一種隨鉆測量數據的井下無線短傳關鍵部件研究

杜睿攀， 周 靜， 白 莎

（1.西安石油大學 井下測控研究所，陜西 西安 710065；2.中國石油測井有限公司 華北事業部，河北 任丘 062552）

隨著隨鉆測量（Measurement While Drilling，MWD）和隨鉆測井技術的發展，在靠近鉆頭的位置安裝了更多用于數據采集的傳感器，這樣能更及時、更準確的獲得井下采集信息。但同時也產生了一個問題，就是如何將數據傳輸到地面。因為在旋轉導向鉆井系統中，用于數據采集的近鉆頭傳感器與MWD系統是被動力鉆具分開的，二者之間無法用線纜連接。采用無線電磁短傳系統可以解決這一問題，通過該系統將近鉆頭傳感器的采集信息傳給MWD，最終由MWD將信息傳給地面系統[1]。

無線電磁短傳是利用法拉第電磁感應原理建立的一種無線傳輸通道[2]，本文主要研究無線電磁短傳信道的關鍵部件——發射和接收裝置。

1 無線電磁短傳信道原理及構成

無線電磁短傳的原理是給發射線圈施加一頻率為f的交流信號，在交流電流的激勵下發射線圈磁環會產生頻率為f的交變磁場。此時，在無線短節另一端的接收線圈因穿過其磁環面積的磁通量不斷發生變化而產生感生電動勢，即接收線圈兩端感應出信號電壓。

無線電磁短傳信道的構成[3]：用2個繞有不同匝數的銅線圈磁環分別作為發射和接收裝置。2個線圈磁環分別裝在動力鉆具的兩端，靠近鉆頭一側的是發射裝置，另一側是接收線圈，如圖1所示。

圖1 無線電磁短傳信道組成Fig.1 Channel of short distance wireless electromagnetic transmission

2 無線電磁短傳關鍵部件設計

發射和接收線圈是無線電磁短傳系統的核心部件，因為收、發線圈直接關系到無線短傳信號傳輸是否可以正常進行。由于是在井下工作，系統工作主要依靠電池，因此在保證無線短節正常工作的前提下，應盡可能地降低系統功耗，從而使無線短節可以更長時間的在井下工作[4]。

2.1 線圈相關材料選擇

發射線圈、接收線圈的結構可以分為兩部分：線圈和磁芯。要制作良好的無線短傳發射、接收裝置首先需要選擇好相關的材料。

1）線圈繞線

一般希望鉆具在井下工作的時間盡可能的長，這就要求系統的功耗要盡可能的低，通過無線短傳系統的電流一般不會很大。此外，無線短傳系統在井下工作還要能經受住高溫、高壓、腐蝕性高等極端條件的考驗，通過查閱電工學手冊，我們最終選擇線徑為0.3 mm的環氧漆包銅線來繞制發射線圈和接收線圈。

2）磁芯材料

磁芯是由氧化鐵混合物組成的一種燒結磁性金屬氧化物，通過增加磁芯可以使電磁體的磁感應強度在很大程度上得到加強，還可以降低無線電磁短傳收發裝置的功耗、加寬其可以正常工作的溫度范圍以及合理降低成本。因此磁芯材料的合理選擇對無線電磁短傳系統也是至關重要的[5]。

常用的磁芯材料有鐵氧體、坡莫合金、非晶、超微晶材料等。相關的材料性能如表1所示。

表1 幾種磁芯材料性能表Tab.1 Performance table of core material

其中，磁導率越高線圈磁芯的體積就可以很大程度的減少；居里溫度是磁性材料的磁性轉折點，是材料在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度；飽和磁感應強度越大，通過相同磁通需要的磁芯截面面積就越小，也可以減小磁芯體積。這些性質對于磁性材料選擇有著重要的意義。

綜合考慮電磁短傳關鍵部件測試試驗的具體需要、磁芯材料的價格以及制作周期等因素，最終選擇了純鐵作為磁芯材料，同時用現有鐵氧體磁芯做試驗對比。

圖2 純鐵磁芯（左）、鐵氧體磁芯（右）實物圖Fig.2 Physical graph of core material， pure iron corn（left），ferrite corn（right）

