(中國石化石油工程技術研究院，北京100101)
針對電磁波隨鉆(MWD)系統易受井場噪聲影響的現象，提出了壹種基於ZigBee協議的遠程微弱低頻電磁波陣列接收處理方法，用於MWD系統電磁波信號的遠程接收和井下信息的實時測量領域，以提高MWD系統地面接收機的探測性能。實驗結果表明，與傳統接收方法相比，該方法可提高處理增益約10dB，在隨鉆測量領域具有良好的應用前景。
電磁波隨鉆測量；陣列信號；電磁波ZigBee協議
基於ZigBee技術的遠程電磁信號接收與處理研究
劉、劉秀山、楊、
(中國石化石油工程研究院，北京100101，中國)
摘要提出了壹種基於ZigBee技術的隨鉆電磁測量系統的遠程電磁信號接收和處理算法。所提出的方法通過使用遠離井場的電極陣列來測量電磁信號，這可以增強通信接收機從大量周圍環境噪聲中提取非常微弱的信號的能力。現場實驗結果表明，該方法可提高10dB的處理增益，在電磁隨鉆測量系統中具有良好的應用前景。
關鍵詞隨鉆電磁測量；陣列信號處理；電磁波；ZigBee協議
電磁隨鉆測量(EM -MWD)作為解決氣體鉆井和各種充氣鉆井中隨鉆測量問題的主要技術手段，受到國內外石油服務公司的高度重視。但是，由於電磁MWD工作環境的特殊性，低頻電磁波在地層介質中的傳播不可避免地受到信道介質的影響，特別是在非均勻地層傳輸信道介質中，電磁波傳播的衰減和失真更加嚴重，導致電磁MWD系統的傳輸性能迅速退化，傳輸深度大大降低[1 ~ 4]。因此，在井場噪聲和信道噪聲的幹擾下，低頻電磁波信號的接收和處理技術研究壹直是電磁MWD系統研究的重點和難點。
目前，電磁MWD系統的地面接收機主要是利用地面電極和井架之間帶有井下信息的電磁信號來獲取井下信息，電極和井架之間的距離約為100m m..其工作原理是:耦合變壓器感應出帶有井下信息的微弱電磁信號，然後通過前置放大器和低通濾波器對數據進行處理，最後通過數字信號處理技術對帶有井下測量信息的電磁信號進行解碼，得到井下信息。專利申請號200810101407發明了壹種電磁MWD系統，利用兩根天線分別接收井下發送的電磁信號和井場的噪聲信號，其地面接收機具有處理井下發送的電磁信號和測量數據信息的功能[5]。專利申請號為200410005527。x，發明了壹種隨鉆測量遙測系統[6]，可以處理介質中的電磁波信號。專利申請號為20102098570.0，發明了壹種解決油井測量系統難以拾取微弱電磁信號的方法。這些專利都處理井場電磁幹擾環境中的微弱電磁信號。然而，這些方法都不同程度地受到井場電磁噪聲的影響，特別是井場各種電氣設備產生的電磁噪聲，如鉆機、柴油機、發電機、泥漿泵、傳動鏈、振動篩等，嚴重降低了電磁MWD系統地面接收機處理低頻電磁信號的性能，大大降低了接收靈敏度。
基金項目:國家重大專項“海洋油氣井井筒環境監測技術”(2011ZX05005-006)。
針對隨鉆電磁波測量系統易受井場噪聲影響的現象，提出了壹種基於ZigBee協議的遠程微弱低頻電磁波陣列接收處理方法。該方法以陣列信號處理為核心，利用傳感器陣列接收和處理帶有井下測量信息的微弱電磁波信號，利用ZigBee協議芯片實現信號的遠程傳輸。該方法能有效降低井場噪聲對電磁MWD的影響，提高電磁MWD系統地面接收機的處理增益和靈敏度。
1電磁MWD遠程接收系統的設計
1.1電磁MWD遙控接收系統的工作原理和主要功能
電磁MWD遠程接收系統由井場接收機和遠程接收機組成；遠程接收器包括傳感器陣列、耦合變壓器、前置放大器、帶通濾波器、DSP信號處理器和無線收發器。隨鉆電磁波測量遠程無線接收系統如圖1所示。
