蘇毅，齊昕，劉陽，張金光

（1. 北京科技大學機械工程學院；2. 山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司地質處）

0 引言

在石油、天然氣及煤礦的開采鉆井工程中，需要由井下實時向地面?zhèn)鬏敎y量信號，這些信號主要包括地層流體、巖性和儲集層物性等巖石物理識別信號，以及鉆頭的方向、位置、軌跡和造斜工具面向等工程參數信號。信號的采集主要由安裝在鉆頭上的各種測量傳感器實現，而信號的傳輸則主要采用鉆井液脈沖技術MWD（Measurement While Drilling）[1-3]，即鉆井時鉆桿中充滿鉆井液，利用波型發(fā)生器在鉆井液中產生機械脈沖波，以鉆井液為介質傳輸脈沖信號。這種方式數據傳輸速率低，鉆井液脈沖信號發(fā)生裝置結構復雜，并且只適用于不含氣的純液體鉆井。近年來，隨著鉆井技術的發(fā)展，欠平衡鉆井和氣體鉆井技術相繼出現[4]，俄羅斯和美國學者相繼開始研究電磁波隨鉆測量技術，即利用電磁波把數據從井底通過地層傳輸到地面，這項技術的主要問題是，地層的電導率太高或太低都對電磁波的傳播深度有不利影響[5-6]。這項技術產品昂貴，而且美、俄兩國對外實施技術封鎖，國內在這方面的理論和實驗都很缺乏[7]。

載波技術自20世紀發(fā)展至今，在通常的有線和無線載波通信方面已相當成熟，但應用到隨鉆測量領域則要解決新的問題，因其并不是單純的有線通信。本文利用載波技術，將電磁波信號加載到鉆桿上，利用鉆桿-大地構成的傳輸信道將電磁波信號傳輸到地面，從而實現地面與井下的通信。

1 電磁波隨鉆測量系統(tǒng)信號傳輸原理

電磁波隨鉆測量中，通常采用截斷鉆桿的形式，用絕緣短節(jié)將上下兩段鉆桿連接起來，構成不對稱的偶極子天線來發(fā)射電磁波，其缺點在于：一方面絕緣段要承受巨大的扭矩和壓力，從而大大降低了鉆桿的可靠性和壽命；另一方面為了增強電磁波透過地層時的穿透能力，電磁波的發(fā)射頻率很低，通常為 10～30 Hz，很難獲得高的數據傳輸速率。此外，利用鉆桿發(fā)射電磁波時，電磁波向四周輻射，能量并不集中，接收點的信號微弱，使傳輸深度受到很大影響。針對以上問題，為了保證鉆桿的可靠性和壽命，增大傳輸距離，可利用電力線載波通信原理，通過鉆桿的“引導”作用將較高頻率的電磁波傳輸到接收點，不僅降低了電磁波的輻射損耗，而且還可提高數據的傳輸速率。

1.1 電力線載波通信原理

電力線載波系統(tǒng)的原理見圖1。利用電力線實現載波通信，最重要的問題是把高頻信號耦合到電力線上。通常采用相地耦合方式，由耦合電容和結合濾波器構成一個高通濾波器，使高頻信號順利通過，達到將高頻信號耦合到電力線的目的。阻波器是一個調諧電路，其電感線圈為能通過50 Hz電流的強流線圈，而整個調諧電路在高頻信號頻率附近諧振，阻止高頻信號流過，防止了發(fā)電廠或變電所母線對高頻信號的旁路作用。

圖1 電力線載波系統(tǒng)原理框圖

1.2 基于載波技術的電磁波隨鉆測量系統(tǒng)

