井下无线电磁短传天线阻抗匹配分析与研究

赵新全,陈友学,赵 亮

(1. 中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南 新乡 45300 ;2. 渤海钻探工程有限公司工程技术研究院 天津 300457)

0 引 言

近年来,随着油、气开发进入中后期,开采储层越来越薄。拥有较大零长的常规随钻测井系统难以满足超薄储层钻井技术服务需求,而采用零长很短的近钻头随钻测量仪器能有效提高超薄储层钻遇率[1]。

在常规旋转导向系统中,为了提高钻井效率,往往采用增加大扭矩螺杆的方法。而螺杆将旋转导向系统分为上下两部分独立模块,这两部分之间的数据传输依靠无线短传技术实现。

井下无线短传技术的天线形式是影响无线短传效率和适应性的关键因素。目前,国内、外无线短传天线模型主要有3种形式:以电磁感应电流场为理论依据而产生的螺线环式天线模型[2];以电磁感应磁耦合理论为依据而产生的磁耦合天线模型[3];以及本文研究的电偶极子绝缘天线模型。前两种天线模型的控制系统都在钻铤上,必须依靠机械连接才能与随钻测量(MWD)系统通讯,每次应用都需要MWD和接收天线精准对接,这给现场应用带来诸多不便,而绝缘天线在这方面有巨大的便利性。但是绝缘天线的负载变化较大,做好阻抗匹配是绝缘天线设计的关键。

绝缘天线无线短传是基于电磁感应电流场基本原理的无线电磁短传技术[4-5](简称无线短传)。绝缘天线的两极之间是绝缘体,结构设计方便,但是在工作时,该天线正负两极直接接触地层,导致发射天线的负载阻抗随地层变化较大,所以设计天线时要分析环境负载阻抗,做好阻抗匹配设计。

1 无线短传环境模型

井下无线短传系统的工作环境模型如图1所示。

1-MWD系统;2-接收天线负极;3-接收源距;4-接收天线正极;5-螺杆钻具;6-发射天线正极;7-发射源距;8-发射天线负极。

无线短传系统包括发射装置、接收装置和信道系统。发射装置包括发射天线(由6、7、8组成)和内部的发射电路;接收装置包括接收天线(由2、3、4组成)和内部信号处理电路;信道系统是电磁信号传输路径,主要包括钻井液和地层两部分。

发射绝缘天线正负两极之间的绝缘距离称为发射源距,本文采用发射源距为20 mm进行阻抗分析。

正常工作时,无线短传系统始终处于钻井液和地层组成的复杂环境,发射天线的等效环境阻抗随着地层和井下振动而不断变化。所以测量出仪器在不同地层的负载阻抗,是无线短传天线高效发射和正常工作的关键环节。

发射天线将FSK调制信号馈送到信道系统中,由于信道系统的介质对电磁波信号强度衰减严重[6],所以在接收天线两端只能产生微弱的电压差信号。接收电路对收到的微弱信号进行放大、滤波、解码等处理,从而识别出有效信息,完成信号的传输。无线短传电信号等效传输模型如图2所示。

图2 无线短传电信号传输模型

图2中,RL和CL组成的阻抗网络为发射源距两端的等效阻抗,用Z1表示;R2和C2组成的阻抗网络为接收源距的等效阻抗,用Z2表示;R3和C3组成的阻抗网络表示信道系统的阻抗,用Z3表示。

在发射天线两极施加FSK调制信号,该调制信号的功率大部分被Z1吸收,只有少部分能通过Z3到达接收天线。由于实际的钻井地层不是纯阻性,存在电容特性,且本文天线模型基于电流场,所以高频信号在地层传输时衰减严重[7]。为了获得高质量的短传信号,理论上宜采用较低频信号[8],一般在5 kHz以下。本文采用500 Hz和1 kHz两种频率组成的FSK调制信号进行测试。

2 天线阻抗计算

在通讯设计领域,阻抗匹配是影响发射效率的重要因素。本文研究绝缘天线的阻抗匹配特性,指输出阻抗和环境阻抗相匹配,其输出阻抗是指驱动电路的输出阻抗。驱动电路由H桥和LC滤波器构成,其输出阻抗是指LC滤波器的等效阻抗,电路框图如图3所示。

图3 H桥驱动电路

该LC滤波器的特征阻抗R,输出阻抗Zo,截止频率fc分别为[9-10]

(1)

(2)

(3)

式中:ω为发射信号的角频率。由式(1)、式(2)、式(3)可以推出滤波器电感和电容的计算公式。

L=R/(2πfc)

(4)

C=1/(2πfcR)

(5)

输出阻抗Zo是随着ω非线性变化的。绝缘天线的发射模型为可调电压源模型。根据电压源基本理论:电压源的输出阻抗越低带载能力越强。绝缘天线等效为电压源时,其输出阻抗和负载须在一定范围内,才能保证天线高效率工作,即能够传输更多的能量。由图2和图3可知,发射天线的输出阻抗为Zo,而负载即是Z1。一般取特征阻抗R与负载Z1满足R=(0.5～0.8)Z1,可保证较高的传输效率[11]。

