孫 浩 玉

(1.中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580;2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017)

目前，國內(nèi)隨鉆信息的實(shí)時(shí)傳輸主要通過鉆井液脈沖方式，其理想傳輸速率僅為2～5 bit/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足眾多參數(shù)隨鉆實(shí)時(shí)快速傳輸要求。美國IntelliServ公司生產(chǎn)出一種基于電磁感應(yīng)耦合原理的高速隨鉆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，利用鉆桿接頭處的耦合線圈來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的非接觸式傳輸，數(shù)據(jù)沿著鉆桿內(nèi)的信號(hào)線經(jīng)過耦合器沿鉆桿逐級(jí)進(jìn)行傳輸，也稱為磁感應(yīng)傳輸系統(tǒng)［1-2］。該系統(tǒng)傳輸?shù)淖罡邔?shí)驗(yàn)速率可達(dá)2 Mbit/s、應(yīng)用速率為56 kbit/s，無中繼傳輸可達(dá)20～30節(jié)鉆桿，既解決了電磁波、鉆井液脈沖等技術(shù)速率低的問題，又克服了有線傳輸中磨損的缺點(diǎn)，被譽(yù)為近25年來鉆井技術(shù)最重大的進(jìn)步之一。目前，磁感應(yīng)耦合傳輸技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)還沒有相關(guān)報(bào)道。筆者通過大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步探索，研制出磁感應(yīng)傳輸?shù)哪M實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)該傳輸技術(shù)及其信道的頻率特性進(jìn)行分析與討論。

1 信號(hào)的感應(yīng)耦合傳輸原理

磁感應(yīng)耦合原理見圖1，兩個(gè)相互靠近的N匝線圈1和2，分別稱為初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，兩個(gè)線圈的電感量都為L，初級(jí)線圈的電流i1將產(chǎn)生磁通Φ11，其穿過次級(jí)線圈的部分稱之為耦合磁通Φ21，未穿過次級(jí)線圈的部分稱為漏磁通Φ1n，兩線圈之間磁通相互匝鏈的關(guān)系稱為磁耦合，定義耦合系數(shù)k=Φ21/Φ11，表征兩個(gè)線圈耦合的強(qiáng)弱程度。

圖1 感應(yīng)耦合傳輸原理Fig.1 Principle of inductively coupled transmission

由電磁感應(yīng)定律表可知，耦合磁通Φ21的變化將會(huì)引起線圈2感應(yīng)電勢(shì)的變化，其大小如下:

式中，M為兩個(gè)線圈之間互感的大小，M=kL，k為耦合系數(shù)。通過線圈間的電磁感能夠使能量或信號(hào)由一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈中［3-4］，這就是感應(yīng)耦合傳輸?shù)脑怼Ｓ捎诰€圈間間隙的存在必然會(huì)產(chǎn)生漏磁通Φ1n，信號(hào)或能量在傳輸時(shí)就會(huì)發(fā)生損耗，因此要提高傳輸效率就必須采取措施減小漏磁通。該系統(tǒng)采用磁芯聚攏磁力線來提高耦合系數(shù)k。

實(shí)際磁感應(yīng)耦合系統(tǒng)中，用鐵氧體材料制成環(huán)狀磁芯，線圈環(huán)繞在環(huán)狀磁芯的槽內(nèi)并進(jìn)行密封制成耦合器。耦合器兩端分別裝入鉆桿公接頭的前端和母接頭的臺(tái)肩處(鉆桿接頭處要經(jīng)過特殊加工)，鉆桿連接后耦合器兩端的線圈并無直接連接，間距在1～2 mm，鉆桿的對(duì)接示意圖參見圖2。耦合線圈1、耦合線圈2分別對(duì)應(yīng)圖1中的兩個(gè)線圈，電纜用于連接鉆桿兩端的線圈構(gòu)成回路，鉆桿對(duì)接以后兩個(gè)線圈距離很近，即可實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)耦合信號(hào)傳輸。