鉆井工程中，利用轉動的鉆桿帶動鉆頭旋轉導向鉆進，鉆桿一般由超高強度鋼制成，具有優(yōu)良的導電性能。基于以上電力線載波通信原理，可將鉆桿等效為電力線，將其作為載波信號的傳輸信道，便可構成電磁波隨鉆測量系統(tǒng)（見圖 2）。電磁波隨鉆測量系統(tǒng)由井下發(fā)射機和井上接收機組成，井下機安裝在無磁鉆鋌內，其中的各種傳感器對井下參數如溫度、壓力、鉆具姿態(tài)角、儲集層物性、自然伽馬等進行測量，然后通過載波模塊將測量結果加載到一定頻率的電磁波上，經過濾波、放大等處理后通過相地耦合方式加載至鉆桿，利用鉆桿和大地構成的傳輸信道傳輸到地面。井上機接收井下傳來的數據，經過濾波、解調等處理后，在上位機上進行顯示，供司鉆人員了解井下工況，控制鉆進軌跡。

圖2 電磁波隨鉆測量系統(tǒng)構成

2 電磁波傳輸特性

2.1 電磁波在地層中的傳輸特性

電磁波透地通信中，影響電磁波傳播的主要因素是大地媒質的電磁參數，包括：電導率、磁導率和介電常數，這3個參數共同影響電磁波在地層中的傳播，傳播系數表達式如下：

其中

考慮到地層的磁導率與自由空間的磁導率相同，地層中的傳播系數可寫為：

當媒質導電時，由于 σ / ω ε＞＞ 1，趨膚深度可簡化為。趨膚深度反映電磁波的穿透能力，說明電磁波的穿透能力與電磁波的頻率（f）及媒質的電導率有關，頻率越高，媒質的電導率越大，電磁波的穿透能力越小，即信號衰減越嚴重，傳播距離也就越短。由于地層對電磁波的衰減嚴重，接收點的信號微弱，在需要透過地層實現無線通信時可利用的頻帶僅有甚低頻及以下頻段。

2.2 電磁波在鉆桿中的傳輸特性

由于鉆井空間狹小，利用轉動的鉆桿作為電磁波的傳輸信道，實際可行的激勵方式只有垂直電天線（沿鉆桿的軸向電流）和垂直磁天線（繞鉆桿的水平電流環(huán)激起沿鉆桿方向的磁場），分別激勵起電型（TM）和磁型（TE）場。解這兩種場沿導電圓柱傳播的模方程[8]，結果表明，對應TE波的磁型場衰減率較TM波的電型場高3～4個量級。因此，最適合的激勵方式為垂直電天線。

導行電磁波的分析方法有基于場的分析方法和基于路的分析方法兩種。根據鉆桿中電磁波的傳輸模式，采用“路”的分析方法更為簡便，即將鉆桿等效為均勻傳輸線[9-10]。

對于均勻傳輸線，可在傳輸線上任意一點 z處取線微元dz進行研究。根據分布參數電阻、電感、漏電導、電容的物理意義，dz長度傳輸線段上存在并聯(lián)分布電容C1dz、串聯(lián)分布電感L1dz、串聯(lián)分布電阻R1dz和并聯(lián)分布漏電導 G1dz。由此可根據“路”的分析方法畫出傳輸線的等效電路（見圖3）。

圖3 傳輸線微元等效模型

根據基爾霍夫定律得：

可得：

（6）式、（7）式即為電磁波在鉆桿中傳播時電壓與電流所滿足的微分方程。其中， R1= ρ 2b τ (1 ? τ2b)，L1=μ02πl(wèi)n(D b)，G1=2πσ ln( D b)，C1=2πε ln(D b)。

為確定D的大小，可令等效傳輸線的總并聯(lián)導納等于鉆桿獨立存在時鉆桿到無窮遠處的導納，即：

由此得到等效傳輸線的等效半徑D=2h。

若令U（z）和I（z）分別為z處的復數電壓和復數電流，則（6）式與（7）式的復數形式為：

對（9）式、（10）式求導，得：

（11）式、（12）式稱為傳輸線的波動方程。它們的通解形式為：

3 電磁波隨鉆測量系統(tǒng)總體設計

電磁波隨鉆測量系統(tǒng)基本組成原理見圖4，主要由井上機和井下機兩部分組成。井上機與井下機的組成單元都包括發(fā)射和接收兩大部分。井下機主要負責各種參數的測量、發(fā)送及相關指令的執(zhí)行，井上機則接收從井下發(fā)送來的數據并進行顯示、處理，同時也向井下發(fā)送控制指令。除此之外，兩者的不同之處在于井上機發(fā)射功率大，體積也大。井下機發(fā)射功率小，徑向尺寸受到限制。

