EM-MWD天線絕緣材料的設(shè)計(jì)

連杰 張冀冠 陳翔

摘要：電磁波隨鉆測量系統(tǒng)（EM-MWD）作為煤礦鉆井定向施工的一項(xiàng)新技術(shù)，應(yīng)用效果好、成本低，但是在應(yīng)用過程中，EM-MWD天線絕緣組件容易塑性變形，出現(xiàn)斷裂等問題，為了解決這個(gè)問題對EM-MWD天線絕緣材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇LPP，設(shè)計(jì)的繞包層數(shù)最多為27層，絕緣材料在繞包過程中留有2mm的縫隙。最后對制作的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了交流擊穿實(shí)驗(yàn)和仿真分析，結(jié)果表明：液氮環(huán)境下使用的LPP的交流擊穿場強(qiáng)威布爾概率為4.86%，雷電沖擊擊穿場強(qiáng)概率為3.21%。絕緣層的長度一般為0.5m，避免由于絕緣層較短造成的地面接收電壓變低。當(dāng)絕緣層的電阻達(dá)到數(shù)百歐姆就可以滿足實(shí)際應(yīng)用中的相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：EM-MWD;天線;絕緣材料;LPP

中圖分類號(hào)：TQ352

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）07-0071-03

煤礦井下定向施工鉆井，實(shí)時(shí)測量鉆孔傾角、方位角、工具面向角等主要參數(shù)，繪制鉆孔軌跡并根據(jù)需要調(diào)整鉆進(jìn)姿態(tài)，可提高鉆孔施工質(zhì)量，保證煤礦安全高效開采瓦斯，以及超前、區(qū)域、精準(zhǔn)防治災(zāi)害。隨鉆測量系統(tǒng)是鉆井定向施工的必要支撐，電磁波隨鉆測量系統(tǒng)（EM-MWD）不受鉆井液的限制，受到廣泛的關(guān)注和研究。

在定向井作業(yè)過程中，當(dāng)鉆井液中充氣或者采用泡沫、空氣鉆井時(shí)，MWD將無法正常工作，而電磁波隨鉆測量儀（EM-MWD）的優(yōu)勢在于對傳輸介質(zhì)的非依賴性。EM-MWD井下信號(hào)的發(fā)射以絕緣耦合組件為載體，兩路信號(hào)施加于絕緣耦合組件兩端，構(gòu)成偶極天線系統(tǒng)。目前絕緣耦合組件多采用復(fù)合絕緣材料隔離金，屬的方式，由于絕緣組件為非金屬材料，導(dǎo)電銅棒為剛性差的導(dǎo)電銅棒，絕緣組件容易發(fā)生疲勞彎曲。而且兩端均由螺母鎖緊，當(dāng)井下應(yīng)用超過一定時(shí)間后，由于井下振動(dòng)，螺母會(huì)有所松動(dòng)。一旦螺母松動(dòng)，整個(gè)儀器串的自重及泥漿的沖擊力將由絕緣桿與上配合接頭，下配合接頭與上配合接頭之間的連接螺紋承擔(dān)，由于上配合接頭為非金屬材質(zhì)，強(qiáng)度低，很容易發(fā)生此處螺紋斷裂，而造成儀器損壞。絕緣組件也為非金屬材質(zhì)，容易塑性變形，當(dāng)發(fā)生疲勞變形后，同樣會(huì)造成上述問題。因此，本文對EM-MWD天線絕緣材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，期望解決上述問題。

1井下激勵(lì)裝置

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁波隨鉆測量系統(tǒng)（EM-MWD）主要包括井下系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)兩部分，井下系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)和電池組、測量傳感器、數(shù)據(jù)調(diào)制與發(fā)射電路、絕緣電偶極子發(fā)射天線、鉆鋌系（無磁鉆鋌、絕緣鉆鋌和動(dòng)態(tài)方位伽馬鉆鋌）24，井下系統(tǒng)是井下鉆具組合的一部分，井下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1;地面接收系統(tǒng)包括地面接收機(jī)（DSP處理器、閾值調(diào)節(jié)器、低通濾波器、前置放大器）、司鉆顯示器、計(jì)算機(jī)（數(shù)據(jù)圖形界面顯示軟件、信號(hào)濾波解調(diào)軟件等）。地面接收系統(tǒng)的主要作用是實(shí)時(shí)接收、轉(zhuǎn)換、記錄地下采集的有用信號(hào)。

