无线随钻测量(measurement while drilling，MWD)按传输通道的不同可分为钻井液脉冲、电磁波和声波等方式^[1]，其中钻井液脉冲传输方法不适用于气体钻井^[2-3]。目前，气体钻井中普遍使用电磁随钻测量(electromagnetic measurement while drilling，EM-MWD)技术^[4-6]，但该技术存在许多限制，信号传输时受复杂地层影响大、衰减快及抗噪声能力差，导致信号传输频率和测量深度受限^[7-9]。

微波随钻测量(microwave measurement while drilling，MMWD)技术是在现有随钻测量技术的基础上，在近钻头安装随钻测量短节采集数据、利用钻杆作为微波波导将井下测量数据传输到井口并进行处理的一种新方法，以实现井下地层特性参数和钻井参数的测量。王苏虹等人^[10-11]研究认为，频率2.4 GHz的微波更适用于在钻杆中传输；刘清友等人^[12]在气体钻井过程中利用微波随钻监测的方法实现了对返出气体湿度的在线连续监测；徐小祥等人^[13]对扭矩传感器进行了校正，提高了MMWD的测量精度；张从邦等人^[14]将微波无线中继应用于气体钻井井眼轨迹控制中，大幅降低了井眼轨迹监测的误差。但目前还没有研制出应用于井下的MMWD随钻测量装置。笔者在前人研究成果的基础上，验证了频率2.4 GHz微波在钻杆中传输的可行性，分析了可在钻杆中传播的波形，利用设计的MMWD样机及配套软件开展了现场试验。试验结果表明，MMWD技术采用多级中继接力在钻杆内部空间中传输，能够有效避免地层因素的影响，提高传输效率，增大测量深度。

1 MMWD随钻测量技术研究与设计 1.1 钻杆内高频波传输特性研究

为了验证频率2.4 GHz微波在井下环境中传输的可行性，在四川X井进行了井下信号传输试验。试验结果显示，样机在下井过程中有信号返回，当下至井深1 350.00 m时图像信号变差，下至井深1 400.00 m处接收不到信号，样机上提至井深1 350.00 m时图形信号恢复良好，说明在井下可以利用频率2.4 GHz微波传输信号。

微波功率的衰减主要来源于波导内壁的表面电流和波导内部的传输介质。由于气体钻井中气体对微波功率衰减的贡献可忽略不计，将钻杆看作理想圆波导，则微波的传输主要使用波导技术，产生微波功率衰减的主要因素就是波导内壁表面的电流。

由波导理论可知，波导内只能存在横磁波(TM波)或横电波(TE波)。对于TM波，其衰减系数为：

(1)

式中：n，m为整数，每一对n，m值对应波导中的一个波形；α_TM为TM_nm波形的衰减系数，Np/m；a为波导半径，m；R_S为波导表面电阻，Ω；Z₀为自由空间波阻抗，g/cm³·(m/s)；λ为波长，m；λ_nm为TM_nm波形或TE_nm波形的截止波长，m。

由于理想导体的电导率趋近于无穷大，因而R_S=0，所以对于理想导体来说，衰减系数α=0。由于钻杆不是理想导体，所以微波在钻杆内传输一定会有衰减。截止波长与波导截面的形状有关，TM波的截止波长满足：

(2)

式中：ρ_nm表示第一类n阶贝塞尔函数J_n(k_ca)的第m个根。

对于TE波，其衰减系数为：

(3)

式中：α_TE为TE_nm波形的衰减系数，Np/m；ρ′_nm为第一类n阶贝塞尔函数导数J′_n(k_ca)的第m个根。

TE波的截止波长满足：

(4)

由式(2)和式(4)知，的值分别由第一类贝塞尔函数的零点ρ_nm或第一类贝塞尔函数导数的零点ρ′_nm决定，而ρ_nm和ρ′_nm的值可以查表获得，所以各波形的截止波长只与圆波导半径有关，表 1、表 2分别给出了若干个TM波和TE波的值。

若频率2.4 GHz的微波在钻杆中传播，对应的波长λ=125 mm，所采用钢质钻杆的内径d=107.0 mm，则微波波长与套管内径的比值为1.168 2，其为截止波长对应的门限值。根据截止波长的定义，表 1、表 2中所有值大于1.168 2的波形，其理论截止波长λ_nm均超过该门限值，实际波长均小于截止波长，都可以在钻杆中传播。对照表 1、表 2有8个数据满足要求，由文献[15]可知，钻杆中可以传播8个波形，包括3个TM波形(TM₀₁，TM₁₁和TM₂₁)和5个TE波形(TE₀₁，TE₁₁，TE₂₁，TE₃₁和TE₁₂)，其中TE₁₁的截止波长最长。

钢制套管的电导率σ=5×10⁶ Ω·m，磁导率μ≈μ₀，频率f=2.4 GHz，将其代入式(1)或式(3)，计算可得这8种波形的衰减系数，可知8种波形的衰减系数差别很大，其中TE₁₁波形的衰减系数最小，为6.15×10^-4 Np/m，TE₁₂的衰减系数最大，为8.40×10^-3 Np/m。如果选择合适内径的钻杆，限制衰减系数大的波形的形成，则能显著提高微波传输的距离和效率。

