（机械工程专业论文）井下数据无线电磁短传系统设计研究.pdf

摘要 作为生产动态测井的重要参数，井下流体的温度、压力参数为了解油井的生产状 况、准确分析井下油气资源的动态特性、合理评价油藏的开发效果提供有效的数据支持， 随着油田开采深度的不断增加，井下流体的温度、压力不断升高，对测试系统的可靠性 及测量精度提出了更高的要求。 本文采用电磁感应电流场的传输模式，实现对生产井温度、压力数据的无线短距 离传输，旨在研究一种应用于生产动态测井的新型数据传输技术，该技术可实现对生产 井温度、压力数据的实时监测，持续工作时间长，减少仪器下井工作次数，提高作业效 率；采用无线传输方式，实现跨越式测量，消除关井阀等井下工具对电缆有线测量的影 响，避免电缆对测试点附近流体温度、压力场的扰动，有效提高测量精度，技术与经济 意义显著。 本文首先研究了电磁传输的基本理论，井下数据无线传输是基于电磁感应电流场的 原理实现的，在时变电流的激励作用下，在线圈导磁环中产生了时变磁场，该时变磁场 感应出能在井下半电介质有效传播的电流场，从而实现数据信号的无线传输。同时对电 磁场中的介质特性进行研究，了解了介质类型与电磁场频率及其本身特性关系。 在确定合理的绕线方式和磁性材料的基础上，进行线圈整体结构设计，为提高井 下电源的利用效率，必须在保证系统通信稳定、可靠的基础上尽量减少电源的供电电流， 以该时间周期参数为基本的计算要素。根据电池可提供的输出电压、信号传输频率计算 出发射线圈电参数及结构参数。结合井下管柱的具体尺寸，设计出接收线圈磁芯的几何 尺寸，计算出接收端线圈的匝数。 根据已计算获得的收发线圈的特征参数，进行无线电磁短传系统的有限元分析，观 察磁通密度、磁场强度及磁力线的分布规律，获得信号输出强度随加载频率的变化规律。 进行了地面模拟实验装置的结构设计与加工，进行无线电磁短传系统的地面模拟实验， 验证无线电磁短传技术的可行性，获得恒电压下，信号输出电压一频率曲线的变化规律， 找出信号衰减变化的频率拐点，获得衰减幅度最小的频率带，为井下无线电磁短处系统 供电线路及其电子元件的设计与选用提供数据支持。 关键词：无线电磁短传，收发线圈，有限元分析，地面模拟实验 d e s i g na n dr e s e a r c ho nd o w n h o l e w i r e l e s se l e c t r o m a g n e t i c s h o r t - t r a n s m i s s i o n l il i n ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gh a n x i a n g a b s t r a c t t h ed o w n h o l ef l u i dt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ep a r a m e t e r sa r et h ei m p o r t a n td a t ao f p r o d u c t i o nd y n a m i cl o g g i n g ，w ec a nk n o wt h ep r o d u c t i o ns t a t u so fo i lw e l l ，a n a l y s et h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fd o w n h o l eo i l a n dg a sr e s o u r c e sa c c u r a t e l ya n de v a l u a t et h e e x p l o i t a t i o ne f f e c to fo i lr e s e r v o i rt h r o u g ht h e m t h ed o w n h o l e f l u i dt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r er i s ea st h ee x p l o i t a t i o nd e p t ho fo i lf i e l di n c r e a s e s ，i tn e e d st h et e s ts y s t e mah i g h e r r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y i nt h i sp a p e r , w eu s et h ec u r r e n tt r a n s f e rm o d ei n d u c e db ye l e c t r o m a g n e t i ct or e a l i z et h e p r o d u c t i o nw e l lt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es