2.2 發射線圈設計

根據安培環路定理，發射線圈產生的磁場為[6]，

因現有無線短節實際機械尺寸所限，發射線圈和接收線圈相距不到10 cm，可近似認為線圈環路中磁感應強度均勻相等，發射線圈設為N匝，每一匝都穿過磁環的截面，且每匝都載有電流I（I為繞組內的電流），故穿過磁環截面的總電流為NI。

式中，B為磁感應強度，μ為磁導率，N為發射線圈匝數，I為通過線圈的電流值。

發射線圈產生的電感（每單位電流的磁通匝鏈數）為，

（4）式中Φ為穿過每一匝線圈的磁通量。

（5）式中，S 為磁環截面積。

另由安培定理有

式中，r為發射線圈環形繞組截面積磁環的平均周長，記l=2πr，則有，

將（7）式代入（6）式可得，

發射線圈產生的電感為，

將（9）代入（8）中，得發射線圈匝數N計算公式：

銅線線徑為0.31 mm，經計算當線圈匝數少于50匝時，基本可忽略線圈的直流阻抗，則發射線圈匝數為，

式（11）中發射線圈兩端的信號電壓U=12 V（有效值）；線圈磁芯平均周長l=0.371 mm；發射信號頻率f=10 kHz；磁芯磁導率 μ=7.5×10－3Wb/（A·m）； 發射線圈磁芯截面積 S=4.8×10－3m2；提供給發射線圈的平均電流I=0.01 A。最終得到N≈14。

2.3 接收線圈設計

接收線圈的感應電動勢為[7]：

接收線圈兩端經電磁感應產生感應電動勢，

磁芯通過的磁通量為，

式中，S為接收線圈磁芯截面積；N′為接收線圈匝數。

接收端磁芯的磁感應強度與傳輸信號電流以相同的頻率變化：

式中，Bm為接收線圈磁感應強度變化最大值。

因此，接收線圈感應電動勢計算公式如下：

當取cos（2πft）=1時，可得接收線圈感應電動勢最大值，

則，接收線圈匝數為，

經計算Em=0.36 V；預設電流場傳播回路電阻率為0.5 Ω·m[8]；信號傳輸距離 1 m；回路電流；I=0.72 A；Bm=2.2×10-8T；f=10 kHz；將以上數據代入（17）式可得：

最終理論計算結果為發射線圈14匝、接收線圈75匝。

3 無線電磁短傳關鍵部件傳輸性能試驗

為了驗證無線電磁短傳關鍵部件的設計是否合理，進行了無線電磁短傳關鍵部件的信號傳輸測試試驗[9]。測試方法：將發射線圈和接收線圈安裝在無線短節上（或沿同一條軸線對稱放置），信號發生器產生測試信號，信號通過功放接入發射線圈，通過電磁感應最終由接收線圈接收。用示波器查看輸出信號波形和波形峰值大小等參數，最終檢驗無線電磁短傳關鍵部件的傳輸性能。

圖3 測試現場圖Fig.3 Site chart of the test system

測試設備包括發射線圈 （25匝）、 接收線圈 （75匝）、QF1022高 頻 信 號 發 生 器 （頻 率 范 圍 10 Hz～1 MHz）、DS1102E 2Channel 100 MHz 1GSa/s示波器、SD880C功放（阻值4 Ω）、導線若干。注：考慮到發射線圈的阻抗，最終取線圈匝數為25匝。

試驗分為3組：1）兩線圈距離相同、輸入電壓相同，輸入功率不同條件下進行測試；2）兩線圈距離相同、輸入功率相同，輸入電壓不同條件下的測試；3）輸入電壓、功率相同，兩線圈距離不同條件下的測試。此外，用鐵氧體磁芯做了若干組測試，對比純鐵磁芯的無線短傳性能。

1）發射、接收線圈相距10 cm，輸入電壓10 V（峰峰值），不同功率條件下接收線圈的感應信號電壓-頻率曲線。

圖4 輸出信號電壓-頻率曲線Fig.4 Voltage frequency curve of output signal

圖5 頻率11 kHz時信號波形圖Fig.5 Waveform chart of signal when frequency is 10 kHz

從圖4可以看出，信號傳輸頻率小于4 000 Hz時，接收線圈輸出的電壓衰減很大，傳輸頻帶不穩定；當信號傳輸頻率大于4 000 Hz后，接收線圈輸出電壓幅值基本維持在50 mV，傳輸頻帶基本趨于穩定。信號最大傳輸頻率可以達到50 kHz以上。圖5是傳輸頻率為11 kHz時，輸入、輸出信號的波形圖 （圖中上方為輸入信號波形，下方為輸出信號波形），從信號波形圖可以看出，該傳輸信道是比較穩定的。

