Investigación sobre un sistema remoto de recepción y procesamiento de señales de medición durante la perforación basado en ZigBee
Liu Keman, Liu Xiushan, Yang Chunguo, Zhang Jinshuang
(Instituto de Investigación de Tecnología de Ingeniería Petrolera Sinopec, Beijing 100101)
Resumen: La medición de ondas electromagnéticas mientras El sistema de perforación es susceptible a daños en los pozos. El fenómeno afectado por el ruido de campo, se propone un método remoto de recepción y procesamiento de conjuntos de ondas electromagnéticas débiles de baja frecuencia basado en el protocolo ZigBee, que se puede utilizar en el campo de la recepción remota de señales de ondas electromagnéticas y Medición en tiempo real de la información del fondo del pozo en la medición de ondas electromagnéticas durante el sistema de perforación para mejorar el rendimiento del receptor terrestre de la medición durante la detección del sistema de perforación. Los resultados experimentales muestran que este método puede aumentar la ganancia de procesamiento en aproximadamente 10 dB en comparación con el método de recepción tradicional y tiene buenas perspectivas de aplicación en el campo de la medición durante la perforación.
Palabras clave medición de ondas electromagnéticas durante la perforación señal de matriz protocolo ZigBee de ondas electromagnéticas
Investigación de recepción y procesamiento remoto de señales electromagnéticas basada en la tecnología ZigBee
LIU Keman, LIU Xiushan , YANG Chunguo, ZHANG Jinshuang
（SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China)
Resumen Un algoritmo de recepción y procesamiento de señales electromagnéticas remotas de medición electromagnética durante el sistema de perforación Se presenta basado en la tecnología ZigBee. El método propuesto midió la señal electromagnética mediante el uso de una matriz de electrodos lejos del sitio del pozo, lo que puede mejorar la capacidad del receptor de comunicaciones para extraer señales muy débiles de cantidades de ruido ambiental ambiental. Los resultados experimentales tomados de un sitio de pozo muestra que el método propuesto puede mejorar la ganancia de procesamiento de 10 dB y tiene buenas perspectivas para aplicarlo a un sistema de medición electromagnética durante la perforación.
Palabras clave Medición electromagnética durante la perforación; procesamiento de señales de matriz electromagnética; ; el protocolo ZigBee
Medición electromagnética durante la perforación (EM-MWD), como principal medio técnico para resolver los problemas de medición durante la perforación en perforación de gas y diversas perforaciones inflables, ha sido favorecido por las compañías petroleras nacionales y extranjeras. Atención de empresa de servicios.
Sin embargo, debido a la particularidad del entorno de trabajo de EM-MWD, las ondas electromagnéticas de baja frecuencia se ven inevitablemente afectadas por el medio del canal cuando se propagan en el medio de formación, especialmente en el medio del canal de transmisión de formación no uniformemente distribuido, la atenuación y distorsión de. La propagación de ondas electromagnéticas se vuelve grave, el rendimiento de transmisión del sistema EM-MWD se degrada drásticamente, lo que provoca que su profundidad de transmisión se reduzca considerablemente [1~4]. Por lo tanto, bajo la interferencia del ruido del sitio del pozo y el ruido del canal, la investigación sobre la tecnología de recepción y procesamiento de señales de ondas electromagnéticas de baja frecuencia siempre ha sido el foco y la dificultad de la investigación del sistema EM-MWD.
