氣體鉆井鉆柱內(nèi)孔微波信道適配天線研究*

李宬曉，夏文鶴，周長虹

(1.中國石油川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院 四川 廣漢 618300；2.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院 四川 成都 610500)

0 引 言

“十一五”以來，氣體鉆井技術(shù)在國內(nèi)蓬勃發(fā)展，先后在川渝、新疆、青海、普光等地區(qū)應(yīng)用近千井次，在提高鉆速、防漏治漏和保護(hù)儲層3個方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。但是氣體鉆井一直缺乏成熟的隨鉆測量工具導(dǎo)致井下工程、地質(zhì)、安全等信息無法獲取，嚴(yán)重阻礙了氣體鉆井發(fā)展[1]。近年來，電磁波隨鉆測量技術(shù)(EM-MWD)因傳輸速率大幅高于MWD技術(shù)[2]而成為隨鉆監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點，該技術(shù)將整個鉆柱作為天線，通過地層傳播電磁波信號以傳輸井下信息[3]，因此可應(yīng)用于采用氣體作為循環(huán)介質(zhì)的氣體鉆井。但電磁波信號在地層中傳播會受到地層特性的影響，特別是低電阻率地層信號衰減嚴(yán)重，有效測量深度受到限制且價格昂貴[4-5]。這一現(xiàn)狀直接導(dǎo)致至今在世界范圍內(nèi)，沒有一套成熟的氣體鉆井隨鉆監(jiān)測系統(tǒng)。大部分的氣體鉆井作業(yè)中，井下狀況只能依靠地面監(jiān)測系統(tǒng)對其進(jìn)行推測，大幅降低了監(jiān)測的準(zhǔn)確性和時效性[6]。氣體鉆井作為一種新興的高效鉆井技術(shù)，作業(yè)過程中需及時掌握井下工況以避免重大安全事故，因此迫切需要一種遠(yuǎn)距離大數(shù)據(jù)量的高速無線傳輸技術(shù)，且應(yīng)具備發(fā)射功率更小、裝配結(jié)構(gòu)簡單的特點?；贓M-MWD的技術(shù)思路，在近鉆頭安裝隨鉆測量短節(jié)采集信號，利用鉆柱內(nèi)孔作為微波信道，傳輸井下測量信息到井口，稱之為微波隨鉆測量技術(shù)(Microwave Measurement While Drilling-MMWD)。這種新技術(shù)在鉆柱內(nèi)孔中激發(fā)、傳播微波，能夠有效避免地層因素的影響從而提高傳輸效率，同時可采用多級中繼接力傳輸，增加測量深度，滿足氣體鉆井隨鉆測量的技術(shù)要求[7]。由于該項技術(shù)不受地層電阻的影響，因此研究的重點為微波信號高效激發(fā)及減少微波在鉆柱內(nèi)孔中的傳播衰減。