h o r t r a n g ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ，t os t u d ya n e wd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yu s e di np r o d u c t i o nd y n a m i cl o g g i n g ，w h i c hc a nd o r e a l - t i m em o n i t o r i n go fo i lw e l lt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ep a r a m e t e r s ，i n c r e a s et h ec o n t i n u o u s w o r k i n gh o u r s ，r e d u c et h ed o w n h o l ew o r k i n g t i m e sa n di m p r o v et h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c y t h e t e c h n o l o g yc a l ld oal o n gs p a nm e a s u r e m e n tt h r o u g ht h e w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d e ， e l i m i n a t et h ei m p a c to fs h u t i nv a l v e st ot h ec a b l et e s t ，a v o i dt e s tp o i n tf l u i dt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ep e r t u r b a t i o nb yt h ec a b l e s ，i m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c ye f f e c t i v e l y , w h i c hh a s as i g n i f i c a n tt e c h n i c a la n de c o n o m i cs e n s e t h i sp a p e rs t u d i e st h eb a s i ct h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i ct r a n s m i s s i o n ，t h ed 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 ni sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nc u r r e n tf i e l d ，t h e t i m e v a r y i n gm a g n e t i cf i e l di nt h em a g n e t i cr i n gi sp r o d u c e db yt h et i m e - v a r y i n gc u r r e n t e x c i t a t i o n ，t h et i m e v a r y i n gm a g n e t i cf i e l di n d u c e st h ec u r r e n tf i e l dw h i c hc a ns p r e a di nt h e s e m i c o s tm e d i u m ，i no r d e rt oa c h i e v et h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o no fd a t as i g n a l s m e a n w h i l e ， r e s e a r c h i n gt h em e d i ac h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，u n d e r s t a n d i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h em e d i u mt y p e sa n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l df r e q u e n c ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e m s e l v e s b a s e do