井下無線電磁波短距離傳輸技術發展及研究

田新　張云　段友祥　孫岐峰

摘 要：在井下數據傳輸中，如何便捷并且高效的傳輸數據一直是研究熱點方向，該文闡述了目前應用比較成熟的各種井下無線電磁波傳輸方式方案及其原理，分析了各種設計方案的優缺點。探討了電磁波在井下傳輸過程中引起信號衰減和干擾的因素。

關鍵詞：井下數據傳輸 電磁波 短距離數據傳輸

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（c）-0014-02

隨著油氣田開發的深入，地質導向鉆井技術成為解決如薄油藏、斷塊油藏等難動用儲量開發的重要手段。在地質導向鉆井技術中，實時、準確地將井下地層信息傳輸到地面是關鍵技術之一。目前廣泛應用的方式為泥漿脈沖傳輸和電磁波傳輸，相比之下電磁波傳輸速率更高，其中智能鉆桿技術和井下近鉆頭數據傳輸技術是比較熱門的電磁波傳輸研究方向。筆者所研究的正是井下電磁波短距離傳輸技術。

1 井下無線電磁傳輸方式

目前井下電磁波傳輸方式可以分為電磁遙測和電磁短傳兩種方式，電磁遙測方式是利用鉆桿或者直接通過地層實現信號從井下到地面的無線傳輸；電磁短傳方式則是一種將無線傳輸方式和有線傳輸方式結合起來的井下傳輸方式，在需要跨越的地方，譬如鉆桿與鉆桿連接螺紋部分，采用電磁感應耦合傳輸方式實現信號傳輸，

1.1 電磁遙測方式

電磁波在媒質中傳播除了與自身頻率和媒質特性有關，還與天線設計形式有很大的關系。發射天線和接收天線是整個傳輸系統的關鍵部件之一。激勵電磁波的方式有水平電激勵、垂直電激勵、水平磁激勵、垂直磁激勵四種[1]。根據井下情況，比較合適的激勵方式只有垂直電激勵和垂直磁激勵兩種方式，可以將天線劃分為磁天線和電天線兩種。

磁天線方式是通過地層傳輸信號的方法，其實現方式為在井下管柱軸向安裝一個螺線管，其模型示意圖1（a）所示，當給發射螺線管施加交變電流時，會產生沿著井下管柱軸向的磁流。接收端天線通過對這一磁場信號磁感應產生信號，從而實現信號的電磁傳輸。

電天線型電磁傳輸系統根據天線設計形式的不同又分為三種：

（1） 環形線圈式天線。該方法是在鉆桿上安裝一個水平導磁環，在導磁環上螺旋纏繞著線圈，其模型示意圖1（b）所示。該方式利用線圈上變化的電流產生磁場，再利用變化的磁場產生沿著鉆桿軸向的激勵電流。這種設計方式能夠保持鉆桿結構完整。

（2） 不對稱直立式天線。這種天線，在設計實現上，一般把鉆桿分為上下兩個部分，構成兩個電極，中間由特制的絕緣鉆桿連接上下兩段鉆桿，屬于一種與地面垂直的線狀天線，其模型示意圖1（c）所示。

（3） 穿孔外接金屬環套激勵法。該設計方案只需要在鉆桿上開一個小孔，鉆桿內部激勵器一端與鉆桿內壁相連，另一端通過鉆桿絕緣小孔K與包裹在鉆桿外部的金屬環A相連，如圖1（d）所示。該設計方案最先有中國電波傳播研究所提出[2]，這種設計方式保證了鉆桿結構強度。

1.2 電磁短傳方式

根據信號傳輸的傳輸原理劃分，可以將無線電磁波傳輸分為電場型和磁場型。目前在電磁短傳中，多采用環形線圈的電磁感應耦合的磁場型傳輸方式為主。

電磁短傳方式是一種基于電磁感應耦合原理實現信號非接觸式傳輸的方式，該方案中采用特制鉆桿，鉆桿兩端裝有環狀的磁芯感應線圈，同根鉆桿兩端的感應線圈再通過有線方式連接，在鉆桿與鉆桿連接螺紋處通過感應線圈進行數據傳輸。該方案的無線傳輸距離很短，一般只有幾厘米，可以采用很高的電磁頻率實現高速率數據傳輸。美國的IntelliServ公司的智能鉆桿即采用這種傳輸方式，其最高理論速率可以達到2 Mbit/s，實際應用的傳輸傳輸速率為56 kbit/s，遠遠超過了電磁遙測方式的數據傳輸速率[3]。

