Investigación sobre sistema de recepción y procesamiento remoto de señales MWD basado en ZigBee

(Instituto de Investigación de Tecnología de Ingeniería Petrolera de Sinopec, Beijing 100101)

Apuntando al fenómeno de que el sistema de ondas electromagnéticas durante la perforación (MWD) es susceptible a la influencia de Ruido del sitio del pozo, se propuso un método. El método remoto de recepción y procesamiento de ondas electromagnéticas débiles de baja frecuencia basado en el protocolo ZigBee se utiliza en el campo de la recepción remota de señales de ondas electromagnéticas del sistema MWD y la medición en tiempo real de información subterránea. para mejorar el rendimiento de detección del receptor terrestre del sistema MWD. Los resultados experimentales muestran que, en comparación con el método de recepción tradicional, este método puede aumentar la ganancia de procesamiento en aproximadamente 10 dB y tiene buenas perspectivas de aplicación en el campo de la medición durante la perforación.

Medición de ondas electromagnéticas durante la perforación; señal de matriz; protocolo ZigBee de ondas electromagnéticas

Investigación sobre recepción y procesamiento remoto de señales electromagnéticas basada en la tecnología ZigBee

Liu, Liu Xiushan , Yang,

(Instituto de Investigación de Ingeniería Petrolera Sinopec, Beijing 100101, China)

Resumen Un algoritmo remoto de recepción y procesamiento de señales electromagnéticas para una medición electromagnética durante un sistema de perforación basado en la tecnología ZigBee. propuesto. El método propuesto mide señales electromagnéticas mediante el uso de conjuntos de electrodos ubicados lejos del sitio del pozo, lo que puede mejorar la capacidad del receptor de comunicaciones para extraer señales muy débiles de grandes cantidades de ruido ambiental. Los resultados experimentales de campo muestran que este método puede aumentar la ganancia de procesamiento en 10 dB y tiene buenas perspectivas de aplicación en la medición electromagnética durante los sistemas de perforación.

Palabras clave medición electromagnética durante la perforación; procesamiento de señales de matriz; protocolo ZigBee

La medición electromagnética durante la perforación (EM-MWD) se utiliza para resolver el problema de la perforación durante la perforación en gas. Perforación y diversas perforaciones inflables. Los principales medios técnicos para medir los problemas han recibido gran atención por parte de las empresas de servicios petroleros nacionales y extranjeros. Sin embargo, debido a la particularidad del entorno de trabajo del MWD electromagnético, la propagación de ondas electromagnéticas de baja frecuencia en los medios de formación se ve inevitablemente afectada por el medio del canal, especialmente en los medios de canales de transmisión de formación no uniforme, la atenuación y distorsión de la propagación de ondas electromagnéticas. son más graves, lo que resulta en electromagnética. El rendimiento de transmisión del sistema MWD se degrada rápidamente y la profundidad de transmisión se reduce 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 MWD electromagnético.

En la actualidad, el receptor de tierra del sistema electromagnético MWD utiliza principalmente la señal electromagnética con información subterránea entre el electrodo de tierra y la torre de perforación para obtener información subterránea. La distancia entre el electrodo y la torre de perforación es de aproximadamente 100 mm. Su principio de funcionamiento es: el transformador de acoplamiento induce una señal electromagnética débil con información subterránea, luego procesa los datos a través de un preamplificador y un filtro de paso bajo y finalmente utiliza tecnología de procesamiento de señales digitales para decodificar la señal electromagnética con información de medición subterránea. obtener información subterránea. La solicitud de patente número 200810101407 inventó un sistema MWD electromagnético que utiliza dos antenas para recibir señales electromagnéticas enviadas bajo tierra y señales de ruido en el sitio del pozo. Su receptor terrestre tiene la función de procesar señales electromagnéticas enviadas bajo tierra e información de datos de medición [5]. El número de solicitud de patente es 200410005527. x, inventó un sistema de telemetría de medición durante la perforación [6] que puede procesar señales de ondas electromagnéticas en el medio. El número de solicitud de patente es 20102098570.0, que inventó un método para resolver el problema de la dificultad para captar señales electromagnéticas débiles en los sistemas de medición de pozos petroleros. Estas patentes tratan de señales electromagnéticas débiles en entornos de interferencia electromagnética en el sitio de un pozo. Sin embargo, estos métodos se ven afectados en diversos grados por el ruido electromagnético en el sitio del pozo, especialmente el ruido electromagnético generado por diversos equipos eléctricos en el sitio del pozo, como plataformas de perforación, motores diesel, generadores, bombas de lodo, cadenas de transmisión, cribas vibratorias. , etc., que reducen seriamente El rendimiento del receptor de tierra del sistema electromagnético MWD en el procesamiento de señales electromagnéticas de baja frecuencia reduce en gran medida la sensibilidad de recepción.

Proyecto del Fondo: Gran Proyecto Nacional "Tecnología de Monitoreo Ambiental de Pozos de Petróleo y Gas Oceánicos" (2011ZX05005-006).

