基于载波通信原理的电磁波随钻测量技术

苏毅，齐昕，刘阳，张金光

（1. 北京科技大学机械工程学院；2. 山西潞安环保能源开发股份有限公司地质处）

0 引言

在石油、天然气及煤矿的开采钻井工程中，需要由井下实时向地面传输测量信号，这些信号主要包括地层流体、岩性和储集层物性等岩石物理识别信号，以及钻头的方向、位置、轨迹和造斜工具面向等工程参数信号。信号的采集主要由安装在钻头上的各种测量传感器实现，而信号的传输则主要采用钻井液脉冲技术MWD（Measurement While Drilling）[1-3]，即钻井时钻杆中充满钻井液，利用波型发生器在钻井液中产生机械脉冲波，以钻井液为介质传输脉冲信号。这种方式数据传输速率低，钻井液脉冲信号发生装置结构复杂，并且只适用于不含气的纯液体钻井。近年来，随着钻井技术的发展，欠平衡钻井和气体钻井技术相继出现[4]，俄罗斯和美国学者相继开始研究电磁波随钻测量技术，即利用电磁波把数据从井底通过地层传输到地面，这项技术的主要问题是，地层的电导率太高或太低都对电磁波的传播深度有不利影响[5-6]。这项技术产品昂贵，而且美、俄两国对外实施技术封锁，国内在这方面的理论和实验都很缺乏[7]。

载波技术自20世纪发展至今，在通常的有线和无线载波通信方面已相当成熟，但应用到随钻测量领域则要解决新的问题，因其并不是单纯的有线通信。本文利用载波技术，将电磁波信号加载到钻杆上，利用钻杆-大地构成的传输信道将电磁波信号传输到地面，从而实现地面与井下的通信。

1 电磁波随钻测量系统信号传输原理

电磁波随钻测量中，通常采用截断钻杆的形式，用绝缘短节将上下两段钻杆连接起来，构成不对称的偶极子天线来发射电磁波，其缺点在于：一方面绝缘段要承受巨大的扭矩和压力，从而大大降低了钻杆的可靠性和寿命；另一方面为了增强电磁波透过地层时的穿透能力，电磁波的发射频率很低，通常为 10～30 Hz，很难获得高的数据传输速率。此外，利用钻杆发射电磁波时，电磁波向四周辐射，能量并不集中，接收点的信号微弱，使传输深度受到很大影响。针对以上问题，为了保证钻杆的可靠性和寿命，增大传输距离，可利用电力线载波通信原理，通过钻杆的“引导”作用将较高频率的电磁波传输到接收点，不仅降低了电磁波的辐射损耗，而且还可提高数据的传输速率。

1.1 电力线载波通信原理

电力线载波系统的原理见图1。利用电力线实现载波通信，最重要的问题是把高频信号耦合到电力线上。通常采用相地耦合方式，由耦合电容和结合滤波器构成一个高通滤波器，使高频信号顺利通过，达到将高频信号耦合到电力线的目的。阻波器是一个调谐电路，其电感线圈为能通过50 Hz电流的强流线圈，而整个调谐电路在高频信号频率附近谐振，阻止高频信号流过，防止了发电厂或变电所母线对高频信号的旁路作用。

图1 电力线载波系统原理框图

1.2 基于载波技术的电磁波随钻测量系统

钻井工程中，利用转动的钻杆带动钻头旋转导向钻进，钻杆一般由超高强度钢制成，具有优良的导电性能。基于以上电力线载波通信原理，可将钻杆等效为电力线，将其作为载波信号的传输信道，便可构成电磁波随钻测量系统（见图 2）。电磁波随钻测量系统由井下发射机和井上接收机组成，井下机安装在无磁钻铤内，其中的各种传感器对井下参数如温度、压力、钻具姿态角、储集层物性、自然伽马等进行测量，然后通过载波模块将测量结果加载到一定频率的电磁波上，经过滤波、放大等处理后通过相地耦合方式加载至钻杆，利用钻杆和大地构成的传输信道传输到地面。井上机接收井下传来的数据，经过滤波、解调等处理后，在上位机上进行显示，供司钻人员了解井下工况，控制钻进轨迹。

