載波通信原理的電磁波隨鉆測量技術研究

摘要：電磁波隨鉆測量的精準度與信號傳輸載體、遙感深度等具有一定的聯動性，以載波通信原理為基礎，將電磁波與電磁導體之間建立一個信號耦合機制則可實現導波系統的建設，極大提高信號傳輸質量。基于此，文章對電磁波隨鉆測量中的信號傳輸機理以及電磁波傳輸特點進行論述，對電磁波隨鉆測量系統及其實現進行研究。

關鍵詞：載波通信;電磁波隨鉆測量;數據傳輸

載波通信是模擬通信制式的一種代表，其采用的是頻分復用技術，有效將信號的傳輸頻率進行獨立保護，確保不同信號在不同頻譜之間可實現精準傳輸。對于石油開采行業來講，利用機械設備進行施工時，需通過設備內的傳感器對井下環境進行勘測，然后將此類信號傳輸到系統中，令集成系統依據設備運行裝置，正確界定出鉆頭的運動軌跡。目前，石油鉆采過程中的信號傳輸機制主要是以電磁波為傳輸載體，其與傳統的鉆進液傳輸載體相比，具有效率性、精準性的優勢，但電磁波在實際傳輸中受外界環境因素影響較大。將載波通信技術應用到電磁波信號傳輸中，將鉆桿上的信號傳輸與大地進行聯通，以鉆桿以及大地為信號傳輸載體，則可有效解決信號傳輸的聯動問題，進而實現載波信號的對接傳輸，令系統對井下各類工作參數進行系統的了解。

電磁波隨鉆測量工藝主要是在鉆桿的中間位置利用絕緣部件進行替換，令絕緣部件兩端呈現出非對稱性質的偶極子，以對電磁波進行發射。但在實際應用過程中，由于鉆桿絕緣段在傳輸相應的信號時，其本身受到的信號傳輸壓力較大，在長時間工作狀態下，必然加大鉆桿設備的耗損量。同時，以鉆桿為電磁波發射源，其發射性質呈現出散射形式，分化電磁波發射能量，進而降低電磁波的傳輸深度。

以電力線為載體的載波通信中，可將整個系統呈現出的高頻信號集成到電力線設備之中，然后通過相地耦合的方式，將電容器、濾波器等部件建構為低阻濾波器，以對信號中的低頻成分進行有效阻隔，進而保證高頻信號的傳輸可精準作用到電力線設備上。在鉆井工程施工中，鉆桿設備一般由具有高強度、高精度、高導電性的鋼材組成，此類鉆桿設備可以當成是電力線設施，其可作為載波信號的傳輸載體，以此來建構出電磁波隨鉆測量體系。

電磁波隨鉆測量體系的組成可分為兩部分，地面上的信號接收裝置、井下的信號傳輸裝置。在井下信號傳輸體系中，是以傳感器為信息采集源，對井下的各類工作參數，如溫濕度、空間壓力等，傳感器將各類信息采集以后，傳輸到載波模塊中，然后通過頻率的加載形成電磁波。再經由濾波處理將信號源耦合到鉆桿設備中，建構成完整的信號傳輸系統，真正令地上、地下實現信號的對接傳輸，地面工作人員可通過交互設備及時分析出井下設備的運行狀態，以此來制定相應的工作計劃，滿足下一階段的石油開采需求。

電磁波傳輸介質包含鉆桿傳輸與地層傳輸兩部分。在鉆桿傳輸中，受到鉆采空間的限制，實際傳輸方向只有以鉆桿鉆取角度為基準，進行激勵型、磁型的兩種傳輸形式，其呈現出導行特性的電磁波。在地層傳輸中，影響電磁波傳輸的因素有很多，例如，地質特性、電磁導率等，電磁波傳輸與上述影響因素呈現出線性關系，且傳播系數可精準的反映出電磁波在地層中傳播速率。電磁波頻率傳輸值越高，則代表著傳輸媒介存在的電導率值越高，進而加大信號傳輸中的衰減度。

