趙新全,陳友學(xué),趙 亮

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 45300 ;2. 渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院 天津 300457)

0 引 言

近年來(lái),隨著油、氣開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期,開(kāi)采儲(chǔ)層越來(lái)越薄。擁有較大零長(zhǎng)的常規(guī)隨鉆測(cè)井系統(tǒng)難以滿足超薄儲(chǔ)層鉆井技術(shù)服務(wù)需求,而采用零長(zhǎng)很短的近鉆頭隨鉆測(cè)量?jī)x器能有效提高超薄儲(chǔ)層鉆遇率[1]。

在常規(guī)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中,為了提高鉆井效率,往往采用增加大扭矩螺桿的方法。而螺桿將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)分為上下兩部分獨(dú)立模塊,這兩部分之間的數(shù)據(jù)傳輸依靠無(wú)線短傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

井下無(wú)線短傳技術(shù)的天線形式是影響無(wú)線短傳效率和適應(yīng)性的關(guān)鍵因素。目前,國(guó)內(nèi)、外無(wú)線短傳天線模型主要有3種形式:以電磁感應(yīng)電流場(chǎng)為理論依據(jù)而產(chǎn)生的螺線環(huán)式天線模型[2];以電磁感應(yīng)磁耦合理論為依據(jù)而產(chǎn)生的磁耦合天線模型[3];以及本文研究的電偶極子絕緣天線模型。前兩種天線模型的控制系統(tǒng)都在鉆鋌上,必須依靠機(jī)械連接才能與隨鉆測(cè)量(MWD)系統(tǒng)通訊,每次應(yīng)用都需要MWD和接收天線精準(zhǔn)對(duì)接,這給現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用帶來(lái)諸多不便,而絕緣天線在這方面有巨大的便利性。但是絕緣天線的負(fù)載變化較大,做好阻抗匹配是絕緣天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

絕緣天線無(wú)線短傳是基于電磁感應(yīng)電流場(chǎng)基本原理的無(wú)線電磁短傳技術(shù)[4-5](簡(jiǎn)稱無(wú)線短傳)。絕緣天線的兩極之間是絕緣體,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便,但是在工作時(shí),該天線正負(fù)兩極直接接觸地層,導(dǎo)致發(fā)射天線的負(fù)載阻抗隨地層變化較大,所以設(shè)計(jì)天線時(shí)要分析環(huán)境負(fù)載阻抗,做好阻抗匹配設(shè)計(jì)。

1 無(wú)線短傳環(huán)境模型

井下無(wú)線短傳系統(tǒng)的工作環(huán)境模型如圖1所示。

1-MWD系統(tǒng);2-接收天線負(fù)極;3-接收源距;4-接收天線正極;5-螺桿鉆具;6-發(fā)射天線正極;7-發(fā)射源距;8-發(fā)射天線負(fù)極。

無(wú)線短傳系統(tǒng)包括發(fā)射裝置、接收裝置和信道系統(tǒng)。發(fā)射裝置包括發(fā)射天線(由6、7、8組成)和內(nèi)部的發(fā)射電路;接收裝置包括接收天線(由2、3、4組成)和內(nèi)部信號(hào)處理電路;信道系統(tǒng)是電磁信號(hào)傳輸路徑,主要包括鉆井液和地層兩部分。

發(fā)射絕緣天線正負(fù)兩極之間的絕緣距離稱為發(fā)射源距,本文采用發(fā)射源距為20 mm進(jìn)行阻抗分析。

正常工作時(shí),無(wú)線短傳系統(tǒng)始終處于鉆井液和地層組成的復(fù)雜環(huán)境,發(fā)射天線的等效環(huán)境阻抗隨著地層和井下振動(dòng)而不斷變化。所以測(cè)量出儀器在不同地層的負(fù)載阻抗,是無(wú)線短傳天線高效發(fā)射和正常工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

發(fā)射天線將FSK調(diào)制信號(hào)饋送到信道系統(tǒng)中,由于信道系統(tǒng)的介質(zhì)對(duì)電磁波信號(hào)強(qiáng)度衰減嚴(yán)重[6],所以在接收天線兩端只能產(chǎn)生微弱的電壓差信號(hào)。接收電路對(duì)收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、解碼等處理,從而識(shí)別出有效信息,完成信號(hào)的傳輸。無(wú)線短傳電信號(hào)等效傳輸模型如圖2所示。

圖2 無(wú)線短傳電信號(hào)傳輸模型

圖2中,RL和CL組成的阻抗網(wǎng)絡(luò)為發(fā)射源距兩端的等效阻抗,用Z1表示;R2和C2組成的阻抗網(wǎng)絡(luò)為接收源距的等效阻抗,用Z2表示;R3和C3組成的阻抗網(wǎng)絡(luò)表示信道系統(tǒng)的阻抗,用Z3表示。