Con el objetivo de abordar el fenómeno de que el sistema de medición de ondas electromagnéticas durante la perforación es susceptible a la influencia del ruido del sitio del pozo, se propone un método remoto de recepción y procesamiento de ondas electromagnéticas débiles de baja frecuencia basado en el protocolo ZigBee. Este método toma el procesamiento de señales de matriz como núcleo, utiliza la matriz de sensores para recibir y procesar señales de ondas electromagnéticas débiles con información de medición subterránea y utiliza el chip de protocolo ZigBee para realizar la transmisión remota de señales. Este método puede reducir efectivamente el impacto del ruido del sitio del pozo en el MWD electromagnético y mejorar la ganancia de procesamiento y la sensibilidad del receptor de tierra del sistema MWD electromagnético.

1 Diseño del sistema de recepción remota electromagnética MWD

1.1 Principio de funcionamiento y funciones principales del sistema de recepción remota electromagnética MWD

El sistema de recepción remota electromagnética MWD consta de un pozo receptor de sitio Está compuesto por 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 inalámbrica remota para la medición de ondas electromagnéticas durante la perforación se muestra en la Figura 1.

Figura 1 Sistema receptor inalámbrico remoto para medición de ondas electromagnéticas durante la perforación

El principio de funcionamiento del sistema receptor inalámbrico remoto para medición de ondas electromagnéticas durante la perforación es: la sonda direccional mide la información del fondo del pozo, y la señal de medición se transmite de acuerdo con el protocolo prescrito a un transmisor de fondo de pozo. Después de que el transmisor de fondo de pozo codifica y modula la información de medición, emite ondas electromagnéticas con información de medición de fondo de pozo, que se transmiten a la superficie a través de la tubería de perforación, las paredes expuestas del pozo y las formaciones. El conjunto de sensores remotos instalados en el suelo recibe las señales electromagnéticas.

La señal de onda electromagnética recibida se filtra, amplifica, demodula, codifica y cifra, y luego se transmite a través de un transceptor inalámbrico basado en tecnología ZigBee. El receptor del pozo recibe la señal inalámbrica, guarda y administra los datos recibidos y los muestra en el monitor del perforador.

Las funciones principales de la recepción remota son: (1) utilizar el conjunto de sensores para recibir señales emitidas por el sistema MWD electromagnético subterráneo lejos del sitio del pozo; (2) realizar procesamiento de señales, reducción de ruido y; Superposición y otros procesamientos; (3) empaquetar y cifrar las señales procesadas y transmitirlas a través del módulo de protocolo ZigBee.

La diferencia entre el sistema de recepción inalámbrica remota y el sistema de medición de ondas electromagnéticas existente durante la perforación es la adición de (1) tecnología ZigBee, que puede reducir eficazmente la interferencia de ruido en el sitio del pozo incluso si el electrodo de tierra está lejos del sitio del pozo (2) Adoptar un método de recepción de matriz, es decir, utilizar tecnología de recopilación de información multicanal y tecnología de procesamiento de señales de matriz para procesar señales y reducir la interferencia de ruido.

1.2 Diseño de conjunto de sensores y tecnología de procesamiento de señales de conjunto

Los sistemas MWD electromagnéticos existentes utilizan recepción diferencial de un solo canal para recibir señales 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 con información subterránea.

Supongamos que el grupo de sensores del dispositivo receptor es un conjunto de antenas con n unidades, como se muestra en la Figura 2. El diagrama de bloques de procesamiento de señales del dispositivo receptor de control remoto 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 # y 2 #...n #, y el espaciado de los elementos de la matriz igualmente espaciados es d (Figura 4). La frecuencia portadora del transmisor es ω, la longitud de onda es λ, la velocidad de propagación es v, el tiempo de propagación de la señal que llega al elemento n.º 2 del conjunto es τ y la distancia de retardo es u, entonces el retardo entre elementos del conjunto adyacentes es.

Figura 4 Conjunto lineal de recepción terrestre remota

Teoría de la acumulación de petróleo y gas y tecnología de exploración y desarrollo: Actas del Foro Académico Postdoctoral del Instituto de Investigación de Exploración y Desarrollo de Petróleo de Sinopec 2011. 4

Supongamos que la señal recibida es Actas del Foro Académico Postdoctoral del Instituto 2011. 4

Entonces la respuesta total de la señal de observación es

Teoría de la acumulación de petróleo y gas y tecnología de exploración y desarrollo: Actas del Foro Académico Postdoctoral del Instituto de Investigación de Exploración y Desarrollo de Petróleo de Sinopec 2011. 4

Teoría de la formación de yacimientos de petróleo y gas y tecnología de exploración y desarrollo: Actas del Foro Académico Postdoctoral de Exploración y Desarrollo de Petróleo de Sinopec Development Research Institute 2011. 4