En la actualidad, el receptor de tierra del sistema EM-MWD obtiene principalmente información subterránea detectando señales electromagnéticas que transportan información subterránea entre el electrodo de tierra y la torre de perforación. La distancia entre el electrodo y la torre de perforación es de aproximadamente 100 m. Su principio de funcionamiento es: se utiliza un transformador de acoplamiento para inducir señales electromagnéticas débiles que transportan información subterránea, y luego los datos se procesan a través de preamplificadores, filtros de paso bajo, etc., y finalmente se utiliza tecnología de procesamiento de señales digitales para decodificar las señales electromagnéticas que transportan Información de medición subterránea, obtener información subterránea. La solicitud de patente número 200810101407 inventó un sistema EM-MWD que utiliza dos antenas para recibir señales electromagnéticas enviadas bajo tierra y señales de ruido del sitio del pozo, respectivamente. Su receptor terrestre tiene la función de procesar señales electromagnéticas enviadas desde el subsuelo que transportan información de datos de medición [5]. La solicitud de patente número 200410005527.X inventó un sistema de telemetría de medición durante la perforación que puede procesar señales de ondas electromagnéticas en el medio [6]. La solicitud de patente número 20102098570.0 inventó un método para resolver el problema de la dificultad para captar señales electromagnéticas débiles en sistemas de medición en el fondo del pozo. Las patentes anteriores tratan sobre el procesamiento de señales electromagnéticas débiles en el entorno de interferencia electromagnética del sitio del pozo. Sin embargo, estos métodos son susceptibles a la interferencia de ruido electromagnético en el sitio del pozo en diversos grados. En particular, este método de recepción es susceptible a diversos equipos eléctricos. en el sitio del pozo, como plataformas de perforación, motores diesel, La influencia del ruido electromagnético generado por generadores, bombas de lodo, cadenas de transmisión, cribas vibratorias y otros equipos ha degradado seriamente el rendimiento del receptor terrestre del sistema EM-MWD en el procesamiento de baja frecuencia. señales electromagnéticas y redujo en gran medida la sensibilidad de recepción.
Proyecto del Fondo: Gran Proyecto Nacional "Tecnología de Monitoreo Ambiental de Pozos de Petróleo y Gas Marinos" (2011ZX05005-006).
En vista del fenómeno de que la medición de ondas electromagnéticas durante el sistema de perforación se ve fácilmente afectada por el ruido del pozo, el autor propuso un método remoto de recepción y procesamiento de ondas electromagnéticas débiles de baja frecuencia basado en el protocolo ZigBee. El método toma el procesamiento de señales de matriz como núcleo y utiliza el método de matriz de sensores para recibir y procesar señales de ondas electromagnéticas débiles que transportan información de medición subterránea y utiliza chips de protocolo ZigBee para realizar la transmisión remota de señales. Este método puede reducir efectivamente el impacto del ruido del sitio del pozo en EM-MWD y mejorar la ganancia de procesamiento y la sensibilidad del receptor de tierra del sistema EM-MWD.
1 Diseño del sistema de recepción remota EM-MWD
1.1 Principio de funcionamiento y funciones principales del sistema de recepción remota EM-MWD
El sistema de recepción remota EM-MWD es diseñado por el sitio del pozo. Consta de un receptor y un receptor remoto; el receptor remoto incluye un conjunto de sensores, un transformador de acoplamiento, un preamplificador, un filtro de paso de banda, un procesador de señal DSP y un transceptor inalámbrico. El sistema de recepción inalámbrico remoto de la medición de ondas electromagnéticas durante el sistema de perforación se muestra en la Figura 1.
Figura 1 Sistema receptor inalámbrico remoto de medición de ondas electromagnéticas durante la perforación
El principio de funcionamiento del sistema receptor inalámbrico remoto de medición de ondas electromagnéticas durante la perforación es el siguiente: la sonda direccional La tubería mide la información del fondo del pozo y la transmite de acuerdo con el protocolo especificado. La señal de medición se transmite al transmisor subterráneo. Después de codificar y modular la información de medición, el transmisor subterráneo envía la onda electromagnética que transporta la información de medición subterránea. Onda electromagnética al suelo a través de la tubería de perforación, la pared del pozo expuesta y la formación. Instalación El conjunto de sensores remotos en el suelo recibe señales de ondas electromagnéticas. Las señales de ondas electromagnéticas recibidas se filtran, amplifican, demodulan, etc., y luego se codifican, cifran. etc., y luego se transmite a través de un transceptor inalámbrico basado en tecnología ZigBee y se recibe en el receptor del pozo. Las señales inalámbricas se utilizan para guardar y administrar los datos recibidos y mostrarlos en el indicador del perforador.
