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(zhì)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(shù)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(xiàn)，而信號的傳輸則主要采用鉆井液脈沖技術(shù)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(chǎn)生機械脈沖波，以鉆井液為介質(zhì)傳輸脈沖信號。這種方式數(shù)據(jù)傳輸速率低，鉆井液脈沖信號發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)的發(fā)展，欠平衡鉆井和氣體鉆井技術(shù)相繼出現(xiàn)[4]，俄羅斯和美國學者相繼開始研究電磁波隨鉆測量技術(shù)，即利用電磁波把數(shù)據(jù)從井底通過地層傳輸?shù)降孛?，這項技術(shù)的主要問題是，地層的電導(dǎo)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(shù)產(chǎn)品昂貴，而且美、俄兩國對外實施技術(shù)封鎖，國內(nèi)在這方面的理論和實驗都很缺乏[7]。

載波技術(shù)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(yīng)用到隨鉆測量領(lǐng)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(shù)，將電磁波信號加載到鉆桿上，利用鉆桿-大地構(gòu)成的傳輸信道將電磁波信號傳輸?shù)降孛?，從而實現(xiàn)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(gòu)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(shù)據(jù)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(dǎo)”作用將較高頻率的電磁波傳輸?shù)浇邮拯c，不僅降低了電磁波的輻射損耗，而且還可提高數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jié)合濾波器構(gòu)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(diào)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(diào)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(shù)的電磁波隨鉆測量系統(tǒng)

鉆井工程中，利用轉(zhuǎn)動的鉆桿帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進，鉆桿一般由超高強度鋼制成，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能?；谝陨想娏€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(gòu)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(nèi)，其中的各種傳感器對井下參數(shù)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(jié)果加載到一定頻率的電磁波上，經(jīng)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(gòu)成的傳輸信道傳輸?shù)降孛妗＞蠙C接收井下傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波、解調(diào)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(gòu)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(zhì)的電磁參數(shù)，包括：電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和介電常數(shù)，這3個參數(shù)共同影響電磁波在地層中的傳播，傳播系數(shù)表達式如下：

其中

考慮到地層的磁導(dǎo)率與自由空間的磁導(dǎo)率相同，地層中的傳播系數(shù)可寫為：

當媒質(zhì)導(dǎo)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(zhì)的電導(dǎo)率有關(guān)，頻率越高，媒質(zhì)的電導(dǎo)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(xiàn)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(zhuǎn)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(dǎo)電圓柱傳播的模方程[8]，結(jié)果表明，對應(yīng)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(dǎo)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(jù)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(jù)分布參數(shù)電阻、電感、漏電導(dǎo)、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(dǎo) G1dz。由此可根據(jù)“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(jù)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(dǎo)納等于鉆桿獨立存在時鉆桿到無窮遠處的導(dǎo)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(fù)數(shù)電壓和復(fù)數(shù)電流，則（6）式與（7）式的復(fù)數(shù)形式為：

對（9）式、（10）式求導(dǎo)，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(shè)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(shù)的測量、發(fā)送及相關(guān)指令的執(zhí)行，井上機則接收從井下發(fā)送來的數(shù)據(jù)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(nèi)，電池和線路板均裝在抗壓殼內(nèi)，鉆井介質(zhì)可在外管與抗壓殼間的環(huán)狀間隙內(nèi)流動。井下機有 2種工作模式：應(yīng)答工作模式和自動工作模式。應(yīng)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(shù)據(jù)，其余時間處于待機模式，只保存測量結(jié)果，以節(jié)省電源。自動工作模式即井下機按照機內(nèi)預(yù)定程序工作，在下井前應(yīng)由外部計算機輸入發(fā)射參數(shù)，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(shù)據(jù)記錄儲存；若井下機在規(guī)定長度的時間內(nèi)未接到地面?zhèn)鱽淼闹噶睿聶C就會轉(zhuǎn)換成自動工作模式，向井上發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 實際系統(tǒng)研制

根據(jù)以上方案設(shè)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(dǎo)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(shù)據(jù)的全部功能，可實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)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(diào)制技術(shù)；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(shù)設(shè)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(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴榇?，采用耦合變壓器將電磁波信號耦合到鉆桿，調(diào)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(jù)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(qū)動Zmin，N應(yīng)該取可能的最大值。實際設(shè)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(qū)動的Zmin為14.0 ?、7.0 ?和3.5 ?，根據(jù)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(zhì)因數(shù)相適應(yīng)。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(zhì)因數(shù)值確保信號在滿負載時能夠通過。因此，取帶寬BW=11.5FO，F(xiàn)O=125 kHz，則線圈品質(zhì)因數(shù)為：