圖4 電磁波隨鉆測量系統(tǒng)組成原理框圖

井下機安裝在無磁鉆鋌內，電池和線路板均裝在抗壓殼內，鉆井介質可在外管與抗壓殼間的環(huán)狀間隙內流動。井下機有 2種工作模式：應答工作模式和自動工作模式。應答模式時，井下機只有在接收到井上下傳的指令時才發(fā)送數據，其余時間處于待機模式，只保存測量結果，以節(jié)省電源。自動工作模式即井下機按照機內預定程序工作，在下井前應由外部計算機輸入發(fā)射參數，包括發(fā)射頻率、采樣時間和發(fā)送時間間隔等。在不發(fā)送信號的時間，將采集的數據記錄儲存；若井下機在規(guī)定長度的時間內未接到地面?zhèn)鱽淼闹噶?，井下機就會轉換成自動工作模式，向井上發(fā)送數據。

4 實際系統(tǒng)研制

根據以上方案設計了接收機與發(fā)射機。接收機與發(fā)射機的控制器采用51系列單片機C8051F021，載波模塊選用美國國家半導體器件公司（National Semiconductor）開發(fā)的載波通信集成芯片LM1893。接收機與發(fā)射機集成了發(fā)送和接收數據的全部功能，可實現串行數據的半雙工通信，其主要性能如下：采用頻移鍵控 FSK（Frequency Shift Keying）抗噪聲調制技術；可選擇噪聲濾波的脈沖發(fā)生器；采用正弦波載頻可以降低射頻干擾，射頻功率可增強l0倍。接收機與發(fā)射機的組成單元見圖5。

圖5 接收機與發(fā)射機的組成單元

4.1 信號耦合變壓器參數設計

在載波系統(tǒng)中，如果將信號直接加載到鉆桿上，一方面會由于阻抗不匹配而使有用信號的傳輸效率大大降低，同時還會把干擾信號加載到鉆桿上，增大了對有用信號的干擾，降低了數據傳輸的可靠性。為此，采用耦合變壓器將電磁波信號耦合到鉆桿，調節(jié)變壓器的諧振頻率為信號的載波頻率，在滿足阻抗匹配的前提下還可作為濾波器濾除無用雜波，從而提高了有用信號的傳輸效率和可靠性。同時，變壓器在此還可以起到保護系統(tǒng)中微電子器件的作用。

依據負載Z可能的最小值Zmin選擇變比N。為了能夠在滿信號時驅動Zmin，N應該取可能的最大值。實際設計時，可以先選擇一個可能偏高的N值，然后進行實際性能驗證，以此來確定一個合適的值。LMl893芯片資料手冊中推薦使用的變壓器副邊抽頭的取值有3個，分別為 7.07、10.0和 14.1，理論上分別驅動的Zmin為14.0 ?、7.0 ?和3.5 ?，根據實際需要本系統(tǒng)取N為10。標準的變壓器工作時其自感阻抗比負載阻抗大得多，因此耦合變壓器需要低的原邊電感以與品質因數相適應。要求變壓器的原邊電感值，需先計算其等效阻抗：

LM1893芯片資料手冊中，VALC的取值為4.7 V，V+的取值為18 V，Io的取值為0.03 A，代入（15）式后得變壓器等效阻抗為443.3 ?。

為了提高耦合變壓器的信號傳輸效率，取諧振頻率 FQ=FO，它需要最小化的帶寬，即最大化的品質因數值確保信號在滿負載時能夠通過。因此，取帶寬BW=11.5FO，FO=125 kHz，則線圈品質因數為：