nt h ed e t e r m i n a t i o no fw i n d i n gt y p ea n dm a g n e t i cm a t e r i a l s ，w ec a nd ot h e o v e r a l ls t r u c t u r ed e s i g n i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd o w n h o l ep o w e r , w em u s t e n s u r et h a tt h es y s t e mc o m m u n i c a t i o ni ss t a b l ea n dr e l i a b l eb a s i st om i n i m i z e dp o w e rs u p p l y c u r r e n t ，a n dp u tt h et i m ec y c l ep a r a m e t e ra st h eb a s i cc o m p u t i n ge l e m e n t s a c c o r d i n gt ot h e a v a i l a b l eb a t t e r yv o l t a g e ，s i g n a lt r a n s m i s s i o nf r e q u e n c i e sa n dt h es p e c i f i cs i z eo fd o w n h o l e t o o l s ，w ec a nd e s i g nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fm a g n e t i cc o r ea n dc a l c u l a t et h ec o i lt u r n s a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h ec o i l ，w ec a no b s e r v et h e m a g n e t i cf l u xd e n s i t y , m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t ya n d t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l dl i n e sa n d g a i nt h ev a r i a t i o nd i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h es i g n a lo u t p u ti n t e n s i t ya n dl o a d i n gf r e q u e n c y w e d i dt h es t r u c t u r a ld e s i g na n dp r o c e s s i n go fg r o u n ds i m u l a t i o ne q u i p m e n tt od ot h ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns y s t e mg r o u n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，v a l i d a t e dt h ep o s s i b i l i t yo fw i r e l e s s e l e c t r o m a g n e t i cs h o r tp a s s ，g a i n e dt h es i g n a lo u t p u tv o l t a g e f r e q u e n c yv a r i a t i o n ，i d e n t i f i e d t h es i g n a l f r e q u e n c y a t t e n u a t i o ni n f l e c t i o n p o i n t a n d g a i n e d t h es m a l l e s ta t t e n u a t i o n f r e q u e n c yb a n df o rp r o v i d ed a t ats u p p o r to ft h ed e s i g na n ds e l e c t i o no fd o w n h o l ep o w e r l i n e sa n de l e c t r o n i cc o m p o n e n t s k e yw o r d s ：w i r e l e s se l e c t r o m a g n e t i cs h o r tp a s s ，s e n