基于ANSYS的电磁随钻测量信号中继传输特性分析

邵 春，陈明华，徐 林，2，龙小平，胡 闯

1中国地质大学(武汉)资源学院 2中石化石油机械股份有限公司

0 引言

随钻测量技术可以将井下的工具面角、井斜角、方位角等参数实时地传输至地面，从而辅助地面对井眼轨迹精确控制[1-4]。电磁随钻测量仪(EM-MWD)采用低频电磁波作为信号载体传输井下测量信息。相较于钻井液脉冲随钻测量，EM-MWD具有适用于气体(包括空气、泡沫、充气、雾化)钻井[4-6]和漏失地层钻井[7]、易实现双向通信[8]等优势，因此EM-MWD在油气钻井领域逐渐受到重视。但是，EM-MWD信号在地层中传输会逐渐衰减，导致其测量深度受到限制。在我国临盘、胜利等地层电阻率低于4 Ω·m的低阻地层区块，EM-MWD有效传输深度仅为1 600 m[9]。因此，提高EM-MWD信号传输深度，使其在低阻地区的深部钻井中得以应用，能够将EM-MWD推广至油气深部钻井。

中继器是一种提高EM-MWD信号传输深度的重要装置[10]，通过在上部钻杆加装中继器的方式，对电磁信号进行中继转发，可以大大增加EM-MWD的传输深度。为此，应用ANSYS有限元软件建立EM-MWD信号中继传输的二维轴对称模型，分析信号中继传输特性，为中继器合理现场应用提供指导。

1 EM-MWD信号中继传输工作原理

EM-MWD信号中继传输分为一级收发和中继转发两个过程，其工作原理如图1。其中，一级收发通过仪器本体内置的测量模块实时测量钻头附近的工具面角、井斜角和方位角等参数，并使用发射模块将各参数转换为交变电压信号，进而加载到绝缘短节两端的钻杆上向上发射。位于钻杆中部的中继器采集中继绝缘短节两端钻杆之间的电势差，并对其放大、滤波、A/D转化、解码等处理以获得井下测量信息。

图1 EM-MWD信号中继传输工作原理

中继转发对获得的井下测量信息进行编码、波形合成、功率放大等处理[9-12]，再次以交变电压的形式加载到中继绝缘短节两端的钻杆上，进而将井下信息传输至地面。在地面距离井口一定距离位置埋设一根电极，地面信号处理系统通过连接电极和井架接收中继信号，并对其进行放大、滤波、A/D转化、解码等处理以获得井下测量信息。

2 建模与求解

2.1 建立几何模型

为便于建立几何模型，作出如下合理假设[3，13]：①井眼轨迹为直井，且井身各处横截面为相等圆形，井眼轴线与套管轴线重合；②钻柱为一根等径钻杆，忽略钻头、钻铤、钻杆接头等；③设置一层套管，且套管与地层紧密贴合；④地层为均质地层，忽略地层非均质性。考虑到单口直井与附近地层具有轴对称性，将模型简化为二维轴对称模型，如图2所示。

图2 二维轴对称的ANSYS模型示意图

设置模型基本参数如下：模型深度D=3 200 m，其中未钻地层深度D2=200 m，模型宽度W=1 000 m；下部钻杆长度Lbd=10 m，中部钻杆长度Lmd=1 489.5 m，上部钻杆长度Lad=1 499.5 m，绝缘短节长度Inl=0.5 m，钻杆壁厚Td=0.009 19 m，套管下入深度Ddp=1 499.5m，套管壁厚Dt=0.008 94 m；钻杆直径Dd=0.127 m，井眼直径Dw=0.244 5 m；网格加密区宽度We=50 m。

2.2 确定单元属性

按照2.1节中的假设，设置网格单元类型为PLANE 230。定义材料属性如下：钻杆电阻率为1×10-7Ω·m ，绝缘短节电阻率为1×107Ω·m，地层电阻率4 Ω·m，钻井液电阻率为1 Ω·m，套管电阻率为1×10-7Ω·m。

2.3 网格划分与载荷加载

为保证精度的同时，提高计算效率，采用恒定网格和渐变网格相结合逐级划分的方式[14]，具体划分方式如下：

(1)将整个模型在横向上分为三个区域：由钻杆、套管以及钻井液构成一区，网格加密区为二区，网格非加密区为三区。

(2)一区在横向上按照恒定长度进行分段，采用恒定四边形网格划分。

(3)二区使用渐变网格，由一区边界向三区边界方向，网格由密到疏过渡，采用三角形网格。

(4)三区同样使用渐变网格，三区网格与二区的相比进一步稀疏，并且越靠近地层边界网格越稀疏，同样采用三角形网格。

求解前，需要完成载荷加载。对于一级收发和中继转发，分别在下部绝缘短节和中继绝缘短节两端加载6 V电压，即设置绝缘短节上端边界条件为6 V，绝缘短节下端边界条件为0 V。加载完成后，即可进行计算、仿真结果分析。

