（信号与信息处理专业论文）井下无线传输技术.pdf

中文摘要 论文题目：井一f 无线传输技术 专业：信号与信息处理 硕士生：王颖( 签名) 羔拯 指导教师：胡长岭( 签名) 趔垃基塑= 党瑞荣( 签名) 邑可 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，对石油资源 的勘探与开发，探明油层的地质结构，测试油井的状态以及保持对资源的可持续利用都 有着重要的意义。现阶段井下信息传输主要分为有线与无线这两种方式，如何利用无线 传输方式实现对井下信息的传输是国内外现阶段研究的重点。 本文根据油井下的实际空间结构与环境特点，在大量的理论分析和室内、外模拟实 验的基础上，初步建立了一套以油管和套管作为井下电磁波信号传输信道，利用等效传 输线模型作为理论依据的井下数据无线传输实验装置。其中主要讨论了在油、套管组成 的同轴等效传输线信道中电磁波的衰减分析，无线传输实验装置的总体设计方案以及室 内、外实验的测试结果。井下发射电路选用抗干扰能力强的p i c 单片机进行控制处理， 将电源技术中的正弦脉宽逆变电路产生的大功率信号作为激励信号，此种方式增强了井 下发射系统的驱动能力，又提高了传输系统的传输能力；对于井上电路，从理论计算、 计算机仿真和实际电路调试等设计了相关前置放大电路，完成了地面系统的相干解调电 路设计，利用v b 6 0 进行终端用户界面设计，实现了与计算机的通信。实验结果证明， 该系统具有结构简单、传输可靠性高，传输能力强，可实时操作等优点。 本文的研究工作为井下无线传输技术研究开辟了一个新的研究方向。 关键词：无线传输 电磁波实验装置p i c 单片机 论文类型：应用基础研究 s u b j e c t ：d 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 nt e c h n o l o g y s p e c i a l t y ：s i g n a l a n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ： i n s t r u c t o r ：h u d a n gr u i r o n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t d a t a 乜a n s m i s s i o nb e t w e e nd o w n - h o l ea n dt h eg r o u n di sa ni m p o r t a n tp r o j e c ti nt h ef i e l d o 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 i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ne x p l o r a t i o n ，p r o v i n go i ll a y e r s g e o l o g i c a ls t n 】触d a t a , t e s t i n gt h eo i lw e l lc o n d i t i o n a sw e l la sm a i n t a i n i n gs u s t a i n a b l eu s e o fr e s o a r c e s a tp r e s e n t ，d a t at r a n s m i s s i o nm a i n l yc a nb ed i v i d e di n t ot w om o d e s ， w i r e 臼椰m i s s i o n 刮【1 dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n t h er e s e a r c ho nw i r e l e s st r a n s m i s s i o ni s t h em a j o r a r e ab o t ha th o m ea n da b r o a dr e c e n t l y t oa d o p tt u b i n ga n dc a s i n gp i p ea st h ed o w n - h o l ee l e c t r o m a g n e t i cs i g n a lt r a n s m i s s i o n c h 踟1 i l e lt h ee n s e m b l es y s t e mi sd e p l o y e db a s e do nd o w n h o l ee n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c s w i t ha l a r g en u m b e ro f t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n ds i m u l a