圖2 鉆桿對(duì)接示意圖Fig.2 Diagram of drill pipe connections

2 感應(yīng)耦合器的頻率特性

根據(jù)高頻變壓器原理［5］，提出感應(yīng)耦合器電路模型如圖3中虛線框內(nèi)部所示。圖3中，電阻R表示線圈的直流損耗，Rm表示磁芯在高頻下的磁滯損耗和渦流損耗，電容Cs是線圈的分布電容，Cp是變壓器兩線圈之間的雜散電容，L為感應(yīng)耦合器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的自感，M為互感。

圖3 感應(yīng)耦合器的電路模型Fig.3 Circuit model of inductive couple

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路模型在計(jì)算諧振頻率時(shí)不能采用耦合器單邊的電感L，而是必須通過互感M來計(jì)算，這和間隙較大如能量耦合諧振頻率的計(jì)算只采用單邊的電感和電容［6-7］是完全不同的，因此該模型只適用于小間隙的信號(hào)耦合傳輸。

模型的參數(shù)計(jì)算過程十分繁瑣，不同的線圈結(jié)構(gòu)以及磁芯材料其結(jié)果都不相同。采用LCR測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量:電感可直接測(cè)量，互感采用串聯(lián)法測(cè)量;將輸入和輸出端同時(shí)短接，測(cè)量?jī)蓚€(gè)同名端可得分布雜散電容Cp;分布電容Cs的測(cè)量采用外加并聯(lián)電容諧振法［8-9］;磁滯和渦流損耗Rm難以直接測(cè)量得到，只能通過實(shí)測(cè)和仿真對(duì)比得到大致的取值范圍。上述的電容和電感值在不同頻率下的測(cè)量值會(huì)有較大差別，因此要進(jìn)行分段測(cè)量，如在1～3 MHz的頻段內(nèi)，電感L值變化最大從70增大120 μH，耦合系數(shù)k從0.6～0.7變化，分布電容值和雜散電容值變化較小測(cè)量值分別為十幾個(gè)pF和幾個(gè)pF，磁滯和渦流損耗Rm的數(shù)量級(jí)在幾十kΩ其取值對(duì)模型的計(jì)算影響可忽略。

實(shí)測(cè)和仿真的電路與圖3相同，其中:Us和r分別代表信號(hào)源及其內(nèi)阻，輸出電壓的峰值為2 V，RL和CL為采樣探頭的等效阻抗，耦合器的傳輸特性實(shí)測(cè)曲線如圖4中的實(shí)線所示。

由圖4測(cè)試曲線可知:信號(hào)傳輸?shù)闹C振頻點(diǎn)在2.1 MHz左右，由諧振點(diǎn)計(jì)算公式f=1/2π可知，改變模型中電容和電感參數(shù)可調(diào)整諧振頻點(diǎn)，但是模型中電容參數(shù)難以控制，線圈電感的改變相對(duì)容易，如:減小耦合器的線圈匝數(shù)來減小電感值，進(jìn)而獲得更高的諧振頻點(diǎn)來提高傳輸速率，但電感值減小的同時(shí)也會(huì)降低傳輸效率，因此電感值需兼顧速率和效率兩個(gè)方面進(jìn)行折中，最終要通過實(shí)驗(yàn)效果來決定。

圖4 感應(yīng)耦合器的頻率特性Fig.4 Frequency characteristic of inductive couple

本文通過Pspice軟件對(duì)耦合器的傳輸特性進(jìn)行仿真，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)來修正模型中的各個(gè)參數(shù)測(cè)量值，最終的仿真曲線如圖4中的虛線所示。

3 磁感應(yīng)傳輸信道的電路模型

3.1 3節(jié)感應(yīng)耦合器的頻率特性

首先對(duì)3節(jié)耦合器直接相連構(gòu)成的信道進(jìn)行了實(shí)測(cè)和仿真，頻率特性曲線如圖5所示，圖中的曲線1、2和3分別表示1節(jié)、2節(jié)和3節(jié)的輸出頻率特性曲線。