图2 电磁波随钻测量系统构成

2 电磁波传输特性

2.1 电磁波在地层中的传输特性

电磁波透地通信中，影响电磁波传播的主要因素是大地媒质的电磁参数，包括：电导率、磁导率和介电常数，这3个参数共同影响电磁波在地层中的传播，传播系数表达式如下：

其中

考虑到地层的磁导率与自由空间的磁导率相同，地层中的传播系数可写为：

当媒质导电时，由于 σ / ω ε＞＞ 1，趋肤深度可简化为。趋肤深度反映电磁波的穿透能力，说明电磁波的穿透能力与电磁波的频率（f）及媒质的电导率有关，频率越高，媒质的电导率越大，电磁波的穿透能力越小，即信号衰减越严重，传播距离也就越短。由于地层对电磁波的衰减严重，接收点的信号微弱，在需要透过地层实现无线通信时可利用的频带仅有甚低频及以下频段。

2.2 电磁波在钻杆中的传输特性

由于钻井空间狭小，利用转动的钻杆作为电磁波的传输信道，实际可行的激励方式只有垂直电天线（沿钻杆的轴向电流）和垂直磁天线（绕钻杆的水平电流环激起沿钻杆方向的磁场），分别激励起电型（TM）和磁型（TE）场。解这两种场沿导电圆柱传播的模方程[8]，结果表明，对应TE波的磁型场衰减率较TM波的电型场高3～4个量级。因此，最适合的激励方式为垂直电天线。

导行电磁波的分析方法有基于场的分析方法和基于路的分析方法两种。根据钻杆中电磁波的传输模式，采用“路”的分析方法更为简便，即将钻杆等效为均匀传输线[9-10]。

对于均匀传输线，可在传输线上任意一点 z处取线微元dz进行研究。根据分布参数电阻、电感、漏电导、电容的物理意义，dz长度传输线段上存在并联分布电容C1dz、串联分布电感L1dz、串联分布电阻R1dz和并联分布漏电导 G1dz。由此可根据“路”的分析方法画出传输线的等效电路（见图3）。

图3 传输线微元等效模型

根据基尔霍夫定律得：

可得：

（6）式、（7）式即为电磁波在钻杆中传播时电压与电流所满足的微分方程。其中， R1= ρ 2b τ (1 − τ2b)，L1=μ02πln(D b)，G1=2πσ ln( D b)，C1=2πε ln(D b)。

为确定D的大小，可令等效传输线的总并联导纳等于钻杆独立存在时钻杆到无穷远处的导纳，即：

由此得到等效传输线的等效半径D=2h。

若令U（z）和I（z）分别为z处的复数电压和复数电流，则（6）式与（7）式的复数形式为：

对（9）式、（10）式求导，得：

（11）式、（12）式称为传输线的波动方程。它们的通解形式为：

3 电磁波随钻测量系统总体设计

电磁波随钻测量系统基本组成原理见图4，主要由井上机和井下机两部分组成。井上机与井下机的组成单元都包括发射和接收两大部分。井下机主要负责各种参数的测量、发送及相关指令的执行，井上机则接收从井下发送来的数据并进行显示、处理，同时也向井下发送控制指令。除此之外，两者的不同之处在于井上机发射功率大，体积也大。井下机发射功率小，径向尺寸受到限制。

图4 电磁波随钻测量系统组成原理框图

井下机安装在无磁钻铤内，电池和线路板均装在抗压壳内，钻井介质可在外管与抗压壳间的环状间隙内流动。井下机有 2种工作模式：应答工作模式和自动工作模式。应答模式时，井下机只有在接收到井上下传的指令时才发送数据，其余时间处于待机模式，只保存测量结果，以节省电源。自动工作模式即井下机按照机内预定程序工作，在下井前应由外部计算机输入发射参数，包括发射频率、采样时间和发送时间间隔等。在不发送信号的时间，将采集的数据记录储存；若井下机在规定长度的时间内未接到地面传来的指令，井下机就会转换成自动工作模式，向井上发送数据。

4 实际系统研制

根据以上方案设计了接收机与发射机。接收机与发射机的控制器采用51系列单片机C8051F021，载波模块选用美国国家半导体器件公司（National Semiconductor）开发的载波通信集成芯片LM1893。接收机与发射机集成了发送和接收数据的全部功能，可实现串行数据的半双工通信，其主要性能如下：采用频移键控 FSK（Frequency Shift Keying）抗噪声调制技术；可选择噪声滤波的脉冲发生器；采用正弦波载频可以降低射频干扰，射频功率可增强l0倍。接收机与发射机的组成单元见图5。

