随钻测量数据的井下无线电磁传输系统设计研究

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中文摘要论文题目：随钻测量数据的并下无线电磁传输系统设计研究专业：测试计量技术汉１】硕士生：杜睿致签名））港签导师：周静（签名）虱前一摘要自２０世纪９０年代初开始，随着随钻测量技术的发展，世界钻井技术进入了信息化、自动化、智能化的快速发展新时期。

人们希望更加准确并实时了解井下工作状况，然而如何将井下近钻头数据发送到地面是一个难题。

针对这一问题，本文对国内外关于无线传输技术的现状和发展进行了充分调研，开展了无线电磁传输系统的设计和相关模拟实验研究。

本文以西安石油大学井下测控研究所旋转导向钻井系统的无线短节为传输样机，提出利用电磁感应原理实现井下近钻头采集数据发送的井下无线电磁传输系统。

该系统包括信号发射部分、无线信道部分、信号接收部分、ＭＷＤ通讯部分、中控电路以及电源部分。

本文根据电磁学基础原理，研究了无线电磁技术的传输原理，分析了无线电磁传输系统的磁路和电路，了解了材料磁化规律，讨论了磁场强度和磁化电流的计算方法。

根据磁环实际尺寸及钻具在井下的实际工作状况，选定了绕线材料，设计计算了无线电磁传输关键部件的传输参数，给出了发射线圈和接收线圈的具体匝数。

根据得到的关键部件特征参数，对无线电磁系统进行了ＡＮＳＹＳ分析，观察了线圈的磁力线分布，得出接收端信号强度与接收位置和接收方向有关的结论。

进行了无线电磁传输关键部件的传输实验，得出在不同条件下的接收端信号电压．频率特性曲线。

获得了无线电磁传输系统的传输频带。

进行了无线传输系统整体测试实验，成功实现了无线电磁系统的数据传输。

关键词：随钻测量无线电磁传输收发线圈解调论文类型：应用研究（本文得到国家“８６３”计划专项资金的资助）１１英文摘要Ｓｕｂｊｅｃｔ：ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｏｗｎ－ｈｏｌｅＷｉｒｅｌｅｓｓＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍｏｆＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ－Ｗｈｉｌｅ－Ｄｒｉｌｌｉｎｇ（ＭＷＤ）ＤａｔａＳｐｅｃｉａｌｉｔｙ：ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＮａｍｅ：ＤｕＲｕｉｐａｎＩｎｓｔｒｕｃｔｏｒ：ＺｈｏｕＪｉｎｇ（ＡＢＳ’Ｉ’Ｊ屯ＡＣ’Ｉ’ Ｔｈｅｅａｒｌｙ１９９０ｓｈａｓｗｉｔｎｅｓｓｅｄ
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章无线电磁传输理论研究……………………………………………………………．６２．１无线传输系统模型……………………………………………………………………６２．１．１系统传输原理…………………………………………………………………．６２．１．２物质磁化与媒质特性…………………………………………………………．７２．１．３系统等效回路…………………………………………………………………．９２．２无线传输系统磁路及电路……………………………………………………………９２．２．１系统磁环磁场…………………………………………………………………．９２．２．２系统磁芯电路…………………………………………………………………１０２．３系统磁环材料…………………………………………………………………………１１２．３．１磁环材料磁化…………………………………………………………………１２２．３．２磁芯材料选择…………………………………………………………………１３２．４本章小结………………………………………………………………………………１６第三章关键部件参数研究及ＡＮＳＹＳ分析………………………………………………１８３．１绕线材料选择………………………………………………………………………．１８３．２发射线圈参数研究…………………………………………………………………．１９３．２．１基础参数………………………………………………………………………１９３．２．２计算公式推导…………………………………………………………………１９３．２．３线圈参数计算…………………………………………………………………２１３．３接收线圈参数研究…………………………………………………………………．２ｌ３．３．１计算公式推导…………………………………………………………………２１３．３．２线圈参数计算…………………………………………………………………２２３．４铁氧体磁芯的线圈参数研究………………………………………………………．２３３．４．１发射线圈参数计算……………………………………………………………２３３．４．２接收线圈参数计算……………………………………………………………２４Ｖ目录３．５环形线圈ＡＮＳＹＳ有限元分析………………………………………………………２６３．５．１电磁场基本理论………………………………………………………………２６３．５．２ＡＮＳＹＳ电磁场分析对象……………………………………………………一２７３．５．３环形线圈ＡＮＳＹＳ电磁场分析………………………………………………２７３．６本章小结……………………………………………………………………………一３０第四章无线电磁传输调理电路研究………………………………………………………３１４．１信号发射调理电
路…………………………………………………………………．３２４．１．１硬件电路研究…………………………………………………………………３２４．１．２信号发射简要流程……………………………………………………………３５４．１．３信号调制电路研究……………………………………………………………３５４．２信号接收调理电路…………………………………………………………………．４０４．２．１滤波电路研究…………………………………………………………………４１４．２．２包络检波电路研究……………………………………………………………４１４．３信号解调结果显示…………………………………………………………………．４２４．４本章小结……………………………………………………………………………．４２第五章无线电磁传输模拟实验……………………………………………?矗?５．１实验目的……………………………………………………………………………．４３５．２实验仪器设备………………………………………………………………………．４３５．２．１信号发生器……………………………………………………………………４３５．２．２示波器…………………………………………………………………………４３５．２．３功率放大器……………………………………………………………………４４５．２．４收发装置………………………………………………………………………４５５．２．５无线传输短节…………………………………………………………………４５５．３实验方法与实验步骤………………………………………………………………．４５５．３．１实验方法………………………………………………………………………４５５．３．２实验步骤………………………………………………………………………。