圖5中的測(cè)試曲線和仿真曲線基本吻合，說明建立的耦合器電路模型及其修正后的參數(shù)測(cè)量值是正確的。從圖中的曲線可以看出，每增加一個(gè)耦合器相當(dāng)于增加了一個(gè)LC的諧振回路，因此諧振頻點(diǎn)的數(shù)目與耦合器的個(gè)數(shù)是一致的。

此外，信號(hào)的傳輸效率即輸出的電壓幅值隨耦合器的節(jié)數(shù)增加而迅速衰減，如3節(jié)耦合器后諧振幅值從6 V降到了1.8 V，顯然信號(hào)傳輸?shù)墓?jié)數(shù)是有限的。為了提高信號(hào)的傳輸距離，必須對(duì)傳輸特性進(jìn)行補(bǔ)償。

圖5 感應(yīng)耦合器直連的測(cè)試曲線Fig.5 Test curve of inductive couple by direct connecting

3.2 磁感應(yīng)耦合的補(bǔ)償方法

針對(duì)磁感應(yīng)耦合傳輸?shù)乃p特性，可以采用電容或電感來進(jìn)行補(bǔ)償，其中電容補(bǔ)償是一種簡(jiǎn)單易行的方式。

3.2.1 并聯(lián)電容補(bǔ)償

在圖3所示的耦合器線圈回路中并聯(lián)了一個(gè)100 pF的電容，測(cè)試結(jié)果參見圖6。

由圖6可見，在感應(yīng)耦合器的線圈上并聯(lián)一個(gè)電容后，以3節(jié)信道為例，電路的主諧振峰值由圖5的6 V增大到圖6的10 V，顯著提高了信號(hào)的傳輸效率，同時(shí)信號(hào)傳輸?shù)闹C振頻點(diǎn)由1.95 MHz降到了1.27 MHz。此時(shí)信道的頻帶約為1～3 MHz，而頻率小于1 MHz的信號(hào)則衰減很大。

圖6 并聯(lián)補(bǔ)償電容的頻率特性Fig.6 Frequency characteristic of parallel capacitance compensation

3.2.2 串聯(lián)電容補(bǔ)償

同理，對(duì)磁感應(yīng)耦合回路串聯(lián)了1 nF的電容，串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)膶?shí)際測(cè)試曲線參見圖7。

圖7 串聯(lián)補(bǔ)償電容的頻率特性Fig.7 Frequency characteristic of series capacitance compensation

圖7中的曲線表明，在每個(gè)感應(yīng)耦合器的線圈上串聯(lián)一個(gè)電容后，以3節(jié)信道為例，在1.95 MHz頻率處還是一個(gè)諧振點(diǎn)，但其幅值沒有得到補(bǔ)償，其余兩個(gè)諧振點(diǎn)分別轉(zhuǎn)移到了0.62和0.85 MHz頻率處，且幅值從1.8 V升高到3 V多。

3.2.3 串并聯(lián)電容補(bǔ)償

在耦合器的線圈上同時(shí)并聯(lián)和串聯(lián)了電容，并進(jìn)行了測(cè)試，如圖8所示。對(duì)比圖5可以看出，以3節(jié)信道為例，主諧振點(diǎn)從1.95 MHz降低到1.4 MHz，但輸出幅值從1.8 V增加到5.8 V。因此，串、并聯(lián)電容同時(shí)對(duì)信道的幅頻特性起到了補(bǔ)償作用，線圈上的并聯(lián)電容對(duì)1 MHz以上諧振點(diǎn)的幅值進(jìn)行了補(bǔ)償，在線路上的串聯(lián)電容相當(dāng)于增加了諧振支路，其諧振頻點(diǎn)分布在1 MHz以下。

圖8 電容補(bǔ)償后的頻率特性Fig.8 Frequency characteristic of capacitance compensation

由此，最終得到的磁感應(yīng)傳輸信道電路模型如圖9所示，其中Cq和Ct分別為補(bǔ)償?shù)拇?lián)和并聯(lián)電容，用于連接耦合器的10 m信號(hào)傳輸線的損耗可忽略不計(jì)。要通過該模型準(zhǔn)確獲取實(shí)際特性曲線的前提是耦合器的參數(shù)值必須準(zhǔn)確，此外輸入和輸出(測(cè)試)端的等效阻抗尤其是電容值也必須準(zhǔn)確，否則也會(huì)極大影響測(cè)試和仿真的一致性。

