載波通信原理的電磁波隨鉆測量技術(shù)研究

摘要：電磁波隨鉆測量的精準(zhǔn)度與信號傳輸載體、遙感深度等具有一定的聯(lián)動性，以載波通信原理為基礎(chǔ)，將電磁波與電磁導(dǎo)體之間建立一個信號耦合機制則可實現(xiàn)導(dǎo)波系統(tǒng)的建設(shè)，極大提高信號傳輸質(zhì)量?；诖?，文章對電磁波隨鉆測量中的信號傳輸機理以及電磁波傳輸特點進行論述，對電磁波隨鉆測量系統(tǒng)及其實現(xiàn)進行研究。

關(guān)鍵詞：載波通信;電磁波隨鉆測量;數(shù)據(jù)傳輸

載波通信是模擬通信制式的一種代表，其采用的是頻分復(fù)用技術(shù)，有效將信號的傳輸頻率進行獨立保護，確保不同信號在不同頻譜之間可實現(xiàn)精準(zhǔn)傳輸。對于石油開采行業(yè)來講，利用機械設(shè)備進行施工時，需通過設(shè)備內(nèi)的傳感器對井下環(huán)境進行勘測，然后將此類信號傳輸?shù)较到y(tǒng)中，令集成系統(tǒng)依據(jù)設(shè)備運行裝置，正確界定出鉆頭的運動軌跡。目前，石油鉆采過程中的信號傳輸機制主要是以電磁波為傳輸載體，其與傳統(tǒng)的鉆進液傳輸載體相比，具有效率性、精準(zhǔn)性的優(yōu)勢，但電磁波在實際傳輸中受外界環(huán)境因素影響較大。將載波通信技術(shù)應(yīng)用到電磁波信號傳輸中，將鉆桿上的信號傳輸與大地進行聯(lián)通，以鉆桿以及大地為信號傳輸載體，則可有效解決信號傳輸?shù)穆?lián)動問題，進而實現(xiàn)載波信號的對接傳輸，令系統(tǒng)對井下各類工作參數(shù)進行系統(tǒng)的了解。

電磁波隨鉆測量工藝主要是在鉆桿的中間位置利用絕緣部件進行替換，令絕緣部件兩端呈現(xiàn)出非對稱性質(zhì)的偶極子，以對電磁波進行發(fā)射。但在實際應(yīng)用過程中，由于鉆桿絕緣段在傳輸相應(yīng)的信號時，其本身受到的信號傳輸壓力較大，在長時間工作狀態(tài)下，必然加大鉆桿設(shè)備的耗損量。同時，以鉆桿為電磁波發(fā)射源，其發(fā)射性質(zhì)呈現(xiàn)出散射形式，分化電磁波發(fā)射能量，進而降低電磁波的傳輸深度。

以電力線為載體的載波通信中，可將整個系統(tǒng)呈現(xiàn)出的高頻信號集成到電力線設(shè)備之中，然后通過相地耦合的方式，將電容器、濾波器等部件建構(gòu)為低阻濾波器，以對信號中的低頻成分進行有效阻隔，進而保證高頻信號的傳輸可精準(zhǔn)作用到電力線設(shè)備上。在鉆井工程施工中，鉆桿設(shè)備一般由具有高強度、高精度、高導(dǎo)電性的鋼材組成，此類鉆桿設(shè)備可以當(dāng)成是電力線設(shè)施，其可作為載波信號的傳輸載體，以此來建構(gòu)出電磁波隨鉆測量體系。

電磁波隨鉆測量體系的組成可分為兩部分，地面上的信號接收裝置、井下的信號傳輸裝置。在井下信號傳輸體系中，是以傳感器為信息采集源，對井下的各類工作參數(shù)，如溫濕度、空間壓力等，傳感器將各類信息采集以后，傳輸?shù)捷d波模塊中，然后通過頻率的加載形成電磁波。再經(jīng)由濾波處理將信號源耦合到鉆桿設(shè)備中，建構(gòu)成完整的信號傳輸系統(tǒng)，真正令地上、地下實現(xiàn)信號的對接傳輸，地面工作人員可通過交互設(shè)備及時分析出井下設(shè)備的運行狀態(tài)，以此來制定相應(yīng)的工作計劃，滿足下一階段的石油開采需求。

電磁波傳輸介質(zhì)包含鉆桿傳輸與地層傳輸兩部分。在鉆桿傳輸中，受到鉆采空間的限制，實際傳輸方向只有以鉆桿鉆取角度為基準(zhǔn)，進行激勵型、磁型的兩種傳輸形式，其呈現(xiàn)出導(dǎo)行特性的電磁波。在地層傳輸中，影響電磁波傳輸?shù)囊蛩赜泻芏?，例如，地質(zhì)特性、電磁導(dǎo)率等，電磁波傳輸與上述影響因素呈現(xiàn)出線性關(guān)系，且傳播系數(shù)可精準(zhǔn)的反映出電磁波在地層中傳播速率。電磁波頻率傳輸值越高，則代表著傳輸媒介存在的電導(dǎo)率值越高，進而加大信號傳輸中的衰減度。

