EM-MWD天線絕緣材料的設(shè)計

連杰 張冀冠 陳翔

摘要：電磁波隨鉆測量系統(tǒng)（EM-MWD）作為煤礦鉆井定向施工的一項新技術(shù)，應(yīng)用效果好、成本低，但是在應(yīng)用過程中，EM-MWD天線絕緣組件容易塑性變形，出現(xiàn)斷裂等問題，為了解決這個問題對EM-MWD天線絕緣材料進行設(shè)計，選擇LPP，設(shè)計的繞包層數(shù)最多為27層，絕緣材料在繞包過程中留有2mm的縫隙。最后對制作的實驗樣品進行了交流擊穿實驗和仿真分析，結(jié)果表明：液氮環(huán)境下使用的LPP的交流擊穿場強威布爾概率為4.86%，雷電沖擊擊穿場強概率為3.21%。絕緣層的長度一般為0.5m，避免由于絕緣層較短造成的地面接收電壓變低。當絕緣層的電阻達到數(shù)百歐姆就可以滿足實際應(yīng)用中的相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：EM-MWD;天線;絕緣材料;LPP

中圖分類號：TQ352

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0071-03

煤礦井下定向施工鉆井，實時測量鉆孔傾角、方位角、工具面向角等主要參數(shù)，繪制鉆孔軌跡并根據(jù)需要調(diào)整鉆進姿態(tài)，可提高鉆孔施工質(zhì)量，保證煤礦安全高效開采瓦斯，以及超前、區(qū)域、精準防治災(zāi)害。隨鉆測量系統(tǒng)是鉆井定向施工的必要支撐，電磁波隨鉆測量系統(tǒng)（EM-MWD）不受鉆井液的限制，受到廣泛的關(guān)注和研究。

在定向井作業(yè)過程中，當鉆井液中充氣或者采用泡沫、空氣鉆井時，MWD將無法正常工作，而電磁波隨鉆測量儀（EM-MWD）的優(yōu)勢在于對傳輸介質(zhì)的非依賴性。EM-MWD井下信號的發(fā)射以絕緣耦合組件為載體，兩路信號施加于絕緣耦合組件兩端，構(gòu)成偶極天線系統(tǒng)。目前絕緣耦合組件多采用復(fù)合絕緣材料隔離金，屬的方式，由于絕緣組件為非金屬材料，導(dǎo)電銅棒為剛性差的導(dǎo)電銅棒，絕緣組件容易發(fā)生疲勞彎曲。而且兩端均由螺母鎖緊，當井下應(yīng)用超過一定時間后，由于井下振動，螺母會有所松動。一旦螺母松動，整個儀器串的自重及泥漿的沖擊力將由絕緣桿與上配合接頭，下配合接頭與上配合接頭之間的連接螺紋承擔，由于上配合接頭為非金屬材質(zhì)，強度低，很容易發(fā)生此處螺紋斷裂，而造成儀器損壞。絕緣組件也為非金屬材質(zhì)，容易塑性變形，當發(fā)生疲勞變形后，同樣會造成上述問題。因此，本文對EM-MWD天線絕緣材料進行設(shè)計，期望解決上述問題。

1井下激勵裝置

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁波隨鉆測量系統(tǒng)（EM-MWD）主要包括井下系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)兩部分，井下系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)發(fā)電機和電池組、測量傳感器、數(shù)據(jù)調(diào)制與發(fā)射電路、絕緣電偶極子發(fā)射天線、鉆鋌系（無磁鉆鋌、絕緣鉆鋌和動態(tài)方位伽馬鉆鋌）24，井下系統(tǒng)是井下鉆具組合的一部分，井下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1;地面接收系統(tǒng)包括地面接收機（DSP處理器、閾值調(diào)節(jié)器、低通濾波器、前置放大器）、司鉆顯示器、計算機（數(shù)據(jù)圖形界面顯示軟件、信號濾波解調(diào)軟件等）。地面接收系統(tǒng)的主要作用是實時接收、轉(zhuǎn)換、記錄地下采集的有用信號。