3 仿真结果分析

仿真结果中，一级收发和中继转发信号强度分别由中继绝缘短节两端和井口与电极间电势差表示。

3.1 钻杆上电流分布特征

钻杆上的电流分布如图3所示。一级收发时，电流在下部绝缘短节处出现最大值，向上延伸，电流逐渐减小，在中继绝缘处出现极小值；继续向上延伸，电流先逐渐增大后减小如图3(a)所示。中继转发时，电流在中继绝缘短节处出现最大值，向钻杆顶部和底部延伸，电流逐渐减小，在下部绝缘短节处出现极小值；继续向下延伸，电流先逐渐增大后减小，如图3(b)所示。

图3 钻杆上的电流分布

3.2 套管对中继信号传输的影响

设定钻杆长度不变，固定绝缘短节位置，设定不同套管电阻率，分析逐渐下入套管过程中的信号强度变化如图4所示。

由图4(a)可知，一级收发时，当套管位于中继绝缘短节上部，信号强度随套管下入深度增加而缓慢增大，套管电阻率越大，信号强度越小；当中继绝缘短节进入套管后，信号强度迅速减小，且随套管继续下入，信号强度先略微减小后缓慢增大，套管电阻率越大，信号强度越大。

由图4(b)可知，中继转发时，信号强度变化规律与图4(a)相似。但当套管位于中继转发绝缘短节上部时，信号强度随套管下入增大较图4(a)快，且不同套管电阻率曲线之间信号强度差别较大；当中继绝缘短节进入套管后，不同套管电阻率曲线之间的信号强度差别较图4(a)小。

究其原因，套管对中继信号起到两种作用：屏蔽和引导。当中继绝缘短节位于套管外部时，引导作用起主导，套管下入深度越大，电阻率越小，引导作用越强，信号强度越大；当中继绝缘短节进入套管后，套管对信号的屏蔽作用占主导，导致信号强度突然减小，但套管下入一定深度后，屏蔽作用不再增加，信号强度随引导作用的增加而缓慢增加，且套管电阻率越小，屏蔽作用越强，信号强度越小；当中继短节位于套管外时，由于一级收发的激励源相比中继转发的激励源离套管较远，因此，套管的引导作用对一级收发的信号强度影响较弱，导致一级收发不同套管电阻率曲线之间信号强度差距比较小；当中继绝缘短节进入套管后，由于中继转发引导作用的增强，抵消了部分套管屏蔽作用对信号的减弱，且电阻率越小抵消得越多，使得不同电阻率曲线之间的信号强度差距减小。

图4 套管下入深度以及电阻率对中继信号传输影响

3.3 钻杆长度及电阻率对中继信号传输的影响

设定套管电阻率不变，固定套管深度，设定不同钻杆电阻率，分析随钻杆深度增加信号强度变化如图5所示。

由图5(a)所示，一级收发时，随中部钻杆长度的增加，钻杆电阻率的增大，中继器接收到的信号强度减小，且不同电阻率曲线的信号强度差距随钻杆长度的增加而减小。

由图5(b)所示，中继转发时，随上部钻杆长度的增加，钻杆电阻率的增大，地面接收到的信号强度减小，且不同电阻率曲线的信号强度差距随钻杆长度的增加而增大。

究其原因，当钻杆电阻率一定时，随钻杆长度的增加，钻杆对电流的衰减增大，信号强度减小；当钻杆长度一定时，随钻杆电阻率的增加，钻杆对电流的衰减加快，信号强度减小。

图5 钻杆长度及电导率对中继信号的影响

4 结论

(1)越靠近钻柱电势变化越快。电流在激励源处出现最大值，并整体向钻柱两端递减，但在绝缘短节处出现极小值。

(2)套管对中继信号起到屏蔽和引导两种作用。当中继绝缘短节位于套管外部时，引导作用起主导，套管下入深度越大，电阻率越小，引导作用越强，信号强度越大；当中继绝缘短节进入套管后，套管对信号的屏蔽作用占主导，导致信号强度突然减小，但套管下入一定深度后，屏蔽作用不再增加，信号强度随引导作用的增加而缓慢增加，且套管电阻率越小，屏蔽作用越强，信号强度越小。

(3)随中部钻杆长度的增加及电阻率减小，中继器接收到的信号强度减小；随上部钻杆长度增加及电阻率减小，地面接收到的信号强度减小。