基于隨鉆電磁波傳輸的接收系統研究

賴章軍，孫向陽

（電子科技大學，四川成都，610054）

0 引言

早期石油的開采技術手段簡單，開采深度淺，開發成本高，而隨鉆測井具有實時性高、較準確獲得井下地層參數、高效率低成本等優勢，早已成為測井技術的發展趨勢，其中電磁波傳輸方式是近些年隨鉆測量技術發展的一個熱點。目前我國的隨鉆電磁波傳輸技術處在試驗階段，該技術是利用極低頻電磁波將井下定向及地質信息傳感器測到的數據（電阻率、巖石密度、孔隙度、滲透率、含油飽和度、孔隙壓力等）實時傳輸到地面，并對上傳數據進行處理，最終將測量數據顯示在監控終端上。整個隨鉆電磁波傳輸系統包括井下發射系統和地面接收系統，具體傳輸過程是井下的發射機調制出2FSK信號，然后經過功率放大后由發射天線以電磁波的形式沿著鉆桿向井上傳輸；地面線天線會接收到帶有噪聲的混合信號，然后經過接收系統處理后檢測出有效信號，解調后上傳到上位機。

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展開研究的。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，具體為4π× 1 0-7??s/m；f為電磁波傳輸頻率。通過上式可知電磁波在地下的傳輸深度是由電磁信號的發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據關系。

表1 數據對比表

以上是電磁波信號只在地層中的傳輸特性，但在實際測井過程中是通過鉆桿為介質，將電磁波信號傳輸上來的，在這種傳輸信道下，傳輸深度還受到井下發射機發射功率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傳輸系統應用結構圖如圖1所示，井下儀器底部安裝有發射機和螺旋發射天線，發射機調制出2FSK信號，經過功率放大后，通過螺旋天線向上發射，螺旋天線發射的電磁波電場Er方向是鉆桿徑向方向，傳輸方向是沿著鉆桿向上傳輸，地面會接受到混合信號S，其表達式為：

該信號是混有有用信號和噪聲信號，地面接收系統就是要從該混合信號中提取出有用信號。

圖1 電磁波傳輸系統應用結構圖

2 地面接收電路設計

地面天線接收的混合信號不僅微弱，還混有直流電位，所以接收到的信號整個處理流程是：先經過一個無源帶通濾波，可濾除直流電位和一些高頻噪聲；再經過模擬放大、有源濾波、工頻陷波處理；最后經過數字電路進一步處理帶內噪聲，并通過相關解調算法解出有用信號。圖2給出了整個接收系統框圖。

圖2 接收系統框圖

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，因為現場測井環境條件復雜，含有機械和測井設備的工作場所屬于危險地帶，使用線天線在地面接收井下傳上來的信號是一個非常好的選擇。井下傳輸上來的2FSK信號分別是f1= 220Hz，f2=230Hz，根據2FSK調制的規律可估計設計濾波器的帶寬為215Hz-235Hz。設計的二階RC帶通濾波如圖3所示，它的幅頻響應曲線如圖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曲線

傳上來的信號很微弱，為識別到有用信號，需在前級加入低噪放大電路。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數據采集系統中，同時它可以通過一個外部電阻來控制增益，如果加入一個撥碼開關就可以手動靈活控制所需要的放大倍數。本文設計的放大電路如圖5所示。

圖5 放大電路

經過放大后的信號再經過一個有源濾波，可以進一步濾除帶外噪聲，優化出有用信號。選擇有源濾波的原因是：有源濾波的幅頻響應不受前后級電路的影響；如果要設計多階濾波器，有源濾波器的占用體積小，可以節省所設計的PCB面積。本文要求的濾波器帶寬為215Hz～235Hz，設計思路用一個有源低通濾波器和一個有源高通濾波器構成一個帶通濾波器，選用的拓撲結構是Sallen-Key結構。按本文頻帶要求設計了二階切比雪夫低通濾波電路和它的幅頻響應曲線見圖6，二階切比雪夫高通濾波電路和它的幅頻響應曲線見圖7。

測井基地的大型設備大多數都是用的50Hz工頻電，所以現場有很大的工頻噪聲以及其諧波噪聲，該噪聲對傳輸的信號干擾非常大，有必要設計一個針對工頻和其諧波的陷波器。由傳輸的信號頻率可知，影響最大的諧波頻率是200Hz和250Hz，要提高信號的質量必須得將這兩個諧波噪聲削弱。本文設計的陷波器是由集成芯片UAF42構成的陷波器電路，圖8給出了一個200Hz的陷波電路和它的幅頻響應，250Hz的與之類似。

圖6 二階有源低通和幅頻響應

圖7 二階有源高通和幅頻響應

接收的信號經過以上模擬電路處理后可以得到良好的信噪比信號，后面再經過FPGA數字處理后可以進一步優化信號，從而可在低誤碼率的情形下解調出數據。

接收的模擬信號經過A/D轉化器后轉換為數字信號，本文的A/D轉化器選用是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進行數據交互。設計的信號采集電路可見圖9。

圖8 200Hz陷波電路和幅頻響應

圖9 信號采集電路

3 實驗室調試

圖10是電磁波傳輸系統在實驗室的聯調環境，鉆桿上有發射線圈和接收線圈，該調試裝置是完全模擬井下的傳輸環境，當然實驗室環境是比現場的實驗井理想。發射裝置發射出2FSK信號并沿著鉆桿傳輸，另一邊接收天線會接收到發射的信號，經過接收電路的處理后上傳到電腦上位機。圖11是發射的原始2FSK信號，該信號是由單片機調制和控制輸出。

圖10 實驗室調試環境

圖11 2FSK原始信號

4 實井測試

圖12給出了地下電磁波傳輸的實井測試環境，該實驗井是屬于室內的測試井，深度只有10米，通過這個測試可以驗證接收電路的可靠性。發射系統已經安裝在了井下儀器中，地面利用線天線來接收傳上來的信號，一根天線接在儀器上，另一根接在外面的接地樁上。最終測試到的信號見圖13所示。

圖12 現場的實驗井測試環境

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

圖13 現場測試到的信號

5 結語

本文通過研究地下電磁波傳輸系統的研究，設計了基于電磁波傳輸系統的接收電路，并運用該電路成功完成了淺井環境的試驗，驗證了該電磁波傳輸技術方案在測井技術中的可行性，為后續深井傳輸試驗打下基礎。該電路在某些地方還有待改進：首先是需提高接收電路接收信號的靈敏度，以適應在深井中測試，能檢測到更微弱的信號；其次是接收電路需適應在不同的測試環境，即要自適應不同環境噪聲且能濾除噪聲，從而提高信噪比。