求解出變壓器原邊線圈的電感值Lin后，根據選擇的變壓器磁芯就可以計算出原邊的繞組匝數。本系統(tǒng)采用型號為EE05的高頻鐵氧體磁芯，其每匝的電感量LT=285 nH/匝2，則原邊繞組匝數為：

原邊線圈與副邊線圈的匝數比為10，故可求出變壓器副邊繞組的匝數為 1.31?？梢姡边吚@組的匝數很小，這樣會影響變壓器的精度。實際應用中，通過在變壓器中適當增加氣隙，可以適當增加繞組匝數。本系統(tǒng)采用此方法將原邊線圈和副邊線圈的匝數加倍，即原邊線圈匝數取26.3匝，副邊線圈匝數取2.6匝。

4.2 系統(tǒng)性能優(yōu)化

4.2.1 采用FSK+DSSS調制

鉆進過程中，鉆具工作環(huán)境惡劣，如溫度升高、噪音、震動、沖擊等都會對電磁波信號造成干擾。同時由于不同地區(qū)地質條件差別很大，在大地電磁信道模型不變的前提下，利用電磁波進行透地通信時，需要選擇最佳的調制方式，以提高信號的抗干擾性能。直接序列擴頻DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）用高速率的偽噪聲碼序列與信息碼序列模二加（波形相乘）后的復合碼序列控制載波的相位而獲得直接序列擴頻信號，即將原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率，從而可以獲得良好的抗噪聲干擾性能。于是，在系統(tǒng)原FSK調制方式的基礎上增加 DSSS直接序列擴頻方式，使電磁波信號的抗干擾性能得到提高，保證數據傳輸的可靠性。同時，為了降低隨鉆測量數據的冗余度，可采用高效數據操作壓縮編碼方法[11]，以提高隨鉆測量系統(tǒng)的傳輸效率。

4.2.2 增加井下信號頻率可調范圍

鉆井過程中，鉆遇不同的地層其電阻率可能差別很大。當電磁波信號的工作頻率較高時，地層電阻率的大小成為限制信號最大可測深度的主要因素。為了減少數據傳輸的誤碼率，提高測量的可靠性，增加最大可測深度，可根據相應的地質條件調節(jié)電磁波信號的工作頻率，從而滿足不同地質條件對信號傳輸的要求。

5 實驗驗證

5.1 實驗原理介紹

發(fā)射機與接收機研制完成后，由于目前尚不具備現場鉆井實驗的設備條件，故進行了4次原理性試驗。分別在田野里、道路邊、運河畔和煤礦礦區(qū)進行，主要為測試不同地質條件對遠距離數據傳輸的影響，測試距離為700 m左右。

測試方法：用一根長700 m的導線代替鉆桿，模擬鉆桿對電磁波信號的傳輸作用。發(fā)射機與變壓器的原邊相連，變壓器的副邊一端接大地，另一端接導線。在導線的另一端，用同樣的方法連接接收機（見圖6）。同時在導線中間串聯(lián)多個電阻以模擬多節(jié)鉆桿間的接觸不良情況。發(fā)射機采用應答工作模式，由發(fā)射機發(fā)射從1至30的數據串調制波。接收機接收到數據后，進行處理，然后通過串口發(fā)送至上位機進行顯示。

圖6 接收機與發(fā)射機連接方式示意圖

5.2 實驗結果

5.2.1 FSK調制與FSK+DSSS調制對比

載波頻率125 kHz，采用FSK調制，當數據傳輸速率為50 bit/s時，4次試驗數據傳輸均正確，無誤碼。提高數據傳輸速率至100 bit/s時，誤碼率約為5%；當增加到300 bit/s時，誤碼率約為10%。采用FSK+DSSS調制，當數據傳輸速率分別為50 bit/s和100 bit/s時，4次實驗數據傳輸均正確，當增加到300 bit/s時，誤碼率僅為5%?？梢奆SK+DSSS調制方式可明顯提高數據傳輸的可靠性。