在發(fā)射天線兩極施加FSK調(diào)制信號(hào),該調(diào)制信號(hào)的功率大部分被Z1吸收,只有少部分能通過(guò)Z3到達(dá)接收天線。由于實(shí)際的鉆井地層不是純阻性,存在電容特性,且本文天線模型基于電流場(chǎng),所以高頻信號(hào)在地層傳輸時(shí)衰減嚴(yán)重[7]。為了獲得高質(zhì)量的短傳信號(hào),理論上宜采用較低頻信號(hào)[8],一般在5 kHz以下。本文采用500 Hz和1 kHz兩種頻率組成的FSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

2 天線阻抗計(jì)算

在通訊設(shè)計(jì)領(lǐng)域,阻抗匹配是影響發(fā)射效率的重要因素。本文研究絕緣天線的阻抗匹配特性,指輸出阻抗和環(huán)境阻抗相匹配,其輸出阻抗是指驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗。驅(qū)動(dòng)電路由H橋和LC濾波器構(gòu)成,其輸出阻抗是指LC濾波器的等效阻抗,電路框圖如圖3所示。

圖3 H橋驅(qū)動(dòng)電路

該LC濾波器的特征阻抗R,輸出阻抗Zo,截止頻率fc分別為[9-10]

(1)

(2)

(3)

式中:ω為發(fā)射信號(hào)的角頻率。由式(1)、式(2)、式(3)可以推出濾波器電感和電容的計(jì)算公式。

L=R/(2πfc)

(4)

C=1/(2πfcR)

(5)

輸出阻抗Zo是隨著ω非線性變化的。絕緣天線的發(fā)射模型為可調(diào)電壓源模型。根據(jù)電壓源基本理論:電壓源的輸出阻抗越低帶載能力越強(qiáng)。絕緣天線等效為電壓源時(shí),其輸出阻抗和負(fù)載須在一定范圍內(nèi),才能保證天線高效率工作,即能夠傳輸更多的能量。由圖2和圖3可知,發(fā)射天線的輸出阻抗為Zo,而負(fù)載即是Z1。一般取特征阻抗R與負(fù)載Z1滿足R=(0.5～0.8)Z1,可保證較高的傳輸效率[11]。

從絕緣天線的發(fā)射模型分析,由于其源距極短,且傳輸信號(hào)頻率屬于甚低頻,故圖2中電容CL對(duì)阻抗的影響很小,可忽略,故Z1≈RL。故可近似特征阻抗:

R=(0.5～0.8)RL

(6)

無(wú)線短傳工作在不同地層和鉆井液組成的復(fù)雜環(huán)境中,環(huán)境阻抗時(shí)刻變化,所以絕緣天線必須要在變化的環(huán)境中保持穩(wěn)定高效輸出,即天線的輸出阻抗必須與環(huán)境阻抗匹配。而在這些復(fù)雜環(huán)境中,如何測(cè)量出儀器的環(huán)境阻抗成為天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文通過(guò)測(cè)量不同地層下儀器的環(huán)境阻抗RL的值,反推出絕緣天線合理輸出阻抗,以確保發(fā)射天線的阻抗匹配性。

3 天線在不同地層的阻抗測(cè)量

3.1 模擬樣本庫(kù)建立

發(fā)射天線阻抗測(cè)試電路拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 阻抗測(cè)試電路拓?fù)鋱Du-發(fā)射電壓;i-發(fā)射電流;R0-電流采樣電阻;ih-H橋母線電流。

圖4中OPA將發(fā)射電流i轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電壓值,供MCU中的ADC模塊采樣、計(jì)算,并將計(jì)算的發(fā)射電流值用于發(fā)射功率的計(jì)算、調(diào)節(jié)。

地層阻抗測(cè)試原理:在發(fā)射電壓u一定時(shí),阻抗RL與發(fā)射電流i幾乎成線性比例關(guān)系。理論上能測(cè)量出發(fā)射電壓和發(fā)射電流的值,根據(jù)等效歐姆定律即可計(jì)算出儀器工作時(shí)的環(huán)境阻抗RL。但是由于直接測(cè)量電壓不僅增加硬件成本,而且本文采用的調(diào)制方式會(huì)增加發(fā)射電壓u的瞬時(shí)波動(dòng),導(dǎo)致u測(cè)量不太準(zhǔn)確。為此本文采用建立數(shù)據(jù)樣本庫(kù)的方法,通過(guò)查表和插補(bǔ)計(jì)算來(lái)確定地層阻抗。

