CN116717241A - 智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统，包括：地面传感模块、地面系统、测量电极和补偿电极；地面系统、测量电极和补偿电极均位于地下井口的同一侧，测量电极距地下井口第一预设距离，补偿电极距地下井口第二预设距离，第二预设距离大于第一预设距离，地面系统位于地下井口和测量电极之间；地面传感模块，位于地下井口下方；地面系统，用于测量地下井口和测量电极之间的电压，获取测量信号；地面传感模块的感应信号进入地面系统，地面系统基于感应信号输出补偿电流，并基于补偿电流对测量信号进行补偿。本发明能在避开地面很强的干扰条件下有效提出井下上传的信号。
Description
技术领域
本发明属于石油钻井技术领域，尤其涉及智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统。
背景技术
井地传输(也称随钻测量)实现了井下数据上传与地面钻井命令下传，在智能导钻系统中至关重要。随钻测量按信号传输方式可分为电缆随钻测量、中心通缆随钻测量、声波随钻测量、泥浆脉冲随钻测量和电磁随钻测量(electromagnetic measurement whiledrilling EM-MWD)，其中电缆和中心通缆方式为有线随钻测量，声波、泥浆脉冲和电磁方式为无线随钻测量。由于有线随钻测量影响钻杆起下钻效率，易磨损容易损坏，不适用于钻井工程。声波方式利用沿钻杆传播的声波传输信号，不受钻井液和地层影响，但衰减很快，传输距离有线，需要配备多个中继器，不适用于深井中。泥浆波采用泥浆压力波传输信号，该技术相对成熟，在钻井领域有广泛应用，但在空气、泡沫等压缩性钻井介质中无法有效使用，且在漏失地层钻井中不能正常工作。EM-MWD应用低频电磁信号通过钻杆和地层完成信号传输也不受钻井介质影响，适用于常规钻井，漏失井况和气体钻井等各类钻井施工，相比泥浆脉冲，结构简单，没有活动部件，具有更加广阔的应用前景。
美国在EM-MWD技术方面比较领先，主要有Scientific Drilling、Schlumberger、Halliburton、Weatherford、NOV、APS等石油公司从事该技术研发，此外俄罗斯、加拿大、英国和日本均相继样子了商业化产品。国内对EM-MWD研究的有中石化石油勘探开发研究院、中石化石油工程技术研究院、中石油钻井工程技术研究院、中石油川庆钻探钻采院、中国电子科技集团公司第二十二研究所、电子科技大学、西安石油大学以及地质大学(北京)等。
国内外学者在信号上传(井下到地面)做了大量研究，对信号上传(井下到地面)的方式基本是用井口作为一个电极，离井口大概50m的地方埋另一个电极，通过测量两个电极之间的电压来测量信号。如图1所示。
这种通过地面电极接收信号，非常容易受到地面噪声的干扰，由于从井下深部传上来的信号极其微弱，地面工频干扰以及其他人文干扰较大，导致可以测量信噪比极低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统，能在避开地面很强的干扰条件下有效提出井下上传的信号。
为实现上述目的，本发明提供了智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统，包括：地面传感模块、地面系统、测量电极和补偿电极；
所述地面系统、测量电极和补偿电极均位于地下井口的同一侧，所述测量电极距所述地下井口第一预设距离，所述补偿电极距所述地下井口第二预设距离，所述第二预设距离大于所述第一预设距离，所述地面系统位于所述地下井口和所述测量电极之间；
所述地面传感模块，位于所述地下井口下方；
所述地面系统，用于测量所述地下井口和所述测量电极之间的电压，获取测量信号；所述地面传感模块的感应信号进入所述地面系统，所述地面系统基于所述感应信号输出补偿信号，并基于补偿信号对测量信号进行补偿。
