载波通信原理的电磁波随钻测量技术研究

摘要：电磁波随钻测量的精准度与信号传输载体、遥感深度等具有一定的联动性，以载波通信原理为基础，将电磁波与电磁导体之间建立一个信号耦合机制则可实现导波系统的建设，极大提高信号传输质量。基于此，文章对电磁波随钻测量中的信号传输机理以及电磁波传输特点进行论述，对电磁波随钻测量系统及其实现进行研究。

关键词：载波通信;电磁波随钻测量;数据传输

载波通信是模拟通信制式的一种代表，其采用的是频分复用技术，有效将信号的传输频率进行独立保护，确保不同信号在不同频谱之间可实现精准传输。对于石油开采行业来讲，利用机械设备进行施工时，需通过设备内的传感器对井下环境进行勘测，然后将此类信号传输到系统中，令集成系统依据设备运行装置，正确界定出钻头的运动轨迹。目前，石油钻采过程中的信号传输机制主要是以电磁波为传输载体，其与传统的钻进液传输载体相比，具有效率性、精准性的优势，但电磁波在实际传输中受外界环境因素影响较大。将载波通信技术应用到电磁波信号传输中，将钻杆上的信号传输与大地进行联通，以钻杆以及大地为信号传输载体，则可有效解决信号传输的联动问题，进而实现载波信号的对接传输，令系统对井下各类工作参数进行系统的了解。

电磁波随钻测量工艺主要是在钻杆的中间位置利用绝缘部件进行替换，令绝缘部件两端呈现出非对称性质的偶极子，以对电磁波进行发射。但在实际应用过程中，由于钻杆绝缘段在传输相应的信号时，其本身受到的信号传输压力较大，在长时间工作状态下，必然加大钻杆设备的耗损量。同时，以钻杆为电磁波发射源，其发射性质呈现出散射形式，分化电磁波发射能量，进而降低电磁波的传输深度。

以电力线为载体的载波通信中，可将整个系统呈现出的高频信号集成到电力线设备之中，然后通过相地耦合的方式，将电容器、滤波器等部件建构为低阻滤波器，以对信号中的低频成分进行有效阻隔，进而保证高频信号的传输可精准作用到电力线设备上。在钻井工程施工中，钻杆设备一般由具有高强度、高精度、高导电性的钢材组成，此类钻杆设备可以当成是电力线设施，其可作为载波信号的传输载体，以此来建构出电磁波随钻测量体系。

电磁波随钻测量体系的组成可分为两部分，地面上的信号接收装置、井下的信号传输装置。在井下信号传输体系中，是以传感器为信息采集源，对井下的各类工作参数，如温湿度、空间压力等，传感器将各类信息采集以后，传输到载波模块中，然后通过频率的加载形成电磁波。再经由滤波处理将信号源耦合到钻杆设备中，建构成完整的信号传输系统，真正令地上、地下实现信号的对接传输，地面工作人员可通过交互设备及时分析出井下设备的运行状态，以此来制定相应的工作计划，满足下一阶段的石油开采需求。

电磁波传输介质包含钻杆传输与地层传输两部分。在钻杆传输中，受到钻采空间的限制，实际传输方向只有以钻杆钻取角度为基准，进行激励型、磁型的两种传输形式，其呈现出导行特性的电磁波。在地层传输中，影响电磁波传输的因素有很多，例如，地质特性、电磁导率等，电磁波传输与上述影响因素呈现出线性关系，且传播系数可精准的反映出电磁波在地层中传播速率。电磁波频率传输值越高，则代表着传输媒介存在的电导率值越高，进而加大信号传输中的衰减度。

电磁波随钻测量系统中，载波通信原理的实现主要通过相关载体建立信息传输渠道，保证电磁波的发射端与接收端可形成一个闭环。井下、地面的承接系统均包含信号发与接收两个终端。其中井下系统是对各类信息参数进行采集与整合，并回传到地面系统中，地面系统的主要任务则是将各类数据信息进行交互显示，并对相关指令进行下达，令井下工作设备的运行呈现出逻辑性，两者工作原理如下。

