基于ZigBee的MWD信号远程接收处理系统研究
(中国石化石油工程技术研究院，北京100101)
针对电磁波随钻(MWD)系统易受井场噪声影响的现象，提出了一种基于ZigBee协议的远程微弱低频电磁波阵列接收处理方法，用于MWD系统电磁波信号的远程接收和井下信息的实时测量领域，以提高MWD系统地面接收机的探测性能。实验结果表明，与传统接收方法相比，该方法可提高处理增益约10dB，在随钻测量领域具有良好的应用前景。
电磁波随钻测量；阵列信号；电磁波ZigBee协议
基于ZigBee技术的远程电磁信号接收与处理研究
刘、刘秀山、杨、
(中国石化石油工程研究院，北京100101，中国)
摘要提出了一种基于ZigBee技术的随钻电磁测量系统的远程电磁信号接收和处理算法。所提出的方法通过使用远离井场的电极阵列来测量电磁信号，这可以增强通信接收机从大量周围环境噪声中提取非常微弱的信号的能力。现场实验结果表明，该方法可提高10dB的处理增益，在电磁随钻测量系统中具有良好的应用前景。
关键词随钻电磁测量；阵列信号处理；电磁波；ZigBee协议
电磁随钻测量(EM -MWD)作为解决气体钻井和各种充气钻井中随钻测量问题的主要技术手段，受到国内外石油服务公司的高度重视。但是，由于电磁MWD工作环境的特殊性，低频电磁波在地层介质中的传播不可避免地受到信道介质的影响，特别是在非均匀地层传输信道介质中，电磁波传播的衰减和失真更加严重，导致电磁MWD系统的传输性能迅速退化，传输深度大大降低[1 ~ 4]。因此，在井场噪声和信道噪声的干扰下，低频电磁波信号的接收和处理技术研究一直是电磁MWD系统研究的重点和难点。
目前，电磁MWD系统的地面接收机主要是利用地面电极和井架之间带有井下信息的电磁信号来获取井下信息，电极和井架之间的距离约为100m m..其工作原理是:耦合变压器感应出带有井下信息的微弱电磁信号，然后通过前置放大器和低通滤波器对数据进行处理，最后通过数字信号处理技术对带有井下测量信息的电磁信号进行解码，得到井下信息。专利申请号200810101407发明了一种电磁MWD系统，利用两根天线分别接收井下发送的电磁信号和井场的噪声信号，其地面接收机具有处理井下发送的电磁信号和测量数据信息的功能[5]。专利申请号为200410005527。x，发明了一种随钻测量遥测系统[6]，可以处理介质中的电磁波信号。专利申请号为20102098570.0，发明了一种解决油井测量系统难以拾取微弱电磁信号的方法。这些专利都处理井场电磁干扰环境中的微弱电磁信号。然而，这些方法都不同程度地受到井场电磁噪声的影响，特别是井场各种电气设备产生的电磁噪声，如钻机、柴油机、发电机、泥浆泵、传动链、振动筛等，严重降低了电磁MWD系统地面接收机处理低频电磁信号的性能，大大降低了接收灵敏度。
基金项目:国家重大专项“海洋油气井井筒环境监测技术”(2011ZX05005-006)。
针对随钻电磁波测量系统易受井场噪声影响的现象，提出了一种基于ZigBee协议的远程微弱低频电磁波阵列接收处理方法。该方法以阵列信号处理为核心，利用传感器阵列接收和处理带有井下测量信息的微弱电磁波信号，利用ZigBee协议芯片实现信号的远程传输。该方法能有效降低井场噪声对电磁MWD的影响，提高电磁MWD系统地面接收机的处理增益和灵敏度。
1电磁MWD远程接收系统的设计
1.1电磁MWD遥控接收系统的工作原理和主要功能
电磁MWD远程接收系统由井场接收机和远程接收机组成；远程接收器包括传感器阵列、耦合变压器、前置放大器、带通滤波器、DSP信号处理器和无线收发器。随钻电磁波测量远程无线接收系统如图1所示。