Las funciones principales que completa la recepción remota son: (1) usar un conjunto de sensores para recibir señales emitidas por el sistema subterráneo EM-MWD lejos del sitio del pozo; ruido de las señales de ondas electromagnéticas débiles recibidas, superposición y otros procesamientos (3) empaquetar y cifrar la señal procesada y transmitirla utilizando el módulo de protocolo ZigBee;
La diferencia entre el sistema de recepción inalámbrica remota y el sistema existente de medición de ondas electromagnéticas durante la perforación es: (1) Se agrega la tecnología ZigBee, que aleja el electrodo de tierra del sitio del pozo, lo que puede reducir eficazmente la interferencia de ruido en el sitio del pozo (2) Adoptar un método de recepción de matriz, es decir, utilizar tecnología de recopilación de información multicanal y utilizar tecnología de procesamiento de señal de matriz para realizar el procesamiento de señales y reducir la interferencia de ruido.
1.2 Diseño de conjunto de sensores y tecnología de procesamiento de señales de conjunto
El sistema EM-MWD existente utiliza un método de recepción diferencial de un solo canal para recibir la señal entre la torre de perforación y el electrodo de tierra. Para reducir eficazmente la interferencia del ruido del sitio del pozo, se utiliza un conjunto de electrodos de tierra para recibir señales electromagnéticas que transportan información subterránea.
Supongamos que el grupo de sensores del dispositivo receptor es un conjunto de antenas con N elementos del conjunto, como se muestra en la Figura 2. El diagrama de bloques de procesamiento de señales del dispositivo de recepción remota multicanal se muestra en la Figura 3.
Figura 3 Diagrama de bloques de procesamiento de señal del dispositivo receptor remoto
Los elementos de la matriz están numerados 1#, 2#...N#, el espacio entre elementos de la matriz igualmente espaciados es d ( Figura 4), y el transmisor La frecuencia portadora es ω, la longitud de onda es λ, la velocidad de propagación es v, el retardo de tiempo de propagación de la señal que llega al elemento de la matriz 2# es τ en comparación con el elemento de la matriz 1#, y el la distancia de retardo es u, entonces el retardo entre los elementos adyacentes del conjunto es
Figura 4 Conjunto de líneas de recepción terrestre remota
Teoría de acumulación de petróleo y gas y tecnología de exploración y desarrollo: Exploración y desarrollo de petróleo de Sinopec Actas del Foro Académico Postdoctoral de 2011 del Instituto de Investigación.4
Supongamos que la señal recibida es la Colección del Foro Académico.4
La respuesta total de la señal observada es
Aceite y teoría de la acumulación de gas y tecnología de exploración y desarrollo: Instituto de Investigación de Exploración y Desarrollo de Petróleo de Sinopec 2011 Colección del Foro Académico Postdoctoral .4
Teoría de la acumulación de petróleo y gas y tecnología de exploración y desarrollo: Instituto de Investigación de Exploración y Desarrollo de Petróleo de Sinopec 2011 Actas del Foro Académico Postdoctoral. 4λ0 es la longitud de onda correspondiente a la frecuencia central de X (t).
Según parámetros como la frecuencia de transmisión del transmisor, el espaciado de los elementos de la matriz, el retardo, etc., se puede implementar una matriz de sensores adecuada. Desde la perspectiva del análisis de señales, existen las siguientes diferencias entre las señales electromagnéticas recibidas que contienen información subterránea y las ondas de interferencia: (1) el espectro de la señal portadora es diferente del espectro del ruido (2) las leyes estadísticas son diferentes; Por lo tanto, se pueden utilizar técnicas de procesamiento de señales digitales, como el método de superposición de señales, el método de filtrado de tiempo-frecuencia, etc., para reducir eficazmente la interferencia de ruido y mejorar la ganancia de procesamiento y la sensibilidad de recepción. El propósito de utilizar el diseño de matriz en el sistema de recepción remota EM-MWD es maximizar la relación señal-ruido de los datos recibidos y reducir el impacto del ruido del sitio del pozo. En la implementación real, los puntos de recepción y sus posiciones mutuas deben organizarse y seleccionarse adecuadamente. El uso de un arreglo lineal en lugar de un arreglo de área evita la complejidad de la depuración y reduce los costos.