1 鉆柱內(nèi)孔激發(fā)天線形式

1.1 天線類型分析與選擇

文獻(xiàn)[8-9]證明了2.4 GHz頻段內(nèi)，微波可在較為復(fù)雜的鉆柱內(nèi)孔中傳播，并提出利用微波中繼傳輸以延長信號井下的傳輸距離，但文獻(xiàn)未對應(yīng)用于鉆柱內(nèi)孔的微波激發(fā)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。在長度達(dá)千米以上的鉆柱內(nèi)孔空間內(nèi)，微波激發(fā)器作為微波激發(fā)和感應(yīng)元件，是傳輸系統(tǒng)重要的組成部分，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計及最佳的性能參數(shù)對延長井下信號傳輸距離有重要作用。鉆柱內(nèi)孔狹小且氣體鉆井過程中存在高速氣流，因此對微波激發(fā)器的橫截面積、體積、質(zhì)量、功耗以及結(jié)構(gòu)強度都有嚴(yán)格限制，故考慮仍采用結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟的天線作為鉆柱內(nèi)孔的微波激發(fā)器件。無線通訊天線中，偶極子天線[10]結(jié)構(gòu)最簡單、使用范圍最廣。受限空間多使用高增益、方向性強的單向輻射天線，如八木天線[11-12]等。而對于鉆柱內(nèi)孔這種狹長受限空間環(huán)境，雙向輻射的圓極化天線可進(jìn)一步提升無線電波有效傳輸距離，如螺旋天線、微帶圓極化天線、平面螺旋天線等[13-22]。此外還應(yīng)結(jié)合氣體鉆井的實際應(yīng)用狀況，選擇體積小、傳輸距離遠(yuǎn)、能應(yīng)對鉆進(jìn)過程中，鉆柱內(nèi)孔信道扭曲問題的天線。為掌握不同類型天線在鉆柱內(nèi)孔信道的傳輸效果，根據(jù)不同天線結(jié)構(gòu)、性能、輻射波型，選取小尺寸的全向線狀天線、窄波束高增益的定向八木天線，以及以圓極化平面波輻射能量且抗干擾能力強的軸向模螺旋天線作為研究對象，從天線結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、有效傳輸距離3方面進(jìn)行綜合評價，研究與鉆柱內(nèi)孔信道最適配的天線形式及對應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.2 全向線狀天線

線狀天線由可彎曲的垂直桿狀導(dǎo)線構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡單、攜帶安裝方便、全向等特點。線狀天線的有效長度決定該天線輻射能量的強弱，是線狀天線的重要指標(biāo)之一，天線有效高度定義為[23]：

(1)

式中：he為天線有效長度, mm；h為天線實際長度，mm；I0為輸入電流，μA；In為天線上電流分布，μA；λ為工作波長， mm；β為傳播常數(shù)；dz為距振子中心點z處所取的電流元段。若使天線輻射效率最高，則天線長度應(yīng)為工作波長λ的四分之一，即：

(2)

線狀天線通過輻射電阻計算方向系數(shù)，且輻射電阻值是對稱振子的一半，故輻射電阻RΣ(單位：Ω)表達(dá)式為[19]：

(3)

式中：PΣ為離開振子中心r0的球面上能流密度積分，即輻射功率，mW，表達(dá)式為：

(4)

式(3)和式(4)中：Im為波腹電流，μA；f(θ)為歸一化方向性函數(shù)；θ為俯仰角方向，(°)。則根據(jù)(1) ～ (4)式可得線狀天線最大方向系數(shù)D0表達(dá)式為：

(5)

1.3 定向八木天線

八木天線由引向振子、激勵振子、反射振子等結(jié)構(gòu)組成[23]。通過改變振子間的電流分配，以達(dá)到控制八木天線輻射方向的目的，八木天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，其半功率主瓣寬度2φ0.5與總長度關(guān)系為[23]：

圖1 八木天線結(jié)構(gòu)

(6)

式中：半功率主瓣寬度2φ0.5，(°)；L為八木天線總長度，mm；λ為工作波長。方向性系數(shù)D0與總長度L的表達(dá)式為[23]：

(7)

式中：K1為比例系數(shù)，可通過天線工作手冊查找。

式(7)表明天線總長度L越大，八木天線軸向性越強。實際上多的振子單元將導(dǎo)致八木天線工作頻帶變窄并且天線尺寸變大。故設(shè)計八木天線時，要選擇恰當(dāng)?shù)恼褡觽€數(shù)，振子長度D(單位：mm)及合理的振子間隔d(單位：mm)，使天線性能與尺寸達(dá)到最佳狀態(tài)。

1.4 軸向模螺旋天線

軸向模螺旋天線是由相互正交，幅度相等且相位差90°的電基本振子Eθ和磁基本振子Eφ組合構(gòu)成[24]，故軸向模螺旋天線除沿軸線方向有最大輻射以外，天線最為突出的特點是以圓極化平面波輻射能量。因此，軸向模螺旋天線與圓極化天線類似，同樣具有可接收任意線角度極化波和較強的抗干擾能力。軸向模螺旋天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軸向模螺旋天線結(jié)構(gòu)