可选地，所述地面系统包括：接收模块和补偿模块；
所述接收模块分别与所述地下井口、测量电极连接；所述补偿模块分别与所述地下井口、补偿电极、地面传感模块连接；
所述接收模块，用于测量所述地下井口和所述测量电极之间的电压，获取所述测量信号；
所述补偿模块，用于对所述测量信号进行补偿。
可选地，所述地面传感模块包括：套管短节和前端电路；
所述套管短节的外层涂有绝缘层套环，所述绝缘层套环上嵌有导电套环；
所述前端电路与所述套管短节电性连接。
可选地，所述前端电路包括：第一运放、第二运放、第三运放、电阻R、电容C、电阻Rb、电容Cf、电阻Rf；
所述第一运放的负极性端与所述套管短节连接，并通过所述电阻R与所述第一运放的输出端连接；
所述第一运放的输出端与所述第二运放的正极性端连接，并通过所述电容C与所述第二运放的输出端连接；
所述第二运放的输出端与所述导电套环连接，并通过所述电阻Rb与所述第三运放的负极性端连接；
所述电阻Rf与所述电容Cf并联，并联之后一端连接所述第三运放的负极性端，另一端连接所述第三运放的输出端，并连接所述第一运放的正极性端；
所述第二运放的负极性端与所述第三运放的正极性端均连接信号参考地；
所述第二运放的输出作为所述地面传感模块的输出。
可选地，所述接收模块包括：前置放大器，数据采集器与存储器；
所述前置放大器用于对测量信号的放大；
所述数据采集器对测量信号进行采集；
所述存储器对采集数据进行存储。
可选地，所述补偿模块通过对所述地面传感模块的信号作为误差信号，然后通过对所述补偿电极发送电流迫使所述地面传感模块的输出信号最小实现对测量干扰信号的补偿。
可选地，所述补偿模块包括前置放大器，PI补偿器，大功率电流信号源；
所述前置放大器用于对地面传感信号的放大；
所述PI补偿器用于获得补偿电流信号；
所述大功率电流信号源用于输出补偿电流。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明能在避开地面很强的干扰条件下有效提出井下上传的信号；在地面大干扰信号条件下，实现对井下微弱小信号的拾取。由于干扰信号的频带与井下小信号的频带重叠，克服了传统技术无法实现-60dB以下信噪比的信号拾取。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为常规井下EM-MWD信号激励方式示意图；
图2为本发明实施例的地面接收前端传感结构示意图；
图3为本发明实施例的计算模型设计示意图；
图4为本发明实施例的干扰激发井口到电极方向电场强度分布示意图；
图5为本发明实施例的干扰激发钻杆上的电位移场分布示意图；
图6为本发明实施例的井下激发井口到电极方向电场强度分布示意图；
图7为本发明实施例的井下激发钻杆上的电位移场分布示意图；
图8为本发明实施例的补偿电极激发井口到电极方向电场强度分布示意图；
图9为本发明实施例的补偿电极激发钻杆上的电位移场分布示意图；
图10为本发明实施例的补偿电极位置对补偿效果的影响示意图；
图11为本发明实施例的电路传输特性示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明提出了智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统，包括：地面传感模块、地面系统、测量电极和补偿电极；
地面系统、测量电极和补偿电极均位于地下井口的同一侧，测量电极距地下井口第一预设距离，补偿电极距地下井口第二预设距离，第二预设距离大于第一预设距离，地面系统位于地下井口和测量电极之间；
地面传感模块，位于地下井口下方；
地面系统，用于测量地下井口和测量电极之间的电压，获取测量信号；地面传感模块的感应信号进入地面系统，地面系统基于感应信号输出补偿信号，并基于补偿信号对测量信号进行补偿。
进一步地，地面系统包括：接收模块和补偿模块；
