（测试计量技术及仪器专业论文）测井数据无线传输技术的应用基础研究.pdf

论文题目：测井数据无线传输技术的应用基础研究 专业：测试计量技术及仪器 硕士生：宋汐瑾( 签名) 塞垄燕 指导教师：石金成( 签名)五王苎y 摘要 井下与地面的信息传输是测井、钻井以及采油等领域的重要研究课题，同时也是多 年来无数学者努力亟待解决的技术难题之一，对于生产测井和随钻测井技术中井下信息 的实时传输具有非常重要的意义。 本文在大量的理论分析和室内、外模拟实验的基础上提出了电磁功率脉冲无线传输 体制。其中主要讨论了电磁功率脉冲无线传输系统的建模与仿真、具体控制系统的软、 硬件设计方案以及室内、外实验的测试结果，并且详细分析了电磁功率脉冲无线传输系 统模型的理论基础。室内实验采用八进制脉冲幅度编码体制，井下电路使用双通道充电 控制系统。外场实验采用铁丝作为传输介质，并近似模拟了油田的实际工作环境。实验 证明，该系统的数据传输速率可达到7 2 b i t s ，比目前普遍采用的泥浆脉冲传输方式提 高了一个数量级，属国内外首创。 论文提出的电磁功率脉冲无线传输系统可用于生产测井领域，实时检测井下信息， 经改进后也可用于随钻测并和智能完井技术。本文的研究工作为测井数据无线传输技术 丌辟了一个新的研究方向，提出并开展这一技术是一种具有广阔应用前景的创新工作， 它的实用意义是不可低估的。 关键词：电磁功率脉冲无线传输传输速率 论文类型：应用研究 ( 本文得到中国石油天然气集团公司中青年科技创新基金的资助) s u b j e c t ：a na p p l i c a t i o ns t u d yo nd o w n - h o l ed a t at r a n s m i s s i o n s p e c i a l t y ：t e c h n o l o g y & i n s t r u m e n to f t e s ta n dm e a s u r e n a m e ：s o n gx i j i n ( i n s t r u c t o r ：s h ij i n c h a b s t r a c t d a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nd o w n h o l ea n do nt h eg r o u n di sa ni m p o r t a n ts t u d yp r o j e c ti n t h ef i e l do fd r i l l i n g ，l o g g i n ga n dc o l l e c t i o n f o ra l o n gt i m e ，i ti so n eo ft h ed i f f i c u l tt e c h n i q u e p r o b l e m sf o rm a n ys c h o l a r sa n di ss i g n i f i c a n tt od o w n - - h o l ed a t ar e a l t i m et r a n s m i s s i o nf o r p r o d u c t i o nl o g g i n ga n dl o g g i n gw h i l ed r i l l i n gt e c h n o l o g y t h i st h e s i s ，o f ft h eb a s i so f l a r g e n u m b e r so fi n d o o ra n do u t d o o rs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a t i o n sa n dt h e o r ya n a l y s i s ，p u t sf o r w a r dt h ee l e c t r o m a g n e t i cp o w e rp u l s ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns y s t e m i na d d i t i o nt om o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h i ss y s t e m ，t h ed e s i g no f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n dt h er e s u l to fe x p e r i m e n t a t i o nt h a tp r o c e s s e di n d o o ra n do u t d o o ra r e d i s c u s s i n g t h et h e o r yf u n d a m e n to fm o d e li sa n a l y z e da l s o e x p e r i m e n t a t i o ni n d o o ru s eo c t a l