電磁波隨鉆測量系統中，載波通信原理的實現主要通過相關載體建立信息傳輸渠道，保證電磁波的發射端與接收端可形成一個閉環。井下、地面的承接系統均包含信號發與接收兩個終端。其中井下系統是對各類信息參數進行采集與整合，并回傳到地面系統中，地面系統的主要任務則是將各類數據信息進行交互顯示，并對相關指令進行下達，令井下工作設備的運行呈現出邏輯性，兩者工作原理如下。

井下收發裝置：地面發送指令→信號放大→信號解調→功率放大→濾波→控制器→指令形成，然后通過傳感器將信號傳輸到微控制器中進行調制，再經由調制、功率放大、有源濾波等實現信號耦合。

地面收發裝置：數據接收→前置放大→功率放大→濾波→解調→微控制器→計算機接口模塊，上述過程為信息接收流程;計算機接口模塊→微控制器→調制→功率放大→濾波→阻抗解調→信號耦合，上述過程為信息發送流程。

井下介質在對電磁信號傳輸時，在外部管道與壓殼之間起到關聯作用，且內部電源設備是安裝在壓殼裝置中的，這樣便可有效降低信號傳輸滯后性現象的發生幾率。目前，井下設備的工作狀態一般包含響應型與自動型兩種，響應型是指井下設備在接收到上位指令以后，才進行相關指令的操作，當系統不再指令執行范疇內，則整體工作處于待機狀態，但其仍對信息起到存儲的作用，這樣便可有效節約能源。自動型主要是指設備按照固定的程序執行指令，此類設備在進入井下之前，由計算機設備進行資源整合，例如頻率發生、數據采集時間點等。當井下設備在系統規定時間內并未接收到系統傳遞的指令，則設備將自動向地面工作設備發送數據。

（一）信號耦合器

信號耦合變壓器是保證信號在傳輸過程中，精準的作用到鉆桿裝置上，其起到信號降頻、干擾過濾的作用，以此來提高信息傳輸過程中穩定性能。變壓器在對電磁波信號進行耦合時，通過諧振頻率為載體，以實現載波頻率的同步映射，然后通過阻抗匹配機制，消除濾波信號中存在的雜波，經由實際過濾，可有效提高系統對信號的傳輸效率。此外，通過變壓器的參數設定，還可對系統內電子元件起到防護的作用。考慮到耦合變壓器的工作特性，為最大限度的提高諧振頻率在系統中的同化值，應將荷載能力調到最大化，測定出額定變壓值，進而分析變壓器內阻抗系數、感應電流值以及設備所產生的耦合數值等。 然后依據各類數值所呈現出的線性關系，界出變壓器內電子元件之間的交互參數，得出信號耦合變壓器在電磁波隨鉆測量系統的應用形式。

（二）系統性能設定

系統性能設定是指針對井下動態的工作環境，分析出各類設備組件在運營狀態下所呈現出參數狀態，例如溫度、濕度、噪音、雷電等環境因素的變化，是否影響電磁波在整個系統中的正常傳輸。在利用電磁波進行透地傳輸時，為保證信號在井下與地面傳輸路徑內不會存在衰減效果，則可針對載波呈現出的相位來正確界定出載波頻率存在的序列值，然后將原有的低功率頻率進行調寬處理，以增強系統本身的抗噪性，提高電磁波信號在井下、地面上的傳輸質量。

綜上所述，載波通信原理為實現載體的電磁波傳輸系統，可有效在鉆桿設備與大地之間建立一個對接型的信號傳輸機制，令地面及時了解到井下的工作狀態，同時在信號的雙向反饋下，井下也可實現自動化反饋，進而為整體鉆采工作質量的提高奠定基礎。

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李桂興（1998.1），男，漢族，天津人，河北工程大學，工學學士。