从绝缘天线的发射模型分析,由于其源距极短,且传输信号频率属于甚低频,故图2中电容CL对阻抗的影响很小,可忽略,故Z1≈RL。故可近似特征阻抗:

R=(0.5～0.8)RL

(6)

无线短传工作在不同地层和钻井液组成的复杂环境中,环境阻抗时刻变化,所以绝缘天线必须要在变化的环境中保持稳定高效输出,即天线的输出阻抗必须与环境阻抗匹配。而在这些复杂环境中,如何测量出仪器的环境阻抗成为天线设计的关键。本文通过测量不同地层下仪器的环境阻抗RL的值,反推出绝缘天线合理输出阻抗,以确保发射天线的阻抗匹配性。

3 天线在不同地层的阻抗测量

3.1 模拟样本库建立

发射天线阻抗测试电路拓扑图如图4所示。

图4 阻抗测试电路拓扑图u-发射电压;i-发射电流;R0-电流采样电阻;ih-H桥母线电流。

图4中OPA将发射电流i转化为相应电压值,供MCU中的ADC模块采样、计算,并将计算的发射电流值用于发射功率的计算、调节。

地层阻抗测试原理:在发射电压u一定时,阻抗RL与发射电流i几乎成线性比例关系。理论上能测量出发射电压和发射电流的值,根据等效欧姆定律即可计算出仪器工作时的环境阻抗RL。但是由于直接测量电压不仅增加硬件成本,而且本文采用的调制方式会增加发射电压u的瞬时波动,导致u测量不太准确。为此本文采用建立数据样本库的方法,通过查表和插补计算来确定地层阻抗。

样本库采用不同的模拟阻抗,按照固定的发射模型:H桥母线电压Vcc,采用50%占空比的PWM信号控制H桥,模型中L=68μH,C=4.7μF。经测量,阻抗与发射电流关系见表1。

表1 模拟阻抗与电流样本表

3.2 实际地层阻抗测量

为了满足无线短传在不同地层的适应性,我们特地在多种地层进行了试验。表2是相同发射电压条件下在不同地层中的发射电流值。根据表1中的电流数据插补计算获得了这些地层下发射天线的环境负载阻抗数据。试验地层包括试验井(由钢套管、玻璃钢管等组成)、泥岩、灰岩、煤层,空气。

表2 实际地层阻抗与电流表

表2中RL就是发射天线实际工作的环境阻抗,它主要受钻井液和地层电阻率共同影响。即使同样的岩性,当其电阻率大小不一样时,也会表现为不同的地层阻抗。

从表2可以看出,对于绝缘天线模型,在不同的传输介质中环境阻抗RL差别较大。在钢套管等低阻地层中RL<1 Ω,而在空气等高阻地层中RL>1 000 Ω。所以输出阻抗设计时,必须考虑能满足这些地层的工作要求。

将L和C的值带入式(1)、式(2)中,可得特征阻抗R=3.80 Ω,输出阻抗Zo=3.81 Ω。从表1可看出,由于输出阻抗太高,导致发射效率偏低,尤其是在3 Ω以下,效率更低,导致发射电路的大部分能量不能有效输出,影响无线通讯效果。

从表2中看,除了空气和纯玻璃钢等高绝缘介质外,发射天线的负载阻抗都在10 Ω以下。为了满足无线短传在不同地层的适应性,本文选取负载阻抗RL=1 Ω,重新进行输出阻抗的设计,以期获得较高的传输效率。根据式(1)、(3)、(6),取特征阻抗R=0.8RL,fc=9 000 Hz,经计算可得C=22μF,L=14.08μH,Zo=0.8 Ω。

按照上述新参数重新对表1数据进行测量,得到新的阻抗与电流对应表,见表3。

表3 模拟阻抗与电流新样表

对比表1和表3,H桥输出阻抗变低时,在同一负载阻抗时,发射电流和电压都有所增加,发射效率整体提高,尤其在0.8 Ω以上时,发射效率提升明显。

阻抗与发射功率关系如图5所示。从图5可以看出,当负载阻抗一样时,输出阻抗越小,发射功率越大;当输出阻抗一定时,发射功率随环境负载变化而变化。在负载阻抗为1～2 Ω的范围内,可认为处于恒功率阶段。

图5 阻抗与发射功率关系

4 结 论

1)从试验室模拟阻抗和实际地层测量阻抗综合分析,该无线短传驱动电路模型正确,绝缘天线阻抗模型基本正确。

2)发射天线的输出阻抗对无线短传效果影响较大,只有输出阻抗和负载相匹配时,无线传输效率最高。

3)从试验数据看出,输出阻抗为0.8 Ω时,发射天线能够在负载阻抗大于0.8 Ω的地层环境中保持较高的发射效率和发射功率。

4)随着负载阻抗从小到大,发射功率先上升,再平稳,再下降。负载阻抗在1～2 Ω范围内,可近似认为发射功率处于恒功率阶段;大于4 Ω时几乎处于恒压阶段。