圖9 磁感應(yīng)傳輸信道電路模型Fig.9 Circuit model of magnetic inductive transmission channel

3.3 信道頻率特性實(shí)驗(yàn)

對(duì)10節(jié)標(biāo)準(zhǔn)鉆桿進(jìn)行再加工并安裝了9對(duì)耦合器后放入鉆井實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，每節(jié)鉆桿內(nèi)的信號(hào)線用套管密封，補(bǔ)償用的串、并聯(lián)電容密封在耦合器線圈和信號(hào)線接頭處，封裝后的單邊耦合器(分別安裝在公、母接頭)以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的照片如圖10所示，鉆井實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試參見圖11。

圖11 鉆井實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.11 Experimental platform for drilling

在井口發(fā)送信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過10節(jié)鉆桿信號(hào)線和9對(duì)耦合器后從井下直連出井口用于測(cè)試，其輸出的電壓頻域特性如圖12(a)中曲線所示，仿真用的電路模型如圖9所示，仿真曲線如圖12(b)中曲線所示。

由圖中曲線可知，在1.1～1.5 MHz間的幾個(gè)諧振頻點(diǎn)的幅值衰減最小，用其作為載波模擬頻率則信號(hào)的傳輸效率會(huì)最高。實(shí)測(cè)和仿真曲線相比，丟掉了幾個(gè)諧振點(diǎn)而且幅值上也有些差異，一個(gè)原因是由參數(shù)不可能完全統(tǒng)一造成的;另外，從仿真曲線上也可看出，諧振回路的增多，使有的諧振點(diǎn)非常不明顯，也會(huì)造成在實(shí)測(cè)掃頻時(shí)的遺漏。但從總體上看，實(shí)測(cè)和仿真曲線基本上是吻合的，因此可以通過建立的電路模型來分析實(shí)際信道的頻率特性。

信號(hào)通信實(shí)驗(yàn)是采用頻移鍵控(frequency shift keying-FSK)方式，在1.1～1.5 MHz間選取了兩個(gè)諧振點(diǎn)作為調(diào)頻的頻點(diǎn)，通信的數(shù)字速率最高可達(dá)115.2 kbit/s。由于再加工的鉆桿數(shù)量原因而沒能進(jìn)行更多節(jié)的實(shí)際傳輸實(shí)驗(yàn)，但在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)信號(hào)傳輸可超過20節(jié)。

圖12 磁感應(yīng)傳輸信道的頻率特性Fig.12 Frequency characteristic of magnetic inductive transmission channel

4 結(jié)論

(1)基于磁感應(yīng)傳輸原理制作了耦合器，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)在鉆桿間的非接觸傳輸，在高頻變壓模型的基礎(chǔ)上建立了耦合器的電路模型，通過仿真與實(shí)測(cè)的相結(jié)合，對(duì)模型中的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行了修正。

(2)分析了多節(jié)耦合器連接時(shí)的信號(hào)傳輸特性，得到了每增加一個(gè)耦合器就增加一個(gè)諧振回路的規(guī)律，進(jìn)而得到了連續(xù)磁感應(yīng)傳輸信道的電路模型。采用電容補(bǔ)償?shù)姆椒?，增加了諧振頻點(diǎn)的幅值，提高了信號(hào)傳輸效率，但是降低了信號(hào)頻帶且犧牲了信號(hào)的傳輸速率。

(3)搭建了磁感應(yīng)傳輸系統(tǒng)，驗(yàn)證了連續(xù)磁感應(yīng)傳輸技術(shù)的可行性，為該技術(shù)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

(4)國外技術(shù)在數(shù)字速率上已達(dá)到2 Mbit/s，超過了課題組用的模擬載波速率，相比之下技術(shù)差距非常明顯，因此在耦合器的結(jié)構(gòu)、磁芯、線圈以及補(bǔ)償?shù)茸罨镜沫h(huán)節(jié)上還需要大量的研究與探索。

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