1.2工作原理

電磁波隨鉆測量系統(tǒng)（EM-MWD）由絕緣的電磁發(fā)射天線分隔成2個電極，一個電極經(jīng)過鉆柱進行傳導(dǎo)到地面井臺，另一個電極從地層進行傳導(dǎo)傳輸至地面的接收天線，地面接收機分別和這兩個電極進行連接，形成一個閉合的回路。當EM-MWD在井下進行工作時，將激勵電壓加在兩個電極之間，激勵電流從正極出來一部分沿上段鉆柱向上流動，這部分電流由于地層導(dǎo)電的原因很大部分電流泄露到地層中，在負電極的吸引作用下，這部分泄露電流在下段鉆柱的負極上聚集。接收天線與鉆柱之間有電流通過，地面接收到的信號經(jīng)過地面接收機的處理如降噪、放大、解碼之后發(fā)送至計算機，在計算機屏幕上顯示相關(guān)的結(jié)果，并將結(jié)果存儲在計算機中。

天線絕緣材料的設(shè)計

2.1天線

EM-MWD中的絕緣鉆鋌式電偶極子天線將鉆柱部分（鉆鋌以上）和鉆頭部分（鉆鋌以下）分成兩個電極，見圖2。發(fā)射模塊將發(fā)射信號加在鉆柱和鉆頭兩極，鉆柱、鉆頭和地層構(gòu)成信號電流回路。鉆鋌斷開處接入連接器，該連接器表面通過電化學(xué)方法由絕緣材料形成絕緣層，接人連接器之后形成發(fā)射天線的兩極。為了保證絕緣效果，需要設(shè)計高性能的絕緣材料。

2.2天線絕緣材料的設(shè)計

2.2.1絕緣的材料選擇

絕緣材料主要包括聚丙薄膜復(fù)合木纖維紙（PPLP）、聚四氟Z烯薄膜、聚酰亞胺薄膜、聚丙烯層壓紙（LPP）及納米復(fù)合材料等。本研究中天線的絕緣材料選擇LPP，LPP絕緣材料的介電常數(shù)為2.2，該在沸點為77K的液氮浸漬條件下具有良好的電氣性能和機械性能，LPP薄膜的厚度大約為0.12mm，EM-MWD工作中地面接收承受的最高工頻電壓為60kV，在考慮一定寬裕度的情況下，設(shè)計的繞包層數(shù)最多為27層。

2.2.2絕緣繞制的原則和方法

絕緣材料在繞制過程中應(yīng)該注意拉伸強度、表面摩擦系數(shù)等特性，對于繞包來說盡量使絕緣材料“緊而不皺”，保證“緊而不斷”，盡可能的減少層與層之.間存在的孔隙，同時在繞制過程中不能過緊，以防止出現(xiàn)低溫斷裂的情況。根據(jù)相關(guān)的研究可知，縫隙之

間的距離對于擊穿電壓的影響較大，因此，為了防止試驗時出現(xiàn)巖縫隙爬電擊穿的現(xiàn)象，根據(jù)EM-MWD中絕緣層的結(jié)構(gòu)，采用對縫繞包工藝，絕緣材料在繞包過程中留有2mm的縫隙。

2.2.3絕緣材料LPP擊穿強度試驗

采用的絕緣材料LP的厚度為0.12mm，松裝密度為0.90土0.10g/m'，濕度為7.0%，對制作的實驗樣品進行了交流擊穿實驗，得出液氮環(huán)境下使用的LPP的交流擊穿場強威布爾概率為4.86%，雷電沖擊擊穿場強概率為3.21%。

2絕緣層關(guān)鍵參數(shù)仿真分析

EM-MWD絕緣層的設(shè)計主要是絕能性能的分析和絕緣層的長度確定，這兩個參數(shù)的確定需要進行仿真分析，仿真實驗采用ANSYS軟件構(gòu)建EM-MWD信號傳輸仿真模型，為絕緣材料的設(shè)計提供理論支持。

