鉆桿內孔微波多徑信道研究與測試

夏文鶴 孟英峰 李偉勤

(1. 西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500； 2. 西南石油大學電氣信息學院，成都 610500)

鉆桿內孔微波多徑信道研究與測試

夏文鶴1孟英峰1李偉勤2

(1. 西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500； 2. 西南石油大學電氣信息學院，成都 610500)

將鉆桿內孔視為超長不規則有耗圓波導,采用多徑傳輸理論建立信道模型,結合實驗統計法,對信道特征及信號衰減機理進行了研究分析．分析結果表明,廣泛應用于空氣鉆井領域的API 5″和51/2″鉆桿,其內孔可以作為2.4 GHz頻段微波信道,且一根鉆桿單元構成的微波信道基本符合超寬帶信道標準．但鉆桿接頭段具有多個反射面,導致信道具有雙簇多徑信道的特性,雙簇間較大的時延令信道均方時延擴展大幅增加．根據模型對比結果,多徑衰落和時延是影響該信道傳輸質量的主要因素．

雙簇多徑信道;UWB信道;超長不規則有耗圓波導;多徑衰落模型;微波隨鉆測量

引 言

近年來,電磁波隨鉆測(Electromagnetic Measurement While Drilling, EM-MWD)技術因傳輸速率高成為隨鉆監測領域的研究熱點,該技術將整個鉆柱作為天線,通過地層傳播電磁波信號以傳輸井下信息．文獻[1-2]分析了電磁波在地層的傳播模型,對影響電磁波傳播的主要因素進行了系統分析,并指出該項技術目前在非均勻地層和低電阻率地層效果較差,大幅限制其適用范圍．為避開地層電阻率對電磁波傳播的影響,在氣體鉆井領域出現了微波隨鉆測量技術,該技術在鉆桿內孔的氣體流道中激發微波信號來傳輸井下監測數據．文獻[3]把鉆桿看作理想圓波導,分析了頻率為2.4 GHz微波在107 mm內徑鋼質鉆桿內孔中的傳輸特性．但該文僅考慮了鉆桿本體中填充介質造成的微波損耗,未考慮由鉆桿接頭散射、反射作用造成的損耗,導致其計算結果與現場實測結果存在較大差異．文獻[4]對石油鉆桿與套管間空氣層中微波傳輸的可行性與可能存在的波形進行了分析,并提出了最佳頻點的設置方法,但并未分析信道的特征和衰減規律．除此之外,國內外鮮有對鉆桿內微波信道進一步的研究成果．本文將鉆桿內壁視為超長不規則有耗圓波導,建立了鉆桿微波多徑信道模型,得到多徑信道功率衰減規律及時延規律．

1 鉆桿內孔微波信道模型

鉆桿為9.5 m左右長直管,管壁厚度沿軸線不一致,API 5″和51/2″鉆桿管壁厚度一般在6～15 mm,兩端分別為公接頭和母接頭,中間為管體段．管體段為內徑固定的無縫鋼管,根據瑞利準則,鉆桿內壁可視為光滑表面．接頭段沿軸向存在內徑漸變段和突變點,鉆桿公母頭對接后內壁結構更為復雜,如圖1所示．

圖1 鉆桿及接頭段剖面示意圖(未按實際尺寸繪制)

若將鉆桿內壁視為理想導體,并在鉆桿接頭段內孔安裝微波激發天線,則鉆桿內孔可視為一段同軸的不連續圓波導,并由鉆桿管體段向兩邊延伸．目前氣體鉆井大多應用于直井鉆探過程,鉆桿彎曲幅度較小,故兩天線間必存在直射波．將內徑固定的管段視為等徑波導段,內徑突變的接頭視為不連續波導段;內徑漸變的管段,若其軸向長度不超過二分之一波長,視為短漸變波導段,反之視為長漸變波導段．鉆桿具有多個內徑漸變管段和突變點,若用階梯波導近似[5],可將鉆桿內壁沿軸向劃分為m段長度為lm,內徑為am的等徑波導段與m個反射面．在接頭段即使采用定向天線激發微波信號,由于入射波在管壁的入射角處于0≤θ<90°的范圍,必然形成大量反射過程,故應視鉆桿內孔微波信道存在直射波和大量反射波,如圖2所示．反射波的存在大幅增加微波損耗[6]．