t i o n s ，a sw e l la ss o m en e c e s s a r y i n d o o r a n do u t d o o re x p e r i m e n t s t h ed o w n - h o l et r a n s m i s s i o nc i r c u i t sa r eb u i l tc e n t e ro n ap i cs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rw h i c hn o to n l ys u p p l ys t a b l ea b i l i t y t oc o n t r o lp r o c e s s i n g ，b u ta l s o p r o v i d eh i g he f f i c i e n c ys i g n a lf r o m s i n ep u l s ew i d t hi n v e r s i o ne l e c t r i cc i r c u i ti nt e c h n o l o g yo f p o w e rs o u r c e st od r i v i n gs i g n a l s t h eu s eo f t h i sw a yc o u l ds t r e n g t h e nt h es y s t e m sd r i v i n g f o r c e 盟di m p r o v et h et r a n s m i s s i o ns y s t e m st h r o u g h p u tc a p a c i t y a st ot h eg r o u n dc i r c u i t s ， p r e a m p l i f i c a t i o n e l e c t r i cc i r c u i t sd e s i g nb a s e do nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，c o m p u t e r s i i i l u l a t i o na n da c i n 】a le l e c t r i cc i r c u i td e b u g g i n ga r ec o m p l e t e dg r o u n ds y s t e m sd e m o d u l a t i o n c 眈u i td e s i g n t h et e s ti n s t a l l a t i o nu s e sv b6 0t od e s i g nc o n t a c tw i t ht e r m i n a lu s e r s ，w h i c h r e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nw i t hc o m p u t e r a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t s ，t h i sw i r e l e s s 仃卸峪1 1 1 i s s i o nt e s ti n s t a l l a t i o nh a sr e m a r k a b l es u p e r i o r i t yi ns i m p l es t r u c t i 】r e ，h i 曲t r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t ya n d r e a l t i m ei n s p e c t i n g t h i sr e s e a r c hp r o p o s ean e w r e s e a r c hd i r e c t i o nf o rt h el o g g i n gd a t aw i r e l e s st r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cw a v e , t e s ti n s t a l l a t i o n ，p i cs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r t h e s i s ：a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o ns t u d y i 学位论文创新性声明 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： 羔熟 日期： 进墟：篁遭! 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利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。