气体钻井钻柱内孔微波信道适配天线研究*

李宬晓，夏文鹤，周长虹

(1.中国石油川庆钻探钻采工程技术研究院 四川 广汉 618300；2.西南石油大学电气信息学院 四川 成都 610500)

0 引 言

“十一五”以来，气体钻井技术在国内蓬勃发展，先后在川渝、新疆、青海、普光等地区应用近千井次，在提高钻速、防漏治漏和保护储层3个方面展现出巨大优势。但是气体钻井一直缺乏成熟的随钻测量工具导致井下工程、地质、安全等信息无法获取，严重阻碍了气体钻井发展[1]。近年来，电磁波随钻测量技术(EM-MWD)因传输速率大幅高于MWD技术[2]而成为随钻监测领域的研究热点，该技术将整个钻柱作为天线，通过地层传播电磁波信号以传输井下信息[3]，因此可应用于采用气体作为循环介质的气体钻井。但电磁波信号在地层中传播会受到地层特性的影响，特别是低电阻率地层信号衰减严重，有效测量深度受到限制且价格昂贵[4-5]。这一现状直接导致至今在世界范围内，没有一套成熟的气体钻井随钻监测系统。大部分的气体钻井作业中，井下状况只能依靠地面监测系统对其进行推测，大幅降低了监测的准确性和时效性[6]。气体钻井作为一种新兴的高效钻井技术，作业过程中需及时掌握井下工况以避免重大安全事故，因此迫切需要一种远距离大数据量的高速无线传输技术，且应具备发射功率更小、装配结构简单的特点。基于EM-MWD的技术思路，在近钻头安装随钻测量短节采集信号，利用钻柱内孔作为微波信道，传输井下测量信息到井口，称之为微波随钻测量技术(Microwave Measurement While Drilling-MMWD)。这种新技术在钻柱内孔中激发、传播微波，能够有效避免地层因素的影响从而提高传输效率，同时可采用多级中继接力传输，增加测量深度，满足气体钻井随钻测量的技术要求[7]。由于该项技术不受地层电阻的影响，因此研究的重点为微波信号高效激发及减少微波在钻柱内孔中的传播衰减。

1 钻柱内孔激发天线形式

1.1 天线类型分析与选择

文献[8-9]证明了2.4 GHz频段内，微波可在较为复杂的钻柱内孔中传播，并提出利用微波中继传输以延长信号井下的传输距离，但文献未对应用于钻柱内孔的微波激发器结构进行深入研究。在长度达千米以上的钻柱内孔空间内，微波激发器作为微波激发和感应元件，是传输系统重要的组成部分，合理的结构设计及最佳的性能参数对延长井下信号传输距离有重要作用。钻柱内孔狭小且气体钻井过程中存在高速气流，因此对微波激发器的横截面积、体积、质量、功耗以及结构强度都有严格限制，故考虑仍采用结构简单、技术成熟的天线作为钻柱内孔的微波激发器件。无线通讯天线中，偶极子天线[10]结构最简单、使用范围最广。受限空间多使用高增益、方向性强的单向辐射天线，如八木天线[11-12]等。而对于钻柱内孔这种狭长受限空间环境，双向辐射的圆极化天线可进一步提升无线电波有效传输距离，如螺旋天线、微带圆极化天线、平面螺旋天线等[13-22]。此外还应结合气体钻井的实际应用状况，选择体积小、传输距离远、能应对钻进过程中，钻柱内孔信道扭曲问题的天线。为掌握不同类型天线在钻柱内孔信道的传输效果，根据不同天线结构、性能、辐射波型，选取小尺寸的全向线状天线、窄波束高增益的定向八木天线，以及以圆极化平面波辐射能量且抗干扰能力强的轴向模螺旋天线作为研究对象，从天线结构、性能参数、有效传输距离3方面进行综合评价，研究与钻柱内孔信道最适配的天线形式及对应结构参数。

1.2 全向线状天线

线状天线由可弯曲的垂直杆状导线构成，具有结构简单、携带安装方便、全向等特点。线状天线的有效长度决定该天线辐射能量的强弱，是线状天线的重要指标之一，天线有效高度定义为[23]：

(1)

式中：he为天线有效长度, mm；h为天线实际长度，mm；I0为输入电流，μA；In为天线上电流分布，μA；λ为工作波长， mm；β为传播常数；dz为距振子中心点z处所取的电流元段。若使天线辐射效率最高，则天线长度应为工作波长λ的四分之一，即：

(2)

线状天线通过辐射电阻计算方向系数，且辐射电阻值是对称振子的一半，故辐射电阻RΣ(单位：Ω)表达式为[19]：

(3)

式中：PΣ为离开振子中心r0的球面上能流密度积分，即辐射功率，mW，表达式为：

(4)

