井下無線電磁波短距離傳輸技術(shù)發(fā)展及研究

田新　張?jiān)啤《斡严椤O岐峰

摘 要：在井下數(shù)據(jù)傳輸中，如何便捷并且高效的傳輸數(shù)據(jù)一直是研究熱點(diǎn)方向，該文闡述了目前應(yīng)用比較成熟的各種井下無線電磁波傳輸方式方案及其原理，分析了各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。探討了電磁波在井下傳輸過程中引起信號(hào)衰減和干擾的因素。

關(guān)鍵詞：井下數(shù)據(jù)傳輸 電磁波 短距離數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（c）-0014-02

隨著油氣田開發(fā)的深入，地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)成為解決如薄油藏、斷塊油藏等難動(dòng)用儲(chǔ)量開發(fā)的重要手段。在地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)中，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地將井下地層信息傳輸?shù)降孛媸顷P(guān)鍵技術(shù)之一。目前廣泛應(yīng)用的方式為泥漿脈沖傳輸和電磁波傳輸，相比之下電磁波傳輸速率更高，其中智能鉆桿技術(shù)和井下近鉆頭數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是比較熱門的電磁波傳輸研究方向。筆者所研究的正是井下電磁波短距離傳輸技術(shù)。

1 井下無線電磁傳輸方式

目前井下電磁波傳輸方式可以分為電磁遙測和電磁短傳兩種方式，電磁遙測方式是利用鉆桿或者直接通過地層實(shí)現(xiàn)信號(hào)從井下到地面的無線傳輸；電磁短傳方式則是一種將無線傳輸方式和有線傳輸方式結(jié)合起來的井下傳輸方式，在需要跨越的地方，譬如鉆桿與鉆桿連接螺紋部分，采用電磁感應(yīng)耦合傳輸方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，

1.1 電磁遙測方式

電磁波在媒質(zhì)中傳播除了與自身頻率和媒質(zhì)特性有關(guān)，還與天線設(shè)計(jì)形式有很大的關(guān)系。發(fā)射天線和接收天線是整個(gè)傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。激勵(lì)電磁波的方式有水平電激勵(lì)、垂直電激勵(lì)、水平磁激勵(lì)、垂直磁激勵(lì)四種[1]。根據(jù)井下情況，比較合適的激勵(lì)方式只有垂直電激勵(lì)和垂直磁激勵(lì)兩種方式，可以將天線劃分為磁天線和電天線兩種。

磁天線方式是通過地層傳輸信號(hào)的方法，其實(shí)現(xiàn)方式為在井下管柱軸向安裝一個(gè)螺線管，其模型示意圖1（a）所示，當(dāng)給發(fā)射螺線管施加交變電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沿著井下管柱軸向的磁流。接收端天線通過對(duì)這一磁場信號(hào)磁感應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電磁傳輸。

電天線型電磁傳輸系統(tǒng)根據(jù)天線設(shè)計(jì)形式的不同又分為三種：

（1） 環(huán)形線圈式天線。該方法是在鉆桿上安裝一個(gè)水平導(dǎo)磁環(huán)，在導(dǎo)磁環(huán)上螺旋纏繞著線圈，其模型示意圖1（b）所示。該方式利用線圈上變化的電流產(chǎn)生磁場，再利用變化的磁場產(chǎn)生沿著鉆桿軸向的激勵(lì)電流。這種設(shè)計(jì)方式能夠保持鉆桿結(jié)構(gòu)完整。

（2） 不對(duì)稱直立式天線。這種天線，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上，一般把鉆桿分為上下兩個(gè)部分，構(gòu)成兩個(gè)電極，中間由特制的絕緣鉆桿連接上下兩段鉆桿，屬于一種與地面垂直的線狀天線，其模型示意圖1（c）所示。

（3） 穿孔外接金屬環(huán)套激勵(lì)法。該設(shè)計(jì)方案只需要在鉆桿上開一個(gè)小孔，鉆桿內(nèi)部激勵(lì)器一端與鉆桿內(nèi)壁相連，另一端通過鉆桿絕緣小孔K與包裹在鉆桿外部的金屬環(huán)A相連，如圖1（d）所示。該設(shè)計(jì)方案最先有中國電波傳播研究所提出[2]，這種設(shè)計(jì)方式保證了鉆桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1.2 電磁短傳方式

根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)膫鬏斣韯澐?，可以將無線電磁波傳輸分為電場型和磁場型。目前在電磁短傳中，多采用環(huán)形線圈的電磁感應(yīng)耦合的磁場型傳輸方式為主。

電磁短傳方式是一種基于電磁感應(yīng)耦合原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)非接觸式傳輸?shù)姆绞剑摲桨钢胁捎锰刂沏@桿，鉆桿兩端裝有環(huán)狀的磁芯感應(yīng)線圈，同根鉆桿兩端的感應(yīng)線圈再通過有線方式連接，在鉆桿與鉆桿連接螺紋處通過感應(yīng)線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該方案的無線傳輸距離很短，一般只有幾厘米，可以采用很高的電磁頻率實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。美國的IntelliServ公司的智能鉆桿即采用這種傳輸方式，其最高理論速率可以達(dá)到2 Mbit/s，實(shí)際應(yīng)用的傳輸傳輸速率為56 kbit/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電磁遙測方式的數(shù)據(jù)傳輸速率[3]。

