賴章軍，孫向陽

（電子科技大學(xué)，四川成都，610054）

0 引言

早期石油的開采技術(shù)手段簡單，開采深度淺，開發(fā)成本高，而隨鉆測井具有實時性高、較準確獲得井下地層參數(shù)、高效率低成本等優(yōu)勢，早已成為測井技術(shù)的發(fā)展趨勢，其中電磁波傳輸方式是近些年隨鉆測量技術(shù)發(fā)展的一個熱點。目前我國的隨鉆電磁波傳輸技術(shù)處在試驗階段，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）實時傳輸?shù)降孛妫ι蟼鲾?shù)據(jù)進行處理，最終將測量數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控終端上。整個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)，具體傳輸過程是井下的發(fā)射機調(diào)制出2FSK信號，然后經(jīng)過功率放大后由發(fā)射天線以電磁波的形式沿著鉆桿向井上傳輸；地面線天線會接收到帶有噪聲的混合信號，然后經(jīng)過接收系統(tǒng)處理后檢測出有效信號，解調(diào)后上傳到上位機。

1 地下電磁波傳輸特性

電磁波的傳輸理論是依照麥克斯韋方程來展開研究的。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。通過上式可知電磁波在地下的傳輸深度是由電磁信號的發(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)對比表

以上是電磁波信號只在地層中的傳輸特性，但在實際測井過程中是通過鉆桿為介質(zhì)，將電磁波信號傳輸上來的，在這種傳輸信道下，傳輸深度還受到井下發(fā)射機發(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)射機和螺旋發(fā)射天線，發(fā)射機調(diào)制出2FSK信號，經(jīng)過功率放大后，通過螺旋天線向上發(fā)射，螺旋天線發(fā)射的電磁波電場Er方向是鉆桿徑向方向，傳輸方向是沿著鉆桿向上傳輸，地面會接受到混合信號S，其表達式為：

該信號是混有有用信號和噪聲信號，地面接收系統(tǒng)就是要從該混合信號中提取出有用信號。

圖1 電磁波傳輸系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

2 地面接收電路設(shè)計

地面天線接收的混合信號不僅微弱，還混有直流電位，所以接收到的信號整個處理流程是：先經(jīng)過一個無源帶通濾波，可濾除直流電位和一些高頻噪聲；再經(jīng)過模擬放大、有源濾波、工頻陷波處理；最后經(jīng)過數(shù)字電路進一步處理帶內(nèi)噪聲，并通過相關(guān)解調(diào)算法解出有用信號。圖2給出了整個接收系統(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，因為現(xiàn)場測井環(huán)境條件復(fù)雜，含有機械和測井設(shè)備的工作場所屬于危險地帶，使用線天線在地面接收井下傳上來的信號是一個非常好的選擇。井下傳輸上來的2FSK信號分別是f1= 220Hz，f2=230Hz，根據(jù)2FSK調(diào)制的規(guī)律可估計設(shè)計濾波器的帶寬為215Hz-235Hz。設(shè)計的二階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

傳上來的信號很微弱，為識別到有用信號，需在前級加入低噪放大電路。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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，同時它可以通過一個外部電阻來控制增益，如果加入一個撥碼開關(guān)就可以手動靈活控制所需要的放大倍數(shù)。本文設(shè)計的放大電路如圖5所示。

圖5 放大電路

經(jīng)過放大后的信號再經(jīng)過一個有源濾波，可以進一步濾除帶外噪聲，優(yōu)化出有用信號。選擇有源濾波的原因是：有源濾波的幅頻響應(yīng)不受前后級電路的影響；如果要設(shè)計多階濾波器，有源濾波器的占用體積小，可以節(jié)省所設(shè)計的PCB面積。本文要求的濾波器帶寬為215Hz～235Hz，設(shè)計思路用一個有源低通濾波器和一個有源高通濾波器構(gòu)成一個帶通濾波器，選用的拓撲結(jié)構(gòu)是Sallen-Key結(jié)構(gòu)。按本文頻帶要求設(shè)計了二階切比雪夫低通濾波電路和它的幅頻響應(yīng)曲線見圖6，二階切比雪夫高通濾波電路和它的幅頻響應(yīng)曲線見圖7。

測井基地的大型設(shè)備大多數(shù)都是用的50Hz工頻電，所以現(xiàn)場有很大的工頻噪聲以及其諧波噪聲，該噪聲對傳輸?shù)男盘柛蓴_非常大，有必要設(shè)計一個針對工頻和其諧波的陷波器。由傳輸?shù)男盘栴l率可知，影響最大的諧波頻率是200Hz和250Hz，要提高信號的質(zhì)量必須得將這兩個諧波噪聲削弱。本文設(shè)計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)

接收的信號經(jīng)過以上模擬電路處理后可以得到良好的信噪比信號，后面再經(jīng)過FPGA數(shù)字處理后可以進一步優(yōu)化信號，從而可在低誤碼率的情形下解調(diào)出數(shù)據(jù)。

接收的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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進行數(shù)據(jù)交互。設(shè)計的信號采集電路可見圖9。

圖8 200Hz陷波電路和幅頻響應(yīng)

圖9 信號采集電路

3 實驗室調(diào)試

圖10是電磁波傳輸系統(tǒng)在實驗室的聯(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，當然實驗室環(huán)境是比現(xiàn)場的實驗井理想。發(fā)射裝置發(fā)射出2FSK信號并沿著鉆桿傳輸，另一邊接收天線會接收到發(fā)射的信號，經(jīng)過接收電路的處理后上傳到電腦上位機。圖11是發(fā)射的原始2FSK信號，該信號是由單片機調(diào)制和控制輸出。

圖10 實驗室調(diào)試環(huán)境

圖11 2FSK原始信號

4 實井測試

圖12給出了地下電磁波傳輸?shù)膶嵕疁y試環(huán)境，該實驗井是屬于室內(nèi)的測試井，深度只有10米，通過這個測試可以驗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，地面利用線天線來接收傳上來的信號，一根天線接在儀器上，另一根接在外面的接地樁上。最終測試到的信號見圖13所示。

圖12 現(xiàn)場的實驗井測試環(huán)境

由以上測試結(jié)果可以得出電磁波信號在井下10米距離的傳輸，地面可接收到信噪比非常高的信號。

圖13 現(xiàn)場測試到的信號

5 結(jié)語

本文通過研究地下電磁波傳輸系統(tǒng)的研究，設(shè)計了基于電磁波傳輸系統(tǒng)的接收電路，并運用該電路成功完成了淺井環(huán)境的試驗，驗證了該電磁波傳輸技術(shù)方案在測井技術(shù)中的可行性，為后續(xù)深井傳輸試驗打下基礎(chǔ)。該電路在某些地方還有待改進：首先是需提高接收電路接收信號的靈敏度，以適應(yīng)在深井中測試，能檢測到更微弱的信號；其次是接收電路需適應(yīng)在不同的測試環(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。