d i n ga n dr e c e i v i n gc o i l s ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，g r o u n ds i m u l a t i o nt e s t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： e l # c ： 口t 拜6 月7e t 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 同期： 口，睥多月明 同期： 9 拜多月r 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着油田井下工况的日渐复杂，油藏井下监测技术日益成为油气田开发过程中的重 要技术手段，井下监测技术具有使用成本较低、生产效率较高等特点，是通过监测井下 流体的流动参数，来分析和了解油藏的动态特性，该技术能够在有效的时间里，实时、 不间断地获取大量能反映井下实际工况的生产资料信息( 如温度、压力、流量等) ，为 准确评价油藏的生产效率和采收率、增加油气的产出，改善油藏的开发效果提供有效地 参数支持i 。 井下流体的温度、压力参数是油田开发过程中的基本数据资料，在了解井下油气的 储量及其动态变化、分析产层特点、评价油井的生产情况及使用寿命等方面有重要作用。 随着井下生产环境的复杂，实时、准确的获取井下生产数据资料逐渐变得困难。温度、 压力检测的具体作用表现在，如了解油层温度及流体流动状态，确定地层区域温度梯度， 划分不同的注水剖面，确定产气、产液层的部位，分析压裂、酸化处理的效果，检查水 泥窜槽、管柱泄露，进行油层压力平衡分析及动态计算，获取油井采油指数，分析完井 及修井作业中的污染情况，判断油层性质及油藏界限，评价与优化油井未来生产状况等 方面【2 】。因此选择一种实用可行的技术对井下温度、压力数据进行准确测量具有十分重 要的意义! 本文研究了一种采用无线电磁短传方式进行数据传输的技术，该技术目前在井下监 测领域还未得到实际使用，本文的研究目的在于探讨电磁方式传输应用于井下环境的可 行性，基本原理是利用电磁感应产生的交变电流场进行数据传输，通过搭建模拟试验台， 对电流场在井下介质中的传播特性进行实验研究，获得电磁传输通道的频率特性和衰减 特性，找出电压幅度衰减最小并且较为稳定的频率带，为无线电磁短传系统的电路设计 与电子元件的选择提供参考依据。该项技术对油田生产作业的日常管理与监测非常适 用，系统的传输特性优良，f 1 渐受到油f f l 作业者的重视，因此，对该技术的研究与完善 有利于丰富井下监测的技术手段，保证安全作业，指导油田生产。 1 2 无线电磁短传技术的研究意义 在油f t l 的开发生产中，井下流体的温度、压力数据是重要的井下监测参数，为准确 的预测和分析油井产状，获得井卜油、气、水的动态分布，优化油7e 丌采方案及提高原 第一章绪论 油采收率等提供科学依据3 j - 【6 1 。随着油田开采深度的逐渐加深，井下工况日益复杂，井 下流体的温度、压力不断增加，对测量系统的测试精度、可分辨率及信号传输方式的可 靠性提出了更高的要求。 传统井下监测技术井下仪器系统在高温、高压的恶劣环境中极易出现故障，增加了 重复测量次数；井下仪器及电缆在反复下井过程中破坏了原始的温度场和压力场，降低 t n 量精度，既增加t n 试成本又增加了仪器落井等工程事故几率【7 】【引。 井下数据无线电磁短传技术研究，可实现对生产井温度、压力数据的实时监测，可 持续工作时间长，减少了仪器下井的工作次数，采用无线传输方式，消除了关井阀等井 下工具对电缆有线测量的影响，避免了电缆对测试点附近流体温度、压力场的扰动。该 技术的信号的传输速度相对较快，不需要通过特殊介质进行传输，受井下工作环境影响 较小，可实现传输频率带比较宽，测量过程时间短，对功率的需求较低，另外，该技术 还具有安全环保、对人身健康影响小等特点【9 卜 1 6 】。因此研究开发高效率、低成本、高精 度的无线电磁短传技术有着十分重要的技术和经济意义。+ 1 3 国内外井下监测技术发展现状 随着油气用勘探开发的不断深入，在油气井完井以及之后的整个生产过程中，为分 析和了解井下油气资源的动态特征，分析和优化油田产能，提高采收率，需要对井下油 气的变化动态、生产层的特征变化及井筒的结构参数状况进行测量，该种测试技术即是 井下监测技术，井下数据无线电磁短传技术作为井下监测技术的一种，在动态测井领域 还未得到广泛应用【1 7 卜1 1 9 l 。 对井下监测技术的研究始于上世纪3 0 年代，该技术最初的功能是利用特殊的井下 温度计测量并记录井筒内流体的异常流动，后来形成了含有井下压力测量计、井下温度 测量计和流量计的井下监测仪。4 0 年代产生了组合式的井下监测仪器，可将三种参数的 测量仪组合为一支测试仪器进行井下测量，并能够在地面直接获取井下仪器测得的数 据，能够实现对流体类型的分辨及对流体产出量进行定量解释，同时出现了可测持水率 的电容测量仪，并发展了电磁测井等测井方法。