지그비 기반 MWD 신호 원격 수신 처리 시스템 연구

리우 리우 구오 순수한 장 진 쌍

(베이징 100 10 1 KLOC-0/)

MWD (전자기파 시추) 시스템이 우물 필드 소음의 영향을 받기 쉬운 현상에 대해, MWD 시스템 전자파 신호의 원격 수신 및 우물 아래 정보를 실시간으로 측정하는 ZigBee 프로토콜 기반 원격 약한 저주파 전자파 어레이 수신 처리 방법이 제시되었습니다. MWD 시스템 지상 수신기의 탐지 성능을 향상시킵니다. 실험 결과, 이 방법은 기존 수신 방법에 비해 처리 게인 약 10dB 를 증가시켜 시추 측정 분야에서 좋은 응용 전망을 가지고 있는 것으로 나타났다.

드릴링 중 전자기파 측정; 어레이 신호 전자파 지그비 프로토콜

지그비 기술을 기반으로 한 원격 전자기 신호 수신 및 처리 연구

유, 유수산, 양,

(중국 석유화학석유공학연구원, 베이징 100 10 1, 중국)

ZigBee 기술을 기반으로 하는 시추 중인 전자기 측정 시스템의 원격 전자기 신호 수신 및 처리 알고리즘이 요약되어 있습니다. 제안 된 방법은 우물 필드에서 멀리 떨어진 전극 배열을 사용하여 전자기 신호를 측정하여 통신 수신기가 많은 주변 환경 소음에서 매우 약한 신호를 추출하는 능력을 향상시킬 수 있습니다. 현장 실험 결과, 이 방법은 10dB 의 처리 이득을 높이고 전자기 시추 측정 시스템에서 좋은 응용 전망을 가지고 있음을 알 수 있습니다.

드릴링 중 키워드 전자기 측정; 어레이 신호 처리 전자기파 지그비 프로토콜

전자기 시추 측정 (EM -MWD) 은 가스 시추와 각종 팽창 시추에서 시추 측정 문제를 해결하는 주요 기술 수단으로 국내외 석유 서비스 회사의 높은 중시를 받고 있다. 그러나 전자기 MWD 작업 환경의 특수성으로 인해 지층 매체에서의 저주파 전자기파 전파는 채널 매체의 영향을 불가피하게 받습니다. 특히 비균일 지층 전송 채널 매체에서는 전자기파 전파의 감쇠와 왜곡이 더욱 심해져 전자기 MWD 시스템의 전송 성능이 급속히 저하되고 전송 깊이가 크게 낮아집니다 [1 ~ 4]. 따라서 우물 필드 소음과 채널 소음의 간섭 하에서 저주파 전자파 신호의 수신 및 처리 기술 연구는 전자기 MWD 시스템 연구의 중점이자 난점이었습니다.

현재, 전자기 MWD 시스템의 지상 수신기는 주로 지상 전극과 데릭 사이에 우물 아래 정보가 있는 전자기 신호를 이용하여 우물 아래 정보를 얻습니다. 전극과 데릭 사이의 거리는 약 100m m 입니다. 커플러 변압기가 우물 아래 정보가 있는 미약한 전자기 신호를 감지한 다음 전면 증폭기와 저통 필터를 통해 데이터를 처리하고 마지막으로 디지털 신호 처리 기술을 통해 우물 아래 특허 출원번호 200810101407 은 두 개의 안테나를 사용하여 지하에서 전송된 전자기 신호와 우물 필드의 소음 신호를 각각 수신하는 전자기 MWD 시스템을 발명했습니다. 지상 수신기에는 지하에서 전송된 전자기 신호와 측정 데이터 정보를 처리하는 기능이 있습니다 [ 특허 출원번호는 2004 10005527 입니다. X 는 미디어의 전자파 신호를 처리할 수 있는 시추 측정 원격 측정 시스템 [6] 을 발명했습니다. 특허 출원번호는 20 102098570.0 으로 유정 측정 시스템이 미약한 전자기 신호를 선택하기 어려운 방법을 개발했다. 이 특허들은 모두 우물장 전자기 간섭 환경의 미약한 전자기 신호를 처리한다. 그러나 이러한 방법은 우물 필드 전자기 소음, 특히 우물 필드의 다양한 전기 장비에서 발생하는 전자기 소음 (예: 시추기, 디젤 엔진, 발전기, 진흙 펌프, 전동체인, 진동 스크린 등) 에 의해 크게 영향을 받습니다. 전자기 MWD 시스템 지상 수신기가 저주파 전자기 신호를 처리하는 성능을 크게 낮추어 수신 감도를 크게 낮춥니다.

