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本文主要探讨了电磁波通道式MWD传输装置信道计算的两种方法,即非对称电偶极模型法和等效线传输法,并给出了相应的计算实例。最后介绍了信息传输装置的研究进展,以及相关的试验成果。
随钻测量(Measure While Drilling,简称MWD)系统包括实时传感测量和实时信息传输两部分,它被安装在接近钻头的几节特制的钻杆内。目前,井底信息向地表传递的手段主要集中在电缆、电磁波、声波和水力信息通道上。
电磁波通道式MWD(EM-MWD)是通过发射电磁波进入地层来传输井下数据的。钻井过程中,钻杆、裸露的井壁和它们之间的空间以及周围的地层共同组成了EM-MWD的电磁波传输通道。它是一个开放式的通道,电磁波在发射源处向周围的无限空间辐射,随着信号的吸收、衰减而逐渐减弱甚至消失。信号以2.0~50Hz的频率通过信号相位调制器后以二进制的方式沿着钻杆周围的岩石传送,并由固定在钻机旁不远处的地表天线接收。系统可以以很高的信息发送率发送检测到的参数,主要缺点是信号在岩石中衰减严重。
在利用非对称电偶极模型进行分析时,首先依照电磁信号的发射原理建立了信号的传输模型,并对模型进行简化。先假设模型中的钻杆没有纵向的、接点处的和表面的电阻,电压源也没有内部电阻。接着,钻杆纵向的、表面的、接点处的和电源内部电阻的影响都考虑进来。最后,将考虑到电磁波频率的影响,地层对电磁波传播的影响,来完成这一在实际操作条件下有用的分析。通过实例计算,可以看出该理论与MWD装置的信息传输规律基本吻合。
在利用等效线传输法进行分析时,所建立的电磁模型中忽略了影响较小的磁信号,而主要考虑电场在整个信道空间的分布。根据电场的理论,推导出电场在该空问的分布,并给出了地面上任一点处电压信号大小的计算公式。通过实例计算,找到了地层电阻率、电磁波频率、电极的长度、绝缘块长度和接收天线与钻杆问的距离等参数对信道传输质量的影响的规律,同时还计算了存在金属套管时电磁信号传输通道发生的变化。
在介绍项目组的开发成果时,首先介绍了电磁信号传输的流程,接着介绍了数据的存储与编码,D/A转换电路,信号的放大与发射,信号的接收,以及人机交互界面和串口通信程序的开发等方面的内容。最后介绍了本次试验中用到的电路,试验方法和试验成果。
由于本次试验只是MWD信号传输装置的初步试验,因而简化了试验条件,忽略了很多实际条件中影响显著的因素,从而使得开发的成果离实际的应用还有一定的距离,这都需要更深入的研究。