1.2 MMWD技术设计方案

气体钻井过程中由于信号衰减，单级微波的传输距离是受限的，可以通过多级无线中继接力传输技术延长微波信号的传输距离。位于钻头处的信号发射模块将实时采集的参数通过钻杆中多个中继短节构成的链式中继网络不断向上接力传输，最终传输至井口信号接收器，再利用井口信号接收器将微波信号从钻具内部传送到外部自由空间，由地面中继器接收后传至终端接收器，从而实现井下测量信息的上传。该方案中微波信号中继传输采用透明式传输方式，即中继不进行信号纠错等处理，直接转发接收信号，中继部分电路不需要有信号处理功能，因此能降低功耗并减小其体积(见图 1)。

1.3 MMWD仪器结构与功能特点

MMWD随钻信号传输短节有2种结构，分别适用于API钻杆和双台阶钻杆。姿态模块中加装了井下参数采集模块，其主要功能是采集井下井斜角、温度等相关信息，经过一系列调制操作，以微波信号的形式向地面传输，如图 2和图 3所示。

测量与信号传输系统采用ZigBee无线网络技术，具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活和性能稳定可靠等优点。ZigBee模块包括中心协调器、路由器及终端节点。中心协调器具有网络发起组织、维护和管理功能；路由器负责数据的路由中继转发；终端节点只进行该节点数据的发送和接收。经室内测试，ZigBee模块的数据传输速率能达到128 kb/s。

终端接收器负责数据的采集与处理，主要利用MMWD配套处理软件实现井下测量参数的监控。软件根据功能分为2部分，即数据监控部分和数据处理部分，数据监控部分以实时数据为核心，主要实现实时曲线绘制、实时数据显示和报警等功能，达到分析井下情况与微波通讯状况的目的；数据处理部分以历史数据为核心，主要实现文件格式转换、文件分类存储、历史曲线显示和历史数据显示等功能，能将数据监控部分记录存储的二进制数据文件转换为可直接调用的文本格式文件，依据模块的不同地址将文件分类存储，并能将每个分类存储的数据文件绘制成历史数据曲线，同时具备数据显示功能，便于对测量数据和微波通讯系统运行情况进行详细分析。

2 现场试验

研发的MMWD样机在元坝气田元陆x井进行了现场试验。该井设计井深4 930.00 m，二开采用气体钻井技术从井深702.00 m钻至井深3 402.00 m。MMWD样机在该井气体钻井井段进行了试验。样机第一趟钻井下工作时间120.0 h，进尺1 270.43 m，纯钻时间76.3 h；第二趟钻工作时间58.0 h，进尺345.67 m，纯钻时间36.6 h；第三趟钻工作时间56.0 h，进尺256.12 m，纯钻时间28.2 h，3趟钻均基本实现了井底测量数据的传输。

第一趟钻, 开钻注气后井下测量短节处温度骤降，然后随着井深增大逐渐上升；第二趟钻, 开钻后由于使用牙轮钻头钻进，钻具振动加剧，致使设备工作不稳定，信号干扰严重，因此下钻过程中能够接收到连续稳定的数据，开钻后数据间断直至信号微弱；第三趟钻，下钻到底后井下测量短节距离地面2 753.44 m，能够正常接收数据，测得井底最高温度为51 ℃，设备仍可正常工作，地面接收到的数据格式正确，无乱码现象。

3趟钻井下测量短节上传的温度数据如图 4所示，随钻测量井斜角与测井井斜角对比情况如图 5所示。由图 4、图 5可知，3趟钻测得的温度基本符合地层温度分布规律，测传井斜角曲线与测井井斜角曲线吻合度也较高。

现场试验结果在一定程度上验证了MMWD样机在气体钻井过程中测传数据的可靠性和准确性。在试验过程中，微波传输信号最大测传井深达到3 010.00 m，单次入井无故障工作时长达120.0 h，3趟钻总工作时间234.0 h，且样机仍能正常工作，井下数据测量、存储和上传均正常，地面数据解码处理无误。同时，在试验中发现采用高强度钛合金通讯天线可以提高天线的抗冲蚀能力；钻具在入井前做好清洁除锈工作，可以延长信号中继短节的有效通讯距离和提高信号传输的稳定性。

3 结论

1) 钻杆中可以传播8个波形，包括3个TM波形(TM₀₁，TM₁₁和TM₂₁)和5个TE波形(TE₀₁，TE₁₁，TE₂₁，TE₃₁和TE₁₂)，其衰减系数存在较大差异。

2) 现场试验结果表明，MMWD样机在气体钻井过程中能够稳定工作，测传深度达到3 000.00 m以上，测得的地层温度及井斜角也基本符合实际情况。

3) 室内测试时MMWD样机中安装的ZigBee模块的数据传输速率能达到128 kb/s，建议在现场开展MMWD样机数据传输速率试验。