기금 프로젝트: 국가 중대 전문' 해양유정 환경 모니터링 기술' (20 1 1ZX05005-006).

시추하는 전자기파 측정 시스템이 우물 필드 소음의 영향을 받기 쉬운 현상에 대해 지그비 프로토콜을 기반으로 한 원격 약한 저주파 전자파 어레이 수신 처리 방법을 제시했다. 이 방법은 어레이 신호 처리를 중심으로 센서 어레이를 사용하여 우물 아래 측정 정보가 있는 약한 전자파 신호를 수신하고 처리하고 지그비 프로토콜 칩을 사용하여 신호를 원격으로 전송합니다. 이 방법은 우물 필드 소음이 전자기 MWD 에 미치는 영향을 효과적으로 줄이고 전자기 MWD 시스템 지상 수신기의 처리 게인과 민감도를 높입니다.

1 전자기 MWD 원격 수신 시스템 설계

1. 1 전자기 MWD 원격 수신 시스템의 작동 원리 및 주요 기능

전자기 MWD 원격 수신 시스템은 우물 필드 수신기와 원격 수신기로 구성됩니다. 원격 수신기에는 센서 어레이, 커플러 변압기, 전면 증폭기, 대역 통과 필터, DSP 신호 프로세서 및 무선 트랜시버가 포함됩니다. 드릴을 따라 전자파를 측정하여 원격 무선 수신 시스템을 그림 1 에 나와 있습니다.

그림 1 드릴링 중 전자파 측정 원격 무선 수신 시스템

드릴을 따라 전자파를 측정하여 원격 무선 수신 시스템의 작동 원리는 방향 프로브가 우물 아래 정보를 측정하고 정해진 프로토콜에 따라 측정 신호를 우물 아래 송신기로 전송하는 것입니다. 우물 아래 송신기가 측정 정보를 인코딩하고 변조한 후 우물 아래 측정 정보가 있는 전자파를 방출하여 드릴 파이프, 노출된 우물 벽 및 지층을 통해 지면으로 전송되고 지면에 설치된 원격 센서 어레이는 전자기 신호를 수신합니다. 수신된 전자파 신호는 필터링, 확대, 조정, 인코딩 및 암호화를 거쳐 지그비 기술 기반 무선 트랜시버를 통해 전송됩니다. 우물 필드 수신기는 무선 신호를 받고, 수신된 데이터를 저장 및 관리하며, 드릴된 모니터에 표시됩니다.

원격 수신의 주요 기능은 다음과 같습니다. (1) 센서 어레이를 사용하여 우물장에서 멀리 떨어진 지하 전자기 MWD 시스템에서 송신된 신호를 수신합니다. (2) 수신된 약한 전자파 신호에 대한 신호 처리, 소음 감소, 오버레이 등의 처리 (3) 처리된 신호를 패키지화하여 지그비 프로토콜 모듈을 통해 전송합니다.

원격 무선 수신 시스템은 기존 전자기파 시추 측정 시스템과 달리 (1) 지그비 기술이 추가되어 지전극이 우물장에서 멀리 떨어져 있어도 우물 필드의 소음 간섭을 효과적으로 줄일 수 있습니다. (2) 어레이 수신 방식, 즉 다중 채널 정보 수집 기술 및 어레이 신호 처리 기술을 사용하여 신호를 처리하고 소음 간섭을 줄입니다.

1.2 센서 어레이 설계 및 어레이 신호 처리 기술

기존 전자기 MWD 시스템은 단일 채널 차등 수신을 사용하여 데릭과 접지 전극 사이의 신호를 수신합니다. 우물 필드 소음의 간섭을 효과적으로 줄이기 위해 지상 전극 배열을 사용하여 우물 아래 정보가 있는 전자기 신호를 수신합니다.

그림 2 와 같이 수신 장치의 센서 그룹이 N 개의 장치가 있는 안테나 어레이라고 가정합니다. 그림 3 에는 다중 채널 리모콘 수신기의 신호 처리 상자가 나와 있습니다.

그림 3 원격 수신 장치 신호 처리 블록 다이어그램

배열 요소 번호는 1 # 및 2 #...n #, 동일 간격 배열 요소 사이의 간격은 d 입니다 (그림 4). 송신기 캐리어 주파수는 오메가, 파장은 λ, 전파 속도는 V, 신호가 2 # 진원에 도달하는 전파 시간은 τ, 지연 거리는 U, 인접한 배열 요소 사이의 지연은 다음과 같습니다.