圖1隨鉆電磁波測量遠程無線接收系統
隨鉆電磁波測量遠程無線接收系統的工作原理是:定向探頭測量井下信息，按照規定的協議將測量信號傳輸到井下發射機。井下發射機對測量信息進行編碼和調制後，發出帶有井下測量信息的電磁波，通過鉆桿、裸露的井壁和地層傳輸到地面，安裝在地面的遙感器陣列接收電磁信號。接收到的電磁波信號經過濾波、放大、解調、編碼和加密，然後通過基於ZigBee技術的無線收發器進行傳輸。井場接收器接收無線信號，保存和管理接收到的數據，並顯示在司鉆的顯示器上。
遠程接收的主要功能有:(1)利用傳感器陣列接收遠離井場的井下電磁MWD系統發射的信號；(2)對接收到的微弱電磁波信號進行信號處理、降噪、疊加等處理；(3)將處理後的信號打包加密，通過ZigBee協議模塊進行傳輸。
遠程無線接收系統與現有電磁波隨鉆測量系統的不同之處在於增加了(1) ZigBee技術，即使地電極遠離井場，也能有效降低井場的噪聲幹擾；(2)采用陣列接收方式，即采用多通道信息采集技術和陣列信號處理技術對信號進行處理，減少噪聲幹擾。
1.2傳感器陣列設計及陣列信號處理技術
現有的電磁MWD系統使用單通道差分接收來接收井架和接地電極之間的信號。為了有效降低井場噪聲的幹擾，采用地面電極陣列接收帶有井下信息的電磁信號。
假設接收設備的傳感器組是具有n個單元的天線陣列，如圖2所示。多通道遙控接收裝置的信號處理框圖如圖3所示。
圖3遠程接收裝置信號處理框圖
數組元素編號為1 #和2 #...n #，等間距數組元素的間距為d(圖4)。發射機載波頻率為ω，波長為λ，傳播速度為v，信號到達2 #陣元的傳播時間為τ，延遲距離為u，則相鄰陣元之間的延遲為。
圖4遠程地面接收線性陣列
油氣成藏理論與勘探開發技術:中國石化石油勘探開發研究院博士後學術論壇論文集2011 . 4
假設接收信號為X(t)，有用電磁信號為s(t)，噪聲為n(t)，則有
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那麽觀察信號的總響應為
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λ0是X(t)的中心頻率對應的波長。根據發射器頻率、陣列間距、延遲和其他參數，可以布置合適的傳感器陣列。從信號分析的角度來看，接收到的含有井下信息的電磁信號與幹擾波有以下區別:(1)載波信號的頻譜與噪聲的頻譜不同；(2)統計規律不同。因此，可以采用信號疊加法、時頻濾波法等數字信號處理技術，有效降低噪聲幹擾，提高處理增益和接收靈敏度。電磁MWD遠程接收系統采用陣列設計的目的是最大限度地提高接收數據的信噪比，減少井場噪聲的影響。在實際實施過程中，需要合理安排和選擇接收點及其相互位置。用線陣代替面陣，避免了調試的復雜性，降低了成本。
對於電磁波隨鉆測量系統的遠程接收系統，遠程接收系統采用單片機或DSP系統構建遠程主控單元，利用DSP強大的信號處理能力對接收到的陣列信號進行處理，並將處理結果通過ZigBee協議模塊發送到井場接收器。本設計選用TMS320LF2812和含有ZigBee協議模塊的芯片構建遠程小型接收裝置，井場接收機也配備相同的ZigBee協議模塊。這樣，遠程接收裝置就可以將遠程傳感器陣列接收到的微弱電磁信號傳輸到井場接收器，完成遠程信息的采集、接收和處理功能。電磁波隨鉆測量系統遠程接收系統的監控軟件設計包括DSP主程序、算法處理程序和監控程序。其中DSP程序和算法處理程序用C語言編寫，監控程序用Labview編寫。地面接收機軟件包括DSP程序和地面監控程序。用C語言編程，主要完成信號和噪聲數據采集、A/D轉換、數字濾波和解碼，通過RS-232接口與數據傳輸模塊連接，數據由數據傳輸模塊發送出去。這裏就不贅述了。