接收模块分别与地下井口、测量电极连接，测量电极离井口20-50m；补偿模块分别与地下井口、补偿电极、地面传感模块连接，补偿电极离测量电极2-3m；测量电极与补偿电极是把1m╳30cm铜箔铺在用盐水浸泡土壤后搅拌成糊状的泥土上面，并用干土埋好的面电极，埋深约20cm，理想接地电阻小于50Ω。
接收模块，用于测量地下井口和测量电极之间的电压，获取测量信号；接收模块由前置放大器，数据采集器与存储器构成。前置放大器接入数据采集器，数据采集器采集的数据送入存储器保存。前置放大器用于对测量信号的放大，数据采集器对测量信号进行采集，存储器对采集数据进行存储。
补偿模块，用于对测量信号进行补偿。补偿模块通过对地面传感模块的信号作为误差信号，然后通过对补偿电极发送电流迫使地面传感模块的输出信号最小实现对测量干扰信号的补偿。补偿模块包括前置放大器，PI补偿器，大功率电流信号源，前置放大器输出信号送入PI补偿器，PI补偿器输出作为控制信号，控制大功率电流信号源输出，形成补偿电流。其中前置放大器用于对地面传感信号的放大，PI补偿器用于获得补偿电流信号，大功率电流信号源用于输出补偿电流。
进一步地，地面传感模块包括：套管短节和前端电路；
套管短节外层涂有绝缘层套环，绝缘层套环上嵌有导电套环，其中绝缘层套环采用绝缘陶瓷材料。
前端电路与套管短节电性连接。
进一步地，前端电路包括：第一运放、第二运放、第三运放、电阻R、电容C、电阻Rb、电容Cf、电阻Rf；
第一运放的负极性端与套管短节连接，并通过电阻R与第一运放的输出端连接；
第一运放的输出端与第二运放的正极性端连接，并通过电容C与第二运放的输出端连接；
第二运放的输出端与导电套环连接，并通过电阻Rb与第三运放的负极性端连接；
电阻Rf与电容Cf并联，并联之后一端连接第三运放的负极性端，另一端连接第三运放的输出端，并连接第一运放的正极性端；
第二运放的负极性端与第三运放的正极性端均连接信号参考地；
第二运放的输出作为地面传感模块的输出。
本实施例基于干扰信号主要分布在地面，如果可以提取出干扰信号，然后将测量信号中剔除该干扰信号，那么就可以获得比较干净的有用信号，从而大大提高信噪比。基于该思想设计如图2所示的发明技术。
本实施例所提出的传感系统包括地下井口附近的地面传感模块和地面系统，其中地面系统由补偿模块和测量模块组成。地下井口安装的地面传感模块信号进入地面补偿模块，补偿模块输出补偿信号，一端接井口，另一端接补偿电极。地面接收模块输入测量信号，一端接井口，一端接测量电极。其中测量电极离井口20-50m，补偿电极离测量电极2-3m，也就是补偿电极到井口的距离比测量电极远2-3m。
其中地面传感模块为一段不小于1m的套管短节，套管短节外层涂绝缘层套环，并在绝缘套环上加导电套环，导电套环上下在加绝缘环，使导电环与套管没有电气连接。从套管层拉出一个导线接到第一个运放A1的负极性端，并通过一个电阻R连接第一个运放A1的输出端，第一个运放A1输出端与第二个运放A2连接，并通过电容C与第二个运放A2的输出端连接。第二个运放A2的输出端与套管短节的导电层连接，并通过电阻Rb接到第三个运放A3的负极性端。电阻Rf与电容Cf并联之后，一端接第三个运放A3的负极性端，另一端接运放A3的输出，并接到第一个运放A1的正极性端。第二个运放A2的负极性端与第三个运放A3的正极性端接信号参考地。将第二个运放A2的输出作为整个传感装置的输出。
本实施例是为了解决是在避开地面很强的干扰条件下有效提出井下上传的信号。
为了证明该发明技术的有效性，首先计算地面工频干扰在井口到测量电极之间的电压V1以及在地下井口附近的地面传感模块感应电压E1；然后计算井底转头附近激励在井口到测量电极之间的电压V2以及在地下井口附近的地面传感模块感应电压E2；随后计算井口到补偿电极激励在井口到测量电极之间的电压V3以及在地下井口附近的地面传感模块感应电压E3；地面测量模块获得的电压V＝V1+V2-V3，补偿模块的目标是井口附近的地面传感模块感应电压为0，此时V1与V3尽量接近，从而实现地面测量模块获得的电压中，有用信号的成分更大，即信噪比更高。最后计算前端传感电路的带宽特性，确保电路带宽对干扰信号有效提取。