그림 4 원격 지상 수신 선형 어레이

석유가스 축적 이론과 탐사 개발 기술: 중국석화석유탐사개발연구원 박사후 학술포럼 논문집 20 1 1. 4

수신 신호가 X(t), 유용한 전자기 신호가 s(t), 소음이 n(t) 인 경우

석유가스 축적 이론과 탐사 개발 기술: 중국석화석유탐사개발연구원 박사후 학술포럼 논문집 20 1 1. 4

그런 다음 관찰 신호의 총 응답은 다음과 같습니다.

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λ0 은 X(t) 의 중심 주파수에 해당하는 파장입니다. 송신기 주파수, 배열 간격, 지연 및 기타 매개변수에 따라 적절한 센서 배열을 배치할 수 있습니다. 신호 분석의 관점에서 볼 때, 우물 아래 정보가 포함된 전자기 신호는 간섭파와 다음과 같은 차이가 있습니다. (1) 반송파 신호의 스펙트럼은 소음의 스펙트럼과 다릅니다. (2) 통계 법칙이 다르다. 따라서 신호 오버레이, 시간-주파수 필터 등의 디지털 신호 처리 기술을 사용하여 소음 간섭을 줄이고 처리 게인과 수신 감도를 향상시킬 수 있습니다. 전자기 MWD 원격 수신 시스템은 수신 데이터의 신호 대 잡음비를 극대화하고 우물 소음의 영향을 줄이기 위해 어레이 설계를 채택하고 있습니다. 실제 구현 과정에서 수신 지점과 상호 위치를 합리적으로 배치하고 선택해야 합니다. 배열 대신 선형 배열을 사용하면 디버깅의 복잡성을 피하고 비용을 절감할 수 있습니다.

전자기파 시추 측정 시스템의 원격 수신 시스템의 경우 원격 수신 시스템은 단일 칩 마이크로 컴퓨터 또는 DSP 시스템을 사용하여 원격 마스터 장치를 구축하고 DSP 의 강력한 신호 처리 기능을 사용하여 수신된 어레이 신호를 처리합니다. 처리 결과를 지그비 프로토콜 모듈을 통해 우물 필드 수신기로 보냅니다. 이 설계는 TMS320LF28 12 및 지그비 프로토콜 모듈이 포함된 칩을 사용하여 원격 소형 수신 장치를 구축하도록 설계되었으며, 우물 필드 수신기에도 동일한 지그비 프로토콜 모듈이 장착되어 있습니다. 이렇게 하면 원격 수신 장치가 원격 센서 어레이에서 수신한 약한 전자기 신호를 우물 필드 수신기로 전송하여 원격 정보 수집, 수신 및 처리 기능을 수행할 수 있습니다. 전자기파 시추 측정 시스템 원격 수신 시스템의 모니터링 소프트웨어 설계에는 DSP 마스터 프로그램, 알고리즘 처리기 및 모니터링 프로그램이 포함됩니다. 여기서 DSP 프로그램과 알고리즘 처리기는 C 언어로, 모니터링은 Labview 로 작성됩니다. 지상 수신기 소프트웨어에는 DSP 프로그램과 지상 감시 프로그램이 포함됩니다. C 언어로 프로그래밍, 주로 신호 및 잡음 데이터 수집, A/D 변환, 디지털 필터링 및 디코딩, RS-232 인터페이스를 통해 데이터 전송 모듈에 연결, 데이터 전송 모듈에서 데이터 전송 여기서는 군말을 하지 않는다.

2 실험 결과 분석

이 시스템은 화북 황소지 가스전 D66- 129 우물에서 현장 실험을 실시했다. 전자기파 시추 측정 시스템 원격 수신 시스템의 주요 작동 매개변수는 다음과 같습니다. 전자기 MWD 원격 수신 시스템 전면 증폭기의 확대율은1~1000000 배, 대역 통과 필터의 밴드 범위는 1 ~ 35hz, 대역폭 조절 가능 우물 아래 송신기 발사 신호의 주파수는 3 ~ 25 Hz (지층 특성에 따라 조정 가능) 입니다. 접지극거리 데릭 500 ~1000m, 8 세트의 전극을 사용합니다. 샘플 8 방향 데이터; 관측 감도는 약-12BV 입니다. 그림 5 는 실시간으로 수집한 우물 필드 소음 파형을 보여줍니다. 샘플링 주파수 fs = 2000 Hz. 그림 5 에서 볼 수 있듯이 전자기 MWD 시스템의 작동 주파수 대역에는 각각 6Hz 와 1 1.6Hz 의 두 가지 스펙트럼이 있으며, 우물 발전기 세트 및 관련 시추 장비의 50Hz 전력 주파수도 우물 소음의 주요 성분입니다. 그러나 잡음 스펙트럼에서 송신기 신호 주파수가 10Hz 인 선 스펙트럼을 찾기가 어렵습니다.