7 0 年代出现了许多新的井下监测技术方 法，动态测井技术不断得到补充，如放射性测井和声波测井技术都是在这一时期出现， 使井下监测技术的使用范围得以变大，井下监测技术除了能够对井下流体的动态特性进 行分析以外，还能够榆食固井质量( 利用变密度测井法) ，评价油井产液层的性质( 利 用伽1 马能谱测井法和中子寿命测井法) 1 2 0 】1 2 6 1 。近些年来，随着数字技术的进步与发展， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 井下监测技术的发展取得了长足的进步，许多特定的问题可通过统计模型、经验参数进 行解决，数字记录和数控测井技术将成为井下监测技术发展的重要方向2 7 】【3 2 1 。 在国内井下监测领域，三大油公司的技术发展较为全面，配套设备的系列化、标准 化较高，但鉴于国内井下监测领域起步较晚，研发能力相对薄弱，整体的技术水平相对 落后，许多高端的配套技术设备仍然依靠进口，国内应加大科研投入，提倡自主研发的 角度出发，切实提高我国井下监测技术水平【3 3 】【3 7 1 。 国内油田普遍采用井下数据监测系统来实现温度、压力参数的实时测量，井下温度、 压力信号通过井下电缆传送至地面，经由地面数字采集仪器对信号进行处理、显示和存 储，实现了井下数据的直读，应用效果较好。但由于电缆有线传输的局限，使得该系统 在井下关井条件下无法使用，不能适用油田试油作业的需求。 ，国内华北测试公司和清华大学合作开发了适用于1 2 7 m m l p r n 测试阀的j j 1 非接 触式无线直读系统，为海上测试节约平台时间做出了很大贡献。但是这套系统也有明显 的缺点，该系统采用的p a n e x 压力计，在国内目前已经被淘汰；该系统的实际传输距离 很短，接收设备须处于发射线圈内才能检测到信号，因此这套系统的应用局限性较大。 华中理工大学设计研发的s y w l 系统，通过采用脉冲信号的传输方式实现对井下参 数的检测，即调制检测到的井下温度、压力数据为一定频率的载频脉冲信号，通过井下 电缆将该载频信号进行传输，此种方法克服了在长距离遥测传输中的信号衰减和易受干 扰等困难，信号传输的精度高( 可达到0 2 5 ) ，系统的传输稳定性好。 辽河油田研发出耐高温井下温度、压力测量仪，可在一次进行井下测试的过程中， 实现对稠油热采井温、井压变化状况的同时测量，其原理是利用激光脉冲波在光纤中传 输时产生的随时移的散射波，通过入射脉冲与散射光的频率差值实现温度值的测量，利 用地面仪器测量光纤传感器的干涉反射光谱，获得井下压力参数，该仪器能够对油井的 生产过程实现全程监控，持续工作时间可达1 年，现以完成2 0 0 多口油井的生产参数测 试，最大井温测量值为3 5 0 ，可测井压值达6 0 m p a 。 s c h l u m b e r g e r 、h a l l i b u r t o n 和b a k e r h u g h e s 公司一直引领着是井下监测技术的发 展方向，他们具有许多共同的优点，如：技术标准化和一体化水平较高，相关的配套设 备齐全，井下仪器元件朝着耐高温、高压的方向发展，各自具有已成规模的井下监测系 统，技术方法不断推陈出新，井下监测技术水平不断提高，目前，井下数据信息实时永 久监测技术已成为闺外油田井下监测的主要发展趋势。 3 第一章绪论 q u a n t x 研制出了用于井下温度、压力数据的永久监测的系统( w e l l g u a r d ) ，该系 统可在井下高温、高压和振动强烈的井下工况下实现对生产数据的实时、精确测量，采 用单芯电缆将信号传输至地面，技术成熟，方便快捷，系统选用耐高温电子元件和制造 材料，使得该仪器可在规定的环境下( 温度 6e6 图2 - 4 螺线环 1 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 l j s 图2 5 螺线环展开图 f i 9 2 “。5t h es o l e n o i do u t s p r e a dm a p 用足代表螺线环的平均半径，环内外任意一点的磁感应强度。都与通过该点并与中 心圆同心的圆周相切，设横断面s 的半径远远小于r ，由安培环路定理： n i = ( 丑d l = 2 r r r b ( 2 6 ) 式中：n 为环绕线圈的总匝数； l 为螺线环展开的长度； 为磁芯的磁导率； 使刀暑豢，代入上式中得中心圆上的磁感应强度： b = 刀f ( 2 7 ) 对于以，。为周长的环外磁场，圆周与中心圆同心，可以看出，圆周围绕的电流总和 为零，因此在螺线环外部没有磁场： 0 = 矗b d l = b 1 j ( 2 - 8 ) 2 2 2 交流磁芯电路 通过直流来励磁的称为直流磁芯线圈，通过交流来励磁的称为交流磁芯线圈。直流 磁芯线圈相对比较简单，其直流电产生的磁通量是恒定的，在磁芯和线圈中没有感应电 动势存在，恒定电压条件下，线圈自身的内阻决定了其中电流的大小，其产生的能量的 损耗也是恒定的，线圈中通入交流电时，磁芯线圈的电磁场、能量损耗、电参数计算方 法等与直流电条件下的有一定的差异。 ( 1 ) 主磁动势的计算方法 交流磁芯线圈电路由于有磁芯的存在如图2 6 所示，绝大部分总磁通，产生的磁 通通过磁芯内部形成闭合曲线，构成了主要的磁场传输通道，称这部分磁通量为工作磁 1 3 第二章电磁传输理论研究 通量，剩下一小部分磁通在磁芯中发散出来，在外部空间通过空气或其他媒质形成闭 合曲线，称这部分磁通称之为漏磁丸，通常情况下，磁芯漏磁可忽略不计。 图2 6 磁芯线圈交流电路 f i 9 2 6t h ec o r el o o pa l t e r n a t i n gc i r c u i t 工作磁通( 主磁通) 和漏磁均能在线圈中产生感应电动势，分别为主电动势p 和漏 磁电动势e o ，由于漏磁通过外部空间形成闭合，不经过磁芯内部，因此漏磁丸随交变电 流f 的变化而线性变化，因此漏磁产生的电感厶只与线圈的匝数有关，即乙为常量。由 于工作磁通全部经过磁芯，主磁通产生的电感三随电流的变化而改变，如图2 7 所示为矽 和三随电流的变化关系曲线，可见磁芯线圈是随电流非线性变化的电感元件。 上j ，y 、 j 疋 o 图2 - 7 磁通和电感随电流变化曲线 f i9 2 7t h ec u r r e n tc u r v e so f 矽a n d 三 如图2 - 6 所示，磁芯线圈的电压与电流之间的关系由下式( 2 - 9 ) 可以看出： r i = t l + e + e 。 1 4 ( 2 9 ) 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 线圈中通入正弦交流电，磁芯线圈中工作磁通产生的感应电动势不是常量，可按如 下计算方法计算。 主磁通电动势： e ：一型：n d ( # , s i nc o t ) d|dl = 一n c o q k 。c o s c o t( 2 1 0 ) = 2 砂九s i n ( c o t 一9 0 0 ) = 一。s i n ( c o t 一9 0 es i n ( c o t9 0 0 ) 2 m 一 。) 主磁通电动势的有效值： e = 击= 警= 4 4 4 九 协 通常情况下，线圈自身电阻及其感抗比较小，在线圈上产生的电压降也比较小，远 远小于主磁通在线圈上产生的电压降。 u e = 4 4 4 f n 矽m = 4 4 4 f n b 删s ( 2 1 2 ) 式中：玩为磁感应强度最大值；s 为磁芯的横截面积。 ( 2 ) 能量损失 能量的损失包括铜损和铁损，铜损是指绕线电阻产生的热量损失，铁损由磁滞能量 损失和涡流能量损失组成。磁滞能量损失能够引起磁芯发热，磁滞能量损失与磁滞回曲 线的构成的面积成正比关系，因此选择磁滞回曲线相对狭小的磁性材料，能够降低磁滞 能量损失；涡流能量损失是由感应电流引起的。交流线圈在垂直以磁力线的方向上环流 如图2 8 所示： 图2 - 8 涡流截面图 f i9 2 8t h ee d d yc u r r e n ts e c t i o n 在沿着磁场方向上，用相互绝缘的磁片叠加而成的磁芯，可有效地降涡流能量损失， 1 5 第二章电磁传输理论研究 在交变电流的作用下，铁损僻。与交变磁场磁感应强度最大值的平方吃2 成正比，因此 磁感应强度吃的取值通常在o 7 - 1 3 t 之间，以有效降低磁芯内部的能量损失。 ( 3 ) 等效分析 对含有磁芯的交流电路进行求解，需要进行分析其等效电路，即将磁路计算转化成 电路进行计算，如图2 - 9 、2 1 0 所示。 图2 - 9 交变磁路示意图 f i 9 2 9t h ea lt e r n a t i n gm a g n e t i cc u r r e n ts k e t c hm a p 二r xo u ru o 1-u + 一 +一 n 苫 二f r1 x1 图2 1 0 等效电路 f i 9 2 - 1 0t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t 由图2 - 9 图2 1 0 完成了交流磁路和等效电路的转化，使得电路中各元件的电流、 电压、相位等参数均没发生改变。首先将由漏磁产生的感抗以和导线电阻r 分离出去， 把剩下部分看成一个理想的线圈电路，分别用电阻r ，和感抗。来代替理想交流线圈。 等效电阻及感抗值分别为： 耻等 ( 2 _ 1 3 ) 1 6 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 y q 乃 1 一丁 ( 2 1 4 ) 式中：叱。为交流磁化作用下的铁损；鲲为磁芯线圈能量存放的无功功率。 2 3 导磁环的选择 井下数据无线电磁短传技术的关键是进行收发端线圈的设计，该部件是由导磁环及 其上的绕线构成的，导磁环磁材料决定了其传输特性，因此合理的选择导磁环磁性材料， 对保持信号的稳定、降低信号的衰减幅度有着十分重要的作用。 