p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o na n dd o u b l ec h a n n e l sc h a r g ec i r c u i t i r o nw i r ei su s e dt ot r a n s m i t i n f o r m a t i o ni ne x p e r i m e n t a t i o n so u t d o o ra n dt h ep r o d u c t i o ne n v i r o n m e n ti ss i m u l a t e d t h e r e s u l to fe x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e st h a tt h es p e e do fe l e c t r o m a g n e t i cp o w e rp u l s ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns y s t e ma t t a i n st o7 2 b i t s c o m p a r ew i t hs l u r r yp r e s sp u l s et r a n s m i s s i o ns y s t e mi t i si m p r o v e di ns p e e db yt e nm u l t i p l e s t h i si sa no r i g i n a t i o ni n s i d ea n do u t s i d eo fc o u n t r y e l e c t r o m a g n e t i cp o w e rp u l s ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e mcanb eu s e di nr e a l t i m e i n s p e c t i n g a n dm e a s u r i n gi n p r o d u c t i o no i la n dl o g g i n gw h i l ed r i l l i n go ri n t e l l i g e n t c o m p l e t i o ni fi t i sm e l i o r a t e d t h i sp a p e rp i o n e e r san e ws t u d yd i r e c t i o nf o rd a t ad o w n h o l e w i r e l e s st r a n s m i s s i o no nt h eb a s eo ft h e o r ya n de x p e r i m e n t a t i o n s b e i n gan e w t e c h n i q u et h a t h a se x p a n s i v ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d ，t h em e a n i n go fe l e c t r o m a g n e t i cp o w e rp u l s et h e o r yi s c a l l n o tu 【n d e r e s i i m a t e d k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cp o w e rp u l s e ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，t r a n s m i s s i o ns p e e d t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y t h ep a p e ri ss u p p o r t e db yi n n o v a t i o nf o u n d a t i o no fc n p c 学位论文创新性声明 y6 0 5 6 0 6 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：塞边燕日期：塑! 生三：! 坠 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权力。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 皋垄燕。 丕墨玻 日期： 兰! 生羔：! g 日期：立竺垒堕监 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 井下与地面的信息传输是测井、钻井以及采油等领域的重要研究课题， 同时也是多年来无数学者努力亟待解决的技术难题之一。对于生产测井和随 钻测井技术中井下信息的实时传输具有非常重要的意义。