工程上軸向模螺旋天線的半功率主瓣寬度2φ0.5常采用下式表達(dá)[25]，單位為(°)：

(8)

綜合副瓣和波瓣圖進(jìn)行考慮，方向系數(shù)D0更準(zhǔn)確的實際表達(dá)式為[21]：

(9)

式(8)和式(9)中：S為螺距， mm；n為螺旋體圈數(shù)；L為螺旋體一圈的周長， mm；λ為工作波長。若D為天線螺旋體直徑，則天線一周周長L計算如下[25]：

L2=(πD)2+S2

(10)

2 天線性能分析及研究

對于3 000 m井深，氣體鉆井施工往往采用139.7 mm( 5in)鉆桿作業(yè)，其最小內(nèi)徑為88.5 mm。根據(jù)波導(dǎo)內(nèi)截止波長條件，計算其在最小內(nèi)徑單模傳輸截止波長為151 mm，2.4 GHz工作頻段天線能在信道中正常激發(fā)波長λ為125 mm的電磁波。根據(jù)此工作條件并結(jié)合鉆桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計3種天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表1。

表1 3種比對天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 天線波瓣寬度及方向性分析

在氣體鉆井工作現(xiàn)場，天線不僅要滿足鉆柱尺寸的限制要求，還要考慮天線結(jié)構(gòu)對氣流流通的影響，天線尺寸過大，會阻礙氣體的流通。從表1中可看出，高度為31.25 mm線狀天線結(jié)構(gòu)最小，其次是軸向模螺旋天線。八木天線與軸向模螺旋天線的結(jié)構(gòu)對氣體流通的影響較大?；诎四咎炀€結(jié)構(gòu)特點，只能通過減小天線尺寸從而降低八木天線對氣流的影響，但該措施會大幅降低天線激發(fā)性能。軸向模螺旋天線在不影響自身性能的前提下，可在反射板增加通氣孔來降低天線對氣流的影響。

為進(jìn)一步掌握3種天線在鉆柱內(nèi)部的微波激發(fā)狀況，利用HFSS仿真軟件模擬鉆柱內(nèi)孔信道搭建仿真模型，將天線置于信道模型的端頭處。選擇139.7 mm(5in)鉆桿的最小內(nèi)徑作為信道模型直徑，將鉆桿內(nèi)壁材料設(shè)置為steel，將輻射邊界設(shè)置為Finite Conductivity，鉆桿外壁設(shè)置為perfect E，作為接地面。考慮到計算機硬軟件資源的限制，將鉆柱信道長度設(shè)置為1 m，該條件下鉆柱內(nèi)孔信道已分布多個完整波形，不影響波瓣寬度和方形系數(shù)等參數(shù)的分析。3種天線信道仿真模型如圖3(a)、(b)、(c)所示。3種天線在鉆柱信道的遠(yuǎn)場圖如圖4(a)、(b)、(c)所示。

圖3 鉆柱內(nèi)部天線仿真模型圖

圖4 鉆柱內(nèi)部天線 3D 遠(yuǎn)場輻射

從3種天線在鉆柱信道中的遠(yuǎn)場圖可以得到3種天線主瓣寬度、方向系數(shù)，見表2。

表2 天線半功率波瓣寬度及方向性系數(shù)

從表中可得到以下結(jié)論：軸向模螺旋天線主瓣更窄，激發(fā)能量更為集中，且負(fù)向能量也最小。如果將軸向模螺旋天線軸線與鉆柱軸線重合，激發(fā)波束的主能量沿鉆柱軸線傳播，徑向能量分布較少，減少在管壁不斷反射、畸變、衰減的電磁波能量占比，即降低管壁對電磁波反射作用。同時該天線在鉆柱軸線垂直平面激發(fā)圓極化平面波，并沿鉆柱內(nèi)孔軸向傳播，因此只需保證接收天線軸線在安裝位置與鉆柱軸線重合，即可充分感應(yīng)到電磁波能量，降低了鉆柱發(fā)生輕微扭轉(zhuǎn)的負(fù)面影響。因此從波束形狀與信道形狀匹配的角度來看，軸向模螺旋天線對鉆柱內(nèi)孔信道適配度最高。

