賴章軍,孫向陽(yáng)
(電子科技大學(xué),四川成都,610054)
早期石油的開(kāi)采技術(shù)手段簡(jiǎn)單,開(kāi)采深度淺,開(kāi)發(fā)成本高,而隨鉆測(cè)井具有實(shí)時(shí)性高、較準(zhǔn)確獲得井下地層參數(shù)、高效率低成本等優(yōu)勢(shì),早已成為測(cè)井技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),其中電磁波傳輸方式是近些年隨鉆測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。目前我國(guó)的隨鉆電磁波傳輸技術(shù)處在試驗(yàn)階段,該技術(shù)是利用極低頻電磁波將井下定向及地質(zhì)信息傳感器測(cè)到的數(shù)據(jù)(電阻率、巖石密度、孔隙度、滲透率、含油飽和度、孔隙壓力等)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛妫?duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最終將測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控終端上。整個(gè)隨鉆電磁波傳輸系統(tǒng)包括井下發(fā)射系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng),具體傳輸過(guò)程是井下的發(fā)射機(jī)調(diào)制出2FSK信號(hào),然后經(jīng)過(guò)功率放大后由發(fā)射天線以電磁波的形式沿著鉆桿向井上傳輸;地面線天線會(huì)接收到帶有噪聲的混合信號(hào),然后經(jīng)過(guò)接收系統(tǒng)處理后檢測(cè)出有效信號(hào),解調(diào)后上傳到上位機(jī)。
電磁波的傳輸理論是依照麥克斯韋方程來(lái)展開(kāi)研究的。麥克斯韋根本方程組如下:
上式中pe表示地層電阻率;u表示磁滲透系數(shù),具體為4π× 1 0-7??s/m;f為電磁波傳輸頻率。通過(guò)上式可知電磁波在地下的傳輸深度是由電磁信號(hào)的發(fā)射頻率和地下地層中的電阻率決定。表1給出了它們的具體數(shù)據(jù)關(guān)系。
表1 數(shù)據(jù)對(duì)比表
以上是電磁波信號(hào)只在地層中的傳輸特性,但在實(shí)際測(cè)井過(guò)程中是通過(guò)鉆桿為介質(zhì),將電磁波信號(hào)傳輸上來(lái)的,在這種傳輸信道下,傳輸深度還受到井下發(fā)射機(jī)發(fā)射功率P、鉆桿半徑r以及鉆桿材料等其它因素的影響。
本文的隨鉆電磁信號(hào)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,井下儀器底部安裝有發(fā)射機(jī)和螺旋發(fā)射天線,發(fā)射機(jī)調(diào)制出2FSK信號(hào),經(jīng)過(guò)功率放大后,通過(guò)螺旋天線向上發(fā)射,螺旋天線發(fā)射的電磁波電場(chǎng)Er方向是鉆桿徑向方向,傳輸方向是沿著鉆桿向上傳輸,地面會(huì)接受到混合信號(hào)S,其表達(dá)式為:
該信號(hào)是混有有用信號(hào)和噪聲信號(hào),地面接收系統(tǒng)就是要從該混合信號(hào)中提取出有用信號(hào)。
圖1 電磁波傳輸系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖
地面天線接收的混合信號(hào)不僅微弱,還混有直流電位,所以接收到的信號(hào)整個(gè)處理流程是:先經(jīng)過(guò)一個(gè)無(wú)源帶通濾波,可濾除直流電位和一些高頻噪聲;再經(jīng)過(guò)模擬放大、有源濾波、工頻陷波處理;最后經(jīng)過(guò)數(shù)字電路進(jìn)一步處理帶內(nèi)噪聲,并通過(guò)相關(guān)解調(diào)算法解出有用信號(hào)。圖2給出了整個(gè)接收系統(tǒng)框圖。
圖2 接收系統(tǒng)框圖
螺旋天線是可套在鉆桿上作為井下中繼接收,而地面接收天線是采用線天線接收,因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)測(cè)井環(huán)境條件復(fù)雜,含有機(jī)械和測(cè)井設(shè)備的工作場(chǎng)所屬于危險(xiǎn)地帶,使用線天線在地面接收井下傳上來(lái)的信號(hào)是一個(gè)非常好的選擇。井下傳輸上來(lái)的2FSK信號(hào)分別是f1= 220Hz,f2=230Hz,根據(jù)2FSK調(diào)制的規(guī)律可估計(jì)設(shè)計(jì)濾波器的帶寬為215Hz-235Hz。設(shè)計(jì)的二階RC帶通濾波如圖3所示,它的幅頻響應(yīng)曲線如圖4所示。
圖3 二階RC帶通濾波
圖4 二階RC帶通濾波的幅頻響應(yīng)曲線
傳上來(lái)的信號(hào)很微弱,為識(shí)別到有用信號(hào),需在前級(jí)加入低噪放大電路。本文使用的是低成本、低功耗的儀表放大器AD620,該款芯片還具有低的輸入偏置電流和低噪聲特性,非常適用于微弱信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,同時(shí)它可以通過(guò)一個(gè)外部電阻來(lái)控制增益,如果加入一個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)就可以手動(dòng)靈活控制所需要的放大倍數(shù)。本文設(shè)計(jì)的放大電路如圖5所示。
圖5 放大電路