在抽油井测井作业 中，目前国i 内j b 主要采用的是环空测井方法，它具有测井不起泵、不停产 的明显优点，但为了达到动态反映实际地层产液状态的目的，如何将井下信 息实时传输至地面，并为地面仪器所接收是其关键技术之一。另外，在随钻 测井技术中，为了及时提供钻井与地层参数以此来监控整个钻井作业，井下 与地面的信息传输方式也起着非常重要的作用。长期以来，在裸眼井测井和 生产测井作业中，普遍采用昂贵、笨重、作业过程复杂的铠装电缆实现井下 信息实时传输的现状，促使许多学者和工程技术人员寻求井下无线信息传输 的途径与方法。 1 2 井下信息无线传输方式 对于井下与地面的通信系统来说，在生产测井技术方面，目前已提出的 无线信息传输方式有电磁波传输方式和声波传输方式；而在随钻测井技术 中，泥浆脉冲传输方式则是其主要的信息传输方式。 1 2 1 电磁波传输方式 电磁波传输方法可追溯到上个世纪4 0 年代初期“3 ，但最早是应用于煤 矿安全和军事方面。“。例如，t e v e l c o 公司研制了一种电磁波系统。“，用于地 下核试验的数据传输。在钻井系统中，e n s c o 公司、r a y t h e o n 公司、s a n d i a 实验室和s p e r r y 公司等“1 都曾研究过用电磁波方式传输信号。上个世纪7 0 年代初期，我国也曾独立研究过采用电磁波传输井下信息的无线传输方式 ”1 ，使用了在国内刚刚问世不久的集成电路技术，并在江汉油田进行了多次 试验，信号的传输深度达到了1 2 0 0 m 。但是，后来研究工作因故停止。 以电磁波方式传输信号有两种方法：以地层为传输介质和以钻柱为传输 西安石油大学硕士学位论文 导体”。在数据传输系统中，主要考虑接收端有效信号的数量。在电磁波传 输系统中，接收到的信号电平主要取决于两个因素：频率和电导率，其传输 深度可以用趋肤深度来衡量。 电磁波传输数据的速度较快，而且不需要特殊的钻杆。由于高频信号在 地层中散失较快，所以只能传输低频信号。然而，这些低频信号的频率接近 于大地的频率，因此背景噪声将导致对信号的探测和恢复都是很困难的。此 外，电磁波信号沿钻柱的严重衰减也使其应用受到了限制，安装中继装置会 增加成本，而且可靠性也较差。但是，由于电磁波具有很高的传输速率等特 点，所以该领域内的研究仍具有吸引力5 1 。 1 2 2 声波传输方式 声波传输方式是利用声波或地震波经过钻杆或地层传输信号。这种方式 的实现方法简单、投资少。但信号弱、不易接收。而且由于钻柱接头处直径 的变化和丝扣装配的影响，信号会因反射和折射而衰减。 s p e r r y - - s u n 公司研制了一种声波遥测装置，用以补充用导线进行定向 测量的服务；s p e r r yr e s e a r c h 使用了一种带地热泵的声波装置；b a s i cs c i e n c e 研制出了一种声波遥测法，将生产井中的压力参数传输到地面；m o t o r o l a 研制了操作井下设备的声波遥控装置，它使编码后的声波信号沿生产套管进 行传输m 。 声波传输方式的优点是结构简单、成本较低，其缺点是在钻井时声波易 受环境噪声的干扰、信号弱、中继装置的可靠性差、成本较高。t “。 1 2 3 泥浆脉冲传输方式 使用泥浆脉冲的概念至少可以追溯到1 9 2 9 年，并于5 0 年代和6 0 年代 初期用于测井中”1 。1 9 6 3 年，j j a r p s 发明了泥浆压力脉冲的传输方法”1 ， 1 9 6 4 年，由t e l e d r i f l 设计制造的第一个机械式泥浆压力系统试验成功，当 时主要用于传输定向信息”1 。 泥浆脉冲传输方式是通过钻杆内的钻井液产生的压力波或压力脉冲来 传递井下信息。在钻井领域中，t e l e c o 和g e a r h a r t - - o w e n 公司率先研制出 西安石油大学硕士学位论文 了标准的泥浆脉冲系统。m o b i l 研制出了使用旋转阀连续的产生1 0 3 0 0 h z 陋 的脉冲信号，被测信息以数字形式通过压力波编码并以1 喜。3 二进制位秒的 z 数据率传输到地面。在1 9 7 1 年，m o b i l 对第一批m w d ( m e a s u r e m e n tw h i l e d r i l l i n g ) 遥测系统进行了成功的现场试验1 。现场试验表明深度每加深 1 5 0 0 3 0 0 0 英尺，信号幅度就降低大约一半。 在泥浆脉冲系统中，压力波在泥浆中的传播速度约为1 2 0 0 m s ”1 。由于 脉冲的扩散、调速的限制和泥浆系统其它特性的局限性，使得数据的传输速 度比较慢。泥浆脉冲系统的优点是不需要绝缘电缆和特殊钻杆，而是用泥浆 流作为动力；其缺点是数据传输较慢，传输信号受噪声的影响。 1 3 无线传输技术的国内外发展现状 在常规的生产测井系统中，井下信息要通过电缆传到地面。井下仪器完 成了指定任务后，不能长期驻留于井下完成实时检测功能，也不能将测试、 处理、决策和控制有机的结合在一起，对油气开采过程中经常出现的出砂、 结蜡、产层出水、有害气体聚集等影响生产的重要因素缺乏内在性的防范措 施和应变能力，一旦问题出现就不得不停产进行专门的修井作业。 