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电磁双向信号传输遥测通道的研究

李晓  
【摘要】: 地下资源的勘探与开发,日益促进钻探技术的发展,其主要标志是钻井信息化和智能化,并向着自动化发展。未来钻井自动控制技术要以智能传感器采集静、动态信息为基础,同时发挥智能计算机的功能,再利用双向通讯传输技术来传输和反馈信息,达到闭环控制的目的,从而可以依据地质条件和油田开发要求使钻头自如地追踪并钻达有效的油藏目标。信号传输子系统作为井眼轨道自动控制的重要组成部分,是连接地面监控子系统和井下自动跟踪子系统的桥梁和纽带,它以深达数千米(甚至上万米)的井眼作为信号的传输通道,担负着对井下工况和参数的监测以及对井下自动跟踪子系统实施决策、干预等控制功能的双向通信任务。所以,信号传输子系统是实现井眼轨迹自动控制的关键技术,它直接关系到整个控制系统的成败。 随钻测量技术主要用来监测井下工况,并将井下相关数据与地上指令互传,它是信息从井下到地面的上下行通道。电磁随钻遥测(Electromagnetic-measurement-while-drilling, EM-MWD)技术以其优点近年来发展很快,但地层的复杂性,周围环境的干扰影响等使在理论研究时难以建立精确的普遍适用的模型,以及随遥测深度增大信号迅速衰减的情况使遥测深度暂未达到钻井要求,同时信号传输的可靠性、经济性、工艺上的易操作性制约着其发展与应用。如何建立符合实际情况的正确模型,进而进行理论分析,成为现阶段研究的一个难点。 本文的研究工作围绕如何建立模型分析信号在孔内的传输特性展开,力求通过理论分析为今后进一步研究电磁随钻测量技术特别是信息的双向传输打下基础。论文共分为5个部分: 在绪论中叙述了电磁随钻遥测的国内外发展现状、研究意义以及本文的研究内容与技术路线。 第二章是电磁波传播的理论研究。首先简单介绍了MWD系统的分类,接着叙述了电磁随钻双向信号传输基本原理,分析比较了三种电磁信号激励的方式,最终采取穿孔外接金属环套激励法,也称为“并式天线”的发射天线结构。 第三章是本文研究重点。在分析了几种常用的信道分析方法后提出了一种新的计算模型一同轴电缆传输线模型,分析得出了钻杆上任意点的电压电流理论计算公式。接着用坡印廷公式从能量角度分析了电磁波传输时的能量衰减规律,得出了在钻杆轴向上,能量随距离三次方衰减的结论。 第四章为实验部分。首先用铜管模拟钻杆分别在室内与室外孔内进行实验,将实验所得数据与公式计算数据进行比较,验证了计算模型的正确性。紧接着用双向传输装置在深68m的钻孔内进行实验:论述了双向实验装置、实验与理论数据的分析比较。最后定量分析了钻杆电阻率与钻井液电阻率对传输深度的影响,定性分析了采用方波与正弦波时接收信号的变化情况、钻井液存在时对接收信号的影响。 第五章对论文的研究工作进行了总结,并对下一步的研究工作提出了建议。 得出的结论有:用同轴电缆传输线理论分析电磁波传播的方法是可行的;在传播过程中,能量随着距钻杆的距离成3次方衰减;理论计算得到的最佳发射频率为2π;正弦波信号比方波信号稳定。


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