一種隨鉆測量數(shù)據(jù)的井下無線短傳關(guān)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(yè)部，河北 任丘 062552）

隨著隨鉆測量（Measurement While Drilling，MWD）和隨鉆測井技術(shù)的發(fā)展，在靠近鉆頭的位置安裝了更多用于數(shù)據(jù)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(chǎn)生了一個問題，就是如何將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妗Ｒ驗樵谛D(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)中，用于數(shù)據(jù)采集的近鉆頭傳感器與MWD系統(tǒng)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(tǒng)可以解決這一問題，通過該系統(tǒng)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(tǒng)[1]。

無線電磁短傳是利用法拉第電磁感應(yīng)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(guān)鍵部件——發(fā)射和接收裝置。

1 無線電磁短傳信道原理及構(gòu)成

無線電磁短傳的原理是給發(fā)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(fā)射線圈磁環(huán)會產(chǎn)生頻率為f的交變磁場。此時，在無線短節(jié)另一端的接收線圈因穿過其磁環(huán)面積的磁通量不斷發(fā)生變化而產(chǎn)生感生電動勢，即接收線圈兩端感應(yīng)出信號電壓。

無線電磁短傳信道的構(gòu)成[3]：用2個繞有不同匝數(shù)的銅線圈磁環(huán)分別作為發(fā)射和接收裝置。2個線圈磁環(huán)分別裝在動力鉆具的兩端，靠近鉆頭一側(cè)的是發(fā)射裝置，另一側(cè)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(guān)鍵部件設(shè)計

發(fā)射和接收線圈是無線電磁短傳系統(tǒng)的核心部件，因為收、發(fā)線圈直接關(guān)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(tǒng)工作主要依靠電池，因此在保證無線短節(jié)正常工作的前提下，應(yīng)盡可能地降低系統(tǒng)功耗，從而使無線短節(jié)可以更長時間的在井下工作[4]。

2.1 線圈相關(guān)材料選擇

發(fā)射線圈、接收線圈的結(jié)構(gòu)可以分為兩部分：線圈和磁芯。要制作良好的無線短傳發(fā)射、接收裝置首先需要選擇好相關(guān)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(tǒng)的功耗要盡可能的低，通過無線短傳系統(tǒng)的電流一般不會很大。此外，無線短傳系統(tǒng)在井下工作還要能經(jīng)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(huán)氧漆包銅線來繞制發(fā)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(jié)磁性金屬氧化物，通過增加磁芯可以使電磁體的磁感應(yīng)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(fā)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(tǒng)也是至關(guān)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(guān)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhì)對于磁性材料選擇有著重要的意義。

綜合考慮電磁短傳關(guān)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(xiàn)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(fā)射線圈設(shè)計

根據(jù)安培環(huán)路定理，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場為[6]，

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

式中，B為磁感應(yīng)強度，μ為磁導率，N為發(fā)射線圈匝數(shù)，I為通過線圈的電流值。

發(fā)射線圈產(chǎn)生的電感（每單位電流的磁通匝鏈數(shù)）為，

（4）式中Φ為穿過每一匝線圈的磁通量。

（5）式中，S 為磁環(huán)截面積。

另由安培定理有

式中，r為發(fā)射線圈環(huán)形繞組截面積磁環(huán)的平均周長，記l=2πr，則有，

將（7）式代入（6）式可得，

發(fā)射線圈產(chǎn)生的電感為，

將（9）代入（8）中，得發(fā)射線圈匝數(shù)N計算公式：

銅線線徑為0.31 mm，經(jīng)計算當線圈匝數(shù)少于50匝時，基本可忽略線圈的直流阻抗，則發(fā)射線圈匝數(shù)為，

式（11）中發(fā)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(fā)射信號頻率f=10 kHz；磁芯磁導率 μ=7.5×10－3Wb/（A·m）； 發(fā)射線圈磁芯截面積 S=4.8×10－3m2；提供給發(fā)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(shè)計

接收線圈的感應(yīng)電動勢為[7]：

接收線圈兩端經(jīng)電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)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(shù)。

接收端磁芯的磁感應(yīng)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(yīng)強度變化最大值。

因此，接收線圈感應(yīng)電動勢計算公式如下：

當取cos（2πft）=1時，可得接收線圈感應(yīng)電動勢最大值，

則，接收線圈匝數(shù)為，

經(jīng)計算Em=0.36 V；預(yù)設(shè)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(shù)據(jù)代入（17）式可得：

最終理論計算結(jié)果為發(fā)射線圈14匝、接收線圈75匝。

3 無線電磁短傳關(guān)鍵部件傳輸性能試驗

為了驗證無線電磁短傳關(guān)鍵部件的設(shè)計是否合理，進行了無線電磁短傳關(guān)鍵部件的信號傳輸測試試驗[9]。測試方法：將發(fā)射線圈和接收線圈安裝在無線短節(jié)上（或沿同一條軸線對稱放置），信號發(fā)生器產(chǎn)生測試信號，信號通過功放接入發(fā)射線圈，通過電磁感應(yīng)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(shù)，最終檢驗無線電磁短傳關(guān)鍵部件的傳輸性能。

圖3 測試現(xiàn)場圖Fig.3 Site chart of the test system

測試設(shè)備包括發(fā)射線圈 （25匝）、 接收線圈 （75匝）、QF1022高 頻 信 號 發(fā) 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(fā)射線圈的阻抗，最終取線圈匝數(shù)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(fā)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(yīng)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(wěn)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(wěn)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(wěn)定的。

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

圖6是發(fā)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(jié)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(fā)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(fā)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(jié) 論

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

2）發(fā)射、接收線圈的參數(shù)設(shè)計合理時，在一定距離范圍內(nèi)可以實現(xiàn)無線信號傳輸。

3）按照文章的無線電磁短傳關(guān)鍵件設(shè)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(guān)鍵件的設(shè)計為進一步研究螺繞環(huán)式磁芯的無線電磁短傳系統(tǒng)提供了依據(jù)。

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