设计仿真计算模型长5km，宽5km，空气层高1km，地层深2km，空气的电阻率为3×1013Ω·m，地层的电阻率为100Ω·m，井口在原点坐标(0,0,0)，垂直井段深1km，水平井段1km，如图3所示，
第一步，在地面加入一个1A/m地面沿着钻井轨迹方向的面电流(该方向对井下信号影响最大)，频率为50Hz。计算沿着电极方向的电场强度分布如图4所示。
可以看出在井口位置电场强度最大达到0.7V/m，随着离开井口距离远远，电场强度迅速下降，10m远处电场强度下降到0.2V/m，随后缓慢下降，40m远处的电场基本保持在0.16V/m的水平，此时，井口到电极之间的电压为井口到电极之间电场强度的积分：
经计算，地面干扰电压V1≈9.98V。
计算沿着钻杆方向的电位移场强分布如图5所示。
可以看出，50Hz干扰信号在地下钻杆上激发了电荷分布在井口的电位移强度9×10-12C/m2，因此取地下传感套管短节位置的干扰电位移场强为9×10-12C/m2是合理的。
套管短节感应的电容电压：
其中Cs为套管层与导电层之间形成的等效电容；V为套管层与导电层之间形成的电压；D为从套管层到导电层之间的电位移密度；S为导电层表面面积。
忽略导电层到套管之间电场的边界效应，那么其电容量为:
假设传感套管短节为1m，绝缘层相对介电常数为3，套管半径为0.2m，绝缘层厚度为5mm，则导电层到套管之间的电容量约为669pF。
将图5中井口钻杆上电位移密度D＝9×10-12C/m2，Cs＝669pF，S＝0.126m2带入公式(2)可得干扰源在套管层与导电层之间感应电压E1≈1.7mV。
第二步，在钻头附近施加一个偶极子9A·m，频率为10Hz，这与实际施工情况相当，井下激发沿着电极方向的电场强度分布如图6所示
可以看出在井口位置电场强度最大为3mV/m，随着离开井口距离远远，电场强度迅速下降，10m远处电场强度下降到05mV/m，随后缓慢下降，40m远处的电场基本保持在0.15mV/m的水平，此时，井下激励激发井口到电极之间的电压为井口到电极之间电场强度积分，计算得V2≈21.8mV。
沿着钻杆方向的位移电场密度分布如图7所示。
从图7中可以看出，沿着钻杆向地下的电位移场在垂直井段基本保持0.5×10-13C/m2不变，在造斜拐点段最弱，在水平井段迅速增强。
将图7中井口钻杆上电位移密度D＝0.5×10-13C/m2，Cs＝669pF，S＝0.126m2带入公式(2)可得井下激励激发套管层与导电层感应电压E2≈9.4uV。这与地面干扰感应的信号E1≈1.7mV小得多，可以忽略不计E2，因此，套管层与导电层感应电压基本上就是纯粹的干扰信号。
第三步，在井口到补偿电极之间施加补偿激励，迫使套管层与导电层感应电压最小。当补偿电极到井口距离为51.8m时，补偿激励激发沿着电极方向的电场强度分布如图8所示。
可以看出补偿电极激发电场强度在补偿电极处最强，测量电极放在50m的位置，补偿电极激励激发井口到电极之间的电压为井口到电极之间电场强度积分，计算得V3≈9.96V。
沿着钻杆方向的位移电场密度分布如图9所示。
可以看出，补偿电极激发沿钻杆上的电位移场强在井口出为9×10-12C/m2，这与干扰激发在此的位置一致，并且在测量电极上获得的补偿信号V3≈9.97V，由前面第一步的计算可得干扰信号V1≈9.98V，所以，干扰信号被补偿信号抵消，实现了补偿效果。
补偿电极的位置对补偿效果影响明显，补偿电极到测量电极之间的距离不同，其补偿效果不同，如图10所示。
可见，在测量电极附近需要尝试寻找一个合适的补偿点后，获得理想的补偿效果。此时的干扰电压9.98V被补偿掉9.97V，此时只有约10mV的干扰信号，大幅度提高了测量信号的信噪比。
以上是基于强干扰条件下的效果，当干扰较小时可获得更加理想的效果。下面分析一下传感前段电路的传输特性。