４７５．４实验结果……………………………………………………………………………．４８５．５实验结论……………………………………………………………………………．５４第六章结论与展望…………………………………………………………………………。

５６６．１结论……………………………………………………………………………………………………………．．５６６．２展望……………………………………………………………………………………………………………。

５６致谢………………………………………………………………………………………………………………一５７参考文献………………………………………………………………………………………５８附录……………………………………………………………………………………………
…………………………６０攻读学位期间发表的论文……………………………………………………………………７０Ｖ１第一章绪论第一章绪论１．１引言石油，被称为工业血液，“黑色的金子”，是一种重要的能源和优质的化工原料，同时也是保证国家经济安全的重要战略资源。

石油工业在国民经济中占有重要战略地位，是国民经济的重要基础产业。

上世纪４０年代，石油在世界能源消费结构中所占的比重已经达到４０％以上，进入２１世纪，随着国民经济的持续快速发展，石油需求成倍增长，有力推动了石油工业的快速发展。

而钻井技术又是石油工业发展的重要标志，钻井技术的发展直接影响石油工业的发展。

钻井技术是石油工业的“龙头”，钻井的投资占整个石油工业上游投资的一半左右。

钻井工程技术水平直接关系到石油勘探开发的成败，决定着石油上游业务的发展潜力和竞争能力。

随着勘探开发力度的不断加大，深井、复杂井、水平井和分支井等特殊工艺井的比例越来越大，在一定程度上影响了钻井速度的提高〔１－４〕。

自２０世纪９０年代初开始，世界钻井技术进入快速发展期，主要以研发成功ＭＷＤ（ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＷｈｉｌｅＤｒｉｌｌｉｎｇ随钻测量）／ＬＷＤ（ＬｏｇｇｉｎｇＷｈｉｌｅＤｒｉｌｌｉｎｇ随录钻井）、井下遥控可变径稳定器和自动垂直钻井系统等新技术为标志，进入了旋转钻井的信息化、自动化、智能化新时期。