圖2 鉆桿接頭段微波傳播路徑示意圖

設定從l1段到l2段為傳播方向,反之為反射方向,電磁波能量兩次反射,必然導致其相位增加,幅度減小．若將每個反射波傳播的路徑視為一徑,則鉆桿為多徑信道,這是鉆桿區別于一般波導元件的重要特征,也是影響鉆桿內微波傳播參數的主要原因[7-8]．具體信道模型根據實物模型實測數據確定．

2 微波多徑信道測試

實物模型位于西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,由一根完整的API 51/2″(139.7 mm)鉆桿和一個鉆桿母頭短節連接而成．將發送天線安裝在鉆桿管體段的始端,將接收天線安裝在連接接頭中管體段的始端,即收發天線之間為一根連接后完整的鉆桿單元,包含一段8.1 m鉆桿管體段、一對1.15 m上扣的公母接頭,距離約為9.25 m．接收天線可在9.2～9.5 m距離范圍內沿軸向小幅移動,如圖3所示．

圖3 鉆桿單元實驗模型剖視圖(未按實際尺寸繪制)

圖4為兩天線在相同極化方向條件下,利用RIGOL DSA1030頻譜儀在2.0～3.0 GHz頻段測試的頻譜分布,中心頻點為2.5 GHz．由圖可知在該頻段信號幅度均高于-10 dB,其中收發天線在相距9.2 m時,在2.1～2.2 GHz頻段信號幅度達到最低值-9.6 dB,也即該信道-10 dB帶寬大于1 GHz,符合美國聯邦通訊委員會對超寬帶(Ultra-Wide Band, UWB)信道標準的定義[8]．

圖4 鉆桿單元頻譜測試結果

采用頻域測試法進行信道沖擊響應的測試．測試儀器為網絡分析儀HP8753ES(含010時域測量功能選件),設置0～4.8 GHz(006選件)帶寬范圍內801個測試點,中心頻點2.4 GHz,時間倉寬度0.2 ns．天線保持9.25 m測試距離進行120次測試,測試數據轉存到計算機中,經后期數據整理、處理[9]得到功率時延分布測試結果,如圖5所示．

圖5 鉆桿單元內孔微波信道功率延遲分布

脈沖功率延遲分布具有多脈沖現象,且具有兩個較明顯的簇,每個簇內具有隨機到達的多徑射線．第一個簇首射線到達時間T1=32 ns,這與兩天線之間9.25 m距離基本吻合,視為直達脈沖波形．第二個簇首射線到達時間T2=83 ns,與第一簇首射線的延時為51 ns,其時延大小與電磁波在鉆桿管體段來回反射一次的時間基本吻合．在波形中未觀察到較明顯的第三簇波形．用αk,j(j=1,2)表示第一、二簇中第k個路徑在t時刻的路徑增益系數,用τk,j(j=1,2)表示第一、二簇中第k個脈沖相對于其簇首的額外延遲,用δ(t)表示脈沖信號,則信道模型可用如下沖擊響應函數表征[10]:

(1)

式(1)中接收信號為多個不同路徑脈沖信號的疊加,i個有效路徑形成i個脈沖,M、N分別為第一、二簇內觀察到的多徑數,很明顯有M+N=i．對于兩簇中的第一徑總有τ1,j=0．根據高頻電磁波的似光性和光傳輸的基本規律,在幾何光學模型下得到了接收天線功率Pr與發射天線功率Pt的關系[11]．

(2)

式中:λ為2.4 GHz微波波長;L0是收發天線距離,約為9.25 m;G是收發天線增益;c為光在真空中的傳播速度．上述模型的確定,需對信道特征進行分析以明確αk和τk參數的取值．

3 信道特征分析及參數確定

(3)

(4)