1.2工作原理

電磁波隨鉆測量系統(tǒng)（EM-MWD）由絕緣的電磁發(fā)射天線分隔成2個(gè)電極，一個(gè)電極經(jīng)過鉆柱進(jìn)行傳導(dǎo)到地面井臺(tái)，另一個(gè)電極從地層進(jìn)行傳導(dǎo)傳輸至地面的接收天線，地面接收機(jī)分別和這兩個(gè)電極進(jìn)行連接，形成一個(gè)閉合的回路。當(dāng)EM-MWD在井下進(jìn)行工作時(shí)，將激勵(lì)電壓加在兩個(gè)電極之間，激勵(lì)電流從正極出來一部分沿上段鉆柱向上流動(dòng)，這部分電流由于地層導(dǎo)電的原因很大部分電流泄露到地層中，在負(fù)電極的吸引作用下，這部分泄露電流在下段鉆柱的負(fù)極上聚集。接收天線與鉆柱之間有電流通過，地面接收到的信號(hào)經(jīng)過地面接收機(jī)的處理如降噪、放大、解碼之后發(fā)送至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示相關(guān)的結(jié)果，并將結(jié)果存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

天線絕緣材料的設(shè)計(jì)

2.1天線

EM-MWD中的絕緣鉆鋌式電偶極子天線將鉆柱部分（鉆鋌以上）和鉆頭部分（鉆鋌以下）分成兩個(gè)電極，見圖2。發(fā)射模塊將發(fā)射信號(hào)加在鉆柱和鉆頭兩極，鉆柱、鉆頭和地層構(gòu)成信號(hào)電流回路。鉆鋌斷開處接入連接器，該連接器表面通過電化學(xué)方法由絕緣材料形成絕緣層，接人連接器之后形成發(fā)射天線的兩極。為了保證絕緣效果，需要設(shè)計(jì)高性能的絕緣材料。

2.2天線絕緣材料的設(shè)計(jì)

2.2.1絕緣的材料選擇

絕緣材料主要包括聚丙薄膜復(fù)合木纖維紙（PPLP）、聚四氟Z烯薄膜、聚酰亞胺薄膜、聚丙烯層壓紙（LPP）及納米復(fù)合材料等。本研究中天線的絕緣材料選擇LPP，LPP絕緣材料的介電常數(shù)為2.2，該在沸點(diǎn)為77K的液氮浸漬條件下具有良好的電氣性能和機(jī)械性能，LPP薄膜的厚度大約為0.12mm，EM-MWD工作中地面接收承受的最高工頻電壓為60kV，在考慮一定寬裕度的情況下，設(shè)計(jì)的繞包層數(shù)最多為27層。

2.2.2絕緣繞制的原則和方法

絕緣材料在繞制過程中應(yīng)該注意拉伸強(qiáng)度、表面摩擦系數(shù)等特性，對于繞包來說盡量使絕緣材料“緊而不皺”，保證“緊而不斷”，盡可能的減少層與層之.間存在的孔隙，同時(shí)在繞制過程中不能過緊，以防止出現(xiàn)低溫?cái)嗔训那闆r。根據(jù)相關(guān)的研究可知，縫隙之

間的距離對于擊穿電壓的影響較大，因此，為了防止試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)巖縫隙爬電擊穿的現(xiàn)象，根據(jù)EM-MWD中絕緣層的結(jié)構(gòu)，采用對縫繞包工藝，絕緣材料在繞包過程中留有2mm的縫隙。

2.2.3絕緣材料LPP擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)

采用的絕緣材料LP的厚度為0.12mm，松裝密度為0.90土0.10g/m'，濕度為7.0%，對制作的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了交流擊穿實(shí)驗(yàn)，得出液氮環(huán)境下使用的LPP的交流擊穿場強(qiáng)威布爾概率為4.86%，雷電沖擊擊穿場強(qiáng)概率為3.21%。

2絕緣層關(guān)鍵參數(shù)仿真分析

EM-MWD絕緣層的設(shè)計(jì)主要是絕能性能的分析和絕緣層的長度確定，這兩個(gè)參數(shù)的確定需要進(jìn)行仿真分析，仿真實(shí)驗(yàn)采用ANSYS軟件構(gòu)建EM-MWD信號(hào)傳輸仿真模型，為絕緣材料的設(shè)計(jì)提供理論支持。

1）仿真模型構(gòu)建。構(gòu)建仿真模型時(shí)，做出如下假設(shè)：①地層全部為均質(zhì)地層;②井眼軸線與鉆柱的軸線相互重合;③鉆柱全部為鉆桿。模型簡化之后，EM-MWD地下和地上部分具有對稱性，因此，選擇平面對稱模型實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸分析。模型的主要參數(shù)設(shè)置如下：鉆桿的電阻率為2x1072.m、鉆桿的外徑為73mm，壁厚為9.19mm，地層深度為2300m，井深為2000m、地層圓周半徑為2000m、下部鉆柱的長度為5m;激勵(lì)源信號(hào)發(fā)射功率和發(fā)射頻率為5W、2.5Hz，根據(jù)模型的需要確定絕緣層的長度和電阻值。設(shè)定地層的電阻率為25Q.m、絕緣層的電阻和長度分別為10M92、Im，在仿真結(jié)果中顯示以鉆柱為中心，與鉆柱之間的水平距離越大地面電位逐漸降低。

