一种随钻测量数据的井下无线短传关键部件研究

杜睿攀， 周 静， 白 莎

（1.西安石油大学 井下测控研究所，陕西 西安 710065；2.中国石油测井有限公司 华北事业部，河北 任丘 062552）

随着随钻测量（Measurement While Drilling，MWD）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。采用无线电磁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[1]。

无线电磁短传是利用法拉第电磁感应原理建立的一种无线传输通道[2]，本文主要研究无线电磁短传信道的关键部件——发射和接收装置。

1 无线电磁短传信道原理及构成

无线电磁短传的原理是给发射线圈施加一频率为f的交流信号，在交流电流的激励下发射线圈磁环会产生频率为f的交变磁场。此时，在无线短节另一端的接收线圈因穿过其磁环面积的磁通量不断发生变化而产生感生电动势，即接收线圈两端感应出信号电压。

无线电磁短传信道的构成[3]：用2个绕有不同匝数的铜线圈磁环分别作为发射和接收装置。2个线圈磁环分别装在动力钻具的两端，靠近钻头一侧的是发射装置，另一侧是接收线圈，如图1所示。

图1 无线电磁短传信道组成Fig.1 Channel of short distance wireless electromagnetic transmission

2 无线电磁短传关键部件设计

发射和接收线圈是无线电磁短传系统的核心部件，因为收、发线圈直接关系到无线短传信号传输是否可以正常进行。由于是在井下工作，系统工作主要依靠电池，因此在保证无线短节正常工作的前提下，应尽可能地降低系统功耗，从而使无线短节可以更长时间的在井下工作[4]。

2.1 线圈相关材料选择

发射线圈、接收线圈的结构可以分为两部分：线圈和磁芯。要制作良好的无线短传发射、接收装置首先需要选择好相关的材料。

1）线圈绕线

一般希望钻具在井下工作的时间尽可能的长，这就要求系统的功耗要尽可能的低，通过无线短传系统的电流一般不会很大。此外，无线短传系统在井下工作还要能经受住高温、高压、腐蚀性高等极端条件的考验，通过查阅电工学手册，我们最终选择线径为0.3 mm的环氧漆包铜线来绕制发射线圈和接收线圈。

2）磁芯材料

磁芯是由氧化铁混合物组成的一种烧结磁性金属氧化物，通过增加磁芯可以使电磁体的磁感应强度在很大程度上得到加强，还可以降低无线电磁短传收发装置的功耗、加宽其可以正常工作的温度范围以及合理降低成本。因此磁芯材料的合理选择对无线电磁短传系统也是至关重要的[5]。

常用的磁芯材料有铁氧体、坡莫合金、非晶、超微晶材料等。相关的材料性能如表1所示。

表1 几种磁芯材料性能表Tab.1 Performance table of core material

其中，磁导率越高线圈磁芯的体积就可以很大程度的减少；居里温度是磁性材料的磁性转折点，是材料在铁磁体和顺磁体之间改变的温度；饱和磁感应强度越大，通过相同磁通需要的磁芯截面面积就越小，也可以减小磁芯体积。这些性质对于磁性材料选择有着重要的意义。

综合考虑电磁短传关键部件测试试验的具体需要、磁芯材料的价格以及制作周期等因素，最终选择了纯铁作为磁芯材料，同时用现有铁氧体磁芯做试验对比。

图2 纯铁磁芯（左）、铁氧体磁芯（右）实物图Fig.2 Physical graph of core material， pure iron corn（left），ferrite corn（right）

2.2 发射线圈设计

根据安培环路定理，发射线圈产生的磁场为[6]，

因现有无线短节实际机械尺寸所限，发射线圈和接收线圈相距不到10 cm，可近似认为线圈环路中磁感应强度均匀相等，发射线圈设为N匝，每一匝都穿过磁环的截面，且每匝都载有电流I（I为绕组内的电流），故穿过磁环截面的总电流为NI。

式中，B为磁感应强度，μ为磁导率，N为发射线圈匝数，I为通过线圈的电流值。

发射线圈产生的电感（每单位电流的磁通匝链数）为，

（4）式中Φ为穿过每一匝线圈的磁通量。

（5）式中，S 为磁环截面积。

另由安培定理有

式中，r为发射线圈环形绕组截面积磁环的平均周长，记l=2πr，则有，

将（7）式代入（6）式可得，

发射线圈产生的电感为，

将（9）代入（8）中，得发射线圈匝数N计算公式：

铜线线径为0.31 mm，经计算当线圈匝数少于50匝时，基本可忽略线圈的直流阻抗，则发射线圈匝数为，

式（11）中发射线圈两端的信号电压U=12 V（有效值）；线圈磁芯平均周长l=0.371 mm；发射信号频率f=10 kHz；磁芯磁导率 μ=7.5×10－3Wb/（A·m）； 发射线圈磁芯截面积 S=4.8×10－3m2；提供给发射线圈的平均电流I=0.01 A。最终得到N≈14。