2.2 天線能量激發(fā)性能的分析

為簡化分析過程，提高研究效率，直接采用有限元法(FEM)對線狀天線、八木天線和軸向模螺旋天線的電磁波激發(fā)性能進(jìn)行仿真對比。仿真參數(shù)為電壓駐波比、自反射系數(shù)S11(單位：dB)以及天線增益(單位：dB)。仿真結(jié)果如圖5～圖7所示，性能參數(shù)見表3。

圖5 天線電壓駐波比

在圖5中，3種天線電壓駐波比均小于2.0，說明3種天線都滿足天線阻抗帶寬的要求。從圖6可知，3種天線的諧振頻率基本集中在2.4 ～2.45 GHz之間，且軸向模螺旋天線在帶寬內(nèi)出現(xiàn)2個諧振頻率，第2個諧振頻率為2.65 GHz。通過圖6可知，在2.4 GHz頻段附近，線狀天線的3 dB帶寬約為230 MHz，帶寬在3個天線中最小，軸向模螺旋微帶天線與線狀天線帶寬基本一致，約為450 MHz，但帶寬內(nèi)線狀天線回波損耗最小，天線阻抗匹配效果最好。結(jié)合圖7和表3，2.4 GHz頻段，八木天線與軸向模螺旋天線增益均大于10 dB，軸向模螺旋天線增益略優(yōu)于八木天線，在鉆柱內(nèi)部的傳輸效果更好、傳輸距離更遠(yuǎn)。

圖6 天線S11參數(shù)

圖7 天線增益

表3 天線性能參數(shù)

2.3 天線形式對傳播距離的影響分析

天線研究的主要目的是提升通信系統(tǒng)有效傳輸距離，在對天線性能研究的基礎(chǔ)上，需通過系統(tǒng)有效的傳輸距離計算，判斷所設(shè)計天線是否能滿足鉆井過程的要求。鉆柱內(nèi)孔信道為封閉空間，若采用軸向模螺旋天線進(jìn)行微波激發(fā)，應(yīng)使天線軸線與鉆桿軸線重合。由于鉆桿內(nèi)孔長度遠(yuǎn)大于微波波長，且充滿空氣介質(zhì)，故可認(rèn)為在鉆桿內(nèi)孔中，螺旋天線可在軸向上自由激發(fā)微波。在忽略鉆桿變徑結(jié)構(gòu)，并假設(shè)鉆桿內(nèi)壁為良導(dǎo)體條件下，其損耗可采用天線在空氣中輻射能量時的自由空間損耗Ls(單位：dB)進(jìn)行計算，其表達(dá)式為[26]：

Ls=92.45+20lgf+20lgr

(11)

式中：f為天線工作頻率,GHz；r為天線傳輸距離，kM。另一方面，在不計收、發(fā)端接頭損耗，僅考慮鉆桿圓柱結(jié)構(gòu)對天線形成損耗的情況下，接收端靈敏度Pr的表達(dá)式如式(12)所示[26]：

Pr=Pt+Gt+Gr-Ls-Lb

(12)

式中：Pr、Pt分別為射頻收發(fā)器的接收靈敏度和發(fā)射功率,dBm，可通過查閱射頻收發(fā)器參數(shù)確定具體數(shù)值。若采用普通民用射頻收發(fā)器，其接收信號靈敏度Pr一般為-80 dBm，發(fā)射功率Pt一般為20 dBm。故根據(jù)式(11)、(12)可得，軸向模螺旋天線在2.4 GHz頻段的有效傳輸距離r滿足方程：