2 井下無線電磁波短距離傳輸試驗研究

筆者主要研究了井下鉆桿在5～10 m之內，以環形線圈方式進行無線電磁傳輸是否可行，以及如何提升傳輸效率。

在無線電磁短傳系統中，發射線圈和接收線圈是整個系統的核心部件，是影響信號傳輸距離和信號傳輸效率的關鍵因素。在試驗方案設計中，線圈需安裝在鉆桿上，線圈直徑基本固定。筆者主要從線圈的線徑、線圈匝數和線圈股數等參數方面對信號傳輸的影響進行探討。

2.1 線圈匝數

電磁感應線圈傳輸信號的工作原理與變壓器十分相似，電磁感應線圈在信號傳輸過程中又起到帶通濾波器的作用，只有當發射頻率與中心頻率接近時才不至于引起衰減。感應線圈設計不同，其頻率響應特性也不同，其中線圈匝數對其影響最為顯著。

2.2 線徑

提高線圈的品質因數可以提高信號傳輸效率，線圈品質因數與線圈繞組存在以下關系：

可以通過減小線圈的繞組R提高Q 值。線圈總阻值與線圈的線徑成反比關系，因此增加線圈的線徑可以提高線圈的品質因數。

2.3 線圈股數

當發射頻率較高時，線圈會受到趨膚效應的影響并隨著頻率增大會顯著增加。趨膚效應使導線有效橫截面積減小，影響信號傳輸效率。因此采用多股導線并聯繞制的線圈結構可以減小線圈的趨膚效應的影響，同時減小了線圈的等效阻值。

3 井下電磁信號傳輸衰減因素分析

3.1 巖層電阻率

所有的無線電磁傳輸方式對巖石電阻率都存在某種程度上依賴，當電磁波進入巖石中時，由于渦流的熱能損耗，將使電磁波的強度隨傳輸距離的增加而衰減，這種現象為巖石對電磁波的吸收作用，吸收的大小和電磁波頻率、巖石電導率、巖石介電系數有關，巖石電導率越大，衰減越大。

3.2 鉆井液

相對于地層和鉆桿，鉆井液對電磁波傳輸的影響微乎其微，由于鉆井液對電磁波也有一定吸收，隨著電磁波頻率升高，衰減越大。

3.3 鉆桿

鉆桿是良導體，具有較高的電導率，對電磁波的吸收比較嚴重，所以鉆桿越長，電磁波衰減越嚴重；電磁波頻率越高，吸收越嚴重；另一方面，由于在鉆桿連接接口處存在接觸電阻，而隨著鉆井工程中振動接觸電阻的大小是不斷變化的，這會影響電場型傳輸方式鉆桿中信號電流的穩定性。

3.4 發射信號頻率

電磁波在媒質中傳播，衰減程度與電磁波頻率成正比，即頻率越高，接收電壓越小。

3.5 鉆井設備的電氣干擾

信號從井下傳輸到地面，由于衰減很大，地面接收點接收到的信號十分微弱，很容易受到其他電氣設備信號的干擾，使數據通信更加困難。

4 結語

電磁波在地層中傳輸衰減十分嚴重，并且電磁波頻率越高，衰減越嚴重。在電磁遙測傳輸方式中，通常選取甚低頻段電磁波，但其嚴重限制了數據傳輸速率。電磁短傳方式，由于無線傳輸距離短，載波頻率高，在保證準確率的前提下，可以大大提升數據傳輸速率。

參考文獻

[1] 李曉.電磁雙向信號傳輸遙測通道的研究[D].武漢：中國地質大學，2010.

[2] 熊浩，胡斌杰.隨鉆測量電磁傳輸信道研究[J].地球物理學報，1997，40（3）：431-441.

[3] Michael Jellison，David Hall，Darrell Howard，et al.Telemetry drill pipe：enabling technology for the downhole internet[R].SPE/IADC 79885，2003.