基於ZigBee的隨鉆測量信號遠程接收處理系統研究

劉科滿劉修善楊春國張進雙

（中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

摘要針對電磁波隨鉆測量系統易於受到井場噪聲影響的現象，提出壹種基於ZigBee協議的遠程微弱低頻電磁波陣列接收處理方法，用於電磁波隨鉆測量系統的電磁波信號遠程接收及井下信息實時測量領域，以提高隨鉆測量系統地面接收機的檢測性能。實驗結果表明，該方法較傳統的接收方法可提高處理增益10dB左右，在隨鉆測量領域具有良好的應用前景。

關鍵詞電磁波隨鉆測量陣列信號電磁波 ZigBee協議

Research of Remote Electromagnetic Signal Reception andProcessing Based on ZigBee Technology

LIU Keman，LIU Xiushan，YANG Chunguo，ZHANG Jinshuang

（SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101 ，China）

Abstract An algorithm of reception and processing of remote electromagnetic signal of Electromagnetic Measurement While Drilling System based on ZigBee technology is presented.The proposed method measured the electromagnetic signal by using an electrode array far away from a well site，which can enhances the communication receiver's ability to extract very weak signals from amounts of ambient environmental noise.The experimental results taken from a well site show that the proposed method can enhance the processing gain of10dB，and has good prospects for applying it to an Electromagnetic Measurement While Drilling system.

Key words Electromagnetic Measurement While Drilling；array signal processing；electromagnetic wave； ZigBee protocol

電磁波式隨鉆測量系統（Electromagnetic Measurement While Drilling，簡稱EM -MWD）作為解決氣體鉆井及各種充氣鉆井中隨鉆測量問題的主要技術手段，壹直備受國內外石油服務公司的關註。然而，由於EM -MWD工作環境的特殊性，低頻電磁波在地層介質中傳播時不可避免地受到信道介質的影響，特別是在非均勻性分布地層傳輸信道介質中，電磁波傳播的衰減、畸變更為嚴重，導致EM -MWD系統的傳輸性能急劇退化，使得其傳輸深度大大降低［1～4］。因此，在井場噪聲和信道噪聲幹擾下，低頻電磁波信號的接收與處理技術研究壹直是EM -MWD系統研究的重點與難點。

目前，EM -MWD系統的地面接收機主要是采用檢測地面電極與井架間攜有井下信息的電磁信號來獲取井下信息，電極與井架間距離約100m。其工作原理是：耦合變壓器來感應攜有井下信息的微弱電磁信號，然後通過前置放大器、低通濾波器等對數據進行處理，最後采用數字信號處理技術對攜有井下測量信息的電磁信號解碼，獲取井下信息。專利申請號200810101407發明了壹種使用兩幅天線分別接收井下發送的電磁信號和井場噪聲信號的EM-MWD系統，其地面接收機具有處理井下發送上來的攜帶有測量數據信息的電磁信號功能［5］。專利申請號200410005527.X發明了壹種能夠處理媒質中的電磁波信號的隨鉆測量遙測系統［6］。專利申請號20102098570.0發明了壹種用解決井上測量系統拾取微弱電磁信號困難的問題。以上這些專利都是在井場電磁幹擾環境下處理微弱電磁信號，然而這些方法不同程度地易受井場電磁噪聲幹擾，特別是這種接收方式易於受到井場各種電氣設備如鉆機、柴油機、發電機、泥漿泵、傳動鏈條、振動篩等設備產生的電磁噪聲的影響，使得EM -MWD系統地面接收機處理低頻電磁信號的性能嚴重退化，接收靈敏度大大降低。

基金項目：國家重大專項《海相油氣井井筒環境監測技術》（2011ZX05005-006）。

針對電磁波隨鉆測量系統易於受到井場噪聲影響的現象，作者提出了壹種基於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，用傳感器陣列方式接收處理攜有井下測量信息的微弱電磁波信號，采用ZigBee協議芯片實現信號的遠程傳輸。該方法可有效地降低井場噪聲對EM-MWD的影響，提高EM-MWD系統地面接收機的處理增益和靈敏度。

1 EM-MWD遠程接收系統設計

1.1 EM-MWD遠程接收系統工作原理及主要完成功能

EM-MWD遠程接收系統由井場接收機和遠程接收機組成；其中遠程接收機包括傳感器陣、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。電磁波隨鉆測量系統遠程無線接收系統如圖1所示。

圖1 電磁波隨鉆測量遠程無線接收系統

電磁波隨鉆測量遠程無線接收系統工作原理如下：定向探管測量井下信息，並按照指定的協議方式將測量信號傳輸至井下發射機，井下發射機在對測量信息進行編碼和調制後，將攜有井下測量信息的電磁波發出去，電磁波通過鉆桿、裸露的井壁以及地層將電磁波傳輸至地面，安裝在地面的遠程傳感器陣接收電磁波信號，接收到的電磁波信號經過濾波、放大、解調等處理後，再進行編碼、加密等環節，通過基於ZigBee技術的無線收發器發射出去，井場接收機接收無線信號，將接收到的數據進行保存管理，並在司鉆指示器上井下顯示。

遠程接收完成的主要功能有：(1)采用傳感器陣列接收遠離井場的井下EM -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、消噪、疊加等處理；(3)將處理後的信號打包、加密，采用ZigBee協議模塊發射。

遠程無線接收系統與現有的電磁波隨鉆測量系統的不同在於：(1)增加了ZigBee技術，即使得地面電極遠離井場，可有效地降低井場噪聲幹擾；(2)采用陣列接收方式，即采用多通道信息采集技術，並利用陣列信號處理技術，進行信號處理，降低噪聲幹擾。