图5 接收机与发射机的组成单元

4.1 信号耦合变压器参数设计

在载波系统中，如果将信号直接加载到钻杆上，一方面会由于阻抗不匹配而使有用信号的传输效率大大降低，同时还会把干扰信号加载到钻杆上，增大了对有用信号的干扰，降低了数据传输的可靠性。为此，采用耦合变压器将电磁波信号耦合到钻杆，调节变压器的谐振频率为信号的载波频率，在满足阻抗匹配的前提下还可作为滤波器滤除无用杂波，从而提高了有用信号的传输效率和可靠性。同时，变压器在此还可以起到保护系统中微电子器件的作用。

依据负载Z可能的最小值Zmin选择变比N。为了能够在满信号时驱动Zmin，N应该取可能的最大值。实际设计时，可以先选择一个可能偏高的N值，然后进行实际性能验证，以此来确定一个合适的值。LMl893芯片资料手册中推荐使用的变压器副边抽头的取值有3个，分别为 7.07、10.0和 14.1，理论上分别驱动的Zmin为14.0 Ω、7.0 Ω和3.5 Ω，根据实际需要本系统取N为10。标准的变压器工作时其自感阻抗比负载阻抗大得多，因此耦合变压器需要低的原边电感以与品质因数相适应。要求变压器的原边电感值，需先计算其等效阻抗：

LM1893芯片资料手册中，VALC的取值为4.7 V，V+的取值为18 V，Io的取值为0.03 A，代入（15）式后得变压器等效阻抗为443.3 Ω。

为了提高耦合变压器的信号传输效率，取谐振频率 FQ=FO，它需要最小化的带宽，即最大化的品质因数值确保信号在满负载时能够通过。因此，取带宽BW=11.5FO，FO=125 kHz，则线圈品质因数为：

求解出变压器原边线圈的电感值Lin后，根据选择的变压器磁芯就可以计算出原边的绕组匝数。本系统采用型号为EE05的高频铁氧体磁芯，其每匝的电感量LT=285 nH/匝2，则原边绕组匝数为：

原边线圈与副边线圈的匝数比为10，故可求出变压器副边绕组的匝数为 1.31。可见，副边绕组的匝数很小，这样会影响变压器的精度。实际应用中，通过在变压器中适当增加气隙，可以适当增加绕组匝数。本系统采用此方法将原边线圈和副边线圈的匝数加倍，即原边线圈匝数取26.3匝，副边线圈匝数取2.6匝。

4.2 系统性能优化

4.2.1 采用FSK+DSSS调制

钻进过程中，钻具工作环境恶劣，如温度升高、噪音、震动、冲击等都会对电磁波信号造成干扰。同时由于不同地区地质条件差别很大，在大地电磁信道模型不变的前提下，利用电磁波进行透地通信时，需要选择最佳的调制方式，以提高信号的抗干扰性能。直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模二加（波形相乘）后的复合码序列控制载波的相位而获得直接序列扩频信号，即将原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率，从而可以获得良好的抗噪声干扰性能。于是，在系统原FSK调制方式的基础上增加 DSSS直接序列扩频方式，使电磁波信号的抗干扰性能得到提高，保证数据传输的可靠性。同时，为了降低随钻测量数据的冗余度，可采用高效数据操作压缩编码方法[11]，以提高随钻测量系统的传输效率。

4.2.2 增加井下信号频率可调范围

钻井过程中，钻遇不同的地层其电阻率可能差别很大。当电磁波信号的工作频率较高时，地层电阻率的大小成为限制信号最大可测深度的主要因素。为了减少数据传输的误码率，提高测量的可靠性，增加最大可测深度，可根据相应的地质条件调节电磁波信号的工作频率，从而满足不同地质条件对信号传输的要求。

5 实验验证

5.1 实验原理介绍

发射机与接收机研制完成后，由于目前尚不具备现场钻井实验的设备条件，故进行了4次原理性试验。分别在田野里、道路边、运河畔和煤矿矿区进行，主要为测试不同地质条件对远距离数据传输的影响，测试距离为700 m左右。

测试方法：用一根长700 m的导线代替钻杆，模拟钻杆对电磁波信号的传输作用。发射机与变压器的原边相连，变压器的副边一端接大地，另一端接导线。在导线的另一端，用同样的方法连接接收机（见图6）。同时在导线中间串联多个电阻以模拟多节钻杆间的接触不良情况。发射机采用应答工作模式，由发射机发射从1至30的数据串调制波。接收机接收到数据后，进行处理，然后通过串口发送至上位机进行显示。

