基于隨鉆電磁波傳輸?shù)慕邮障到y(tǒng)研究

賴(lài)章軍，孫向陽(yáng)

（電子科技大學(xué)，四川成都，610054）

0 引言

早期石油的開(kāi)采技術(shù)手段簡(jiǎn)單，開(kāi)采深度淺，開(kāi)發(fā)成本高，而隨鉆測(cè)井具有實(shí)時(shí)性高、較準(zhǔn)確獲得井下地層參數(shù)、高效率低成本等優(yōu)勢(shì)，早已成為測(cè)井技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，其中電磁波傳輸方式是近些年隨鉆測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。目前我國(guó)的隨鉆電磁波傳輸技術(shù)處在試驗(yàn)階段，該技術(shù)是利用極低頻電磁波將井下定向及地質(zhì)信息傳感器測(cè)到的數(shù)據(jù)（電阻率、巖石密度、孔隙度、滲透率、含油飽和度、孔隙壓力等）實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛妫?duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終將測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控終端上。整個(gè)隨鉆電磁波傳輸系統(tǒng)包括井下發(fā)射系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)，具體傳輸過(guò)程是井下的發(fā)射機(jī)調(diào)制出2FSK信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)功率放大后由發(fā)射天線以電磁波的形式沿著鉆桿向井上傳輸；地面線天線會(huì)接收到帶有噪聲的混合信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)接收系統(tǒng)處理后檢測(cè)出有效信號(hào)，解調(diào)后上傳到上位機(jī)。

1 地下電磁波傳輸特性

電磁波的傳輸理論是依照麥克斯韋方程來(lái)展開(kāi)研究的。麥克斯韋根本方程組如下：

上式中pe表示地層電阻率；u表示磁滲透系數(shù)，具體為4π× 1 0-7??s/m；f為電磁波傳輸頻率。通過(guò)上式可知電磁波在地下的傳輸深度是由電磁信號(hào)的發(fā)射頻率和地下地層中的電阻率決定。表1給出了它們的具體數(shù)據(jù)關(guān)系。

表1 數(shù)據(jù)對(duì)比表

以上是電磁波信號(hào)只在地層中的傳輸特性，但在實(shí)際測(cè)井過(guò)程中是通過(guò)鉆桿為介質(zhì)，將電磁波信號(hào)傳輸上來(lái)的，在這種傳輸信道下，傳輸深度還受到井下發(fā)射機(jī)發(fā)射功率P、鉆桿半徑r以及鉆桿材料等其它因素的影響。

本文的隨鉆電磁信號(hào)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，井下儀器底部安裝有發(fā)射機(jī)和螺旋發(fā)射天線，發(fā)射機(jī)調(diào)制出2FSK信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大后，通過(guò)螺旋天線向上發(fā)射，螺旋天線發(fā)射的電磁波電場(chǎng)Er方向是鉆桿徑向方向，傳輸方向是沿著鉆桿向上傳輸，地面會(huì)接受到混合信號(hào)S，其表達(dá)式為：

該信號(hào)是混有有用信號(hào)和噪聲信號(hào)，地面接收系統(tǒng)就是要從該混合信號(hào)中提取出有用信號(hào)。

圖1 電磁波傳輸系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

2 地面接收電路設(shè)計(jì)

地面天線接收的混合信號(hào)不僅微弱，還混有直流電位，所以接收到的信號(hào)整個(gè)處理流程是：先經(jīng)過(guò)一個(gè)無(wú)源帶通濾波，可濾除直流電位和一些高頻噪聲；再經(jīng)過(guò)模擬放大、有源濾波、工頻陷波處理；最后經(jīng)過(guò)數(shù)字電路進(jìn)一步處理帶內(nèi)噪聲，并通過(guò)相關(guān)解調(diào)算法解出有用信號(hào)。圖2給出了整個(gè)接收系統(tǒng)框圖。

圖2 接收系統(tǒng)框圖

螺旋天線是可套在鉆桿上作為井下中繼接收，而地面接收天線是采用線天線接收，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)測(cè)井環(huán)境條件復(fù)雜，含有機(jī)械和測(cè)井設(shè)備的工作場(chǎng)所屬于危險(xiǎn)地帶，使用線天線在地面接收井下傳上來(lái)的信號(hào)是一個(gè)非常好的選擇。井下傳輸上來(lái)的2FSK信號(hào)分別是f1= 220Hz，f2=230Hz，根據(jù)2FSK調(diào)制的規(guī)律可估計(jì)設(shè)計(jì)濾波器的帶寬為215Hz-235Hz。設(shè)計(jì)的二階RC帶通濾波如圖3所示，它的幅頻響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖3 二階RC帶通濾波

圖4 二階RC帶通濾波的幅頻響應(yīng)曲線

傳上來(lái)的信號(hào)很微弱，為識(shí)別到有用信號(hào)，需在前級(jí)加入低噪放大電路。本文使用的是低成本、低功耗的儀表放大器AD620，該款芯片還具有低的輸入偏置電流和低噪聲特性，非常適用于微弱信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，同時(shí)它可以通過(guò)一個(gè)外部電阻來(lái)控制增益，如果加入一個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)就可以手動(dòng)靈活控制所需要的放大倍數(shù)。本文設(shè)計(jì)的放大電路如圖5所示。