鉆桿主要材料為含碳量低于0.4%的低碳鋼,使用過的鉆桿內壁一般會有輕微銹蝕．沿實物模型內壁圓周多點多次測量計算,其平均表面電阻Rs約為0.89 Ω．Γn-1、Γn分別為管體段前端和后端兩個反射面的反射系數,用反射面兩側的等徑波導特征阻抗Zn-1,Zn,Zn+1計算,ζ1、ζ2則根據鉆桿內壁結構計算:

(5)

(6)

(7)

根據API 51/2″鉆桿結構,ζ1和ζ2分別為2.74, 1.19,帶入式(3)、(4)得到α1,1和α1,2最終計算結果為-9.02 dB和-29.53 dB．由圖5可知第一、二簇首射線增益α1,j分別接近-10 dB和-30 dB,測試結果與公式計算的增益系數基本吻合．對功率延遲分布重復進行120次測試,記錄35 ns、50 ns、85 ns、95 ns延遲時間點對應路徑的增益系數,并用該時間點出現的最大增益值進行歸一化處理,做路徑相對增益系數概率分布并進行分布曲線擬合,作為其概率密度函數,結果如圖6所示．

圖6 路徑增益系數概率分布及函數擬合

圖6中各路徑增益系數αk,j基本服從獨立對數正態分布,且每次測量結果中,簇內多個路徑的增益值也呈現出對數正態分布特征．多徑平均功率增益按衰減因子為Γ的指數規律衰減[12-13],即

20lg(αk,j)～N(μk,j,σj)

(8)

(9)

(10)

根據120次脈沖功率延遲分布實驗數據,第一簇確定118條高于設定門限的可分辨路徑,第二簇確定91條高于設定門限的可分辨路徑．將每次實驗獲取的兩相鄰路徑間延時數據進行平均,作為最終兩相鄰路徑間延時,如圖7所示．

圖7 簇內相鄰兩徑間延時分布

求取圖7延時分布的概率分布并進行函數擬合,可知相鄰兩徑間延時基本滿足獨立的指數概率分布,如圖8所示．圖中概率密度函數可表示為:

(11)

(12)

圖8 簇內相鄰兩徑間延時概率分布及函數擬合

根據功率延遲分布測試結果,利用信道均方時延τrms的計算方法得到如下兩簇信道均方時延計算結果[14],τrms,1=3.11 ns,τrms,2=3.78 ns,通常情況下功率衰減因子γ可以近似采用均方根時延擴展值[15],且γ1≤γ2,即令γ1=3.11,γ2=3.78．

圖5中雙簇信號之間間隔接近30 ns,而在IEEE 802.15.3a 標準模型改造的兩簇模型中兩簇重疊,簇間無明顯間隔．為將鉆桿信道的均方根誤差時延擴展與信道特征相符,τk,2參數用第一、二簇首射線間隔時間η進行修正,即有

(13)

對單根鉆桿單元信道取η=51 ns,此條件下計算的單根鉆桿單元信道τrms=22.58 ns,由

(14)

可知,在包絡相關系數為ρ=0.5條件下,該信道相關帶寬Bc約為7 MHz．

4 信道模型的驗證

根據公式(2)和表1的參數值計算單根鉆桿單元的接收功率,同時利用頻譜分析儀DSA1030在2.395～2.405 GHz頻段進行頻譜測試．實測結果與計算結果對比如圖9所示．

表1 多徑信道接收功率模型參數值

圖9 實測結果與模型計算結果對比

如圖9所示,在2.4 GHz的頻率點,測試和計算得到接收功率分別為-8.247 dB和-8.349 dB,誤差為0.102 dB．根據文獻[3]中只考慮表面電阻損耗的算法,其計算的損耗僅為-0.3 dB,與實際測量值差距較大,說明多徑模型的計算結果更準確,也說明鉆桿內孔微波信道中,多徑衰落是主要的衰減因素．隨著頻率的增加,微波波長縮短,信道中的多徑分布狀況發生變化,這是理論模型誤差隨頻點升高而增大的主要原因,但總體而言,多徑衰減模型的計算結果與實測值較為接近,說明衰減模型的正確性．此外,實測的頻譜分布曲線中,在高于2.401 5 GHz的頻段,接收功率衰減明顯加劇,而在2.395～2.401 5 GHz頻段,接收功率的變化相對平穩,可認為在該6.5 MHz帶寬內,信道具有相對恒定的增益,接收信號經歷平坦衰落,該實測值與計算的相關帶寬值基本吻合．