式(3)和式(4)中：Im为波腹电流，μA；f(θ)为归一化方向性函数；θ为俯仰角方向，(°)。则根据(1) ～ (4)式可得线状天线最大方向系数D0表达式为：

(5)

1.3 定向八木天线

八木天线由引向振子、激励振子、反射振子等结构组成[23]。通过改变振子间的电流分配，以达到控制八木天线辐射方向的目的，八木天线结构如图1所示，其半功率主瓣宽度2φ0.5与总长度关系为[23]：

图1 八木天线结构

(6)

式中：半功率主瓣宽度2φ0.5，(°)；L为八木天线总长度，mm；λ为工作波长。方向性系数D0与总长度L的表达式为[23]：

(7)

式中：K1为比例系数，可通过天线工作手册查找。

式(7)表明天线总长度L越大，八木天线轴向性越强。实际上多的振子单元将导致八木天线工作频带变窄并且天线尺寸变大。故设计八木天线时，要选择恰当的振子个数，振子长度D(单位：mm)及合理的振子间隔d(单位：mm)，使天线性能与尺寸达到最佳状态。

1.4 轴向模螺旋天线

轴向模螺旋天线是由相互正交，幅度相等且相位差90°的电基本振子Eθ和磁基本振子Eφ组合构成[24]，故轴向模螺旋天线除沿轴线方向有最大辐射以外，天线最为突出的特点是以圆极化平面波辐射能量。因此，轴向模螺旋天线与圆极化天线类似，同样具有可接收任意线角度极化波和较强的抗干扰能力。轴向模螺旋天线结构如图2所示。

图2 轴向模螺旋天线结构

工程上轴向模螺旋天线的半功率主瓣宽度2φ0.5常采用下式表达[25]，单位为(°)：

(8)

综合副瓣和波瓣图进行考虑，方向系数D0更准确的实际表达式为[21]：

(9)

式(8)和式(9)中：S为螺距， mm；n为螺旋体圈数；L为螺旋体一圈的周长， mm；λ为工作波长。若D为天线螺旋体直径，则天线一周周长L计算如下[25]：

L2=(πD)2+S2

(10)

2 天线性能分析及研究

对于3 000 m井深，气体钻井施工往往采用139.7 mm( 5in)钻杆作业，其最小内径为88.5 mm。根据波导内截止波长条件，计算其在最小内径单模传输截止波长为151 mm，2.4 GHz工作频段天线能在信道中正常激发波长λ为125 mm的电磁波。根据此工作条件并结合钻杆内部结构，设计3种天线结构参数，见表1。

表1 3种比对天线结构参数

2.1 天线波瓣宽度及方向性分析

在气体钻井工作现场，天线不仅要满足钻柱尺寸的限制要求，还要考虑天线结构对气流流通的影响，天线尺寸过大，会阻碍气体的流通。从表1中可看出，高度为31.25 mm线状天线结构最小，其次是轴向模螺旋天线。八木天线与轴向模螺旋天线的结构对气体流通的影响较大。基于八木天线结构特点，只能通过减小天线尺寸从而降低八木天线对气流的影响，但该措施会大幅降低天线激发性能。轴向模螺旋天线在不影响自身性能的前提下，可在反射板增加通气孔来降低天线对气流的影响。

为进一步掌握3种天线在钻柱内部的微波激发状况，利用HFSS仿真软件模拟钻柱内孔信道搭建仿真模型，将天线置于信道模型的端头处。选择139.7 mm(5in)钻杆的最小内径作为信道模型直径，将钻杆内壁材料设置为steel，将辐射边界设置为Finite Conductivity，钻杆外壁设置为perfect E，作为接地面。考虑到计算机硬软件资源的限制，将钻柱信道长度设置为1 m，该条件下钻柱内孔信道已分布多个完整波形，不影响波瓣宽度和方形系数等参数的分析。3种天线信道仿真模型如图3(a)、(b)、(c)所示。3种天线在钻柱信道的远场图如图4(a)、(b)、(c)所示。

图3 钻柱内部天线仿真模型图

图4 钻柱内部天线 3D 远场辐射

从3种天线在钻柱信道中的远场图可以得到3种天线主瓣宽度、方向系数，见表2。

表2 天线半功率波瓣宽度及方向性系数

从表中可得到以下结论：轴向模螺旋天线主瓣更窄，激发能量更为集中，且负向能量也最小。如果将轴向模螺旋天线轴线与钻柱轴线重合，激发波束的主能量沿钻柱轴线传播，径向能量分布较少，减少在管壁不断反射、畸变、衰减的电磁波能量占比，即降低管壁对电磁波反射作用。同时该天线在钻柱轴线垂直平面激发圆极化平面波，并沿钻柱内孔轴向传播，因此只需保证接收天线轴线在安装位置与钻柱轴线重合，即可充分感应到电磁波能量，降低了钻柱发生轻微扭转的负面影响。因此从波束形状与信道形状匹配的角度来看，轴向模螺旋天线对钻柱内孔信道适配度最高。