圖5 放大電路

經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)一個(gè)有源濾波，可以進(jìn)一步濾除帶外噪聲，優(yōu)化出有用信號(hào)。選擇有源濾波的原因是：有源濾波的幅頻響應(yīng)不受前后級(jí)電路的影響；如果要設(shè)計(jì)多階濾波器，有源濾波器的占用體積小，可以節(jié)省所設(shè)計(jì)的PCB面積。本文要求的濾波器帶寬為215Hz～235Hz，設(shè)計(jì)思路用一個(gè)有源低通濾波器和一個(gè)有源高通濾波器構(gòu)成一個(gè)帶通濾波器，選用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是Sallen-Key結(jié)構(gòu)。按本文頻帶要求設(shè)計(jì)了二階切比雪夫低通濾波電路和它的幅頻響應(yīng)曲線見(jiàn)圖6，二階切比雪夫高通濾波電路和它的幅頻響應(yīng)曲線見(jiàn)圖7。

測(cè)井基地的大型設(shè)備大多數(shù)都是用的50Hz工頻電，所以現(xiàn)場(chǎng)有很大的工頻噪聲以及其諧波噪聲，該噪聲對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)干擾非常大，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)針對(duì)工頻和其諧波的陷波器。由傳輸?shù)男盘?hào)頻率可知，影響最大的諧波頻率是200Hz和250Hz，要提高信號(hào)的質(zhì)量必須得將這兩個(gè)諧波噪聲削弱。本文設(shè)計(jì)的陷波器是由集成芯片UAF42構(gòu)成的陷波器電路，圖8給出了一個(gè)200Hz的陷波電路和它的幅頻響應(yīng)，250Hz的與之類(lèi)似。

圖6 二階有源低通和幅頻響應(yīng)

圖7 二階有源高通和幅頻響應(yīng)

接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)以上模擬電路處理后可以得到良好的信噪比信號(hào)，后面再經(jīng)過(guò)FPGA數(shù)字處理后可以進(jìn)一步優(yōu)化信號(hào)，從而可在低誤碼率的情形下解調(diào)出數(shù)據(jù)。

接收的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)化器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，本文的A/D轉(zhuǎn)化器選用是16位的AD7980，該款芯片具有低功耗、高速的特性，具有SPI串行接口，本文就是用到了其SPI接口與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。設(shè)計(jì)的信號(hào)采集電路可見(jiàn)圖9。

圖8 200Hz陷波電路和幅頻響應(yīng)

圖9 信號(hào)采集電路

3 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試

圖10是電磁波傳輸系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)調(diào)環(huán)境，鉆桿上有發(fā)射線圈和接收線圈，該調(diào)試裝置是完全模擬井下的傳輸環(huán)境，當(dāng)然實(shí)驗(yàn)室環(huán)境是比現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)井理想。發(fā)射裝置發(fā)射出2FSK信號(hào)并沿著鉆桿傳輸，另一邊接收天線會(huì)接收到發(fā)射的信號(hào)，經(jīng)過(guò)接收電路的處理后上傳到電腦上位機(jī)。圖11是發(fā)射的原始2FSK信號(hào)，該信號(hào)是由單片機(jī)調(diào)制和控制輸出。

圖10 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試環(huán)境

圖11 2FSK原始信號(hào)

4 實(shí)井測(cè)試

圖12給出了地下電磁波傳輸?shù)膶?shí)井測(cè)試環(huán)境，該實(shí)驗(yàn)井是屬于室內(nèi)的測(cè)試井，深度只有10米，通過(guò)這個(gè)測(cè)試可以驗(yàn)證接收電路的可靠性。發(fā)射系統(tǒng)已經(jīng)安裝在了井下儀器中，地面利用線天線來(lái)接收傳上來(lái)的信號(hào)，一根天線接在儀器上，另一根接在外面的接地樁上。最終測(cè)試到的信號(hào)見(jiàn)圖13所示。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)井測(cè)試環(huán)境

由以上測(cè)試結(jié)果可以得出電磁波信號(hào)在井下10米距離的傳輸，地面可接收到信噪比非常高的信號(hào)。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試到的信號(hào)

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究地下電磁波傳輸系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了基于電磁波傳輸系統(tǒng)的接收電路，并運(yùn)用該電路成功完成了淺井環(huán)境的試驗(yàn)，驗(yàn)證了該電磁波傳輸技術(shù)方案在測(cè)井技術(shù)中的可行性，為后續(xù)深井傳輸試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。該電路在某些地方還有待改進(jìn)：首先是需提高接收電路接收信號(hào)的靈敏度，以適應(yīng)在深井中測(cè)試，能檢測(cè)到更微弱的信號(hào)；其次是接收電路需適應(yīng)在不同的測(cè)試環(huán)境，即要自適應(yīng)不同環(huán)境噪聲且能濾除噪聲，從而提高信噪比。