图1随钻电磁波测量远程无线接收系统
随钻电磁波测量远程无线接收系统的工作原理是:定向探头测量井下信息，按照规定的协议将测量信号传输到井下发射机。井下发射机对测量信息进行编码和调制后，发出带有井下测量信息的电磁波，通过钻杆、裸露的井壁和地层传输到地面，安装在地面的遥感器阵列接收电磁信号。接收到的电磁波信号经过滤波、放大、解调、编码和加密，然后通过基于ZigBee技术的无线收发器进行传输。井场接收器接收无线信号，保存和管理接收到的数据，并显示在司钻的显示器上。
远程接收的主要功能有:(1)利用传感器阵列接收远离井场的井下电磁MWD系统发射的信号；(2)对接收到的微弱电磁波信号进行信号处理、降噪、叠加等处理；(3)将处理后的信号打包加密，通过ZigBee协议模块进行传输。
远程无线接收系统与现有电磁波随钻测量系统的不同之处在于增加了(1) ZigBee技术，即使地电极远离井场，也能有效降低井场的噪声干扰；(2)采用阵列接收方式，即采用多通道信息采集技术和阵列信号处理技术对信号进行处理，减少噪声干扰。
1.2传感器阵列设计及阵列信号处理技术
现有的电磁MWD系统使用单通道差分接收来接收井架和接地电极之间的信号。为了有效降低井场噪声的干扰，采用地面电极阵列接收带有井下信息的电磁信号。
假设接收设备的传感器组是具有n个单元的天线阵列，如图2所示。多通道遥控接收装置的信号处理框图如图3所示。
图3远程接收装置信号处理框图
数组元素编号为1 #和2 #...n #，等间距数组元素的间距为d(图4)。发射机载波频率为ω，波长为λ，传播速度为v，信号到达2 #阵元的传播时间为τ，延迟距离为u，则相邻阵元之间的延迟为。
图4远程地面接收线性阵列
油气成藏理论与勘探开发技术:中国石化石油勘探开发研究院博士后学术论坛论文集2011 . 4
假设接收信号为X(t)，有用电磁信号为s(t)，噪声为n(t)，则有
油气成藏理论与勘探开发技术:中国石化石油勘探开发研究院博士后学术论坛论文集2011 . 4
那么观察信号的总响应为
油气成藏理论与勘探开发技术:中国石化石油勘探开发研究院博士后学术论坛论文集2011 . 4
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λ0是X(t)的中心频率对应的波长。根据发射器频率、阵列间距、延迟和其他参数，可以布置合适的传感器阵列。从信号分析的角度来看，接收到的含有井下信息的电磁信号与干扰波有以下区别:(1)载波信号的频谱与噪声的频谱不同；(2)统计规律不同。因此，可以采用信号叠加法、时频滤波法等数字信号处理技术，有效降低噪声干扰，提高处理增益和接收灵敏度。电磁MWD远程接收系统采用阵列设计的目的是最大限度地提高接收数据的信噪比，减少井场噪声的影响。在实际实施过程中，需要合理安排和选择接收点及其相互位置。用线阵代替面阵，避免了调试的复杂性，降低了成本。
对于电磁波随钻测量系统的远程接收系统，远程接收系统采用单片机或DSP系统构建远程主控单元，利用DSP强大的信号处理能力对接收到的阵列信号进行处理，并将处理结果通过ZigBee协议模块发送到井场接收器。本设计选用TMS320LF2812和含有ZigBee协议模块的芯片构建远程小型接收装置，井场接收机也配备相同的ZigBee协议模块。这样，远程接收装置就可以将远程传感器阵列接收到的微弱电磁信号传输到井场接收器，完成远程信息的采集、接收和处理功能。电磁波随钻测量系统远程接收系统的监控软件设计包括DSP主程序、算法处理程序和监控程序。其中DSP程序和算法处理程序用C语言编写，监控程序用Labview编写。地面接收机软件包括DSP程序和地面监控程序。用C语言编程，主要完成信号和噪声数据采集、A/D转换、数字滤波和解码，通过RS-232接口与数据传输模块连接，数据由数据传输模块发送出去。这里就不赘述了。