人们希望更加准确并实时了解井下工作状况。

井下随钻测量与信息传输技术是实现这一目标的关键Ｉｓ－１６１。

１．２研究背景及意义随着随钻测量和随钻测井技术的发展，在靠近钻头的位置安装了更多用于数据采集的传感器，这样能更及时、更准确的获得井下采集信息。

但同时也产生了一个问题，就是如何将数据传输到地面。

因为在旋转导向钻井系统中，用于数据采集的近钻头传感器与ＭＷＤ系统是被动力钻具分开的，二者之间无法用线缆连接。

采用基于电磁耦合的无线短传系统可以解决这一问题，通过该系统将近钻头传感器的采集信息传给ＭＷＤ，最终由ＭＷＤ将信息传给地面系统。

在深井、复杂井等钻井井下环境下，利用电磁耦合技术实现信号无线传输，是一种实现方法，具有较高的实用性。

本课题的研究在一定程度上提升了井下信号无线短传技术水平，促进了井下近钻头测量与传输技术的发展，增强了我国在钻井井下的信号探测能力，降低钻井成本，提高钻井速度，促进石油工业的发展。

该技术前景广阔。

同时，也可以加强中国钻井公司在国际钻井技术服务市场上的竞争力，为进一步开拓国际市场，奠定良好的基础。

对实现油田增产和提高经济效益等方面也都有着非常重要的现实意义。

西安石油大学硕士学位论文１．３国内外研究现状近十年来，随钻技术发展迅猛，随钻测量已经由只测量井眼轨迹参数发展为测量井眼轨迹、钻井工程数据和地质数?莸榷嘞畈问氖凳辈饬考际酢２饬坎问脑黾佣越晖凡饬亢托畔⒋浼际跻蔡岢隽烁咭螅蛭虏饬可璞感枰涌拷晖罚枰饬亢痛涓嗍荨?目前已出现的井下无线传输技术，其传输方式主要有４种：钻井液脉冲传输、声波传输、电磁波传输和光纤传输。

钻井液脉冲传输是目前大多数无线随钻测量系统采用的传输方式〔１７－２０〕。

利用电磁波的无线传输技术和利用声波的无线传输技术如今在国内外被广泛的进行研究与应用。

本文主要研究电磁波无线传输。

１．３．１国外研究现状国外在近钻头测量和数据传输方面的研究起步比较早。

１９９２年１１月Ｓｍ
ｉｔｈ公司设计了一个方案〔２１１，由两个螺线管线圈分别组成发射和接收线圈。

发射线圈安装在井下钻具钻头附近某位置处，接收线圈安装在井下马达上端。

发射装置产生一定频率交流变化的信号，并发送给发射线圈，发射线圈产生相同频率交流变化的磁场，该交变磁场又感应出交流变化的电场，在钻铤上产生感应电动势。

接收线圈在该交流变化的电磁场内，接收线圈将产生同一频率的感应电信号，最后由ＭＷＤ系统将该信号传至地面。

１９９４年Ｓｅｈｍｕｌｂｅｒｇｅｒ公司研发了一套无线传输系统【２２】，把第一个器件安装在钻头附近的钻铤上，安装在第一个电导体上的第一个环形圈天线根据测量的物理参数产生一个数据通信信号，第二个器件安装在钻铤上，连接第二个环形圈来接收通信信号。

一个有声发射机用来传送有声地面通信信号，在地面一个有声接收器用来接收有声地面通信信号。

在井下实现了电磁短距离通信，在地面实现了声波通信。

１９９６年，ＡｔｓｕｏＫａｗａｍｕｒａ等人共同研制出基于谐振式变换器的无线能量和信号传输技术，并将该技术应用于机器人的操作手。

２００２年５月Ｄｒｅｓｓ公司设计了一种沿着钻具轴向进行数据传输的方案【２３１，另外还提及了一种井下实时微波反射遥测方法，与井下ＭＷＤ系统实现在轴向上沿着钻具或通过钻具的某部分组成传输信息。

２００７年３月ＩｎｔｅｌｌｉＳｅｒｖ公司利用同轴电缆实现信号传输〔２４１。

若干个收发器件被安装在一个能够传输电信号的同轴电缆管道上，该管道通过井下仪器的中心孔和任何仪器中收发器件的中心孔在同一轴线上。

来自电缆的电信号被第一个收发器件转化为磁场，这个磁场可以被第一个收发器件附近的第二个收发器件探测到，第二个收发器件将收到的信号转化为磁场。

２第一章绪论Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ公司研制了一种可通过声波遥测的方式进行数据采集的系统（Ａｔｓ），该系统依靠声波信号通过油管实现数据的传输，在关井和生产两种状况下均可进行声波信号的传输，数据传输安全系数高，系统依靠井下电池供电，可持续工作时间长达３０天，工作效率较高。