井下收发装置：地面发送指令→信号放大→信号解调→功率放大→滤波→控制器→指令形成，然后通过传感器将信号传输到微控制器中进行调制，再经由调制、功率放大、有源滤波等实现信号耦合。

地面收发装置：数据接收→前置放大→功率放大→滤波→解调→微控制器→计算机接口模块，上述过程为信息接收流程;计算机接口模块→微控制器→调制→功率放大→滤波→阻抗解调→信号耦合，上述过程为信息发送流程。

井下介质在对电磁信号传输时，在外部管道与压壳之间起到关联作用，且内部电源设备是安装在压壳装置中的，这样便可有效降低信号传输滞后性现象的发生几率。目前，井下设备的工作状态一般包含响应型与自动型两种，响应型是指井下设备在接收到上位指令以后，才进行相关指令的操作，当系统不再指令执行范畴内，则整体工作处于待机状态，但其仍对信息起到存储的作用，这样便可有效节约能源。自动型主要是指设备按照固定的程序执行指令，此类设备在进入井下之前，由计算机设备进行资源整合，例如频率发生、数据采集时间点等。当井下设备在系统规定时间内并未接收到系统传递的指令，则设备将自动向地面工作设备发送数据。

（一）信号耦合器

信号耦合变压器是保证信号在传输过程中，精准的作用到钻杆装置上，其起到信号降频、干扰过滤的作用，以此来提高信息传输过程中稳定性能。变压器在对电磁波信号进行耦合时，通过谐振频率为载体，以实现载波频率的同步映射，然后通过阻抗匹配机制，消除滤波信号中存在的杂波，经由实际过滤，可有效提高系统对信号的传输效率。此外，通过变压器的参数设定，还可对系统内电子元件起到防护的作用。考虑到耦合变压器的工作特性，为最大限度的提高谐振频率在系统中的同化值，應将荷载能力调到最大化，测定出额定变压值，进而分析变压器内阻抗系数、感应电流值以及设备所产生的耦合数值等。 然后依据各类数值所呈现出的线性关系，界出变压器内电子元件之间的交互参数，得出信号耦合变压器在电磁波随钻测量系统的应用形式。

（二）系统性能设定

系统性能设定是指针对井下动态的工作环境，分析出各类设备组件在运营状态下所呈现出参数状态，例如温度、湿度、噪音、雷电等环境因素的变化，是否影响电磁波在整个系统中的正常传输。在利用电磁波进行透地传输时，为保证信号在井下与地面传输路径内不会存在衰减效果，则可针对载波呈现出的相位来正确界定出载波频率存在的序列值，然后将原有的低功率频率进行调宽处理，以增强系统本身的抗噪性，提高电磁波信号在井下、地面上的传输质量。

综上所述，载波通信原理为实现载体的电磁波传输系统，可有效在钻杆设备与大地之间建立一个对接型的信号传输机制，令地面及时了解到井下的工作状态，同时在信号的双向反馈下，井下也可实现自动化反馈，进而为整体钻采工作质量的提高奠定基础。

[1]汪凯斌.YSDC矿用电磁波随钻测量系统及在煤矿井下空气钻进中的应用[J].煤矿安全，2019，50（07）：153-156.

[2]陈兴祥，刘虎，冉富强.电磁波随钻测量系统（EMWD）现状分析[J].中国石油和化工标准与质量，2017，37（19）：133-135.

[3]刘京科，王永胜，刘峰峰.矿用电磁波随钻测量系统在淮北矿区的应用[A].中国煤炭学会钻探工程专业委员会.中国煤炭学会钻探工程专业委员会2017年钻探工程学术研讨会论文集[C].中国煤炭学会钻探工程专业委员会：中国煤炭学会，2017：4.

[4]苏毅，许泽玮，刘晨.改进的DSSS电磁波随钻测量信号载频估计算法[J].传感器与微系统，2016，35（06）：117-119+123.

李桂兴（1998.1），男，汉族，天津人，河北工程大学，工学学士。