5.2.2 不同載波頻率對比

采用FSK調制，數據傳輸速率100 bit/s，當載波頻率為125 kHz時，4次試驗的誤碼率分別約為3%（田野、道路邊）、5%（運河畔）、6%（煤礦礦區(qū)）。降低載波頻率至65 kHz時，4次試驗中田野、道路邊及運河畔的誤碼率約為1%，煤礦礦區(qū)約為3%?？梢?，根據不同的地質條件改變載波頻率，可以減小數據傳輸的誤碼率，保證測量結果的可靠性。

5.2.3 地面接收點電壓與傳輸深度、載波頻率的關系

由圖 7可知，在其余參數如數據傳輸速率、調制方式、發(fā)射功率以及傳輸深度相同的情況下，地面接收電壓隨信號載波頻率的增大而減小，即信號載波頻率越高，信號衰減就越快?？梢?，要想提高遙測深度就必須降低信號載波頻率，但這會降低數據的傳輸速率而使信息滯后，影響隨鉆測量的實時性。實際工作中，可根據相應的地質條件對信號的載波頻率進行調節(jié)，使其滿足信號傳輸的要求。

圖7 地面接收點電壓與傳輸深度、載波頻率的關系

6 結論

本文基于載波通信原理，給出了電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的總體構成及設計方案。為了驗證設計的可行性，采用 LM1893作為載波模塊，研制出了實際的井上接收機與井下發(fā)射機系統(tǒng)，同時給出了系統(tǒng)的優(yōu)化設計。室外載波通信實驗表明，利用載波技術將電磁波加載至鉆桿，通過鉆桿-大地構成的傳輸信道，能夠把井下測量參數傳輸到地面，同時還可把地面設置參數及指令發(fā)送到井下，實現地面與井下的雙向通信。為了增強信號的抗干擾能力，可以采用FSK+DSSS調制方式，同時應根據不同的地質條件來改變載波頻率，使其滿足信號傳輸的要求，從而降低數據傳輸的誤碼率，保證測量結果的可靠性，提高遙測深度。與傳統(tǒng)的電磁波隨鉆測量系統(tǒng)相比，基于載波技術的隨鉆測量系統(tǒng)數據傳輸速率高，結構簡單，成本低，易于實現，在自動化導向鉆井領域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

符號注釋：

k——地層中的傳播系數；j——復數的虛部；ω——電磁波的角頻率，rad/s；μ——磁導率，H/m；σ——電導率，S/m；ε——介電常數，F/m；α——衰減常數，Np/m；β——相位常數，rad/m；E——電場強度振幅值，V/m；E0——電場強度起始振幅值，V/m；δ——趨膚深度，m；λ——電磁波波長，m；εr——介質的相對介電常數；u——傳輸線微元端路電壓，V；i——傳輸線微元回路電流，A；t——計算時間，s；R1——串聯(lián)分布電阻，?/m；L1——串聯(lián)分布電感，H/m；G1——并聯(lián)分布漏電導，（?·m）?1；C1——并聯(lián)分布電容，F/m；ρ——鉆桿電阻率，?·m；b——鉆桿的外半徑，m；τ——鉆桿壁厚，m；μ0——地層的磁導率，H/m；D——等效半徑，m；g——鉆桿到無窮遠處的分布導納，（?·m）?1；h——鉆桿的長度，m；R∞——鉆桿到無窮遠處的等效電阻，?；ψ——衰減系數，Np/m；φ——相位系數，rad/m；Vo——芯片輸出電壓有效值，V；Po——輸出功率有效值，W；VALC——芯片IO引腳最大允許電壓值，V；V+——芯片電源電壓，V；Io——輸出電流最大值，A；Rin——變壓器等效阻抗，為副邊反射阻抗與原邊等效阻抗的并聯(lián)，?；QL——線圈品質因數；FQ——耦合變壓器諧振頻率，Hz；FO——電磁波信號載波頻率，Hz；BW——耦合變壓器帶寬，Hz。

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