DQ-Ⅰ型电磁波随钻测量仪器的研制

2018-03-02 03:30王振雷

西部探矿工程 2018年2期

王振雷

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

电磁波随钻测量是20世纪80年代进入工业化应用的一项新技术,无需循环钻井液传输数据，适合于在雾化、泡沫、充气、空气等循环介质中使用，具有传输信号速率高、测量时间短、成本低等特点。该技术解决了在某些介质中采用传统泥浆脉冲系统无法传输的问题。因此我院自主研制的DQ-Ⅰ型电磁波随钻测量仪器具有良好的市场前景和较大的经济社会效益[1-2]。

1 仪器传输原理研究

电磁波随钻测量仪器利用锂电池组对井下仪器供电,采用钻杆上、下分隔绝缘的偶极发射天线的垂直电场激励方式，借助随钻电磁信道将数据实时发送到地表。首先将仪器按钻具组合接入钻柱中，锂电池组对井下系统供电，各测量模块将采集数据发送给中控模块，中控模块对数据进行处理后传输给发射模块，发射模块以信源和信道复合编码方式把信号加载到低频电磁波上，经由发射天线传送到地表,地面采集装置通过地面接收天线以及连在钻杆上的天线接收信号，并将信号发送给处理装置进行模拟滤波、放大、A/D转换后发送给地面计算机，滤波解码软件进行数字滤波和信源、信道复合解码发送给测量数据分析软件实现井下数据的实时显示[2-5]。

2 电磁波随钻测量仪器的设计及实现

2.1 发射天线激励方式的设计

电磁波仪器发射天线的激励方式选择是非常重要的。

图1 垂直电场激励原理图

如图1所示，钻井条件下实际可行的激励方式只有激励沿钻杆的轴向电流和激励绕钻杆的水平电流环2种激励方式，激励沿钻杆方向的电磁场。2种偶极天线的激励产生的电场在地面上的水平分量之比为：

式中：S——磁偶极子的环面积；

l——电偶极子长度；

h——井深；

T∝1。

受钻铤直径的限制，磁偶极子的环面积很小，而电偶极子的可以做得较长。由于井下垂直电激励比磁激励效率高，因此该仪器井下发射天线采用垂直电场激励。

2.2 井下仪器电子电路设计

仪器电路部分主要由电源电路、井下中控及存储电路、电磁波发射电路、地面接收电路组成。

（1）电源电路的设计。由于井下采用16节锂电池组供电，为了满足各不同电路中芯片的供电需求，设计了电源电路，提供+5V、+12V，同时将电池组供出的30V电发送给各电子模块。

（2）井下中控及存储电路的设计。中控模块是井下仪器的“大脑”，接收信号后，对其进行计算和逻辑处理，发送给电磁波发射系统的发射模块，并把数据存储在存储芯片（2M）中，仪器取回地面后可以在预留的端口采集回放得到完整的实测井下数据，对上传数据进行验证和补充。电路结构原理图如图2所示。

（3）电磁波发射电路的设计。电磁波发射电路是井下电路设计的最大难点，它不但要实现电磁波信号的信源信道复合编码，还要进行功率监控和保护。发射模块首先接收中控模块传输的信号并进行校验，然后进行滤波和补偿，然后将数据以信源编码和信道编码复合编码方式把信号加载到这个可调频率的信号上，将加载的信号以功率元件形成藕合桥式差动功率输出进行放大和功率控制，并由单片机对发射电压进行调解，进而实现发射功率的调节。最终由发射天线向地层发射，发射电路的电路原理示意图如图3所示。