2实验结果分析
该系统在华北大牛地气田D66-129井进行了现场试验。电磁波随钻测量系统远程接收系统的主要工作参数如下:电磁MWD远程接收系统前置放大器的放大倍数为1 ~ 100000倍，带通滤波器的频带范围为1 ~ 35hz，带宽可调；井下发射机发射信号的频率为3 ~ 25 Hz(根据地层特性可调)；接地极距井架500 ~ 1000米，使用8组电极。采样8路数据；观测灵敏度约为-12BV。图5显示了实时采集的井场噪声波形。采样频率fs = 2000 Hz。从图5可以看出，电磁MWD系统的工作频段有两个线谱，分别是6Hz和11.6Hz，井场发电机组及相关钻井设备的50Hz工频也是井场噪声的主要成分。但是，很难从噪声频谱中找到发射机信号频率为10Hz的线谱。
图5 D66-129井噪声波形
采集8通道数据后，可以使用等式(6)和(7)获得图6所示的噪声频谱。很明显，图7中发射机频率的10Hz线谱比图6中高了约10dB。需要注意的是，井场工作设备和仪器的启动和停止将极大地影响原有EM-MWD系统的工作性能，尤其是在大功率电气设备(如发电机组和泥浆泵)工作时。
图6 D66-129井噪声频谱图
图7阵列信号处理后观察到的噪声频谱
通过对D66-129和DPS-2井场噪声的分析，发现转盘或顶驱关闭时，井场噪声近似为平稳高斯分布。然而，当转盘或顶驱开启时，井场噪声具有明显的非平稳和非高斯特性。这种非平稳、非高斯噪声直接影响国内外EM-MWD系统的地面解码性能，特别是在转台开启或顶驱开启时，数据误码率增加，数据可靠性下降。本文提出的远离井场的接收方法虽然在一定程度上降低了接收信号的幅度，但噪声幅度的降低比信号更明显。通过阵列信号处理和多路数据叠加，可以有效提高远程接收系统的处理增益。ZigBee远程接收装置采用纽扣电池供电，省去了野外长距离布线的不便，大大降低了成本。
3结论理论
针对电磁MWD系统电磁波信号易受井场噪声干扰的问题，提出了一种基于ZigBee协议的远程微弱低频电磁波阵列接收处理方法。
现场试验表明:
1)当接地电极放置在距离井架100m处时，随着电极距离井场位移的增大，在相同工况下，噪声的衰减幅度比信号的衰减幅度更明显。
2)在布设合适的传感器阵列时，需要考虑井下发射器和井眼位置，尤其是发射器频率、阵元间距、延迟等参数。实验结果表明，与传统接收方法相比，该方法可提高处理增益约10dB。
参考
[1]刘秀山，杨，屠玉林。中国随钻电磁测量技术研究进展[J].石油钻采技术，2008，30 (5): 1 ~ 5。
刘秀山，侯，屠玉林。随钻电磁测量的现状及发展趋势[J].石油钻井技术，200634 (5): 4 ~ 9。
[3]McDonald W . J .用于MWD的四种不同系统[J].石油&Gag，1978，76(14):115 ~ 124。
[4]苏利埃，路易，勒迈特，米歇尔。MWD数据传输现状与展望[C].SPE/IADC 25686，1993:121 ~ 128。
刘秀山，高，杨，等.电磁随钻测量系统地面信号接收装置及其接收方法[P].中国:200810101407，2008年。
苏义脑，盛立民，李林。用于随钻测量的电磁遥测方法和系统。中国:20041005527。x，2004年。
龚。用于随钻电磁波测量的地面信号接收器。中国:2010209570.0，2010。