20 lgr+Lb-Gt-Gr=-9.95

(13)

上式中Lb為鉆柱內(nèi)孔圓柱結(jié)構(gòu)對天線激發(fā)所造成的損耗，在一定距離范圍內(nèi)隨鉆柱長度成線性變化。而實際上當(dāng)鉆柱達(dá)到一定長度時，鉆柱內(nèi)部損耗Lb將不再隨鉆柱長度增加而明顯增大，故在通信距離較大時，該數(shù)值可用常數(shù)替代。通過儀器測量，當(dāng)傳輸距離大于200 m時[27]，對于139.7 mm(5in)鉆桿Lb≈30 dB。Gt與Gr分別為天線發(fā)射和接收增益，單位dB，且根據(jù)天線互易原理，發(fā)射與接收增益均為同一數(shù)值，由表3可知本設(shè)計的軸向模螺旋天線增益為12.4 dB，故采用該軸向模螺旋天線，系統(tǒng)有效傳輸距離r約為460 m，相比采用AN2400-0101線狀天線的傳輸系統(tǒng)[27]，傳輸距離有較明顯的提升。通過實驗室鉆桿模型進(jìn)行實測，采用八木天線在單根9.2 m鉆柱內(nèi)孔傳輸，信號衰減約為2.42 dBm，即在同樣發(fā)射功率Pt，以及同樣信號靈敏度Pr條件下，能有效傳輸?shù)你@桿數(shù)量約為41根，總距離約為377 m。該數(shù)據(jù)雖優(yōu)于線狀天線，但與軸向模螺旋天線有較大差距。

3 鉆柱內(nèi)孔適配天線性能測試及驗證

綜合所述傳輸距離、天線性能以及天線尺寸3個重要指標(biāo)可知，軸向模螺旋天線較適合用于鉆柱狹長的內(nèi)部空間。確定軸向模螺旋天線直徑D為40 mm，螺距S為30 mm，圈數(shù)為7，在半徑為35 mm反射板設(shè)計了35個直徑5 mm的通氣孔，并制作實物天線進(jìn)行性能測試和驗證。

3.1 測試平臺的搭建及測試方法

驗證測試裝置位于中國油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，被測模型由1根完整的API 139.7 mm(5in)鉆桿和1個鉆桿母頭短節(jié)連接而成，雖然測試模型采用 139.7 mm(5in)API鉆桿，但測試分析方法及測試數(shù)據(jù)也適用于其他型號鉆具，僅在具體的參數(shù)取值上稍有差異。將發(fā)送天線安裝在鉆桿管體段的始端，將接收天線安裝在母頭短節(jié)中管體段的始端，即插入收發(fā)天線后，兩天線之間成為1根連接后完整的鉆桿單元，即包含1段8.1 m鉆桿管體段、1對1.15 m上扣的公母接頭，距離約為9.25 m。測試裝置的接收天線可在9.25～8.25 m距離范圍內(nèi)沿軸向移動，鉆桿內(nèi)壁無明顯銹蝕，如圖8所示。測試中鉆孔里是空氣，實際鉆井過程一般注入干燥后的壓縮空氣，其介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等參數(shù)變化較小，最終計算信道阻抗等參數(shù)變化可忽略，故可忽略測試的誤差。

圖8 鉆桿單元實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)圖(未按實際尺寸繪制)

現(xiàn)場實際采用的2.4 GHz頻段微波模塊可通過頻率微調(diào)方式調(diào)整輸出載波頻率，經(jīng)測試在2.3～2.7 GHz頻段均能較穩(wěn)定地輸出微波信號，故采用HP8753網(wǎng)絡(luò)分析儀在2.3～2.7 GHz頻段進(jìn)行掃頻，測試3種不同天線條件下傳輸系統(tǒng)的傳輸系數(shù)S21，以對3種天線進(jìn)行對比驗證測試。線狀天線測試過程中，使其軸線與鉆桿軸線垂直，并調(diào)節(jié)天線支撐架角度，保證收發(fā)天線基本處于同一平面。八木天線和螺旋天線測試過程中，沿鉆桿軸向調(diào)節(jié)天線支撐架位置，使2種天線頂端位置與線狀天線軸線位置保持一致，即保證3種天線在測試過程中，收發(fā)天線之間距離一致。測試條件和環(huán)境一致，其測試結(jié)果的差別即為天線性能的差別。