5 結 論

鉆桿為長直管狀,沿軸向存在內徑漸變段和突變點,其內孔可視為超長同軸不連續有耗圓波導,在2～3 GHz微波頻段傳送信號．根據實際模型測試結果表明,單根鉆桿單元構成的微波信道符合超寬帶信道標準,并表現出明顯的雙簇多徑信道特征,多徑衰落和時延是影響該信道傳輸質量的主要因素,兩簇之間相對時延為51 ns,均方根時延擴展為22.58 ns,信道相關帶寬約為7 MHz．構建的多徑信道模型在一定程度上展示了微波信號在鉆桿內孔信道中反射、延遲狀況．該模型對信道衰減的計算結果比僅考慮表面電阻損耗的模型更準確,為確定信道傳輸帶寬、最大傳輸速率等參數提供了依據,也可作為該信道專用RAKE接收機的設計依據．文中建立的信道模型和測試方法可應用于其它類型的鉆桿、套管及類似非標準波導元件的分析．由于鉆柱結構的周期性,該模型可進一步作為鉆柱信道仿真、分析的基礎．

此外,由于實物模型內壁輕微銹蝕造成表面電阻值增大,導致信號的衰減量偏大,接收功率偏小,但結果仍在可接受范圍內．若采用較新的鉆桿,可減小單位長度的微波衰減量,則相同的微波發射功率,其傳輸距離可以大幅提高．因此將鉆柱內孔用作氣體鉆井過程中的微波通信信道,具有實用價值和良好的應用前景,也具有進一步研究的現實意義．

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夏文鶴(1978—),男,四川人,西南石油大學電氣信息學院副教授,主要從事氣體鉆井井下隨鉆測量領域的研究工作.

孟英峰(1956—),男,河北人,西南石油大學石油與天然氣工程學院教授,博士生導師,主要從事欠平衡鉆井及儲層保護領域的理論研究工作．

李偉勤(1976—),男,四川人,西南石油大學電氣信息學院副教授,主要從事電磁波建模與地質錄井領域的研究工作．

Researchandmeasurementsoncharacteristicsofmicrowavetransmissionmultipathchannelindrillpipe

XIAWenhe1MENGYingfeng1LIWeiqin2

(1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China; 2.SchoolofElectricalandInformationEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

In this paper, the drill pipe bore is considered as an ultra long irregular lossy circular waveguide, and the channel model is established by using multipath transmission theory. Meanwhile, the channel characteristics and signal attenuation mechanism are analyzed, combining the experimental statistics. The analysis results show that the API 5″ and 51/2″ drill pipe bore, widely applied in air drilling field, can be used as the 2.4 GHz band microwave channel, and are in accordance with the ultra wide band (UWB) channel standard. However, the numerous reflected waves are generated by the reflective surface in the joint section of the drill pipe, which makes the channel has the characteristics of dual cluster and multi-path channel. The large delay between the two clusters leads to a significant increase of the root mean square delay spread, and according to the model contrast results, the multipath fading and delay are the main factors affecting the propagation quality.

double cluster multipath channel; ultra wide band channel; ultra long irregular lossy cylindrical waveguide; multi-path fading model; microwave measurement while drilling(MMWD)

夏文鶴, 孟英峰, 李偉勤. 鉆桿內孔微波多徑信道研究與測試[J]. 電波科學學報,2017,32(4):391-397.

10.13443/j.cjors.2017072201

XIA W H,MENG Y F,LI W Q. Research and measurements on characteristics of microwave transmission multipath channel in drill pipe [J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):391-397. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017072201

TN814

A

1005-0388(2017)04-0391-07

DOI10.13443/j.cjors.2017072201

2017-07-22

國家科技重大專項(2016ZX05021-003-003HZ)

聯系人： 夏文鶴 E-mail: swpuxwh@swpu.edu.cn