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：日期：如o f 沙 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 寻找油气田，获得丰富的石油、天然气储量，建成可观的油气生产能力，是一个国 家繁荣富强且具有战略性的重大生产科研活动。石油是一种天然生成的可燃性矿产，在 国民经济、人民生活中占有重要地位。据统计，世界各国有机合成产品中，7 0 以上来自 石油化工。工农业生产、交通运输、国防建设等都离不开石油，石油化工业已成为国家 的支柱产业，对经济建设、国防建设、人民生活有着广泛影响。如何在现有技术的基础 上，有效改进技术手段，加强石油的开采率与利用率，是现阶段世界各国都在努力研究 的课题。其中井下与地面的信息传输已成为钻井、测井、采油等领域的重要研究课题。 在钻井过程中，它对于提供实时钻井参数和地层参数信息以便于监视和控制钻井作业过 程起着非常重要的作用；在测井过程中，通过对井下温度、流量、压力等参数的监测， 可以使科研人员对于井下的有效渗透率、地层压力、衰竭情况等进行及时有效的监控； 在采油过程中，可以根据井下信息状态对油气生产过程进行调控，对实现油井自动化控 制，提高采油率起着非常重要的作用i l j 。 信息的获取、传输、变换、存储、处理、显示都依赖于电子学和信息系统来实现， 传输信息的系统称为通信系统，一个完整的通信系统应由输入变换、发信机、传输信道、 收信机、输出变换5 部分组成。传输信道又称为传输媒质，可以是有线的，如同轴电缆 或光缆等，也可以是无线的，如电磁波、红外线等。对于井下信息的传输，现阶段同样 分为有线传输与无线传输两种传输方式。有线传输方式是利用电缆连接井下仪器，井上 仪器通过电缆将控制信息传输给井下仪器或工具，井下仪器收到控制信息后，将所测量 到的井下地层信息通过电缆再传输至地面。但在实际测井过程中，由于油管和套管之间 仅有2 c m 5 c m 左右的狭小间距，只要两者间有稍微的相对移动、碰撞、或旋转，则存在 传输电缆会被旋转的油管磨断、夹断或者绞断的特殊情况，这种情况的产生将会导致井 下仪器与井上计算机之间的通信中断，操作起来较为不便，但此方法优点是实用可靠， 为目前国内各大油田油井现场采用最多的一种方法。无线传输方式是利用从井底到地面 这段距离地层物理信息的变化( 如电场、磁场等) 来实现地层有效信息的传递。与有线 传输方式相比，无线传输克服了长期以来利用电缆传输存在的弊端( 如数据成本较高、 容易损坏、无法实时监控等) ，具有设备安装简单、能够实时工作等优点，从而达到了 节约能源、提高油田自动化水平的目的。如何利用无线传输方式实现对井下信息的可靠、 快速传输是国内外现阶段研究的重点。作为新技术，我国目前还处在研发实验阶段，技 术有待于进一步提高。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状 目前国内外已经提出的无线传输信息的方式主要有三种：泥浆压力脉冲传输技术、 声波无线传输技术、电磁波无线传输技术。井下信息的无线传输技术在钻井的随钻测量 ( m w d ) 中发展最快，表1 1 中描述了现阶段随钻测量中三种不同信息传输方式的比较。 ( 传输深度( m ) 传输速率( b i t s 卅) ) 表1 - 1 信息传输方式的比较 传输 方式 传输介质传输深度传输速率可靠性钻井液介质开发成本 钻井液脉冲 6 0 0 0l 1 2好必需中等 无线 1 0 0 0 声波 l o o 一般 不必较低 传输 - 4 0 0 0 电磁波6 0 0 6 0 0 0 l 1 2一般不必较高 1 泥浆压力脉冲传输技术 泥浆传输方式是将传感器所测的参数转变成钻井液压力脉冲，随钻井液循环传送到 地面。泥浆压力脉冲传输技术是目前应用最多的传输技术，主要应用于随钻测量。1 9 6 7 年被首次投入商业应用时，传输速率小于l b i t s ，由于美国能源部为了适应其启动的欠平 衡高速钻井的需求，与泥浆激励的破岩冲击装置进行了联合改进设计，使其性能有了进 一步的提升【2 】。泥浆脉冲又分为正脉冲、负脉冲和连续波三种形式。在现有三种泥浆脉 冲系统中，以正脉冲方式传输在国内外均有较成熟的理论研究与实际应用，但其传输速 率较低。当今只有斯伦贝谢( s c h l u m b e r g e r ) 公司以连续波方式传送信息的随钻测量系 统工作频率可以达到2 4 h z ，数据传输率最高为12 b i f f s ，但理论和技术都还不够成熟。哈 里伯顿( h a l l i b u r t o n ) 公司目前也在进行相关研究，目标是使传输速率达到2 0 3 0 b i t s 【3 卅 2 声波无线传输技术 声波方式是依靠油管做为传输信道，将由传感器，控制电路，振荡电路和发射换能 器等组成的声波发射装置【5 】，在油井检修作业时随油管安装于被测油层，在油井工作时， 井下发射换能器将地层数据信息转换为声波，注入到油管上进行数据上传。