2）輸入信號電壓、功率固定，發射、接收線圈距離不同時接收線圈感應的信號輸出電壓幅值與信號頻率曲線。

圖6是發射、接收線圈相距分別為5 cm，10 cm，20 cm時，接收線圈接收到的信號電壓幅值與頻率的曲線圖。隨著兩個線圈距離的增加，接收線圈接收的信號電壓幅值呈遞減趨勢，但電壓與頻率曲線圖的整體形狀和衰減趨勢與第一組試驗的結果基本一致。

3）使用兩種不同材料的磁芯進行無線傳輸性能測試。

輸入電壓為3 V，功率6.8 W，發射、接收裝置采用純鐵磁芯和鐵氧體磁芯，相距15 cm進行無線傳輸性能測試。對比接收端接收的信號電壓-頻率曲線。

圖6 線圈距離不同時信號電壓-頻率曲線Fig.6 Voltage frequency curve of output signal when the coil distance is different

圖7 不同磁芯無線傳輸性能測試曲線Fig.7 Test curve of wireless transmission performance of different coil

從上圖可以看出，發射、接收裝置采用鐵氧體磁芯時，接收線圈接收的信號電壓幅值整體上比采用純鐵磁芯的要高。二者曲線的形狀和衰減趨勢大致是相同的。

4 結 論

1）發射、接收線圈采用圓環形均勻密繞螺繞環（空心線圈）作為無線電磁短傳信道的關鍵傳輸部件是可行的。

2）發射、接收線圈的參數設計合理時，在一定距離范圍內可以實現無線信號傳輸。

3）按照文章的無線電磁短傳關鍵件設計方案，傳輸頻率大于5 000 kHz后信號衰減較小，最大傳輸頻率可達50 kHz以上，可以滿足實際工程的需要。

4）無線電磁短傳關鍵件的設計為進一步研究螺繞環式磁芯的無線電磁短傳系統提供了依據。

[1]Harrison，Mazza，Rubin，et al.Air-Drilling， Electromagnetic，MWD system development[J].SPE，Houston，1990:486-489.

[2]劉修繕，侯旭田，涂玉林，等.電磁隨鉆測量技術現狀及發展趨勢[J].石油鉆探技術，2006，34（5）:4-9.LIU Xiu-shan，HOU Xu-tian，TU Yu-lin，et al.Developments of electromagnetic measurement while drilling[J].Petroleum Drilling Techniques，2006，34（5）:4-9.

[3]Torres C，Habashy T M，et al.Joint inversion of transientpressureandtime-lapseelectromagneticloggingmeasurements[J].SPWLA，2004:254-256.

[4]Huchital，Hutin，Clark.The Deep Propagation Tool （A New Electromagnetic Logging Tool）[M].SPE，New Orleans，1982.

[5]何秀，顏國正，馬官營，等.互感系數的影響因素及其對無線能量傳輸系統效率的影響[J].測控技術，2007（11）:59-60.HE Xiu，YAN Guo-zheng，MA Guan-ying，etal.Mutual inductance’s affecting factors and its affection to the energy transmission efficiency ofwireless energy transmission system[J].Measurement&Control Technology，2007（11）:59-60.

[6]Sears F W.大學物理學[M].惲瑛，譯.北京:人民教育出版社，1979.

[7]馮恩信.電磁場與電磁波[M].西安:西安交通出版社，2010.

[8]李林.隨鉆測量數據的井下短距離無線傳輸技術研究[J].石油鉆探技術，2007，35（1）:1-2.LI Lin.Study of short-distance wireless transmission of measurementwhile drilling data[J].Petroleum Drilling Techniques，2007，35（1）:45-46.

[9]丁天懷，王勁松.非接觸式油氣井測試信號變送器的研究[J].測控技術，1996（2）:34-36.DING Tian-huai，WANG Jin-song.Development of a kind of non-contact downhole transmitter of signals for oil/gas well testing[J].Measurement&Control Technology，1996（2）:34-36.