）泥浆中的气泡
泥浆中的气泡在上升过程中，由于压力逐渐减小而导致体积膨胀并最终破裂。破裂的气泡形成众多微小的干扰信号源，这些干扰信号在冲洗液通道中反射、叠加，从而增加了信号分离的难度，此时可以通过控制泥浆中的气泡量来减少这种干扰的影响。
（3）噪声干扰
泥浆压力脉冲信号以一定的速度在钻柱中沿轴向向地面传播，泥浆压力脉冲信号传到地面后，会造成一定的衰减，与很多干扰信号混合在一起。在泥浆介质中有很多噪声源以及由于现场条件变化而产生的一些噪声。这些噪声主要包括泵噪声、钻井噪声和反射信号。反射信号主要由于脉冲遇到钻头或泵时，反弹形成的反射波产生反射信号。这些噪声大多都属于非同频的噪声，在信号识别和检测中，可以采用硬件电路滤波方式来滤除这些噪声。
（4）活动钻具
活动钻具的速度过快、过猛，将导致立管中的压力突变，从而造成泥浆脉冲信号丢失，所以在活动钻具时要尽量做到轻提、轻放，这样才能保证泥浆脉冲信号的有效传输。
（5）使用空气室的影响
空气室的作用是减小压力变化和机械震动，使泥浆流动平稳。但与此同时空气室也会衰减井下脉冲发生器传上来的有用的泥浆脉冲信号，通常情况下不会有显著的衰减，不至于造成信号接收问题。但当条件恶劣时，如钻井较深、地层复杂，则必须考虑它。
（6）井底动力机
井底动力机的频率一般远高于信号传输的频率，且这种干扰信号在沿冲洗液通道向井口传播的过程中会逐渐衰减并很快消失，一般可以忽略，但某些异常情况下，如在钻头阻力大于螺杆产生的扭矩而导致螺杆压死停转时，地面立管压力将突然升高，可能淹没泥浆脉冲信号，导致地面解码失败。
3、造成信号衰减的原因分析
（1）深度对信号的衰减
泥浆脉冲信号传输的路径越长，丢失的能量越多。当井比较深时，地面接收到的泥浆脉冲信号幅度相对来说要小些，信噪比不可避免地受到影响。这时可以选择使用较小尺寸的孔板，或减小蘑菇头与孔板间的距离，以增大初始脉冲的幅度，提高信噪比。
（2）气体对信号的衰减
泥浆中气体将会严重影响泥浆脉冲信号的传输，含气量大时会较大地减小脉冲幅度，甚至使地面接收信号失败。可以在初始脉冲中先判断存在的衰减是否为气体衰减，再将脉冲信号在高频传输和低频传输中脉冲幅度的减小进行比较，以确定采取的措施。例如，改变信号传输频率、循环泥浆等。
（3）泥浆中含砂量的影响
与泥浆中气泡的影响相反，含砂量对泥浆密度影响较大，但对泥浆压缩性的影响相对较小，随着含砂量的增加，会影响阀门的行程运 动，从而降低初始脉冲的幅度。
（4）泥浆类型的影响
泥浆通常分为水基泥浆和油基泥浆，油基泥浆的压缩性比水基泥浆大，对于相同的脉冲类 型，信号在油基泥浆中的传输速度低于在水基泥浆中的传输速度。
（5）压力传感器的安装对信号的影响
压力传感器的安装在低信噪比条件下也相当重要。应尽可能地安装在主管线上，避免安装在管线末端、阀门和其他传感器附近；应水平安装，以防止混入空气及泥浆结饼而堵塞传感器球阀。
4、结论
本文介绍了泥浆脉冲随钻测量的传输方式及其特点，分析了在钻井过程中对脉冲信号产生干扰的几点因素，比如泥浆泵、泥浆中的气泡、噪声、空气室的影响等，并提出了一些解决方法。对于泥浆脉冲信号的衰减问题，指出钻井深度、泥浆中的气泡量、含砂量、泥浆类型及压力传感器安装位置对信号的衰减都有一定的影响。对此，可以调整孔板的大小，或调整孔板与蘑菇头的间隙来增加脉冲初始强度，通过调整钻井液质量，比如减少含砂量，控制泥浆中的气体含量，来削弱脉冲信号的衰减程度，以保证地面系统能接收到足够强的脉冲信号，实施解码。
参考文献：
[1] 孟华东.MWD无线随钻技术在冀东油田定向井中的应用.应用技术，2010年第11期：23-24.
[2] 梁树义等.海洋钻井MWD现场常见问题浅析.内蒙古石油化工，2012年第15 期：28-30.