图6 接收机与发射机连接方式示意图

5.2 实验结果

5.2.1 FSK调制与FSK+DSSS调制对比

载波频率125 kHz，采用FSK调制，当数据传输速率为50 bit/s时，4次试验数据传输均正确，无误码。提高数据传输速率至100 bit/s时，误码率约为5%；当增加到300 bit/s时，误码率约为10%。采用FSK+DSSS调制，当数据传输速率分别为50 bit/s和100 bit/s时，4次实验数据传输均正确，当增加到300 bit/s时，误码率仅为5%。可见FSK+DSSS调制方式可明显提高数据传输的可靠性。

5.2.2 不同载波频率对比

采用FSK调制，数据传输速率100 bit/s，当载波频率为125 kHz时，4次试验的误码率分别约为3%（田野、道路边）、5%（运河畔）、6%（煤矿矿区）。降低载波频率至65 kHz时，4次试验中田野、道路边及运河畔的误码率约为1%，煤矿矿区约为3%。可见，根据不同的地质条件改变载波频率，可以减小数据传输的误码率，保证测量结果的可靠性。

5.2.3 地面接收点电压与传输深度、载波频率的关系

由图 7可知，在其余参数如数据传输速率、调制方式、发射功率以及传输深度相同的情况下，地面接收电压随信号载波频率的增大而减小，即信号载波频率越高，信号衰减就越快。可见，要想提高遥测深度就必须降低信号载波频率，但这会降低数据的传输速率而使信息滞后，影响随钻测量的实时性。实际工作中，可根据相应的地质条件对信号的载波频率进行调节，使其满足信号传输的要求。

图7 地面接收点电压与传输深度、载波频率的关系

6 结论

本文基于载波通信原理，给出了电磁波随钻测量系统的总体构成及设计方案。为了验证设计的可行性，采用 LM1893作为载波模块，研制出了实际的井上接收机与井下发射机系统，同时给出了系统的优化设计。室外载波通信实验表明，利用载波技术将电磁波加载至钻杆，通过钻杆-大地构成的传输信道，能够把井下测量参数传输到地面，同时还可把地面设置参数及指令发送到井下，实现地面与井下的双向通信。为了增强信号的抗干扰能力，可以采用FSK+DSSS调制方式，同时应根据不同的地质条件来改变载波频率，使其满足信号传输的要求，从而降低数据传输的误码率，保证测量结果的可靠性，提高遥测深度。与传统的电磁波随钻测量系统相比，基于载波技术的随钻测量系统数据传输速率高，结构简单，成本低，易于实现，在自动化导向钻井领域具有很大的发展潜力。

符号注释：

k——地层中的传播系数；j——复数的虚部；ω——电磁波的角频率，rad/s；μ——磁导率，H/m；σ——电导率，S/m；ε——介电常数，F/m；α——衰减常数，Np/m；β——相位常数，rad/m；E——电场强度振幅值，V/m；E0——电场强度起始振幅值，V/m；δ——趋肤深度，m；λ——电磁波波长，m；εr——介质的相对介电常数；u——传输线微元端路电压，V；i——传输线微元回路电流，A；t——计算时间，s；R1——串联分布电阻，Ω/m；L1——串联分布电感，H/m；G1——并联分布漏电导，（Ω·m）−1；C1——并联分布电容，F/m；ρ——钻杆电阻率，Ω·m；b——钻杆的外半径，m；τ——钻杆壁厚，m；μ0——地层的磁导率，H/m；D——等效半径，m；g——钻杆到无穷远处的分布导纳，（Ω·m）−1；h——钻杆的长度，m；R∞——钻杆到无穷远处的等效电阻，Ω；ψ——衰减系数，Np/m；φ——相位系数，rad/m；Vo——芯片输出电压有效值，V；Po——输出功率有效值，W；VALC——芯片IO引脚最大允许电压值，V；V+——芯片电源电压，V；Io——输出电流最大值，A；Rin——变压器等效阻抗，为副边反射阻抗与原边等效阻抗的并联，Ω；QL——线圈品质因数；FQ——耦合变压器谐振频率，Hz；FO——电磁波信号载波频率，Hz；BW——耦合变压器带宽，Hz。

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