实际上，国内外在测井数据无线传输技术研究方面作了很多工作，但受 到传统正弦波电磁理论的制约，所采用的理论和方法均局限于频率极低的超 长正弦波，由于系统实现的复杂性和无法实现电磁波在复杂有损耗介质中的 慢衰减特性，而且辐射功率受到体积和成本方面的限制，这种方法很难得到 实际应用。另外，在随钻测量技术中，实时传输井下数据也存在一些问题。 早在上世纪3 0 年代，人们就开始了这方面的理论和试验研究“。3 ，并且研制 出了几种随钻测井系统。这些装置都将传感器直接安装在钻头上方或附近， 监视钻井参数的变化，在某些情况下还能监视地层的变化。井下采集到的信 息通过以下四种手段之一传送到地面：钻井液、电缆、钻杆或地层。到上世 纪8 0 年代初期，泥浆压力脉冲传输方式的无线随钻测井技术终于在世界范 围内开始了广泛的推广应用。到目前为止，钻井作业中主要还是采用泥浆压 西安石油大学硕士学位论文 力脉冲方式传输井下数据，但仍无法摆脱数据传输速率低和依赖泥浆循环等 固有缺陷。因此迫切需要寻找一种新的传输速率高、成本低、可靠性高并可 用于井下信息无线传输的方法。 目前，电磁波理论已被广泛地应用于各种地质勘探中。自从1 9 8 5 年 w ut t 在聚焦波模“和粒子物理成就的启发下，建立了电磁导弹理论 ( e l e c t r o m a g n e t i cm i s s i l e ) 以来，随着科技的发展，这种理论已经发展成为 一门新的电磁波传播理论“。它是指在源分布于有限区域和辐射总能量为有 限值的情况下，在远离源的地方，总的电磁能量不按通常的平方反比律o ( r 。) 衰减，而是较慢、甚至任意慢衰减的瞬态电磁波。电磁导弹产生的先决条件 是要求有一前沿很陡的脉冲激励，这就是说电磁导弹具有很宽( 甚至是无限 宽) 的频谱。所以电磁导弹实质上就是一种定向传播、慢衰减、宽频谱的瞬 态电磁波。这就为介质特性复杂的井下无线通信技术提供了非常有效的技术 途径与理论支持，提出并开展这一技术在测井数据无线传输领域的应用理论 和方法研究，是一种具有广阔应用前景的创新工作，可广泛地应用于生产井 和钻井过程，并对合理开采和利用油气资源，提高生产效率，降低生产成本， 延长油气井寿命作出巨大贡献，为促进石油天然气工业的发展带来显著的经 济效益和社会效益。 1 4 课题来源及论文主要工作 为了在生产井中有效的应用环空测井仪器，并且实时监测生产井的温 度、压力和流量等井下信息，以及在随钻测井作业中，提供实时信息以监控 钻井作业，我们承接了中国石油天然气集团公司，中青年科技创新基金课题 一电磁导弹用于无线测井的理论和方法研究。课题的主要研究内容是探讨电 磁导弹无线传输的理论和方法，以及将此技术应用于生产测井和随钻测井过 程的工程性研究。 结合课题的具体要求，我们对井下数据无线传输技术进行了深入研究， 做了大量的分析、计算、仿真、设计以及多次室内、外实验等工作。论文的 主要研究内容为： 西安石油大学硕士学位论文 ( 1 ) 传输系统总体方案设计与建模 根据电磁功率脉冲的特点，结合生产井实际测试环境，提出了将电磁功 率脉冲无线传输技术应用于生产井实时测试的总体方案，介绍了该系统传输 信息的基本原理，并在此基础上建立了传输系统模型。 ( 2 ) 传输系统的基本原理分析 主要分析了充、放电回路的基本原理，阐明了如何使实时的井下信息， 通过储能电容器的冲放电过程加载到电磁功率脉冲信号上，进而由传输介质 传送到地面的工作过程。并且详细分析了系统模型的理论基础。 ( 3 ) 电磁功率脉冲产生与调制电路的实现 根据电磁功率脉冲自身特点采用了数字脉冲调制方式，利用软件控制井 下信息的调制与发送过程。电路上采用v m o s 管构成放大电路，以增强信号 驱动能力，使储能电容器快速完成充、放电过程；此外还采用了光电隔离技 术，将井下电路中的高、低压部分隔离开，以提高系统的抗干扰能力。 ( 4 ) 地面接收和检测电路的研制 硬件电路上，由功能强大的d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 与高速d ， 完成接收信号的采集和处理，并采用串口与p c 通讯，以便研究人员对获取 数据进一步分析。软件上则利用内部触发和设置预采区的方法，实现瞬态信 号的采集与处理。 ( 5 ) 系统仿真与测试结果分析 给出电磁功率无线传输系统的相应软件模拟与仿真结果。并且讨论了 电磁功率脉冲信号的编码试验以及室内、外试验的测试结果。从而验证了 电磁功率脉冲技术用于井下数据无线传输的可行性。 第二章电磁功率脉冲无线传输系统建模 第二章电磁功率脉冲无线传输系统建模 电磁功率脉冲无线传输系统的工作原理是利用电磁功率脉冲作为传输 载体，将井下实时信息准确可靠的传至地面。电磁功率脉冲实际上是一种瞬 态大功率脉冲，其瞬态功率可达m w 甚至g w 量级，脉冲持续时间为芦至n s 量级。虽然瞬态功率很高但平均功率却是十分有限，这就为介质特性复杂的 井下无线通信提供了非常有效的技术途径。此外，随着现代科学技术的发展， 电磁功率脉冲技术也在很多领域得到了广泛的应用，如液电成形、矿藏勘探 以及与人民生活密切相关的医疗领域等方面“”。 2 1 电磁功率脉冲无线传输系统简介 2 i 1 总体设计方案 电磁功率脉冲无线传输系统的总体设计方案如图2 一l 所示。