2 井下無線電磁波短距離傳輸試驗(yàn)研究

筆者主要研究了井下鉆桿在5～10 m之內(nèi)，以環(huán)形線圈方式進(jìn)行無線電磁傳輸是否可行，以及如何提升傳輸效率。

在無線電磁短傳系統(tǒng)中，發(fā)射線圈和接收線圈是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，是影響信號(hào)傳輸距離和信號(hào)傳輸效率的關(guān)鍵因素。在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中，線圈需安裝在鉆桿上，線圈直徑基本固定。筆者主要從線圈的線徑、線圈匝數(shù)和線圈股數(shù)等參數(shù)方面對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行探討。

2.1 線圈匝數(shù)

電磁感應(yīng)線圈傳輸信號(hào)的工作原理與變壓器十分相似，電磁感應(yīng)線圈在信號(hào)傳輸過程中又起到帶通濾波器的作用，只有當(dāng)發(fā)射頻率與中心頻率接近時(shí)才不至于引起衰減。感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)不同，其頻率響應(yīng)特性也不同，其中線圈匝數(shù)對(duì)其影響最為顯著。

2.2 線徑

提高線圈的品質(zhì)因數(shù)可以提高信號(hào)傳輸效率，線圈品質(zhì)因數(shù)與線圈繞組存在以下關(guān)系：

可以通過減小線圈的繞組R提高Q 值。線圈總阻值與線圈的線徑成反比關(guān)系，因此增加線圈的線徑可以提高線圈的品質(zhì)因數(shù)。

2.3 線圈股數(shù)

當(dāng)發(fā)射頻率較高時(shí)，線圈會(huì)受到趨膚效應(yīng)的影響并隨著頻率增大會(huì)顯著增加。趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線有效橫截面積減小，影響信號(hào)傳輸效率。因此采用多股導(dǎo)線并聯(lián)繞制的線圈結(jié)構(gòu)可以減小線圈的趨膚效應(yīng)的影響，同時(shí)減小了線圈的等效阻值。

3 井下電磁信號(hào)傳輸衰減因素分析

3.1 巖層電阻率

所有的無線電磁傳輸方式對(duì)巖石電阻率都存在某種程度上依賴，當(dāng)電磁波進(jìn)入巖石中時(shí)，由于渦流的熱能損耗，將使電磁波的強(qiáng)度隨傳輸距離的增加而衰減，這種現(xiàn)象為巖石對(duì)電磁波的吸收作用，吸收的大小和電磁波頻率、巖石電導(dǎo)率、巖石介電系數(shù)有關(guān)，巖石電導(dǎo)率越大，衰減越大。

3.2 鉆井液

相對(duì)于地層和鉆桿，鉆井液對(duì)電磁波傳輸?shù)挠绊懳⒑跗湮?，由于鉆井液對(duì)電磁波也有一定吸收，隨著電磁波頻率升高，衰減越大。

3.3 鉆桿

鉆桿是良導(dǎo)體，具有較高的電導(dǎo)率，對(duì)電磁波的吸收比較嚴(yán)重，所以鉆桿越長，電磁波衰減越嚴(yán)重；電磁波頻率越高，吸收越嚴(yán)重；另一方面，由于在鉆桿連接接口處存在接觸電阻，而隨著鉆井工程中振動(dòng)接觸電阻的大小是不斷變化的，這會(huì)影響電場型傳輸方式鉆桿中信號(hào)電流的穩(wěn)定性。

3.4 發(fā)射信號(hào)頻率

電磁波在媒質(zhì)中傳播，衰減程度與電磁波頻率成正比，即頻率越高，接收電壓越小。

3.5 鉆井設(shè)備的電氣干擾

信號(hào)從井下傳輸?shù)降孛?，由于衰減很大，地面接收點(diǎn)接收到的信號(hào)十分微弱，很容易受到其他電氣設(shè)備信號(hào)的干擾，使數(shù)據(jù)通信更加困難。

4 結(jié)語

電磁波在地層中傳輸衰減十分嚴(yán)重，并且電磁波頻率越高，衰減越嚴(yán)重。在電磁遙測傳輸方式中，通常選取甚低頻段電磁波，但其嚴(yán)重限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。電磁短傳方式，由于無線傳輸距離短，載波頻率高，在保證準(zhǔn)確率的前提下，可以大大提升數(shù)據(jù)傳輸速率。

參考文獻(xiàn)

[1] 李曉.電磁雙向信號(hào)傳輸遙測通道的研究[D].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2010.

[2] 熊浩，胡斌杰.隨鉆測量電磁傳輸信道研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，1997，40（3）：431-441.

[3] Michael Jellison，David Hall，Darrell Howard，et al.Telemetry drill pipe：enabling technology for the downhole internet[R].SPE/IADC 79885，2003.