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随钻电磁信号传输特性研究

张浩  
【摘要】:油气资源关系着一个国家经济发展的命脉,对此我国也是高度重视。随钻测量(MWD)技术对提高油气钻采效率,降低钻采成本具有重要作用。目前常用的无线随钻测量方式,结构复杂,信息传输速率慢,极大限制了钻井技术的进一步发展。电磁随钻测量(EM-MWD),是一种新型随钻测量方式,以电磁信号为载波进行井下与地面信息传递,具有传输速率快、操作简单、可靠性高等优点,因而受到国内外越来越多的关注。但由于井下环境复杂,对于电磁信号在井下传输的衰减特性,国内外至今尚没有一个清晰的理论。本文首先对随钻电磁信号传输信道和井下电磁激励方式进行了分析,对影响电磁信号随钻传输的因素进行了详细论述。并根据经典电磁学理论结合“等效传输线”原理,对信号传输过程进行了理论研究。随后基于ANSYS软件建立了电磁随钻测量(EM-MWD)有限元模型,从信号发射功率与频率两个角度出发,分析钻柱、套管、地层导电非均匀性以及地层温度变化四个方面,对随钻电磁信号传输的影响规律。最后基于自主设计的地面模拟实验,从电磁信号沿钻柱产生的欧姆损耗、不同规格钻柱、地层导电非均匀性三个方面,对仿真分析结果进行了验证。研究结果表明:随钻电磁信号沿钻柱传输产生的欧姆损耗与钻柱横截面积呈一定正比例关系;钻柱规格对随钻电磁信号传输有一定影响,总体来看钻柱壁厚与钻柱外径比例约为0.08-0.20时,信号传输效果较好;激励外加套管会对电磁信号传输产生严重屏蔽作用,尤其频率超过50Hz,地面接收电压衰减严重,但套管长度小于40m时,套管影响较小;导电能力分布不均匀的地层,信号传输效果差于均匀地层,且信号发射频率越高,衰减越严重;地层温度导致井筒温度改变,使得沿钻柱传输的随钻电磁信号衰减增加,从而影响信号传输效果;最后提出信号频率在20-60Hz时,EM-MWD系统整体传输性能比较高。通过以上结论,为现场EM-MWD系统及相关仪器设计与改进提供建议,为评估EM-MWD系统适用范围与环境提供参考。


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