其中充电控 制系统和电磁功率脉冲辐射器工作于井下，而瞬态接收传感器以及信号检测 处理系统位于地面。 图2 1 电磁功军脉冲无线传输系统总体设计方粟 井下充电、触发控制系统的主要作用是把低压、低功率的电能转换为高 压、大电流的电磁功率脉冲。也就是把生产井中油层的温度、压力和流量等 信息加载到电磁功率脉冲信号上，然后经辐射器发送出去。当然这里还包括 数据采集和传输编码部分。电磁功率脉冲辐射器的作用是将前一部分产生的 高压强电流脉冲辐射到传输介质中，结合实际的环境因素考虑，本系统采用 油管或套管作为辐射器的一部分，不需要增设其他传输介质就可将信号发送 出去。井下电路系统采用干电池供电，全系统体积小，结构简单。 瞬态电磁脉冲传感器位于地面接收系统，用来接收井下发送的电磁功率 西安石油大学硕士学位论文 脉冲信号。本系统采用的瞬态电磁脉冲传感器是把油管作为接收器的一部 分，利用感应线圈接收井下传输的信息。地面检测与处理系统主要完成接收 信号解调和译码，包括把来自井下的信号进行放大、滤波、检波以及译码等 处理，然后由数字存储电路对信号或数据进行分路和暂存。最后根据控制规 程，检测处理系统输出的数据被送至计算机或计算机接口，以便由计算机完 成数据的最终分析和处理。 2 i 2 传输系统的基本工作原理 电磁功率脉冲传输系统的基本工作原理如图2 2 所示。其中传输导体就 是井下与地面之间信息传输的桥梁，它位于井下的一端接在高压放电开关的 阴极以及储能电容器的低压端上，而位于地面的另一端上则安装着感应线 圈，用于接收井下发送的实时信息。 卜裂卜一骧i 厂 厂 i 。二丁f 田接 0 篆h 繁2h 鞍h 一卜| 翳卜警 图2 - 2 电磁功军脉冲传输系统的基本工作原理 本系统的基本工作原理为，首先在控制系统的监控下，通过升压电路对 高压储能电容器充电( 充电时间般为毫秒级) ，将井下电池中的电能贮存到 电容器中。这里电容器充电的依据就是实时的井下信息，也就是说，我们需 要选择适合的传感器将井下的温度、压力和流量等模拟信息转换成数字信 息，然后将其送入编码器进行编码，得到一系列的二进制序列串，储能电容 器的升压范围就是由这些二进制序列串决定的。当储能电容器两端的电压达 到预定值时，由控制系统作动触发电路，控制高压放电开关导通，从而使高 压储能电容器瞬间放电( 放电时间仅为微秒级) 。这时传输导体的电位在瞬间 发生变化，其上有大量的电荷移动，从而在传输导体周围产生交变的电磁场， 西安石油大学硕士学位论文 因此我们可以通过测量安装在传输导体上接收线圈的感应电动势获取井下 发送的信息。 在生产测井过程中，可以采用油管作为传输导体，将要传输的油层信息 ( 压力、温度、流量等) 调制在电磁功率脉冲信号上，通过油管传输到地面， 而不需要增设其它的传输电缆，实现生产井中数据的无线传输。另外，在钻 井作业中，也可以将钻杆作为传输导体，同样应用上述的原理，以实现钻井 数据的无线传输。 2 2 传输导体的模型 我们知道，孤立带电实心导体的电荷是完全分布于导体的外表面上的， 所以它的外部电场与空腔薄导体的外部电场没有分别。同时，许多资料中也 己证明，在实心导体的内部以及在空腔导体的空腔中电场都为零，因此实心 导体和空腔薄导体在内部的电场也是一样的。当它们的外部形状相同而且带 有相同的电量时，它们的电位显然是一样的。由此可见孤立带电实心导体的 q v 值是一个常数，而且同空腔薄导体相同。因此在本文叙述的无线传输系 统中，孤立的实心传输导体与空腔传输导体可采用同样的方法进行分析。实 际上，孤立导体本身就是一个电容器。且孤立导体的电容器也是由两个电极 组成的，一个就是孤立导体本身，另一个是无穷远处的零位面或大地“，因 此，传输导体存在电容。 当电磁功率脉冲信号经过传输导体时，在传输导体周围产生了变化的磁 场，这就意味着传输导体存在电感。同时，信号经过传输导体后，接收信号 相对于原始信号会产生一定的损耗，说明传输导体存在电阻和电导。因此， 在导体上存在着电阻和电感，而导体与地之间则存在有漏电导和电容。 综上所述，一段均匀的传输导体如图2 3 ( a ) 所示，若把一定长度的 传输导体看作由无数无限短的导体段组成，在此无线短的导体段上忽略各参 数的分布性，就可将传输导体用集总参数等效为如图2 - 3 ( b ) 的电路模型， 这里采用的是基于“路”概念的等效传输线近似分析方法“。图( b ) 中的 虚线框a 和口都可以作为整个传输导体网络的基本单元电路。 西安石油大学硕士学位论文 ( a ) 均匀传输导体 rlg矿ca郦 ：f | l ： l l 书 ： l ： i ： ，i ( b ) 均匀传输导体的等效模型 图2 3 均匀传输导体( a ) 及其等效模型( b ) 图中r 一单位长度传输导体的电阻； l 单位长度传输导体的电感； c 单位长度传输导体的电容； g 一单位长度传输导体的电导。 基于a 、口这两个基本单元电路，可从导纳和阻抗两个不同的角度来分 析传输导体。即如果知道其中某一节点( 或支路) 的电压( 或电流) 值，通过它 与传输函数的卷积即可求得其他节点( 或支路) 的电压( 或电流) 值。 