2.3 接收线圈设计

接收线圈的感应电动势为[7]：

接收线圈两端经电磁感应产生感应电动势，

磁芯通过的磁通量为，

式中，S为接收线圈磁芯截面积；N′为接收线圈匝数。

接收端磁芯的磁感应强度与传输信号电流以相同的频率变化：

式中，Bm为接收线圈磁感应强度变化最大值。

因此，接收线圈感应电动势计算公式如下：

当取cos（2πft）=1时，可得接收线圈感应电动势最大值，

则，接收线圈匝数为，

经计算Em=0.36 V；预设电流场传播回路电阻率为0.5 Ω·m[8]；信号传输距离 1 m；回路电流；I=0.72 A；Bm=2.2×10-8T；f=10 kHz；将以上数据代入（17）式可得：

最终理论计算结果为发射线圈14匝、接收线圈75匝。

3 无线电磁短传关键部件传输性能试验

为了验证无线电磁短传关键部件的设计是否合理，进行了无线电磁短传关键部件的信号传输测试试验[9]。测试方法：将发射线圈和接收线圈安装在无线短节上（或沿同一条轴线对称放置），信号发生器产生测试信号，信号通过功放接入发射线圈，通过电磁感应最终由接收线圈接收。用示波器查看输出信号波形和波形峰值大小等参数，最终检验无线电磁短传关键部件的传输性能。

图3 测试现场图Fig.3 Site chart of the test system

测试设备包括发射线圈 （25匝）、 接收线圈 （75匝）、QF1022高 频 信 号 发 生 器 （频 率 范 围 10 Hz～1 MHz）、DS1102E 2Channel 100 MHz 1GSa/s示波器、SD880C功放（阻值4 Ω）、导线若干。注：考虑到发射线圈的阻抗，最终取线圈匝数为25匝。

试验分为3组：1）两线圈距离相同、输入电压相同，输入功率不同条件下进行测试；2）两线圈距离相同、输入功率相同，输入电压不同条件下的测试；3）输入电压、功率相同，两线圈距离不同条件下的测试。此外，用铁氧体磁芯做了若干组测试，对比纯铁磁芯的无线短传性能。

1）发射、接收线圈相距10 cm，输入电压10 V（峰峰值），不同功率条件下接收线圈的感应信号电压-频率曲线。

图4 输出信号电压-频率曲线Fig.4 Voltage frequency curve of output signal

图5 频率11 kHz时信号波形图Fig.5 Waveform chart of signal when frequency is 10 kHz

从图4可以看出，信号传输频率小于4 000 Hz时，接收线圈输出的电压衰减很大，传输频带不稳定；当信号传输频率大于4 000 Hz后，接收线圈输出电压幅值基本维持在50 mV，传输频带基本趋于稳定。信号最大传输频率可以达到50 kHz以上。图5是传输频率为11 kHz时，输入、输出信号的波形图 （图中上方为输入信号波形，下方为输出信号波形），从信号波形图可以看出，该传输信道是比较稳定的。

2）输入信号电压、功率固定，发射、接收线圈距离不同时接收线圈感应的信号输出电压幅值与信号频率曲线。

图6是发射、接收线圈相距分别为5 cm，10 cm，20 cm时，接收线圈接收到的信号电压幅值与频率的曲线图。随着两个线圈距离的增加，接收线圈接收的信号电压幅值呈递减趋势，但电压与频率曲线图的整体形状和衰减趋势与第一组试验的结果基本一致。

3）使用两种不同材料的磁芯进行无线传输性能测试。

输入电压为3 V，功率6.8 W，发射、接收装置采用纯铁磁芯和铁氧体磁芯，相距15 cm进行无线传输性能测试。对比接收端接收的信号电压-频率曲线。

图6 线圈距离不同时信号电压-频率曲线Fig.6 Voltage frequency curve of output signal when the coil distance is different

图7 不同磁芯无线传输性能测试曲线Fig.7 Test curve of wireless transmission performance of different coil

从上图可以看出，发射、接收装置采用铁氧体磁芯时，接收线圈接收的信号电压幅值整体上比采用纯铁磁芯的要高。二者曲线的形状和衰减趋势大致是相同的。

4 结 论

1）发射、接收线圈采用圆环形均匀密绕螺绕环（空心线圈）作为无线电磁短传信道的关键传输部件是可行的。

2）发射、接收线圈的参数设计合理时，在一定距离范围内可以实现无线信号传输。

3）按照文章的无线电磁短传关键件设计方案，传输频率大于5 000 kHz后信号衰减较小，最大传输频率可达50 kHz以上，可以满足实际工程的需要。

4）无线电磁短传关键件的设计为进一步研究螺绕环式磁芯的无线电磁短传系统提供了依据。

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