2）絕緣層長度分析。分析絕緣層長度對信號(hào)傳輸?shù)挠绊憰r(shí)，假設(shè)絕緣層的電阻值為10M2，地面接收電極和鉆柱之間的水平距離為50m，仿真結(jié)果顯示，絕緣層的長度越長，地面接收電壓值會(huì)隨之增大，當(dāng)絕緣層的長度達(dá)到定值之后，地面接收電壓值變化也趨于穩(wěn)定，不再明顯，地層的電阻率越大，鉆井液電阻率越小，地面接收電壓達(dá)到最大值對應(yīng)的絕緣層長度越長，這是因?yàn)樵诟咦璧貙雍偷妥桡@井液條件下，如果絕緣層的長度比較短則在絕緣層附近容易形成局部渦流，造成激勵(lì)源有效發(fā)射功率降低，地面接收電壓變小。在實(shí)際工程中絕緣層的長度一般為0.5m，避免由于絕緣層較短造成的地面接收電壓變低。

3）絕緣層電阻分析。設(shè)定絕緣層的長度為lm，鉆井液的電阻率為109.m，仿真結(jié)果顯示，隨著絕緣層電阻值的增加，地面接收電壓值也會(huì)逐漸變大，但是增加的速度比較平緩，地面接收電壓值最大時(shí)，絕緣層的電阻也最大。這是因?yàn)樵诟咦璧貙又?，由于絕緣層電阻較小，激勵(lì)源電流通過絕緣層形成電流回路而造成功率的損耗，減小了井口的接收電壓。而EM-MWD在應(yīng)用過程中地層的電阻率一般比較小，不會(huì)高于2002-m，所以當(dāng)絕緣層的電阻達(dá)到數(shù)百歐姆就可以滿足實(shí)際應(yīng)用中的相關(guān)要求。

4結(jié)語

對研制的EM-MWD天線絕緣材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真分析得到以下結(jié)論：①該絕緣材料選擇LPP，LPP薄膜的厚度大約為0.12mm，EM-MWD工作中地面接收承受的最高工頻電壓為60kV，在考慮一定寬裕度的情況下，設(shè)計(jì)的繞包層數(shù)最多為27層。采用的絕緣材料LPP的厚度為0.12mm，松裝密度為0.90+0.10g/m'，濕度為7.0%，對制作的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了交流擊穿實(shí)驗(yàn)，得出液氮環(huán)境下使用的LPP的交流擊穿場強(qiáng)威布爾概率為4.86%，雷電沖擊擊穿場強(qiáng)概率為3.21%。②采用ANSYS軟件構(gòu)建EM-MWD信號(hào)傳輸仿真模型，絕緣層的長度越長，地面接收電壓值會(huì)隨之增大，當(dāng)絕緣層的長度達(dá)到定值之后，地面接收電壓值變化也趨于穩(wěn)定，實(shí)際應(yīng)用中絕緣層的長度一般為0.5m，可以避免由于絕緣層較短造成的地面接收電壓變低。當(dāng)絕緣層的電阻達(dá)到數(shù)百歐姆就可以滿足實(shí)際應(yīng)用中的相關(guān)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]陳靜，劉勇.EM-MWD系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)探討[J].電子測量技術(shù)，2009，32（10）：4-7.

[2]李林，張連成，王磊，等.隨鉆測量中井下大功率發(fā)電技術(shù)的研究與實(shí)驗(yàn)[J]，石油鉆探技術(shù)，2008，36（5）：24-27.

[3]沈躍，蘇義腦，李林，等.井下隨鉆測量渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與工作特性分析[J].，石油學(xué)報(bào)，2008，29（6）：907-912.

[4]王磊，李林，張連成，等.氣體鉆井井下發(fā)電機(jī)渦輪驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[C].鉆井基礎(chǔ)理論研究與前沿技術(shù)開發(fā)新進(jìn)展學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，北京：石油工業(yè)出版社，2010：244-248.

[5]王磊，李林，盛利民，等.DREMWD電磁波隨鉆測量系統(tǒng)及現(xiàn)場試驗(yàn)[J].石油鉆采工藝，2013，35（02）：20-23.

[6]楊鑫，李衛(wèi)國，郭昱延，等.35kV超導(dǎo)電纜終端電流引線的繞包型絕緣設(shè)計(jì)[J]高電壓技術(shù)，2013，39（01）：31-36.