2 2 1 基于导纳的传输函数计算 把图2 3 ( b ) 看成一棵树，近端( 即电源端或输入端) x = 1 处为根节点， 远端( 即负载端或输出端) x = 0 处为叶子节点，其余节点为中间节点。基于基 本单元a ，对于网络中的某一节点v ，先求出以v 为根的子树的整个导纳( 简 称为v 的导纳，记为y 0 ) ；然后根据已知节点的电压值，求得目标节点的电 压值，即计算出电压传输函数。 西安石油大学硕士学位论文 a 导纳计算 如图2 - 4 所示，设节点“的导纳已知，且其导纳为： y ( u ) = y o ( u ) + k ( “) s + + k l ( “) s ”一1 u ( 。) !u ( 茸)u ( f ) ： r 、j ”v n 一j ，1 ，、 _ 驴”翮 图2 4 - - j * , 段传输寻体的墨十a 旱兀的等效电蹯 易求得节点v 的导纳为： y ( v ) ： 垫! + g + s c 1 + l ，( “) 僻+ s l ) 。 ；肾( 2 - 1 ) 式代入( 2 - 2 ) 式，得： y ( 。) ：_ 1 些望熊兰丛尘生+ g + s c 一1 + 阢( “) + y 1 ( “) s + + l l ( “) s ”1 陋+ s l ) 式( 2 3 ) 可表示为一个有理分式： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) y = ；生二二至；：三 ；雩：+ k s + + k 一。s n 一，+ o ( s ”)(24)1 + q l s + q 2 s 2 + 一+ q s ” ”1”一1、7 式( 2 4 ) 中，仇= 塞q 。圪一t = k + 砉吼k 一于是k ；仇一善k 吼k 一可见整个网 络各节导纳可用同一形式来表示，即 y = x 】+ x s + + k l s “一1 对于任一节点l ，已知其导纳，则可利用( 2 - 2 ) 式( 2 4 ) 式，递归地 求得所有节电导纳。 西安石油大学硕士学位论文 b 电压计算 利用以上计算得到的各节点导纳值，以及已知的某节点电压，可求得目 标节点电压。由图2 4 可得： u ( o = u ) 【1 + l ， ) ( r + 吐) 】( 2 - 5 ) 假设节点“的电压u ) 已知，w 是以“为根的子树中的某一节点，现要 求得目标节点w 的电压u ( w ) ，若 u ( u ) u ( w ) = b o o , ) + b l ( “) s + + b - 1 ( “) s ”。 ( 2 - 6 ) 由( 2 - 5 ) 式可得： u ( o t u ( 叻= b o ( v ) + 6 l ( v ) s + + b n _ i ( v ) s “。+ o ( s “) ( 2 - 7 ) 式中， b k ( v ) = 1 + r y o ( “) h ) + 陋w “) + r y e ( “) k 一。( “) ( 2 8 ) 于是从( 叻= 1 , b 。( w ) = o ( i 苫1 ) 开始，可从目标节点w 追溯到根结点，即 u ( r ) u ( 叻= b o ( r ) + 6 。( r ) s + + b n _ l ( r ) s ”= b 。( s ) ( 2 - 9 ) 式中，b i ( r ) ( f _ 0 , 1 ，n 1 ) 可用递推公式( 2 8 ) 一步步求得。于是 h 小) 2 赤2 丽而丽i 1 丽= 窆i - 1 叁( 2 - 1 0 ) 求出。( f ) 后，输出即为输入与h 。( f ) 的卷积。因此知道了近端输入的电压， 即可求得远端输出的电压。 2 2 2 基于阻抗的传输函数计算 基于基本单元b ，求解的两个步骤则为求解阻抗和电流传输函数。可以 知道，基于导纳和基于阻抗的所有公式具有对偶性。限于篇幅，这里不再作 具体推导。 西安石油大学硕士学位论文 2 3 电磁功率脉冲接收信号的计算 在电磁功率脉冲无线传输系统中，最有价值的就是电磁功率脉冲传感器 的接收信号，或者说是由电磁功率脉冲信号所携带的井下信息。因此接收信 号的特性、规律，对研究检测信号的方法起着非常重要的作用。下面从理论 上分析感应线圈上的接收信号。 2 3 1 接收线圈的测量原理 接收线圈测试原理如图2 5 所示。接收线圈套置在传输导体的接收端， 由于电磁功率脉冲信号经过传输导体时，会在导体周围产生变化的磁场，这 个变化磁场又在其周围空间激发了涡旋电场，进而在接收线圈上产生了感应 电动势。因此，接收信号即为接收线圈上的感应电动势。 图2 - 5 接收线圈测试原理图 由于传输导体上的电磁功率脉冲信号携带了井下信息，因此测试接收线 圈上产生的感应电动势，是检测井下信息的首要条件。那么由示波器测试的 接收线圈上的信号应该是电流f “) 的磁通在线圈内的感应电动势，而不应该 是其他磁场( 杂质磁场) 在线圈内的感应电动势。因此，为了能够正确的检 测井下信息，必须只让电流i ( f ) 的磁通经过接收线圈，而不让其他外来磁通 经过接收线圈，所以需要将接收线圈屏蔽起来，不使散杂磁场进入接收线圈。 此外，为了使传输导体电流f ( f ) 的主磁场能够进入线圈，在屏蔽盒的内侧开 有一条缝隙”，这样就保证了被测信号的准确性。 