그림 5 D66- 129 우물 소음 파형

8 채널 데이터를 수집한 후 방정식 (6) 과 (7) 을 사용하여 그림 6 에 표시된 노이즈 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. 그림 7 에서 송신기 주파수의 10Hz 선 스펙트럼은 그림 6 보다 약 10dB 높습니다. 우물 작업 장비와 기기의 시작 및 중지는 특히 발전기 세트 및 진흙 펌프와 같은 고전력 전기 장비가 작동하는 경우 기존 EM-MWD 시스템의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

그림 6 D66- 129 우물 소음 스펙트럼

그림 7 어레이 신호 처리 후 관찰 된 잡음 스펙트럼

D66- 129 및 DPS-2 우물 소음에 대한 분석을 통해 턴테이블 또는 상단 드라이브가 닫힐 때 우물 필드 소음이 부드러운 가우스 분포와 비슷하다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 턴테이블 또는 상단 드라이브가 열릴 때 우물 필드 소음은 명백한 비정적 및 가우시안 특성을 가집니다. 이러한 비 정적 비 가우시안 소음은 국내외 EM-MWD 시스템의 지상 디코딩 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 특히 턴테이블이 열리거나 상단 드라이브가 열릴 때 데이터 오류율이 증가하여 데이터 신뢰성이 떨어집니다. 이 글에서 제시한 우물장에서 멀리 떨어진 수신 방법은 수신 신호의 진폭을 어느 정도 낮추었지만, 잡음 폭의 감소가 신호보다 더 두드러진다. 어레이 신호 처리 및 멀티플렉싱 데이터 오버레이를 통해 원격 수신 시스템의 처리 게인을 효과적으로 개선할 수 있습니다. 지그비 원격 수신 장치는 단추 배터리로 전원을 공급하여 야외 장거리 배선의 불편함을 없애고 비용을 크게 절감했다.

3 결론 이론

전자기 MWD 시스템의 전자파 신호가 우물 필드 소음에 취약하다는 문제를 해결하기 위해 지그비 프로토콜을 기반으로 한 원격 약한 저주파 전자파 어레이 수신 처리 방법이 제시되었습니다.

현장 실험에 따르면:

1) 접지 전극이 데릭 100m 에 배치되면 전극이 우물 필드로부터 변위가 증가함에 따라 같은 조건에서 소음의 감쇠 폭이 신호의 감쇠 폭보다 더 뚜렷해집니다.

2) 적절한 센서 배열을 배치할 때 우물 아래 송신기와 우물 위치, 특히 송신기 주파수, 배열 간격, 지연 등의 매개변수를 고려해야 합니다. 실험 결과에 따르면 이 방법은 기존 수신 방법에 비해 처리 게인 약 10dB 를 향상시킬 수 있습니다.

참고

[1] 류수산, 양, 도살옥림. 중국 시추 전자기 측정 기술 연구 진행 [J]. 석유 시추 기술, 2008,30 (5):1~ 5.

유수산, 후, 도살옥림. 시추하는 동안 전자기 측정의 현황과 발전 추세 [J]. 석유 시추 기술, 200634 (5): 4 ~ 9.

[3] McDonald w.j. MWD 용 4 가지 시스템 [J]. 석유 &Gag,1978,76 (14):

[4] 설리에, 루이, 레멧, 미셸. MWD 데이터 전송 현황 및 전망 [C].SPE/IADC 25686,1993:121~/kloc-0

류수산, 높음, 양 등. 전자기 시추 측정 시스템 지상 신호 수신 장치 및 수신 방법 [P]. 중국: 200810101400

소의뇌, 성립민, 이림. 드릴링 중 측정을 위한 전자기 원격 측정 방법 및 시스템. 중국: 2004 1005527. X, 2004 년.

공. 시추하는 동안 전자기파 측정을 위한 지상 신호 수신기. 중국: 20 10209570.0, 20 10.