Para el sistema de recepción remota de ondas electromagnéticas durante el sistema de medición de perforación, el sistema de recepción remota utiliza una microcomputadora de un solo chip o un sistema DSP para construir una unidad de control principal remota y utiliza las poderosas capacidades de procesamiento de señales de DSP para procesar las señales de matriz recibidas. Procesar y enviar los resultados del procesamiento al receptor del sitio del pozo a través del módulo de protocolo ZigBee. Este diseño utiliza TMS320LF2812 y un chip que contiene el módulo de protocolo ZigBee para construir un pequeño dispositivo receptor remoto. El receptor del pozo también puede equiparse con el mismo módulo de protocolo ZigBee. De esta manera, el dispositivo receptor remoto puede transmitir las señales electromagnéticas débiles recibidas por el conjunto de sensores remotos al receptor del sitio del pozo para completar las funciones de recopilación, recepción y procesamiento de información remota. El diseño del software de monitoreo del sistema de recepción remota de la medición de ondas electromagnéticas durante el sistema de perforación incluye el programa principal DSP, el programa de procesamiento de algoritmos y el programa de monitoreo. El programa DSP y el programa de procesamiento de algoritmos están escritos en lenguaje C y el programa de monitoreo está escrito en Labview. El software del receptor terrestre incluye el programa DSP y el programa de monitoreo terrestre. Implementado mediante programación en lenguaje C, completa principalmente la recopilación de datos de señal y ruido, conversión A/D, filtrado digital, decodificación y está conectado al módulo de transmisión de datos a través de la interfaz RS-232, y los datos se envían mediante la transmisión de datos. módulo. No se darán más detalles aquí.
2 Análisis de resultados experimentales
En octubre de 2010, el sistema se probó en el pozo D66-129 en el campo de gas Daniudi en el norte de China.
Los principales parámetros de funcionamiento del sistema de recepción remota del sistema de medición de ondas electromagnéticas durante la perforación son los siguientes: la amplificación del preamplificador del sistema de recepción remota EM-MWD es ajustable de 1 a 100.000 veces, el filtro de paso de banda tiene un rango de frecuencia de 1 a 35 Hz y el ancho de banda es ajustable. La frecuencia de la señal del transmisor subterráneo es de 3 ~ 25 Hz (ajustable según las características de la formación). uso; se muestrean 8 canales de datos; la sensibilidad de observación es de alrededor de -120 dBV. La Figura 5 muestra la forma de onda de ruido del sitio del pozo recopilada en tiempo real. Frecuencia de muestreo fs=2000Hz. Como puede verse en la Figura 5, hay dos espectros de líneas en la banda de frecuencia de trabajo del sistema EM-MWD, a saber, 6 Hz y 11,6 Hz. La frecuencia eléctrica de 50 Hz de los grupos electrógenos del pozo y los equipos de perforación relacionados también es un componente importante del ruido del pozo. El espectro de línea de 10 Hz de la frecuencia de la señal transmitida por el transmisor es difícil de encontrar en el espectro de ruido.
Figura 5 Forma de onda de ruido del sitio del pozo D66-129
Después de usar la recopilación de datos de 8 canales, usando las ecuaciones (6) y (7), el espectro de ruido que se muestra en la Figura 6 puede ser obtenido, se puede ver claramente que el espectro de línea de 10 Hz de la frecuencia del transmisor en la Figura 7 es aproximadamente 10 dB más alto que el espectro de línea de 10 Hz de la Figura 6. Cabe señalar que el arranque y la parada de los equipos e instrumentos del sitio del pozo afectarán en gran medida el rendimiento del sistema EM-MWD original, especialmente cuando los equipos eléctricos de mayor potencia (como grupos electrógenos, bombas de lodo) están en funcionamiento.