2.2 天线能量激发性能的分析

为简化分析过程，提高研究效率，直接采用有限元法(FEM)对线状天线、八木天线和轴向模螺旋天线的电磁波激发性能进行仿真对比。仿真参数为电压驻波比、自反射系数S11(单位：dB)以及天线增益(单位：dB)。仿真结果如图5～图7所示，性能参数见表3。

图5 天线电压驻波比

在图5中，3种天线电压驻波比均小于2.0，说明3种天线都满足天线阻抗带宽的要求。从图6可知，3种天线的谐振频率基本集中在2.4 ～2.45 GHz之间，且轴向模螺旋天线在带宽内出现2个谐振频率，第2个谐振频率为2.65 GHz。通过图6可知，在2.4 GHz频段附近，线状天线的3 dB带宽约为230 MHz，带宽在3个天线中最小，轴向模螺旋微带天线与线状天线带宽基本一致，约为450 MHz，但带宽内线状天线回波损耗最小，天线阻抗匹配效果最好。结合图7和表3，2.4 GHz频段，八木天线与轴向模螺旋天线增益均大于10 dB，轴向模螺旋天线增益略优于八木天线，在钻柱内部的传输效果更好、传输距离更远。

图6 天线S11参数

图7 天线增益

表3 天线性能参数

2.3 天线形式对传播距离的影响分析

天线研究的主要目的是提升通信系统有效传输距离，在对天线性能研究的基础上，需通过系统有效的传输距离计算，判断所设计天线是否能满足钻井过程的要求。钻柱内孔信道为封闭空间，若采用轴向模螺旋天线进行微波激发，应使天线轴线与钻杆轴线重合。由于钻杆内孔长度远大于微波波长，且充满空气介质，故可认为在钻杆内孔中，螺旋天线可在轴向上自由激发微波。在忽略钻杆变径结构，并假设钻杆内壁为良导体条件下，其损耗可采用天线在空气中辐射能量时的自由空间损耗Ls(单位：dB)进行计算，其表达式为[26]：

Ls=92.45+20lgf+20lgr

(11)

式中：f为天线工作频率,GHz；r为天线传输距离，kM。另一方面，在不计收、发端接头损耗，仅考虑钻杆圆柱结构对天线形成损耗的情况下，接收端灵敏度Pr的表达式如式(12)所示[26]：

Pr=Pt+Gt+Gr-Ls-Lb

(12)

式中：Pr、Pt分别为射频收发器的接收灵敏度和发射功率,dBm，可通过查阅射频收发器参数确定具体数值。若采用普通民用射频收发器，其接收信号灵敏度Pr一般为-80 dBm，发射功率Pt一般为20 dBm。故根据式(11)、(12)可得，轴向模螺旋天线在2.4 GHz频段的有效传输距离r满足方程：

20 lgr+Lb-Gt-Gr=-9.95

(13)

上式中Lb为钻柱内孔圆柱结构对天线激发所造成的损耗，在一定距离范围内随钻柱长度成线性变化。而实际上当钻柱达到一定长度时，钻柱内部损耗Lb将不再随钻柱长度增加而明显增大，故在通信距离较大时，该数值可用常数替代。通过仪器测量，当传输距离大于200 m时[27]，对于139.7 mm(5in)钻杆Lb≈30 dB。Gt与Gr分别为天线发射和接收增益，单位dB，且根据天线互易原理，发射与接收增益均为同一数值，由表3可知本设计的轴向模螺旋天线增益为12.4 dB，故采用该轴向模螺旋天线，系统有效传输距离r约为460 m，相比采用AN2400-0101线状天线的传输系统[27]，传输距离有较明显的提升。通过实验室钻杆模型进行实测，采用八木天线在单根9.2 m钻柱内孔传输，信号衰减约为2.42 dBm，即在同样发射功率Pt，以及同样信号灵敏度Pr条件下，能有效传输的钻杆数量约为41根，总距离约为377 m。该数据虽优于线状天线，但与轴向模螺旋天线有较大差距。

3 钻柱内孔适配天线性能测试及验证

综合所述传输距离、天线性能以及天线尺寸3个重要指标可知，轴向模螺旋天线较适合用于钻柱狭长的内部空间。确定轴向模螺旋天线直径D为40 mm，螺距S为30 mm，圈数为7，在半径为35 mm反射板设计了35个直径5 mm的通气孔，并制作实物天线进行性能测试和验证。