西安石油大学硕士学位论文 2 3 2 接收线圈的磁芯 为了增大接收线圈的感应电动势，往往选用导磁性材料作为磁芯。常见 的软磁铁氧体材料及性能如表2 - 1 所示。 表2 - 1 软磁铁氧体材料系列及性能表( a ) 材料材料 初始 饱和磁 剩余磁通居里温 p ( k w m ) 导磁率 通密度 密度b r ( g 。)度t 。( ) 2 5 ，6 0 ，1 0 0 系列 牌号 b 。( g s ) 1 2 0 “2 0 r 2 k b5 1 0 01 2 0 02 3 02 5 k h z 、2 0 0 0 g s 2 5 0 0 功率 ( p c 3 0 ) 1 3 0 、9 0 、1 0 0 、1 2 0 5 1 0 01 0 0 02 3 51 0 0 k 、2 0 0 0 g s r 2 k b d 2 2 0 0 铁氧 ( p c 4 0 ) 6 0 0 、4 5 0 、4 1 0 、5 0 0 体 4 7 0 01 8 0 02 4 05 0 0 k h z 、5 0 0 g sr 1 5 k b i ) 1 5 0 0 ( p c 5 0 ) 1 3 0 、8 0 、8 0 表2 1 软磁铁氧体材料系列及性能表( b ) 初始 材料材料 导磁率 比损耗系数 饱和磁剩余磁居里 使用 通密度 通密度b ，温度 频率 系列牌号 ，2 0 t 9 6 , u 。 b s ( g s )( g 。)t 。( ) f 。( m h z ) r l o1 0 4 5 0 ( 5 0 m h z ) 1 6 0 01 0 0 04 0 01 5 0 r 6 06 05 0 ( 2 0 m h z )3 2 0 01 0 0 04 0 03 0 镍锌铁 r 1 0 01 0 0 5 0 ( 1 5 m h z ) 3 0 0 01 0 0 04 0 01 5 氧体r 2 5 02 5 05 0 ( 0 2 m h z ) 3 0 0 0 1 0 0 04 0 02 r 4 0 0 4 0 02 5 ( 0 1 m h z ) 3 2 0 01 0 0 0 4 0 02 r l k1 0 0 05 0 ( 0 1 m h z )3 1 0 01 0 0 04 0 01 r t h7 0 0 3 ( 0 1 m l - l z )3 7 0 01 0 0 0 2 0 03 r 1 5 k1 5 0 02 ( 0 1 m h z )4 6 0 01 0 0 02 0 0l 锰锌铁 r 2 k b2 3 0 03 ( 0 1 m h z )4 6 0 01 0 0 02 1 0l 氧体r 4 ( b4 0 0 0 3 0 ( 0 i m h z ) 5 0 0 01 3 0 01 9 00 5 r 5 k b5 0 0 04 0 ( o 1 m h z )4 6 0 01 3 0 01 9 0o 3 r 6 k6 0 0 0 3 0 ( 0 1 m h z ) 4 4 0 01 3 0 01 4 0o 1 磁芯的形状也多种多样，为了满足试验的需要，我们选用了圆环型和u 型两种磁芯。材料分别为表2 - 1 中的r 2 k b 、r 5 k b 、p c 4 0 。接收线圈就是按 西安石油大学硕士学位论文 照一定的要求用漆包线将磁芯密绕而成的。 2 3 3 接收线圈上的感应电动势 a 圆环型接收线圈 设传输导体上的电流为f ( f ) ，接收线圈匝数为，磁芯的相对导磁率为 ，真空中的导磁系数为。，圆环型接收线圈示意图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 圆环型接收线圈示意图 由毕奥一萨伐尔定律可知，在距中心线电流为p ( a p 们的圆形路径 上： 云：e b( 2 - 1 1 ) 而磁通密度b 和磁场强度h ( 安厘米) 的关系取决于磁通的材料，即： b = 。，h ( 2 - 1 2 ) 按照全电流定律，磁场强度h 和它的路径相乘( 即磁场强度沿闭合路径的线 积分) ，等于这个路径所包括的电流的总和。对于圆环型接收线圈，磁场h 是圆形的，路径长度为2 a p ，于是有： 雄) = 2 e r p h 即 h = 桨 代入( 2 1 2 ) 式，得： b ：丝型! 塑( 2 1 3 ) 2 肋 则圆环型线圈一匝上的磁通为： 西安石油大学硕士学位论文 屯5 l b d s = f 锈咖 ：i u 。k t i ( t ) hi n 鱼 2 ，ra ( 2 1 4 ) 由法拉第电磁感应定律知，线圈中的感应电动势和线圈中的磁通变化率 成正比，而且电动势的方向总是阻止磁通变化的，因此圆环型接收线圈的感 应电动势为： 占：一堂：一竺竺哇盟( 2 1 5 ) 占= 一一2 o lz 1 0j d t。己耳m 其中，为接收线圈的匝数。 b u 型接收线圈 设传输导体上的电流为i ， 数为俨漆包线密绕在磁芯上。 磁芯的相对导磁率为，真空中的导磁系 u 型接收线圈的示意图如图2 7 所示。 i ( t ) h ， d 驴c o s 目二! 