1）仿真模型構(gòu)建。構(gòu)建仿真模型時，做出如下假設(shè)：①地層全部為均質(zhì)地層;②井眼軸線與鉆柱的軸線相互重合;③鉆柱全部為鉆桿。模型簡化之后，EM-MWD地下和地上部分具有對稱性，因此，選擇平面對稱模型實現(xiàn)信號的傳輸分析。模型的主要參數(shù)設(shè)置如下：鉆桿的電阻率為2x1072.m、鉆桿的外徑為73mm，壁厚為9.19mm，地層深度為2300m，井深為2000m、地層圓周半徑為2000m、下部鉆柱的長度為5m;激勵源信號發(fā)射功率和發(fā)射頻率為5W、2.5Hz，根據(jù)模型的需要確定絕緣層的長度和電阻值。設(shè)定地層的電阻率為25Q.m、絕緣層的電阻和長度分別為10M92、Im，在仿真結(jié)果中顯示以鉆柱為中心，與鉆柱之間的水平距離越大地面電位逐漸降低。

2）絕緣層長度分析。分析絕緣層長度對信號傳輸?shù)挠绊憰r，假設(shè)絕緣層的電阻值為10M2，地面接收電極和鉆柱之間的水平距離為50m，仿真結(jié)果顯示，絕緣層的長度越長，地面接收電壓值會隨之增大，當絕緣層的長度達到定值之后，地面接收電壓值變化也趨于穩(wěn)定，不再明顯，地層的電阻率越大，鉆井液電阻率越小，地面接收電壓達到最大值對應(yīng)的絕緣層長度越長，這是因為在高阻地層和低阻鉆井液條件下，如果絕緣層的長度比較短則在絕緣層附近容易形成局部渦流，造成激勵源有效發(fā)射功率降低，地面接收電壓變小。在實際工程中絕緣層的長度一般為0.5m，避免由于絕緣層較短造成的地面接收電壓變低。

3）絕緣層電阻分析。設(shè)定絕緣層的長度為lm，鉆井液的電阻率為109.m，仿真結(jié)果顯示，隨著絕緣層電阻值的增加，地面接收電壓值也會逐漸變大，但是增加的速度比較平緩，地面接收電壓值最大時，絕緣層的電阻也最大。這是因為在高阻地層中，由于絕緣層電阻較小，激勵源電流通過絕緣層形成電流回路而造成功率的損耗，減小了井口的接收電壓。而EM-MWD在應(yīng)用過程中地層的電阻率一般比較小，不會高于2002-m，所以當絕緣層的電阻達到數(shù)百歐姆就可以滿足實際應(yīng)用中的相關(guān)要求。

4結(jié)語

對研制的EM-MWD天線絕緣材料進行設(shè)計和仿真分析得到以下結(jié)論：①該絕緣材料選擇LPP，LPP薄膜的厚度大約為0.12mm，EM-MWD工作中地面接收承受的最高工頻電壓為60kV，在考慮一定寬裕度的情況下，設(shè)計的繞包層數(shù)最多為27層。采用的絕緣材料LPP的厚度為0.12mm，松裝密度為0.90+0.10g/m'，濕度為7.0%，對制作的實驗樣品進行了交流擊穿實驗，得出液氮環(huán)境下使用的LPP的交流擊穿場強威布爾概率為4.86%，雷電沖擊擊穿場強概率為3.21%。②采用ANSYS軟件構(gòu)建EM-MWD信號傳輸仿真模型，絕緣層的長度越長，地面接收電壓值會隨之增大，當絕緣層的長度達到定值之后，地面接收電壓值變化也趨于穩(wěn)定，實際應(yīng)用中絕緣層的長度一般為0.5m，可以避免由于絕緣層較短造成的地面接收電壓變低。當絕緣層的電阻達到數(shù)百歐姆就可以滿足實際應(yīng)用中的相關(guān)要求。

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