電磁波隨鉆測量系統(tǒng)中，載波通信原理的實現(xiàn)主要通過相關(guān)載體建立信息傳輸渠道，保證電磁波的發(fā)射端與接收端可形成一個閉環(huán)。井下、地面的承接系統(tǒng)均包含信號發(fā)與接收兩個終端。其中井下系統(tǒng)是對各類信息參數(shù)進行采集與整合，并回傳到地面系統(tǒng)中，地面系統(tǒng)的主要任務(wù)則是將各類數(shù)據(jù)信息進行交互顯示，并對相關(guān)指令進行下達，令井下工作設(shè)備的運行呈現(xiàn)出邏輯性，兩者工作原理如下。

井下收發(fā)裝置：地面發(fā)送指令→信號放大→信號解調(diào)→功率放大→濾波→控制器→指令形成，然后通過傳感器將信號傳輸?shù)轿⒖刂破髦羞M行調(diào)制，再經(jīng)由調(diào)制、功率放大、有源濾波等實現(xiàn)信號耦合。

地面收發(fā)裝置：數(shù)據(jù)接收→前置放大→功率放大→濾波→解調(diào)→微控制器→計算機接口模塊，上述過程為信息接收流程;計算機接口模塊→微控制器→調(diào)制→功率放大→濾波→阻抗解調(diào)→信號耦合，上述過程為信息發(fā)送流程。

井下介質(zhì)在對電磁信號傳輸時，在外部管道與壓殼之間起到關(guān)聯(lián)作用，且內(nèi)部電源設(shè)備是安裝在壓殼裝置中的，這樣便可有效降低信號傳輸滯后性現(xiàn)象的發(fā)生幾率。目前，井下設(shè)備的工作狀態(tài)一般包含響應(yīng)型與自動型兩種，響應(yīng)型是指井下設(shè)備在接收到上位指令以后，才進行相關(guān)指令的操作，當(dāng)系統(tǒng)不再指令執(zhí)行范疇內(nèi)，則整體工作處于待機狀態(tài)，但其仍對信息起到存儲的作用，這樣便可有效節(jié)約能源。自動型主要是指設(shè)備按照固定的程序執(zhí)行指令，此類設(shè)備在進入井下之前，由計算機設(shè)備進行資源整合，例如頻率發(fā)生、數(shù)據(jù)采集時間點等。當(dāng)井下設(shè)備在系統(tǒng)規(guī)定時間內(nèi)并未接收到系統(tǒng)傳遞的指令，則設(shè)備將自動向地面工作設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

（一）信號耦合器

信號耦合變壓器是保證信號在傳輸過程中，精準(zhǔn)的作用到鉆桿裝置上，其起到信號降頻、干擾過濾的作用，以此來提高信息傳輸過程中穩(wěn)定性能。變壓器在對電磁波信號進行耦合時，通過諧振頻率為載體，以實現(xiàn)載波頻率的同步映射，然后通過阻抗匹配機制，消除濾波信號中存在的雜波，經(jīng)由實際過濾，可有效提高系統(tǒng)對信號的傳輸效率。此外，通過變壓器的參數(shù)設(shè)定，還可對系統(tǒng)內(nèi)電子元件起到防護的作用?？紤]到耦合變壓器的工作特性，為最大限度的提高諧振頻率在系統(tǒng)中的同化值，應(yīng)將荷載能力調(diào)到最大化，測定出額定變壓值，進而分析變壓器內(nèi)阻抗系數(shù)、感應(yīng)電流值以及設(shè)備所產(chǎn)生的耦合數(shù)值等。 然后依據(jù)各類數(shù)值所呈現(xiàn)出的線性關(guān)系，界出變壓器內(nèi)電子元件之間的交互參數(shù)，得出信號耦合變壓器在電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的應(yīng)用形式。

（二）系統(tǒng)性能設(shè)定

系統(tǒng)性能設(shè)定是指針對井下動態(tài)的工作環(huán)境，分析出各類設(shè)備組件在運營狀態(tài)下所呈現(xiàn)出參數(shù)狀態(tài)，例如溫度、濕度、噪音、雷電等環(huán)境因素的變化，是否影響電磁波在整個系統(tǒng)中的正常傳輸。在利用電磁波進行透地傳輸時，為保證信號在井下與地面?zhèn)鬏斅窂絻?nèi)不會存在衰減效果，則可針對載波呈現(xiàn)出的相位來正確界定出載波頻率存在的序列值，然后將原有的低功率頻率進行調(diào)寬處理，以增強系統(tǒng)本身的抗噪性，提高電磁波信號在井下、地面上的傳輸質(zhì)量。

綜上所述，載波通信原理為實現(xiàn)載體的電磁波傳輸系統(tǒng)，可有效在鉆桿設(shè)備與大地之間建立一個對接型的信號傳輸機制，令地面及時了解到井下的工作狀態(tài)，同時在信號的雙向反饋下，井下也可實現(xiàn)自動化反饋，進而為整體鉆采工作質(zhì)量的提高奠定基礎(chǔ)。

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李桂興（1998.1），男，漢族，天津人，河北工程大學(xué)，工學(xué)學(xué)士。