Figura 6 Espectro de ruido del pozo D66-129
Figura 7 Espectro de ruido observado después del procesamiento de señales de matriz
Analizando el espectro de ruido del pozo D66 -129 y El análisis del ruido del pozo DPS-2 encontró que cuando la plataforma giratoria o el top drive están apagados, el ruido del pozo tiene una distribución gaussiana aproximadamente estacionaria, mientras que cuando la plataforma giratoria o el top drive están encendidos, el ruido del pozo tiene; características obvias no estacionarias y no gaussianas. Este ruido no estacionario y no gaussiano afecta directamente el rendimiento de decodificación de tierra de los sistemas EM-MWD nacionales y extranjeros actuales. Especialmente cuando el tocadiscos está encendido o la unidad superior está encendida, la tasa de error de datos aumenta y la confiabilidad de. los datos disminuyen. Aunque el método de recepción propuesto en este artículo lejos del sitio del pozo reduce la amplitud de la señal recibida hasta cierto punto, la reducción en la amplitud del ruido es más obvia que la de la señal. Mediante el procesamiento de señales de matriz y la superposición de datos multicanal, se puede mejorar eficazmente la ganancia de procesamiento del sistema de recepción remota. El dispositivo de recepción remota ZigBee funciona con una batería de botón. Este método de recepción remota ZigBee no solo elimina los inconvenientes del cableado de larga distancia en el campo, sino que también reduce en gran medida el costo.
3 Conclusión
El método remoto de recepción y procesamiento de conjuntos de ondas electromagnéticas débiles de baja frecuencia propuesto en este artículo basado en el protocolo ZigBee se utiliza para resolver el problema de que las señales de ondas electromagnéticas de El sistema EM-MWD actual se ve fácilmente interferido por el ruido del sitio del pozo.
Las pruebas de campo muestran que:
1) Cuando el electrodo de tierra se instala a 100 m de distancia de la torre de perforación, a medida que aumenta el desplazamiento del electrodo desde el sitio del pozo, en las mismas condiciones de trabajo , el ruido La amplitud de atenuación es más obvia que la de la señal.
2) Al diseñar un conjunto de sensores adecuado, es necesario considerar el transmisor subterráneo y la ubicación del pozo, especialmente parámetros como la frecuencia de transmisión del transmisor, el espaciado de los elementos del conjunto y el retraso. Los resultados experimentales muestran que el método propuesto en este artículo puede aumentar la ganancia de procesamiento en aproximadamente 10 dB en comparación con el método de recepción tradicional.
Referencias
[1] Liu Xiushan, Yang Chunguo, Tu Yulin. Progreso de la investigación de la medición electromagnética durante la tecnología de perforación en mi país [J]. 5): 1～5.
[2] Liu Xiushan, Hou Xutian, Tu Yulin. Estado actual y tendencia de desarrollo de la medición electromagnética durante la tecnología de perforación［J］. : 4～9.
［3］McDonald W J. Cuatro sistemas diferentes utilizados para MWD［J］.Oil & Gag, 1978, 76(14): 115～124.
［4］Soulier, Louis, Lemaitre, Michel.Estado y perspectivas de la transmisión de datos EM-MWD［C］.SPE/IADC 25686, 1993: 121～128.
［5］Liu Xiushan, Gao Bingtang , Yang Chunguo, et al. 1 Un dispositivo receptor de señales terrestres y un método de recepción para una medición electromagnética durante el sistema de perforación [P China: 200810101407, 2008.
[6] Su Yinao, Sheng Limin, Li. Lin. Un método de medición durante la perforación Métodos y sistemas de telemetría electromagnética [P]. China: 200410005527.X, 2004.
[7] Gong Zhiqian Un receptor de señal de tierra para la medición de ondas electromagnéticas durante la perforación [P]. ]. China: 201020298570.0, 2010.