二二 工 图2 7u 型接收线圈的示意图 r 一1 一 a ： d 主； t 由毕奥一萨伐尔定律可知，在距中心线电流为p ( a p 6 ) 的圆形路径 b = e b 西安石油大学硕士学位论文 b ：i z o l - t f i ( t ) 2 z p m 2 f b d s ：f , u o , u f i ( t ) h c o s 蒯p 2 z p ：i z o t z , i ( t ) hc o s o l n 皇 2 疗a 则u 型线圈一侧的磁通为： 由。2f , d d o + 严d e =&,lzfi(t)h2z l n 皇a 删臼 止 ( 2 1 6 ) 一i t 。f i ( t ) h1 n 皇( s i n 0 1 + s i n 吼) ( 2 1 7 ) z 7 1 a 同理，由法拉第电磁感应定律知，u 型线圈一侧的感应电动势为： 。：一堡 d f a f o t ，_ hl n 。b - ( s i n o t + s i n 0 2 ) 掣( 2 - 1 8 )z 万以d r 由( 2 - 1 5 ) 和( 2 - 1 8 ) 式可以看出，如果接收端使用同一接收线圈，则 感应电动势的大小仅与传输介质上电流的导数有关。 2 4 电磁功率脉冲无线传输系统模型 由法拉第电磁感应定律知，只要通过回路的磁通量随时间发生变化，就 会在回路中产生感应电动势。而引起回路磁通量变化的原因有两种情况，一 种是导体回路或其中一部分在磁场中运动，使其回路面积或回路的法线与磁 西安石油大学硕士学位论文 感应强度曰的夹角随时间变化，从而使通过回路的磁通量发生变化；另一种 是回路不动，因磁感应强度引通时间发生变化，从而使通过回路的磁通量发 生变化。 由第一种原因在回路中产生的感应电动势称为动生电动势。我们可以用 在磁场中运动的电荷将受到非静电力洛仑磁力来解释动生电动势产生的 原因。由第二种原因在回路中建立的感应电动势称为感生电动势。但产生感 生电动势的非静电力不是洛仑磁力，因为导体并没有运动，所以导体中的载 流子没有定向宏观的运动速度。然而当磁场变化时，导体回路中产生了感应 电流，说明带电粒子一定受到了一种力的作用，这种产生感生电动势的非静 电力就是涡旋电场力。即变化的磁通在它所在的空间中感应出了连续存在的 涡旋电场( 记为d ，它与导体回路是否存在无关，引入导体回路只不过是 揭示涡旋电场存在的一种检测手段，用数学形式表示为： 扛d lf 华d s ( 2 - 1 9 ) ：o t 综上所述，联立( 2 - 1 0 ) 式、( 2 - 1 5 ) 式、( 2 - 1 8 ) 式和( 2 1 9 ) 式，得 常微分方程组，即电磁功率脉冲无线传输系统的电动力学非线性模型为： y = k + y l s 十+ r s ”1 h “s ) 2 丽而两i 1 丽= 蕃n - i 高k 一掣警。圆形接收 z 。， 。= 一坐嗟生l n 鱼( 。i n q + s i n 0 2 ) 堕婴( u 型接收线圈) 2 万口、疵、一。 。 e d l = - 。! i 等t 搬 第三章电磁功率脉冲无线传输系统的基本原理 第三章电磁功率脉冲无线传输系统的基本原理 电磁功率脉冲无线传输系统是一种基于高压强脉冲放电技术的数据传 输系统。它的基本原理是通过对高压储能电容器一定时间的充电过程，把小 体积、低电压的直流电源或电池中的电能储存在该电容器中，然后由触发控 制回路使电容器短时间放电，从而使负载获得很大的瞬时功率，以达到远距 离传输信息的目的。由于冲击大电流装置简单、操作容易，因此在短时间内 需要大功率的场合，常常用它作为能源。 3 1 充电回路的理论分析 近四五十年来，随着高压强脉冲放电技术的迅速发展，贮能的方法也多 种多样，如电容器贮能、电磁贮能、机械贮能，还有磁流体发电机和超导压 缩磁通发电机等。所贮的能量在1 06 j 以上，高的可达109 j ，放电速度从秒 级到纳秒级。本系统中采用的是电容器储能方法，而电容储能是以电场形式 实现的。这种储能形式最早被应用到单脉冲快放电技术中“。到7 0 年代， 由于脉冲功率技术中的许多领域需要重复脉冲，与此同时，电容器储能密度 和寿命研究也取得了进展，因此，电容储能在脉冲功率技术中占有重要地位。 利用直流低电压产生冲击电流的电路模型“鲫如图3 一l 所示。图中t r 为 脉冲变压器，在振荡电路的驱动下可将几伏至几十伏的电压升至几千伏，d 1 为高压二极管，c 为高压储能电容器，t r g 为高压开关，0 为等效负载，它 是冲击电流的作用对象。 图3 1 冲击电流的产生电路模型 充电回路的基本原理是，将输入的低压脉冲信号通过脉冲变压器t r 变 成高压脉冲信号，在脉冲信号的正半周期对电容器c 充电，即把电能储存在 西安石油大学硕士学位论文 电容器中，然后由触发电路闭合高压开关t r g ，使电容器短时间放电，使负 载获得很大的瞬时功率。脉冲变压器t r 的作用是输出如图3 2 所示的高压 脉冲信号，在该脉冲信号作用下的充电电路如图3 - 3 所示，电容器c 在乃期 间充电，n 期间经电阻r 缓慢放电。若近似地认为二极管的伏安特性是线性 的，并假定其正向电阻为- ，反向电阻为r ，则图3 3 所示电路在乃与咒期 间的等效电路如图3 4 所示。 图3 - 2 电压波形 e 图3 - 3 充电电路 c ( a ) t z 期间的等效电路( b ) t n 期间的等效电路 图3 - 4 等效电路 由图3 4 可求得电容器电压u 。及电流