1.2 傳感器陣設計及陣列信號處理技術

現有的EM -MWD系統采用單通道差分接收方式接收井架與地面電極間的信號。為了有效地降低井場噪聲的幹擾，采用地面電極陣列接收攜有井下信息的電磁信號。

假設接收裝置的傳感器組為N個陣元的天線陣，如圖2所示。多通道的遠程接收裝置信號處理框圖如圖3所示。

圖3 遠程接收裝置信號處理框圖

陣元編號為1＃、2＃……N＃，等間距陣元間距為d（圖4），發射機載波頻率為ω，波長為λ，傳播速度v，信號到達2＃陣元較1＃陣元的傳播時間延遲為τ，延遲路程為u，則相鄰陣元間延遲為

圖4 遠程地面接收線陣

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2011年博士後學術論壇文集.4

假設所接收信號為X（t），有用電磁信號為s（t），噪聲為n（t），則有

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則觀測到的信號的總響應為

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λ0是X（t）的中心頻率對應的波長。

根據發射機發射頻率、陣元間距、延遲等參數，可布設合適的傳感器陣。從信號分析的觀點來說，接收到的含有井下信息的電磁信號和幹擾波之間存在以下不同：(1)載波信號的譜與噪聲譜不同；(2)統計規律不同。因此，可采用數字信號處理技術如信號疊加法、時頻濾波法等，從而有效地降低噪聲幹擾，提高處理增益和接收靈敏度。在EM-MWD遠程接收系統中采用陣列設計的目的是為了最大限度地提高接收數據的信噪比，降低井場噪聲的影響。在實際實施過程中，需合適地安排和選擇接收點及其相互位置。采用線列陣而不是面陣，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來說，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，將處理結果通過ZigBee協議模塊發送至井場接收機。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，井場接收機也配置同樣ZigBee協議模塊即可。這樣，遠程接收裝置即可將遠程的傳感器陣列接收微弱電磁信號傳輸至井場接收機，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的遠程接收系統監控軟件設計包括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采用C語言編寫，監控程序采用Labview編寫。地面接收機軟件包括DSP程序和地面監控程序。采用C語言編程實現，主要完成信號與噪聲數據采集、A/D轉換、數字濾波、解碼，並通過RS-232接口與數傳模塊連接，數據由數傳模塊發送出去。此處不再贅述。

2 實驗結果分析

2010年10月該系統在華北大牛地氣田D66-129井進行了現場實驗。電磁波隨鉆測量系統的遠程接收系統的主要工作參數如下：EM-MWD遠程接收系統的前置放大器放大倍數為1～100000倍可調，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頻率為3～25 Hz（根據地層特性可調）；地面電極距井架500～1000 m，***用電極8組；采樣8通道數據；觀測靈敏度在-120dBV左右。圖5給出了實時采集的井場噪聲波形。采樣頻率fs＝2000Hz。從圖5可以看出，EM-MWD系統工作頻帶內存在兩根線譜，即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組成部分。而發射機發射信號頻率10Hz線譜很難從噪聲譜中發現。

圖5 D66-129井井場噪聲波形

采用8通道數據采集後，利用式（6）和式（7），可得到圖6所示噪聲譜，明顯看出，圖7發射機頻率的10Hz線譜較圖6的10Hz線譜提高10dB左右。需要說明的是，由於井場工作設備儀器的啟停在很大程度上會影響原有的EM-MWD系統的工作性能，特別是當較大功率的用電設備（如發電機組、泥漿泵）工作時。

圖6 D66-129井井場噪聲譜

圖7 經過陣列信號處理後觀測到的噪聲譜

通過對D66-129井和DPS-2井的井場噪聲分析，發現當關閉轉盤或頂驅時，井場噪聲近似平穩高斯分布；而當開啟轉盤或頂驅時井場噪聲具有明顯的非平穩、非高斯特性。這種非平穩、非高斯特性的噪聲，直接影響著目前國內外EM-MWD系統的地面解碼性能，特別是當轉盤開啟或頂驅開啟時，數據誤碼率升高，數據的可信度降低。本文提出的遠離井場的接收方法，雖然在壹定程度上使得接收信號的幅度降低，但是噪聲幅度的下降程度較信號的下降程度更明顯。通過陣列信號處理及多通道數據疊加，可以有效地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，這種采用ZigBee遠程接收的方式，既省去了野外遠距離布線的不便，又大大降低了成本。

3 結論

本文提出的基於ZigBee協議的遠程微弱低頻電磁波陣列接收處理方法，用於解決目前EM -MWD系統的電磁波信號易於受到井場噪聲幹擾的問題。

通過現場試驗表明：

1）在距離井架100m以外安放地面電極時，隨著電極距離井場位移的增大，在相同的工作條件下，噪聲的衰減幅度較信號的衰減幅度明顯。

2）布設合適的傳感器陣時，需考慮井下發射機以及井眼位置，特別是發射機發射頻率、陣元間距、延遲等參數。實驗結果表明，本文提出的方法較傳統的接收方法可提高處理增益10dB左右。

參考文獻

［1］劉修善，楊春國，塗玉林.我國電磁隨鉆測量技術研究進展［J］.石油鉆采工藝，2008，30（5）：1～5.

［2］劉修善，侯緒田，塗玉林.電磁隨鉆測量技術現狀及發展趨勢［J］.石油鉆探技術，2006 34（5）：4～9.

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［6］蘇義腦，盛利民，李林.壹種隨鉆測量的電磁遙測方法及系統［P］.中國：200410005527.X，2004.