磁媒质是指在磁场的作用下，能够发生变化并影响原磁场特性的物质。实际上，在 磁场的作用下任何物质都发生一定程度的变化，同时又能对原来的磁场产生影响，所以 任何物质均可当成是磁媒质。分子电流理论和磁荷理论是目前共存的分析磁媒质的观 点，两种理论在总体结论上基本相同。 2 3 1 磁化规律 通过外加磁场的作用，磁媒质其内部分子磁矩的方向发生改变，使得螺绕环内磁媒 质的分子磁矩方向与外加磁场一致，其横截面分子电流排列如图2 一1 1 所示。由于磁化 效果均匀，因此整体来看，磁媒质内的分子电流，由于方向性相互抵消，在磁媒质的内 部没有电流的存在，而在磁媒质的外部表面呈现一层面电流通过如图2 - 1 2 所示，这种 面电流为磁化产生的宏观电流【5 0 】。 觚墨 f i 9 2 11t h em i c r o g r a p ho fm o l e c u l ec u r r e n t 1 7 第二章电磁传输理论研究 化宅窟 图2 1 2 分子电流宏观图 f i 9 2 。1 2t h em a c r o 。g r a p ho fm o l e c u l ec u r r e n t 自由电子自由移动产生的电流称之为自由电流，它与分子电流即外加磁场作用产生 的宏观电流是不同的，分子宏观电流没有带电粒子( 自由电子) 自由移动，是由于磁介 质内部分子的抵消，而在其外表面呈现出的面电流。含有磁媒质的磁场b 由两部分磁场 叠加而成，即自由电流产生的磁场鼠和磁化电流产生的磁场b ，磁媒质磁场表达式为： b = b 0 + b ( 2 1 5 ) 磁性材料的磁导率很高，相对磁导率，远远大于l ，所谓高磁导率材料，是指在具 有磁芯的线圈中通入较小的电流时，便能够产生较大的磁感应强度和磁通量，对于井下 无线电磁传输系统来说，这种材料在很大程度上提高了能量利用率，降低了收发线圈的 重量和体积，大大增加井下电池的工作时间，降低了作业成本，因此应当选用导磁率高 的磁性材料。 2 3 4 软磁材料 ( 1 ) 软磁材料特点 软磁材料的磁化很容易发生在较弱的磁场中，只需较低的电流通过较少匝数的线圈 就可以产生，软磁材料的矫顽力一般较小，通常小于1 0 3 a m 。一些磁性相对较软的材 料( 如f e 、n i 合会) 中，其矫顽力甚至可小于1 0 , 4 m 。另外典型的软磁材料还有纯铁 及铁的其他金属合金。改材料应用主要依靠外磁场存在微弱变动，能在其内部产生较大 的磁通的变化。 软磁材料常用于感应线圈、变压器及电动机等元件，在这些感应元件中，能量损耗 主要是由线圈产生的焦耳热量损失和磁磁芯损耗组成。降低磁芯损耗的主要途径有增加 电阻率、减少磁畴尺寸、减少磁片厚度等；线圈焦耳热量损耗是指带电线圈的，2 尺损耗。 l8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 磁芯越容易达到所需要的磁感应强度，线圈损耗就越小。可见，材料具有较高剩磁、较 高的各向同性或较好的结晶排列，它的线圈损耗会较小，纯铁具有较高的饱和磁通密度 b 。= 2 2 t ，较小的磁晶体各向异性k ，= “8 x1 0 4 j m 3 ，是较常用的软磁材料。 ( 2 ) 软磁材料磁性能 材料具有较高的各向异性对其磁导率起抑制作用，想要的到较大的磁通密度磁场， 其外加磁场需要很大，因此产生该外磁场的线圈损耗( 即热损耗) 会增加。材料具有高 的各向异性，还增加了磁畴壁的能量密度，使得磁畴壁的磁化移动更加困难，提高了激 励材料产生较大磁通所需的能量，增加的无需的能量损失。 纯铁中的杂质元素主要包括c 、n 、0 、s i 、p 、s 、m n 、a 1 等，对材料磁性能有较大 的影响，在磁致弹性耦合存在的条件下，杂质在其应变场的作用下，能有效提高材料的 磁性效应，若杂质在材料中产生集结浓缩析出，其析出物破坏了材料磁畴壁，消除了磁 畴壁的能量，改善材料磁性能。 在上述所列的杂质元素中，c 、n 、0 属于间隙杂质，在铁的立方体点阵中具有较高 的迁移率，在某种温度和频率条件下，随时间能有效降低材料的磁导率，对降低磁导率 起主要作用。一般的普通纯f e 经退火( 8 0 0 。c ) 处理，其磁导率可以达到1 0 5 风，经退 火处理后高纯f e ，其磁导率甚至可达1 0 6 l 。，这种处理方法可以获得较好的软磁材料【5 。 由于井下无线电磁发射装置及其线路完全依靠工作电池提供能量，鉴于井下恶劣的 生产环境，充分地利用电池，是保证系统长时间工作的关键，因此需在保证系统传输可 靠性的基础上，尽量的减少供电电流。软磁材料能够在最小的外磁场的激励条件下，产 生较大的磁化强度，适合制造应用于井下无线电磁短传系统的导磁环。 2 4 小结 ( 1 ) 井下数据无线电磁传输的系统模型由传感器、短传通信发射线路、收发端线 圈、短传通信接收线路、油管、套管及其环空构成。其传输原理为：发射端线路将井下 数据传感器采集生产数据调制成一定的频率信号，经电路耦合、放大、增益后，以交流 电信号的模式进入发射器，在传输媒质中以电流场的形式传送，实现无线传输。 ( 2 ) 分析了传输媒质的电磁特性，总结出谐变磁场频率与媒质的物质结构对媒质 类型的影响规律，媒质的类型区分为导体、半电介质、电介质没有明显的界限，具体要 根据媒质的电导率与外磁场角频率和介电常数的比值来确定。 1 9 第二章电磁传输理论研究 ( 3 ) 介绍了无线电磁短传收发线圈的绕线方法，并总结其磁场的分布及计算方法， 对该种类型磁芯电路的等效计算、能量损耗、电参数计算方法进行分析总结，分析了软 磁材料的特点，建议选择软磁材料进行系统导磁环的设计加工。 2 0 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 第三章收发线圈特征参数计算 3 1 发射端线圈参数计算 3 1 1 预设参数 考虑到井下生产测量环境的具体尺寸，收发线圈的最大外径不能超过5 i n ，因此初 步设计发射线圈磁芯的外径为d 。= 1 2 4 m m ，内径d 2 = 1 1 4 m m ，线圈高度h = 7 5 m m ，如图 3 1 所示： h u 夕s u 图3 - 1 线圈结构示意图及其展开图 f i9 3 。1t h el o o ps t r u c t u r ea n dit so u t s p r e a dm a p 环状磁芯的平均周长为： 协( 导+ 争：3 1 4 x ( 6 2 + 5 7 ) x 1 0 - 3 = 0 3 7 4 册 ( 3 1 ) 环状磁芯的轴向截面积为： 蹦譬一争= ( 6 2 _ 5 7 ) 7 5 x1 0 - 6 = 3 7 5 1 0 “朋2( 3 2 ) 根据电磁传输理论研究结论，软磁材料能够在最小的外磁场的激励条件下，产生较 大的磁化强度，适合制造应用于井下无线电磁短传系统的导磁环。因此初步选取典型的 软磁材料纯f e ： 2 l 第三章收发线圈特征参数计算 其绝对磁导率= 7 5 1 0 3 w ：( a m ) ，相对磁导率所= 6 0 0 0 。 井下数据无线电磁传输采用独立井下的供电系统，为保障最大限度的电源利用率， 需要在保证系统正常工作的条件下降低电源工作电流。根据电池提供的电功率，在保证 预定工作时间的条件下，计算出发射端线圈的平均工作电流，初步选取3 节井下供电电 池，则电源提供的电参数确定为： 电压有效值u = 9 v ；平均工作电流= 0 1 a ，交流电频率f = 1 0 k h z 。 3 1 2 设计计算 ( 1 ) 计算发射端线圈匝数 根据上章介绍的磁路和磁芯电路的计算原理，发射端线圈匝数的计算公式推导步 骤如下： 载流螺绕坏磁场由安培环路定理可知： n f = 4 b 讲 ( 3 3 ) 粗略估计磁坏中磁感应强度在各处均相等，则： i = b ， ( 3 - 4 ) 式中：、，分别表示线圈的匝数和线圈中的平均工作电流。 由电感元件的定义，线圈中产生的电感： l ：型：丝( 3 5 ) 式中；s 为环状磁环的截面积。 将上式代入( 3 4 ) 式中，可得到发射端线圈匝数为： = 悟 陆6 ， 发射端线圈绕线的电阻可以忽略，线圈总阻抗z 与感抗数值相等，则线圈中产生的 电感可以写成： ：三：旦( 3 7 ) 2 矿2 矽 将( 3 7 ) 代入( 3 6 ) 中，可得发射端线圈匝数j 7 v 的计算公式： 2 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 肚盎 仔鼬 式中： u 为发射线圈电压有效值，v ； ，为磁环平均周长，m ： 厂为交流电频率，h z ； 为磁芯的磁导率，w b ( a m ) ； s 为磁环的轴向截面积，m 2 ； ，为线圈平均工作电流，a 。 预设的发射端线圈的结构尺寸如表3 1 和电源提供的电参数如表3 2 ： 表3 i 发射端线圈参数 t a b 3 1t h es e n d i n gl o o pp r a m e t e r s 表3 - 2 信号源电参数 t a b 3 2t h es i g n a le l e c t r i c a lp a r a m e t e r s 将发射线圈结构参数和信号源电参数代入( 3 9 ) 中，可得发射端线圈匝数： ：型l 1 2 r f a i ( 3 - 9 ) 1 4 ( 2 ) 选择绕线直径 线圈绕线线径与通过导线的平均工作电流，和电流密度值来确定，电流密度的取 值范围为2 0 3 5 m m 2 ，其计算公式： 删m 仔( 3 - 1 0 ) 2 3 第三章收发线圈特征参数计算 将平均工作电流，= 0 1 a ；电流密度= 2 5a m m 2 ，代入( 3 1 0 ) 可得绕线直径： 删m 仔扎t 3 厝一o 2 ( 3 - 1 1 ) ( 3 ) 确定绕线类型 由于井下高温、高压、腐蚀性强等特点，依据电工学手册选取耐腐蚀性良好的 q h 一1 q h 一2 型环氧漆包线。 表3 - 3 绕线类型 t a b 3 - 3t h el i n e 坶p e 根据计算结果d 0 2 3 m m ，参照绕线类型线径规格表3 3