利用油管进 行声波的传输，这不是简单的一个数据通信的问题，同时也与声波在钢管上的传播特性 有很大的关系，在现实情况中由于采油设备的噪声，油管的连接情况，油管与周围介质 的边界条件等等，使信号传输微弱、不易接收，其信道问题非常复杂【5 。】。国内开展过这 项研究的单位主要有西北工业大学、青岛海洋大学等，国外主要有哈里伯顿( h a u i b u r t o n ) 公司、美国桑迪亚( s a n d i a ) 国家实验室等。此种技术还在研发实验阶段，还没有成功应用 于生产实践中。 3 电磁波无线传输技术 电磁波方式是将传感器、井下发射电路、天线装置等组成的电磁波井下发射装置安 2 第一章绪论 装在需要测试的油井位置。当需要测量时，井下发射装置将传感器测到的数据通过天线 以电磁波的形式将数据传送到地面，地面再进行相应的处理和实现等【8 】。井下信息的无 线传输技术在钻井的随钻测量( m w d ) 中发展最快，目前，国外电磁随钻系统已经比 较成熟，俄罗斯地平线有限公司研制的z t s 系列电磁波随钻测量系统是目前唯一达到实 用化水平的无线传输系统，此套系统代表了电磁波传输的先进水平。欧美国家近几年也 推出了几种新的e m 传输系统：哈里伯顿公司的电磁m w d 系统，斯伦贝谢公司的e 脉 冲电磁传输系统，精确钻井康谱乐公司的e m m w d 系统，w e a rh e r f o r d 公司开发的 t r e n d s e tm w d 系统等p j 。 国内目前也有相关方面的研究成果出现。哈尔滨工业大学赵永平教授在对电磁波信 号传输深入研究的基础上，提出建立油井大地电磁信道的模型，并确立了一个可以测试 实际信号传输能力的实验系统方案。中国石油勘探开发研究院也成功研制了可用于测量 近钻头的井斜角、底层电阻率的n b l o g 2 1 型测量短节。但总体上来看国内在这方面的 技术仍很缺乏，还处在信号编码、信号传输特性分析以及开发单个系统样机阶段1 4 。与 随钻测量相比，井下数据无线传输技术起步较晚，尚处于实验探索阶段。 随着电磁波技术的不断成熟与完善，电磁波传输方式成为现阶段研究重点。近年来， 壳牌石油公司和e x p r o 国际油田服务集团提出了以井下现有的油管和套管作为电磁波传 输信道的研究方式p 1 2 l ，本文根据这一思想，利用油管和套管作为传输信道，研究开发 出了一套开发成本低，空间占用少，传输可靠性高，传输能力强，可实时操作等优点的 井下数据无线传输实验装置。 1 3 研究的意义与前景 井下信息的无线传输对石油资源的勘探与开发，探明油层的地质结构，测试油井的 状态和保持对资源的可持续利用都有着重要的意义，是一种具有广阔应用前景的创新工 作。其应用范围广泛，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 社会效益有着极为重要的作用。现阶段，国外无线传输技术研究水平远远高于我国，我 国目前普遍采用的仍是陈旧落后的电缆传输方式，部分油田为了提高生产率而租用国外 成型商业产品，租金极为昂贵。因此，必须在国内进行无线传输方面的实验与探索，弥 补我国在这一技术的空白，使我国拥有属于自己的知识产权，打破垄断。 无线传输技术有着广阔的应用前景： ( 1 ) 用于随钻测井与随钻测量，可以通过钻杆将地层电阻率、地层倾角、井眼方位 等信息传输到地面。 ( 2 ) 用于导向钻井，可实现井下与地面的双向信息数据传输。 ( 3 ) 用于注水井，可将多个注水层的温度、压力与流量等信息数据通过注水管传输 至地面，可实现双向传输，从而对各注水层实现合理配注。 西安石油大学硕士学位论文 ( 4 ) 用于智能完井，对多分支井、斜井、水平井等多个储层的监测数据通过油管传 输至地面，实现多储层的同时优化组合开采。 ( 5 ) 用于生产井测井，通过油管将井下的压力、液位、流量、温度等需要信息数据 传输至地面。 因此可知，无线传输技术有着非常好的应用前景，此项技术的研制成功可以对石油 天然气工业的发展带来实质性的变革，带来巨大的经济效益和社会效益。是石油天然气 领域的一场革命。 1 4 课题来源及论文主要工作 根据目前井下无线传输技术研究发展和我国研究现状，本文提出一种以井下现有的 油管和套管作为电磁波传输信道的研究方式，并在此方式基础上设计了一套完整的井下 数据无线传输实验装置。主要研究内容如下： 1 传输系统电磁信道的理论研究与物理建模 主要分析了油管和套管构成回路的单位长度的分布参数的计算，根据电磁场理论相 关知识，阐述了油管和套管作为通信信道的物理模型，并根据物理模型从理论上对信道 的传输情况进行了分析和公式推导。 2 传输系统总体方案的设计 根据实际井下地质结构与环境状况、传输信道分析基础上，提出了一套适合井下无 线传输实验的方案设计。其中包括实验系统装置机械结构设计，井上接收系统设计，井 下发射系统设计。 3 井下发射电路与地面接收电路的设计 井下发射信号由抗干扰能力较强的p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机自带的c c p 模块产生p w m 波控制大功率开关管m o s f e t 构成的单相桥式逆变电路产生，增强了信号的驱动能力， 利用软件控制井下信息的调制与发送过程。