2實驗結果分析
該系統在華北大牛地氣田D66-129井進行了現場試驗。電磁波隨鉆測量系統遠程接收系統的主要工作參數如下:電磁MWD遠程接收系統前置放大器的放大倍數為1 ~ 100000倍，帶通濾波器的頻帶範圍為1 ~ 35hz，帶寬可調；井下發射機發射信號的頻率為3 ~ 25 Hz(根據地層特性可調)；接地極距井架500 ~ 1000米，使用8組電極。采樣8路數據；觀測靈敏度約為-12BV。圖5顯示了實時采集的井場噪聲波形。采樣頻率fs = 2000 Hz。從圖5可以看出，電磁MWD系統的工作頻段有兩個線譜，分別是6Hz和11.6Hz，井場發電機組及相關鉆井設備的50Hz工頻也是井場噪聲的主要成分。但是，很難從噪聲頻譜中找到發射機信號頻率為10Hz的線譜。
圖5 D66-129井噪聲波形
采集8通道數據後，可以使用等式(6)和(7)獲得圖6所示的噪聲頻譜。很明顯，圖7中發射機頻率的10Hz線譜比圖6中高了約10dB。需要註意的是，井場工作設備和儀器的啟動和停止將極大地影響原有EM-MWD系統的工作性能，尤其是在大功率電氣設備(如發電機組和泥漿泵)工作時。
圖6 D66-129井噪聲頻譜圖
圖7陣列信號處理後觀察到的噪聲頻譜
通過對D66-129和DPS-2井場噪聲的分析，發現轉盤或頂驅關閉時，井場噪聲近似為平穩高斯分布。然而，當轉盤或頂驅開啟時，井場噪聲具有明顯的非平穩和非高斯特性。這種非平穩、非高斯噪聲直接影響國內外EM-MWD系統的地面解碼性能，特別是在轉臺開啟或頂驅開啟時，數據誤碼率增加，數據可靠性下降。本文提出的遠離井場的接收方法雖然在壹定程度上降低了接收信號的幅度，但噪聲幅度的降低比信號更明顯。通過陣列信號處理和多路數據疊加，可以有效提高遠程接收系統的處理增益。ZigBee遠程接收裝置采用紐扣電池供電，省去了野外長距離布線的不便，大大降低了成本。
3結論理論
針對電磁MWD系統電磁波信號易受井場噪聲幹擾的問題，提出了壹種基於ZigBee協議的遠程微弱低頻電磁波陣列接收處理方法。
現場試驗表明:
1)當接地電極放置在距離井架100m處時，隨著電極距離井場位移的增大，在相同工況下，噪聲的衰減幅度比信號的衰減幅度更明顯。
2)在布設合適的傳感器陣列時，需要考慮井下發射器和井眼位置，尤其是發射器頻率、陣元間距、延遲等參數。實驗結果表明，與傳統接收方法相比，該方法可提高處理增益約10dB。
參考
[1]劉秀山，楊，屠玉林。中國隨鉆電磁測量技術研究進展[J].石油鉆采技術，2008，30 (5): 1 ~ 5。
劉秀山，侯，屠玉林。隨鉆電磁測量的現狀及發展趨勢[J].石油鉆井技術，200634 (5): 4 ~ 9。
[3]McDonald W . J .用於MWD的四種不同系統[J].石油&Gag，1978，76(14):115 ~ 124。
[4]蘇利埃，路易，勒邁特，米歇爾。MWD數據傳輸現狀與展望[C].SPE/IADC 25686，1993:121 ~ 128。
劉秀山，高，楊，等.電磁隨鉆測量系統地面信號接收裝置及其接收方法[P].中國:200810101407，2008年。
蘇義腦，盛立民，李林。用於隨鉆測量的電磁遙測方法和系統。中國:20041005527。x，2004年。
龔。用於隨鉆電磁波測量的地面信號接收器。中國:2010209570.0，2010。