基于随钻电磁波传输的接收系统研究

赖章军，孙向阳

（电子科技大学，四川成都，610054）

0 引言

早期石油的开采技术手段简单，开采深度浅，开发成本高，而随钻测井具有实时性高、较准确获得井下地层参数、高效率低成本等优势，早已成为测井技术的发展趋势，其中电磁波传输方式是近些年随钻测量技术发展的一个热点。目前我国的随钻电磁波传输技术处在试验阶段，该技术是利用极低频电磁波将井下定向及地质信息传感器测到的数据（电阻率、岩石密度、孔隙度、渗透率、含油饱和度、孔隙压力等）实时传输到地面，并对上传数据进行处理，最终将测量数据显示在监控终端上。整个随钻电磁波传输系统包括井下发射系统和地面接收系统，具体传输过程是井下的发射机调制出2FSK信号，然后经过功率放大后由发射天线以电磁波的形式沿着钻杆向井上传输；地面线天线会接收到带有噪声的混合信号，然后经过接收系统处理后检测出有效信号，解调后上传到上位机。

1 地下电磁波传输特性

电磁波的传输理论是依照麦克斯韦方程来展开研究的。麦克斯韦根本方程组如下：

上式中pe表示地层电阻率；u表示磁渗透系数，具体为4π× 1 0-7Ω⋅s/m；f为电磁波传输频率。通过上式可知电磁波在地下的传输深度是由电磁信号的发射频率和地下地层中的电阻率决定。表1给出了它们的具体数据关系。

表1 数据对比表

以上是电磁波信号只在地层中的传输特性，但在实际测井过程中是通过钻杆为介质，将电磁波信号传输上来的，在这种传输信道下，传输深度还受到井下发射机发射功率P、钻杆半径r以及钻杆材料等其它因素的影响。

本文的随钻电磁信号传输系统应用结构图如图1所示，井下仪器底部安装有发射机和螺旋发射天线，发射机调制出2FSK信号，经过功率放大后，通过螺旋天线向上发射，螺旋天线发射的电磁波电场Er方向是钻杆径向方向，传输方向是沿着钻杆向上传输，地面会接受到混合信号S，其表达式为：

该信号是混有有用信号和噪声信号，地面接收系统就是要从该混合信号中提取出有用信号。

图1 电磁波传输系统应用结构图

2 地面接收电路设计

地面天线接收的混合信号不仅微弱，还混有直流电位，所以接收到的信号整个处理流程是：先经过一个无源带通滤波，可滤除直流电位和一些高频噪声；再经过模拟放大、有源滤波、工频陷波处理；最后经过数字电路进一步处理带内噪声，并通过相关解调算法解出有用信号。图2给出了整个接收系统框图。

图2 接收系统框图

螺旋天线是可套在钻杆上作为井下中继接收，而地面接收天线是采用线天线接收，因为现场测井环境条件复杂，含有机械和测井设备的工作场所属于危险地带，使用线天线在地面接收井下传上来的信号是一个非常好的选择。井下传输上来的2FSK信号分别是f1= 220Hz，f2=230Hz，根据2FSK调制的规律可估计设计滤波器的带宽为215Hz-235Hz。设计的二阶RC带通滤波如图3所示，它的幅频响应曲线如图4所示。

图3 二阶RC带通滤波

图4 二阶RC带通滤波的幅频响应曲线

传上来的信号很微弱，为识别到有用信号，需在前级加入低噪放大电路。本文使用的是低成本、低功耗的仪表放大器AD620，该款芯片还具有低的输入偏置电流和低噪声特性，非常适用于微弱信号数据采集系统中，同时它可以通过一个外部电阻来控制增益，如果加入一个拨码开关就可以手动灵活控制所需要的放大倍数。本文设计的放大电路如图5所示。

图5 放大电路

经过放大后的信号再经过一个有源滤波，可以进一步滤除带外噪声，优化出有用信号。选择有源滤波的原因是：有源滤波的幅频响应不受前后级电路的影响；如果要设计多阶滤波器，有源滤波器的占用体积小，可以节省所设计的PCB面积。本文要求的滤波器带宽为215Hz～235Hz，设计思路用一个有源低通滤波器和一个有源高通滤波器构成一个带通滤波器，选用的拓扑结构是Sallen-Key结构。按本文频带要求设计了二阶切比雪夫低通滤波电路和它的幅频响应曲线见图6，二阶切比雪夫高通滤波电路和它的幅频响应曲线见图7。

测井基地的大型设备大多数都是用的50Hz工频电，所以现场有很大的工频噪声以及其谐波噪声，该噪声对传输的信号干扰非常大，有必要设计一个针对工频和其谐波的陷波器。由传输的信号频率可知，影响最大的谐波频率是200Hz和250Hz，要提高信号的质量必须得将这两个谐波噪声削弱。本文设计的陷波器是由集成芯片UAF42构成的陷波器电路，图8给出了一个200Hz的陷波电路和它的幅频响应，250Hz的与之类似。

图6 二阶有源低通和幅频响应

图7 二阶有源高通和幅频响应

接收的信号经过以上模拟电路处理后可以得到良好的信噪比信号，后面再经过FPGA数字处理后可以进一步优化信号，从而可在低误码率的情形下解调出数据。

接收的模拟信号经过A/D转化器后转换为数字信号，本文的A/D转化器选用是16位的AD7980，该款芯片具有低功耗、高速的特性，具有SPI串行接口，本文就是用到了其SPI接口与FPGA进行数据交互。设计的信号采集电路可见图9。

图8 200Hz陷波电路和幅频响应

图9 信号采集电路

3 实验室调试

图10是电磁波传输系统在实验室的联调环境，钻杆上有发射线圈和接收线圈，该调试装置是完全模拟井下的传输环境，当然实验室环境是比现场的实验井理想。发射装置发射出2FSK信号并沿着钻杆传输，另一边接收天线会接收到发射的信号，经过接收电路的处理后上传到电脑上位机。图11是发射的原始2FSK信号，该信号是由单片机调制和控制输出。

图10 实验室调试环境

图11 2FSK原始信号

4 实井测试

图12给出了地下电磁波传输的实井测试环境，该实验井是属于室内的测试井，深度只有10米，通过这个测试可以验证接收电路的可靠性。发射系统已经安装在了井下仪器中，地面利用线天线来接收传上来的信号，一根天线接在仪器上，另一根接在外面的接地桩上。最终测试到的信号见图13所示。

图12 现场的实验井测试环境

由以上测试结果可以得出电磁波信号在井下10米距离的传输，地面可接收到信噪比非常高的信号。

图13 现场测试到的信号

5 结语

本文通过研究地下电磁波传输系统的研究，设计了基于电磁波传输系统的接收电路，并运用该电路成功完成了浅井环境的试验，验证了该电磁波传输技术方案在测井技术中的可行性，为后续深井传输试验打下基础。该电路在某些地方还有待改进：首先是需提高接收电路接收信号的灵敏度，以适应在深井中测试，能检测到更微弱的信号；其次是接收电路需适应在不同的测试环境，即要自适应不同环境噪声且能滤除噪声，从而提高信噪比。