經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)一個(gè)有源濾波,可以進(jìn)一步濾除帶外噪聲,優(yōu)化出有用信號(hào)。選擇有源濾波的原因是:有源濾波的幅頻響應(yīng)不受前后級(jí)電路的影響;如果要設(shè)計(jì)多階濾波器,有源濾波器的占用體積小,可以節(jié)省所設(shè)計(jì)的PCB面積。本文要求的濾波器帶寬為215Hz~235Hz,設(shè)計(jì)思路用一個(gè)有源低通濾波器和一個(gè)有源高通濾波器構(gòu)成一個(gè)帶通濾波器,選用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是Sallen-Key結(jié)構(gòu)。按本文頻帶要求設(shè)計(jì)了二階切比雪夫低通濾波電路和它的幅頻響應(yīng)曲線見(jiàn)圖6,二階切比雪夫高通濾波電路和它的幅頻響應(yīng)曲線見(jiàn)圖7。
測(cè)井基地的大型設(shè)備大多數(shù)都是用的50Hz工頻電,所以現(xiàn)場(chǎng)有很大的工頻噪聲以及其諧波噪聲,該噪聲對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)干擾非常大,有必要設(shè)計(jì)一個(gè)針對(duì)工頻和其諧波的陷波器。由傳輸?shù)男盘?hào)頻率可知,影響最大的諧波頻率是200Hz和250Hz,要提高信號(hào)的質(zhì)量必須得將這兩個(gè)諧波噪聲削弱。本文設(shè)計(jì)的陷波器是由集成芯片UAF42構(gòu)成的陷波器電路,圖8給出了一個(gè)200Hz的陷波電路和它的幅頻響應(yīng),250Hz的與之類似。
圖6 二階有源低通和幅頻響應(yīng)
圖7 二階有源高通和幅頻響應(yīng)
接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)以上模擬電路處理后可以得到良好的信噪比信號(hào),后面再經(jīng)過(guò)FPGA數(shù)字處理后可以進(jìn)一步優(yōu)化信號(hào),從而可在低誤碼率的情形下解調(diào)出數(shù)據(jù)。
接收的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)化器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),本文的A/D轉(zhuǎn)化器選用是16位的AD7980,該款芯片具有低功耗、高速的特性,具有SPI串行接口,本文就是用到了其SPI接口與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。設(shè)計(jì)的信號(hào)采集電路可見(jiàn)圖9。
圖8 200Hz陷波電路和幅頻響應(yīng)
圖9 信號(hào)采集電路
圖10是電磁波傳輸系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)調(diào)環(huán)境,鉆桿上有發(fā)射線圈和接收線圈,該調(diào)試裝置是完全模擬井下的傳輸環(huán)境,當(dāng)然實(shí)驗(yàn)室環(huán)境是比現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)井理想。發(fā)射裝置發(fā)射出2FSK信號(hào)并沿著鉆桿傳輸,另一邊接收天線會(huì)接收到發(fā)射的信號(hào),經(jīng)過(guò)接收電路的處理后上傳到電腦上位機(jī)。圖11是發(fā)射的原始2FSK信號(hào),該信號(hào)是由單片機(jī)調(diào)制和控制輸出。
圖10 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試環(huán)境
圖11 2FSK原始信號(hào)
圖12給出了地下電磁波傳輸?shù)膶?shí)井測(cè)試環(huán)境,該實(shí)驗(yàn)井是屬于室內(nèi)的測(cè)試井,深度只有10米,通過(guò)這個(gè)測(cè)試可以驗(yàn)證接收電路的可靠性。發(fā)射系統(tǒng)已經(jīng)安裝在了井下儀器中,地面利用線天線來(lái)接收傳上來(lái)的信號(hào),一根天線接在儀器上,另一根接在外面的接地樁上。最終測(cè)試到的信號(hào)見(jiàn)圖13所示。
圖12 現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)井測(cè)試環(huán)境
由以上測(cè)試結(jié)果可以得出電磁波信號(hào)在井下10米距離的傳輸,地面可接收到信噪比非常高的信號(hào)。
圖13 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試到的信號(hào)
本文通過(guò)研究地下電磁波傳輸系統(tǒng)的研究,設(shè)計(jì)了基于電磁波傳輸系統(tǒng)的接收電路,并運(yùn)用該電路成功完成了淺井環(huán)境的試驗(yàn),驗(yàn)證了該電磁波傳輸技術(shù)方案在測(cè)井技術(shù)中的可行性,為后續(xù)深井傳輸試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。該電路在某些地方還有待改進(jìn):首先是需提高接收電路接收信號(hào)的靈敏度,以適應(yīng)在深井中測(cè)試,能檢測(cè)到更微弱的信號(hào);其次是接收電路需適應(yīng)在不同的測(cè)試環(huán)境,即要自適應(yīng)不同環(huán)境噪聲且能濾除噪聲,從而提高信噪比。