樣本庫(kù)采用不同的模擬阻抗,按照固定的發(fā)射模型:H橋母線電壓Vcc,采用50%占空比的PWM信號(hào)控制H橋,模型中L=68μH,C=4.7μF。經(jīng)測(cè)量,阻抗與發(fā)射電流關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 模擬阻抗與電流樣本表

3.2 實(shí)際地層阻抗測(cè)量

為了滿足無(wú)線短傳在不同地層的適應(yīng)性,我們特地在多種地層進(jìn)行了試驗(yàn)。表2是相同發(fā)射電壓條件下在不同地層中的發(fā)射電流值。根據(jù)表1中的電流數(shù)據(jù)插補(bǔ)計(jì)算獲得了這些地層下發(fā)射天線的環(huán)境負(fù)載阻抗數(shù)據(jù)。試驗(yàn)地層包括試驗(yàn)井(由鋼套管、玻璃鋼管等組成)、泥巖、灰?guī)r、煤層,空氣。

表2 實(shí)際地層阻抗與電流表

表2中RL就是發(fā)射天線實(shí)際工作的環(huán)境阻抗,它主要受鉆井液和地層電阻率共同影響。即使同樣的巖性,當(dāng)其電阻率大小不一樣時(shí),也會(huì)表現(xiàn)為不同的地層阻抗。

從表2可以看出,對(duì)于絕緣天線模型,在不同的傳輸介質(zhì)中環(huán)境阻抗RL差別較大。在鋼套管等低阻地層中RL<1 Ω,而在空氣等高阻地層中RL>1 000 Ω。所以輸出阻抗設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮能滿足這些地層的工作要求。

將L和C的值帶入式(1)、式(2)中,可得特征阻抗R=3.80 Ω,輸出阻抗Zo=3.81 Ω。從表1可看出,由于輸出阻抗太高,導(dǎo)致發(fā)射效率偏低,尤其是在3 Ω以下,效率更低,導(dǎo)致發(fā)射電路的大部分能量不能有效輸出,影響無(wú)線通訊效果。

從表2中看,除了空氣和純玻璃鋼等高絕緣介質(zhì)外,發(fā)射天線的負(fù)載阻抗都在10 Ω以下。為了滿足無(wú)線短傳在不同地層的適應(yīng)性,本文選取負(fù)載阻抗RL=1 Ω,重新進(jìn)行輸出阻抗的設(shè)計(jì),以期獲得較高的傳輸效率。根據(jù)式(1)、(3)、(6),取特征阻抗R=0.8RL,fc=9 000 Hz,經(jīng)計(jì)算可得C=22μF,L=14.08μH,Zo=0.8 Ω。

按照上述新參數(shù)重新對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量,得到新的阻抗與電流對(duì)應(yīng)表,見(jiàn)表3。

表3 模擬阻抗與電流新樣表

對(duì)比表1和表3,H橋輸出阻抗變低時(shí),在同一負(fù)載阻抗時(shí),發(fā)射電流和電壓都有所增加,發(fā)射效率整體提高,尤其在0.8 Ω以上時(shí),發(fā)射效率提升明顯。

阻抗與發(fā)射功率關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出,當(dāng)負(fù)載阻抗一樣時(shí),輸出阻抗越小,發(fā)射功率越大;當(dāng)輸出阻抗一定時(shí),發(fā)射功率隨環(huán)境負(fù)載變化而變化。在負(fù)載阻抗為1～2 Ω的范圍內(nèi),可認(rèn)為處于恒功率階段。

圖5 阻抗與發(fā)射功率關(guān)系

4 結(jié) 論

1)從試驗(yàn)室模擬阻抗和實(shí)際地層測(cè)量阻抗綜合分析,該無(wú)線短傳驅(qū)動(dòng)電路模型正確,絕緣天線阻抗模型基本正確。

2)發(fā)射天線的輸出阻抗對(duì)無(wú)線短傳效果影響較大,只有輸出阻抗和負(fù)載相匹配時(shí),無(wú)線傳輸效率最高。

3)從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出,輸出阻抗為0.8 Ω時(shí),發(fā)射天線能夠在負(fù)載阻抗大于0.8 Ω的地層環(huán)境中保持較高的發(fā)射效率和發(fā)射功率。

4)隨著負(fù)載阻抗從小到大,發(fā)射功率先上升,再平穩(wěn),再下降。負(fù)載阻抗在1～2 Ω范圍內(nèi),可近似認(rèn)為發(fā)射功率處于恒功率階段;大于4 Ω時(shí)幾乎處于恒壓階段。