井下无线电磁波短距离传输技术发展及研究

田新　张云　段友祥　孙岐峰

摘 要：在井下数据传输中，如何便捷并且高效的传输数据一直是研究热点方向，该文阐述了目前应用比较成熟的各种井下无线电磁波传输方式方案及其原理，分析了各种设计方案的优缺点。探讨了电磁波在井下传输过程中引起信号衰减和干扰的因素。

关键词：井下数据传输 电磁波 短距离数据传输

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）10（c）-0014-02

随着油气田开发的深入，地质导向钻井技术成为解决如薄油藏、断块油藏等难动用储量开发的重要手段。在地质导向钻井技术中，实时、准确地将井下地层信息传输到地面是关键技术之一。目前广泛应用的方式为泥浆脉冲传输和电磁波传输，相比之下电磁波传输速率更高，其中智能钻杆技术和井下近钻头数据传输技术是比较热门的电磁波传输研究方向。笔者所研究的正是井下电磁波短距离传输技术。

1 井下无线电磁传输方式

目前井下电磁波传输方式可以分为电磁遥测和电磁短传两种方式，电磁遥测方式是利用钻杆或者直接通过地层实现信号从井下到地面的无线传输；电磁短传方式则是一种将无线传输方式和有线传输方式结合起来的井下传输方式，在需要跨越的地方，譬如钻杆与钻杆连接螺纹部分，采用电磁感应耦合传输方式实现信号传输，

1.1 电磁遥测方式

电磁波在媒质中传播除了与自身频率和媒质特性有关，还与天线设计形式有很大的关系。发射天线和接收天线是整个传输系统的关键部件之一。激励电磁波的方式有水平电激励、垂直电激励、水平磁激励、垂直磁激励四种[1]。根据井下情况，比较合适的激励方式只有垂直电激励和垂直磁激励两种方式，可以将天线划分为磁天线和电天线两种。

磁天线方式是通过地层传输信号的方法，其实现方式为在井下管柱轴向安装一个螺线管，其模型示意图1（a）所示，当给发射螺线管施加交变电流时，会产生沿着井下管柱轴向的磁流。接收端天线通过对这一磁场信号磁感应产生信号，从而实现信号的电磁传输。

电天线型电磁传输系统根据天线设计形式的不同又分为三种：

（1） 环形线圈式天线。该方法是在钻杆上安装一个水平导磁环，在导磁环上螺旋缠绕着线圈，其模型示意图1（b）所示。该方式利用线圈上变化的电流产生磁场，再利用变化的磁场产生沿着钻杆轴向的激励电流。这种设计方式能够保持钻杆结构完整。

（2） 不对称直立式天线。这种天线，在设计实现上，一般把钻杆分为上下两个部分，构成两个电极，中间由特制的绝缘钻杆连接上下两段钻杆，属于一种与地面垂直的线状天线，其模型示意图1（c）所示。

（3） 穿孔外接金属环套激励法。该设计方案只需要在钻杆上开一个小孔，钻杆内部激励器一端与钻杆内壁相连，另一端通过钻杆绝缘小孔K与包裹在钻杆外部的金属环A相连，如图1（d）所示。该设计方案最先有中国电波传播研究所提出[2]，这种设计方式保证了钻杆结构强度。

1.2 电磁短传方式

根据信号传输的传输原理划分，可以将无线电磁波传输分为电场型和磁场型。目前在电磁短传中，多采用环形线圈的电磁感应耦合的磁场型传输方式为主。

电磁短传方式是一种基于电磁感应耦合原理实现信号非接触式传输的方式，该方案中采用特制钻杆，钻杆两端装有环状的磁芯感应线圈，同根钻杆两端的感应线圈再通过有线方式连接，在钻杆与钻杆连接螺纹处通过感应线圈进行数据传输。该方案的无线传输距离很短，一般只有几厘米，可以采用很高的电磁频率实现高速率数据传输。美国的IntelliServ公司的智能钻杆即采用这种传输方式，其最高理论速率可以达到2 Mbit/s，实际应用的传输传输速率为56 kbit/s，远远超过了电磁遥测方式的数据传输速率[3]。

2 井下无线电磁波短距离传输试验研究

笔者主要研究了井下钻杆在5～10 m之内，以环形线圈方式进行无线电磁传输是否可行，以及如何提升传输效率。

在无线电磁短传系统中，发射线圈和接收线圈是整个系统的核心部件，是影响信号传输距离和信号传输效率的关键因素。在试验方案设计中，线圈需安装在钻杆上，线圈直径基本固定。笔者主要从线圈的线径、线圈匝数和线圈股数等参数方面对信号传输的影响进行探讨。

2.1 线圈匝数

电磁感应线圈传输信号的工作原理与变压器十分相似，电磁感应线圈在信号传输过程中又起到带通滤波器的作用，只有当发射频率与中心频率接近时才不至于引起衰减。感应线圈设计不同，其频率响应特性也不同，其中线圈匝数对其影响最为显著。

2.2 线径

提高线圈的品质因数可以提高信号传输效率，线圈品质因数与线圈绕组存在以下关系：

可以通过减小线圈的绕组R提高Q 值。线圈总阻值与线圈的线径成反比关系，因此增加线圈的线径可以提高线圈的品质因数。

2.3 線圈股数

当发射频率较高时，线圈会受到趋肤效应的影响并随着频率增大会显著增加。趋肤效应使导线有效横截面积减小，影响信号传输效率。因此采用多股导线并联绕制的线圈结构可以减小线圈的趋肤效应的影响，同时减小了线圈的等效阻值。

3 井下电磁信号传输衰减因素分析

3.1 岩层电阻率

所有的无线电磁传输方式对岩石电阻率都存在某种程度上依赖，当电磁波进入岩石中时，由于涡流的热能损耗，将使电磁波的强度随传输距离的增加而衰减，这种现象为岩石对电磁波的吸收作用，吸收的大小和电磁波频率、岩石电导率、岩石介电系数有关，岩石电导率越大，衰减越大。

3.2 钻井液

相对于地层和钻杆，钻井液对电磁波传输的影响微乎其微，由于钻井液对电磁波也有一定吸收，随着电磁波频率升高，衰减越大。

3.3 钻杆

钻杆是良导体，具有较高的电导率，对电磁波的吸收比较严重，所以钻杆越长，电磁波衰减越严重；电磁波频率越高，吸收越严重；另一方面，由于在钻杆连接接口处存在接触电阻，而随着钻井工程中振动接触电阻的大小是不断变化的，这会影响电场型传输方式钻杆中信号电流的稳定性。

3.4 发射信号频率

电磁波在媒质中传播，衰减程度与电磁波频率成正比，即频率越高，接收电压越小。

3.5 钻井设备的电气干扰

信号从井下传输到地面，由于衰减很大，地面接收点接收到的信号十分微弱，很容易受到其他电气设备信号的干扰，使数据通信更加困难。

4 结语

电磁波在地层中传输衰减十分严重，并且电磁波频率越高，衰减越严重。在电磁遥测传输方式中，通常选取甚低频段电磁波，但其严重限制了数据传输速率。电磁短传方式，由于无线传输距离短，载波频率高，在保证准确率的前提下，可以大大提升数据传输速率。

参考文献

[1] 李晓.电磁双向信号传输遥测通道的研究[D].武汉：中国地质大学，2010.

[2] 熊浩，胡斌杰.随钻测量电磁传输信道研究[J].地球物理学报，1997，40（3）：431-441.

[3] Michael Jellison，David Hall，Darrell Howard，et al.Telemetry drill pipe：enabling technology for the downhole internet[R].SPE/IADC 79885，2003.