由公式(2)，导电层到套管之间的电容量约为669pF，选择R＝10MΩ，C＝0.1uF，Rf＝1kΩ，Rb＝10kΩ，Cf＝10uF，该电路传输特性如图11所示。
通常井地传输信号采用10Hz左右的频率确保足够的传输速率。由图11可以看出，在有效频带内，信号吾衰减低传输，实现了高阻抗变换为低阻抗，下一级对其放大处理即可。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统，其特征在于，包括：地面传感模块、地面系统、测量电极和补偿电极；
所述地面系统、测量电极和补偿电极均位于地下井口的同一侧，所述测量电极距所述地下井口第一预设距离，所述补偿电极距所述地下井口第二预设距离，所述第二预设距离大于所述第一预设距离，所述地面系统位于所述地下井口和所述测量电极之间；
所述地面传感模块，位于所述地下井口下方；
所述地面系统，用于测量所述地下井口和所述测量电极之间的电压，获取测量信号；所述地面传感模块的感应信号进入所述地面系统，所述地面系统基于所述感应信号输出补偿信号，并基于补偿信号对测量信号进行补偿。
2.根据权利要求1所述的智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统，其特征在于，所述地面系统包括：接收模块和补偿模块；
所述接收模块分别与所述地下井口、测量电极连接；所述补偿模块分别与所述地下井口、补偿电极、地面传感模块连接；
所述接收模块，用于测量所述地下井口和所述测量电极之间的电压，获取所述测量信号；
所述补偿模块，用于对所述测量信号进行补偿。
3.根据权利要求1所述的智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统，其特征在于，所述地面传感模块包括：套管短节和前端电路；
所述套管短节的外层涂有绝缘层套环，所述绝缘层套环上嵌有导电套环；
所述前端电路与所述套管短节电性连接。
4.根据权利要求3所述的智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统，其特征在于，所述前端电路包括：第一运放、第二运放、第三运放、电阻R、电容C、电阻Rb、电容Cf、电阻Rf；
所述第一运放的负极性端与所述套管短节连接，并通过所述电阻R与所述第一运放的输出端连接；
所述第一运放的输出端与所述第二运放的正极性端连接，并通过所述电容C与所述第二运放的输出端连接；
所述第二运放的输出端与所述导电套环连接，并通过所述电阻Rb与所述第三运放的负极性端连接；
所述电阻Rf与所述电容Cf并联，并联之后一端连接所述第三运放的负极性端，另一端连接所述第三运放的输出端，并连接所述第一运放的正极性端；
所述第二运放的负极性端与所述第三运放的正极性端均连接信号参考地；
所述第二运放的输出作为所述地面传感模块的输出。
5.根据权利要求2所述的智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统，其特征在于，所述接收模块包括：前置放大器，数据采集器与存储器；
所述前置放大器用于对测量信号的放大；
所述数据采集器对测量信号进行采集；
所述存储器对采集数据进行存储。
6.根据权利要求2所述的智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统，其特征在于，
所述补偿模块通过对所述地面传感模块的信号作为误差信号，然后通过对所述补偿电极发送电流迫使所述地面传感模块的输出信号最小实现对测量干扰信号的补偿。
7.根据权利要求2所述的智能导钻井地电磁传输地面接收前端补偿系统，其特征在于，所述补偿模块包括前置放大器，PI补偿器，大功率电流信号源；
所述前置放大器用于对地面传感信号的放大；
所述PI补偿器用于获得补偿电流信号；
所述大功率电流信号源用于输出补偿电流。
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