求解出變壓器原邊線圈的電感值Lin后，根據(jù)選擇的變壓器磁芯就可以計算出原邊的繞組匝數(shù)。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(shù)為：

原邊線圈與副邊線圈的匝數(shù)比為10，故可求出變壓器副邊繞組的匝數(shù)為 1.31。可見，副邊繞組的匝數(shù)很小，這樣會影響變壓器的精度。實際應(yīng)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(shù)。本系統(tǒng)采用此方法將原邊線圈和副邊線圈的匝數(shù)加倍，即原邊線圈匝數(shù)取26.3匝，副邊線圈匝數(shù)取2.6匝。

4.2 系統(tǒng)性能優(yōu)化

4.2.1 采用FSK+DSSS調(diào)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(zhì)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(diào)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(fù)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(diào)制方式的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時，為了降低隨鉆測量數(shù)據(jù)的冗余度，可采用高效數(shù)據(jù)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(diào)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(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，提高測量的可靠性，增加最大可測深度，可根據(jù)相應(yīng)的地質(zhì)條件調(diào)節(jié)電磁波信號的工作頻率，從而滿足不同地質(zhì)條件對信號傳輸?shù)囊蟆?/p>

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(xiàn)場鉆井實驗的設(shè)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(zhì)條件對遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，測試距離為700 m左右。

測試方法：用一根長700 m的導(dǎo)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(dǎo)線。在導(dǎo)線的另一端，用同樣的方法連接接收機（見圖6）。同時在導(dǎo)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(yīng)答工作模式，由發(fā)射機發(fā)射從1至30的數(shù)據(jù)串調(diào)制波。接收機接收到數(shù)據(jù)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(jié)果

5.2.1 FSK調(diào)制與FSK+DSSS調(diào)制對比

載波頻率125 kHz，采用FSK調(diào)制，當數(shù)據(jù)傳輸速率為50 bit/s時，4次試驗數(shù)據(jù)傳輸均正確，無誤碼。提高數(shù)據(jù)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(diào)制，當數(shù)據(jù)傳輸速率分別為50 bit/s和100 bit/s時，4次實驗數(shù)據(jù)傳輸均正確，當增加到300 bit/s時，誤碼率僅為5%。可見FSK+DSSS調(diào)制方式可明顯提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

5.2.2 不同載波頻率對比

采用FSK調(diào)制，數(shù)據(jù)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(jù)不同的地質(zhì)條件改變載波頻率，可以減小數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，保證測量結(jié)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(guān)系

由圖 7可知，在其余參數(shù)如數(shù)據(jù)傳輸速率、調(diào)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。可見，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(shù)據(jù)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(jù)相應(yīng)的地質(zhì)條件對信號的載波頻率進行調(diào)節(jié)，使其滿足信號傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖7 地面接收點電壓與傳輸深度、載波頻率的關(guān)系

6 結(jié)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(gòu)成及設(shè)計方案。為了驗證設(shè)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(shè)計。室外載波通信實驗表明，利用載波技術(shù)將電磁波加載至鉆桿，通過鉆桿-大地構(gòu)成的傳輸信道，能夠把井下測量參數(shù)傳輸?shù)降孛妫瑫r還可把地面設(shè)置參數(shù)及指令發(fā)送到井下，實現(xiàn)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(diào)制方式，同時應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件來改變載波頻率，使其滿足信號傳輸?shù)囊?，從而降低?shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，保證測量結(jié)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(shù)的隨鉆測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于實現(xiàn)，在自動化導(dǎo)向鉆井領(lǐng)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(shù)；j——復(fù)數(shù)的虛部；ω——電磁波的角頻率，rad/s；μ——磁導(dǎo)率，H/m；σ——電導(dǎo)率，S/m；ε——介電常數(shù)，F(xiàn)/m；α——衰減常數(shù)，Np/m；β——相位常數(shù)，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(zhì)的相對介電常數(shù)；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(dǎo)，（?·m）?1；C1——并聯(lián)分布電容，F(xiàn)/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(dǎo)率，H/m；D——等效半徑，m；g——鉆桿到無窮遠處的分布導(dǎo)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(shù)，Np/m；φ——相位系數(shù)，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(zhì)因數(shù)；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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