λ0 es X(t) La longitud de onda correspondiente a la frecuencia central. Dependiendo de la frecuencia del transmisor, el espaciado del conjunto, el retardo y otros parámetros, se puede implementar un conjunto de sensores adecuado. Desde la perspectiva del análisis de la señal, la señal electromagnética recibida que contiene información subterránea tiene las siguientes diferencias con respecto a la onda 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 tecnologías de procesamiento de señales digitales, como el método de superposición de señales y el método de filtrado de tiempo-frecuencia, para reducir eficazmente la interferencia de ruido y mejorar la ganancia de procesamiento y la sensibilidad de recepción. El sistema de recepción remota electromagnética MWD utiliza un diseño de matriz para maximizar la relación señal-ruido de los datos recibidos y reducir el impacto del ruido del sitio del pozo. En el proceso de implementación real, es necesario organizar y seleccionar razonablemente los puntos receptores y sus posiciones mutuas. El uso de una matriz lineal en lugar de una matriz 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 el DSP para procesar las señales del conjunto recibidas, y los resultados del procesamiento se envían al receptor del sitio del pozo a través del módulo de protocolo ZigBee. Este diseño utiliza TMS320LF2812 y un chip que contiene un módulo de protocolo ZigBee para construir un pequeño dispositivo receptor remoto. El receptor del pozo también está equipado 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. Programado en lenguaje C, completa principalmente la recopilación de datos de señal y ruido, la conversión A/D, el filtrado digital y la decodificación. Está conectado al módulo de transmisión de datos a través de la interfaz RS-232 y los datos son enviados por el módulo de transmisión de datos. . No entraré en detalles aquí.

2 Análisis de resultados experimentales

El sistema se probó in situ 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: el factor de amplificación del preamplificador del sistema de recepción remota electromagnética MWD es de 1 ~ 100000 veces, el filtro de paso de banda tiene un rango de frecuencia de 1 ~ 35 Hz, y el ancho de banda es ajustable; el transmisor de fondo de pozo. La frecuencia de la señal transmitida es de 3 ~ 25 Hz (ajustable según las características de la formación). se utilizan. La sensibilidad de observación del muestreo de 8 canales de datos es de aproximadamente -12 BV.

La Figura 5 muestra la forma de onda de ruido del sitio del pozo recopilada en tiempo real. Frecuencia de muestreo fs = 2000 Hz. Como se puede ver en la Figura 5, la banda de frecuencia operativa del sistema electromagnético MWD tiene dos espectros de líneas, que son 6 Hz y 11,6 Hz. La frecuencia de alimentación de 50 Hz del grupo electrógeno del pozo y el equipo de perforación relacionado también es el componente principal del pozo. ruido. Sin embargo, es difícil encontrar el espectro lineal de la frecuencia de la señal del transmisor de 10 Hz a partir del espectro de ruido.

Figura 5 Forma de onda de ruido del pozo D66-129

Después de recopilar datos de 8 canales, el espectro de ruido que se muestra en la Figura 6 se puede obtener usando las ecuaciones (6) y (7). Es obvio 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 de la Figura 6. Cabe señalar que el arranque y la parada de los equipos e instrumentos de trabajo del pozo afectarán en gran medida el rendimiento del sistema EM-MWD original, especialmente cuando están funcionando equipos eléctricos de alta potencia (como grupos electrógenos y bombas de lodo).

Figura 6 Diagrama del espectro de ruido del pozo D66-129

Figura 7 Espectro de ruido observado después del procesamiento de la señal del arreglo

Al comparar el análisis D66-129 y DPS-2 de ruido del sitio del pozo encontraron que cuando la plataforma giratoria o el mando superior están cerrados, el ruido del sitio del pozo se aproxima a una distribución gaussiana estacionaria. Sin embargo, cuando se enciende la plataforma giratoria o el top drive, 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 en tierra de los sistemas EM-MWD en el país y en el extranjero, 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 disminuye. 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 pilas de botón, lo que elimina los inconvenientes del cableado de larga distancia en el campo y reduce en gran medida los costos.

3 Teoría de la conclusión

Con el objetivo de abordar el problema de que las señales de ondas electromagnéticas del sistema MWD son fácilmente interferidas por el ruido del sitio del pozo, se utilizó un método remoto de recepción y procesamiento de ondas electromagnéticas débiles y de baja frecuencia basado en Se propone el protocolo ZigBee.

Las pruebas de campo muestran que:

1) Cuando el electrodo de puesta a tierra se coloca a 100 m de distancia de la torre de perforación, a medida que aumenta el desplazamiento del electrodo desde el sitio del pozo, bajo las mismas condiciones de trabajo, el nivel de ruido disminuye. La amplitud de atenuación es más obvia que la amplitud de atenuación 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 del transmisor, el espaciado de los elementos del conjunto y el retraso. Los resultados experimentales muestran que, en comparación con los métodos de recepción tradicionales, este método puede aumentar la ganancia de procesamiento en aproximadamente 10 dB.

Referencia

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