3.1 测试平台的搭建及测试方法

验证测试装置位于中国油气藏地质及开发工程国家重点实验室，被测模型由1根完整的API 139.7 mm(5in)钻杆和1个钻杆母头短节连接而成，虽然测试模型采用 139.7 mm(5in)API钻杆，但测试分析方法及测试数据也适用于其他型号钻具，仅在具体的参数取值上稍有差异。将发送天线安装在钻杆管体段的始端，将接收天线安装在母头短节中管体段的始端，即插入收发天线后，两天线之间成为1根连接后完整的钻杆单元，即包含1段8.1 m钻杆管体段、1对1.15 m上扣的公母接头，距离约为9.25 m。测试装置的接收天线可在9.25～8.25 m距离范围内沿轴向移动，钻杆内壁无明显锈蚀，如图8所示。测试中钻孔里是空气，实际钻井过程一般注入干燥后的压缩空气，其介电常数、电导率、磁导率等参数变化较小，最终计算信道阻抗等参数变化可忽略，故可忽略测试的误差。

图8 钻杆单元实验模型结构图(未按实际尺寸绘制)

现场实际采用的2.4 GHz频段微波模块可通过频率微调方式调整输出载波频率，经测试在2.3～2.7 GHz频段均能较稳定地输出微波信号，故采用HP8753网络分析仪在2.3～2.7 GHz频段进行扫频，测试3种不同天线条件下传输系统的传输系数S21，以对3种天线进行对比验证测试。线状天线测试过程中，使其轴线与钻杆轴线垂直，并调节天线支撑架角度，保证收发天线基本处于同一平面。八木天线和螺旋天线测试过程中，沿钻杆轴向调节天线支撑架位置，使2种天线顶端位置与线状天线轴线位置保持一致，即保证3种天线在测试过程中，收发天线之间距离一致。测试条件和环境一致，其测试结果的差别即为天线性能的差别。

3.2 测试结果及数据分析

测试结果对比分析如图9所示，可以看出，在2.3～2.7 GHz频段，天线实际接收状况与理论值基本吻合，线状天线和八木天线分别在2.385 GHz和2.455 GHz有最佳传输效果。而轴向模螺旋天线谐振点分别在2.424 GHz和2.655 GHz，与仿真基本一致，验证了仿真结果的正确性。轴向模螺旋天线在2.424 GHz有最好的激发效果，达到-29.6 dB，其数值高于线状天线20.88 dB，高于八木天线16 dB左右，其性能明显优于其他2种天线。同时其最佳频点相较于2.4 GHz，仅偏移了24 MHz，偏移量最少，其与微波激发元件的匹配程度也最佳，即可通过简单设置微波模块的偏移频点实现该频点微波激发。而八木天线则需采用超频方式，对微波器件的性能有一定影响。

图9 测试结果对比分析图

此外，从图9中也可以看出，天线实际性能与理论值及仿真结果还存在一定误差，如谐振频点有一定变化，且轴向模螺旋天线相较于八木天线，其性能提升幅度也大于仿真结果。造成该误差原因有4种可能：其一，设计天线阻抗值与50 Ω有偏差，存在一定反射，未能与射频收发器完全匹配；其二，钻柱内孔并不是完整的细长圆柱，有一些变径结构，对天线性能造成一定的影响；其三，钻柱内部表面并非是完全干净、光滑的，有轻微的磨损、锈蚀现象，对测试结果有一定干扰；其四，测试线路较长，线损较为严重。

4 结 论

钻柱为长直管状，其内孔基本为一狭长柱状空间，可建立2～3 GHz频段微波信道。对于目前气体钻井广泛采用的139.7 mm(5in)钻杆，根据其钻柱内孔结构尺寸适宜采用2.4 GHz工作频段天线。理论及试验结果均表明：轴向模螺旋天线能激发圆极化平面波沿钻柱内孔轴向传播，其半功率波瓣宽度及方向性系数与钻柱内孔信道结构特征最为匹配。应用该天线可以降低钻柱扭转对微波收发产生的不利影响，并能降低管壁的反射，减少微波损耗，从而提高有效传输距离。

从实测结果可以看出，以一根钻杆内孔作为微波信道，在2.4 GHz频点附近，轴向模螺旋天线相较于普通全向天线，其S21参数能提高21 dB左右，提升效果明显。且该天线可以采用与钻杆同轴方式安装，减少对气流通道的影响。利用该天线在钻柱内孔微波信道进行数据传输，形成微波传输随钻测量技术(MMWD)，将在很大程度上解决目前气体钻井技术井下风险监控的难题，大幅扩展气体钻井的应用范围，因此该技术具有良好的应用前景和实用价值，具有进一步研究和推广的现实意义。