3.2 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

測試結(jié)果對比分析如圖9所示，可以看出，在2.3～2.7 GHz頻段，天線實際接收狀況與理論值基本吻合，線狀天線和八木天線分別在2.385 GHz和2.455 GHz有最佳傳輸效果。而軸向模螺旋天線諧振點分別在2.424 GHz和2.655 GHz，與仿真基本一致，驗證了仿真結(jié)果的正確性。軸向模螺旋天線在2.424 GHz有最好的激發(fā)效果，達(dá)到-29.6 dB，其數(shù)值高于線狀天線20.88 dB，高于八木天線16 dB左右，其性能明顯優(yōu)于其他2種天線。同時其最佳頻點相較于2.4 GHz，僅偏移了24 MHz，偏移量最少，其與微波激發(fā)元件的匹配程度也最佳，即可通過簡單設(shè)置微波模塊的偏移頻點實現(xiàn)該頻點微波激發(fā)。而八木天線則需采用超頻方式，對微波器件的性能有一定影響。

圖9 測試結(jié)果對比分析圖

此外，從圖9中也可以看出，天線實際性能與理論值及仿真結(jié)果還存在一定誤差，如諧振頻點有一定變化，且軸向模螺旋天線相較于八木天線，其性能提升幅度也大于仿真結(jié)果。造成該誤差原因有4種可能：其一，設(shè)計天線阻抗值與50 Ω有偏差，存在一定反射，未能與射頻收發(fā)器完全匹配；其二，鉆柱內(nèi)孔并不是完整的細(xì)長圓柱，有一些變徑結(jié)構(gòu)，對天線性能造成一定的影響；其三，鉆柱內(nèi)部表面并非是完全干凈、光滑的，有輕微的磨損、銹蝕現(xiàn)象，對測試結(jié)果有一定干擾；其四，測試線路較長，線損較為嚴(yán)重。

4 結(jié) 論

鉆柱為長直管狀，其內(nèi)孔基本為一狹長柱狀空間，可建立2～3 GHz頻段微波信道。對于目前氣體鉆井廣泛采用的139.7 mm(5in)鉆桿，根據(jù)其鉆柱內(nèi)孔結(jié)構(gòu)尺寸適宜采用2.4 GHz工作頻段天線。理論及試驗結(jié)果均表明：軸向模螺旋天線能激發(fā)圓極化平面波沿鉆柱內(nèi)孔軸向傳播，其半功率波瓣寬度及方向性系數(shù)與鉆柱內(nèi)孔信道結(jié)構(gòu)特征最為匹配。應(yīng)用該天線可以降低鉆柱扭轉(zhuǎn)對微波收發(fā)產(chǎn)生的不利影響，并能降低管壁的反射，減少微波損耗，從而提高有效傳輸距離。

從實測結(jié)果可以看出，以一根鉆桿內(nèi)孔作為微波信道，在2.4 GHz頻點附近，軸向模螺旋天線相較于普通全向天線，其S21參數(shù)能提高21 dB左右，提升效果明顯。且該天線可以采用與鉆桿同軸方式安裝，減少對氣流通道的影響。利用該天線在鉆柱內(nèi)孔微波信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，形成微波傳輸隨鉆測量技術(shù)(MMWD)，將在很大程度上解決目前氣體鉆井技術(shù)井下風(fēng)險監(jiān)控的難題，大幅擴展氣體鉆井的應(yīng)用范圍，因此該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景和實用價值，具有進(jìn)一步研究和推廣的現(xiàn)實意義。