贝克休斯公司研发的ＮａｖｉＧａｔｏｒ，该系统由随钻测量传感器组和可旋转的泥浆马达构成，该系统用于地质导向和地层评价。

其近钻头井斜传感器安装在钻头后１＾４ｍ处，可以提供近钻头井斜角数据，以及方位、伽玛射线等井下参数１２５〕。

Ｗｅａｔｈｅｒｆｏｒｄ公司研发了基于光纤技术的井下４维声波测量系统，该系统核心元件为Ｂｒａｇｇ光栅，在单根的光纤纤芯中阵列分布光纤温度、压力传感器，外部光线在向井下传导的过程中产生反射，通过解释反射回光学信号，获取相应的井下数据信息。

该系统灵敏度很高，可监测范围广，系统永置井下，提高了工作效率。

Ｅｘｐｒｏ公司研发出以超低频率电磁信号进行数据传输的监测系统（ＣａＴＳ刑），该系统可安装在生产井完井扩管器的壳体上，以井筒自身结构为传输通道，实现信号的实时无线传输。

美国Ｓａａｄｉａ国家实验室研制了一种ＭＷＤ的光纤遥测系统。

该系统使用的光纤电缆很细小，成本较低，只能供短时间使用，最后可以在钻井液中磨损掉并被冲走。

法国地质录井公司研发了一种电磁直读装置，其原理是利用低频电磁波把下部压力计的信号传输到上端接收器，从而实现信息直读。

目前，国外提供近钻头随钻测量和相关技术服务的公司很多，最有代表性的是：Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ（哈里伯顿能源公司）、Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ（斯伦贝谢公司）和ＢａｋｅｒＨｕｇｈ
ｅｓＩＮＴＥＱ（贝克休斯公司）。

一般常规测量设备，主要提供近钻头井斜角测量数据，通过声波、电磁波等载体将数据传输到无线测量仪器中，再通过钻井液脉冲、电磁波等将信号传送到地面。

而上述几家公司拥有更高端的近钻头测量仪器，能同时提供自然伽玛、地层电阻率等较多的测量参数，但这些公司只提供技术服务，特别是对我国市场，不仅不出售仪器设备，而且其服务价格十分昂贵。

因此研制我国自己的随钻测量仪器是很有必要的。

１．３?补谘芯肯肿?与国外相比国内在近钻头无线随钻测量和无线电磁传输技术方面的研究起步较晚，只有少数几家科研单位对其进行了研究。

华北测试公司和清华大学合作开发了一种非接触式无线直读系统，该系统可以较大幅度的为海上测试节约平台时间。

但是该系统的实际传输距离很短，目前在国内已经被淘汰。

３西安石油大学硕士学位论文以刘修善为首中石化钻井院研究小组研发了一套井下电磁波无线传输系统，该系统对钻井液没有依赖性，结构简单，可用于近钻头工作环境。

缺点是：对测井地层电阻率有较高要求，当地层电阻率产生变化或者地层电阻率不满足工作要求时，对系统的传输速度和传输效果有较大影响。

中国石油勘探开发研究院钻井工艺研究所在以苏义脑院士为首的科研团队刻苦攻关下研制出了一套地质导向钻井系统ＣＧＤＳ一１，这套系统带有近钻头传感器（电阻率、伽马、井斜及其他辅助参数），总体上达到国外２０世纪９０年代的水平。

通过电磁波传输可测量近钻头电阻率、方位自然伽马、方位电阻率、并斜、温度等参数。

２００５年中国石油勘探开发研究院钻井工艺研究所申报了研究专利〔２６－２７１，该专利提出一种无线电磁短传方法及系统，利用两个绕有线圈的磁环分别作为发射和接收装置。

研究结果表明以短传通信机为核心构成的无线传输系统在模拟.。