地面接收电路通过对井下上传微弱信号的检 测与解调，将有效数据通过异步串行通信接口发送给p c 机，利用相关设计软件完成数 据的处理与显示。 4 室内外模拟实验结果与分析 首先从理论上定性分析了系统的传输原理，其次从试验上验证原理的正确性：在室 内进行了传输模拟试验，并在胜利油田的模拟井完成了相应的传输模拟试验，试验结果 验证了此种传输方式的可行性。 题目来源：中国石油天然气集团公司中青年创新基金项目 陕西省教育厅专项研究项目 4 第二章井下信息无线传输理论与建模 第二章井下信息无线传输理论与建模 本章通过对现有井下无线数据传输的三种信道模型进行分析讨论，建立了利用油管 与套管传输的等效传输线模型，利用此种模型从等效传输线特性的角度分析油管与套管 的传输特性。根据上述信道模型，从理论上分析了任意长度油管与套管组成的回路，任 意接入各种负载情况下的信道特性。 2 1 井下无线传输信道的理论分析研究 现阶段，对于井下信息无线传输的信道研究来说，主要采用以下三种信道方式传送 电磁波信号：电磁波信号通过油管内部传播到地面；电磁波信号泄漏到地层并通过大地 到达地面；电磁波信号通过油管、套管组成的回路传输到地面。 首先讨论把油管作为波导的方式，由于油管内是原油和水的混合物，电磁波在油管 中传输，电磁波的频率必须超过油管波导的截止频率，这就要求频率要高，但是电磁波 在油水混合物中传播时，频率越高，衰减越大。我们可以利用波导内充满有耗介质这一 理想模型，计算出在此模型下电磁波的衰减情况。 假定油管总长度为1 0 0 0 m ； 油管内径：= 6 2 r a m ； 油管在低频时的相对导电率，相对导磁率，相对介电常数分别为： 吒= 0 1t ，= 1 0 0 0占，= 1 水的相对导电率，相对导磁率，相对介电常数分别为： 仃，= 0 1纵= 1占，= g l t e ，。模式是圆截面波导中截止波长晟长的模式，是圆截面波导中的主模，易实现单 模传输。在t e 模式下，即微波波长范围在0 1 m m - - 1 0 m 之间，油管中的电磁波截止波 长五，- - 3 1 4 a = 2 1 1 4 2 r a m ( a 为油管内径) ， 先计算传输线的相位常数： 细芬”翻 2 其中国= 2 n f ，s = e 0 6 ，= o 雎，缈为信号的角频率，假设取真空中频率厂为2 k h z 的电磁波，利用上式可计算出= 0 0 2 8 3 那么电磁波在油管中传输的波长( 五为信号在传输线内的波长) ： 五= 2 f f ：2 2 2 1 4 4 2 2 24 4 2 m 以= 一= 8 这个波长远远大于t e ，。模式下的截止波长 l ，因此频率为2 k h z 的电磁波在油管中 5 西安石油大学硕士学位论文 被截止。事实上，只有频率达到约1 6 0 m h z 时，波长才小于截止波长。但是在此种频率 下电磁波在油管的有耗媒质中几乎是不可传播的。利用电磁场公式可知，1 6 0 m h z 的电 磁波在地下水媒质中传播1 0 0 0 m 的衰减达到2 5 6 0 0 0 d b 。因此，从能量衰减角度看，油 管内媒质要求电磁波的频率低，从油管波导角度看，要求电磁波的频率大于截止频率， 由以上分析可知这两方面不可调和，因此，电磁波通过油管中传播的方案不可行【l3 1 。 其次考虑电磁波泄漏到大地并通过大地到达地面的方式。信号在信道传输时，信号 必须经由传输线由源端传送到受信端，但是由于存在噪声，衰减，人为干扰等因素，必 定会引起传输过程中的失真与误差。由于油井下环境结构的特殊性，信道的选择主要考 虑衰减和噪声这两个因素。以地层作为传输信道，需要考虑到大地信道的传输能力受到 地层导电性的严重制约，同时也受到大地电磁噪声的影响，由此对于信号源发射的电磁 波信号要求较高。尽管信号频率越小在地层中的衰减越小，但如何区分电磁波信号与大 地电磁噪声这两种非常接近的信号，是现阶段此种传输方式存在的难点，如不解决，使 得在地面接收变的难以实现【1 4 】。 由于金属油管和套管都是电的良导体，其中管间介质为水或空气、油、气等，而生 产井中的套管和地层之间是用水泥将其隔离的，所以电磁波不易从套管中泄漏到地层， 而套管与油管间可利用绝缘扶正器将两者隔离开，使之并无直接接触，因此油管和套管 组成的结构与等效传输线类似，可以把油管和套管的传输特性等效为等效传输线。从频 率方面来说，电磁波在金属中传播若频率过高会引起趋肤效应，为了防止电磁波在传播 过程中衰减过大，所需频率不宜过高。只要所需频率高于地层噪音频率即可。 2 2 基于油管与套管的无线传输系统建模 2 2 1 等效传输线模型及计算公式 油管和套管作为传输信道，可以从等效传输线特性的角度分析油管与套管的传输特 性。 研究传输线上所传输电磁波的特性的方法有两种。一种是“场的分析方法，即从 麦氏方程组出发，解特定边界条件下的电磁场波动方程，求得场量( e 和日) 随时间和 空间的变化规律，由此来分析电磁波的传输特性；另一种方法是“路 的分析方法，它 将传输线作为分布参数来处理，得到传输线的等效电路，然后由等效电路根据基尔霍夫 定律导出传输线方程，再解传输线方程，求得线上电压和电流随时间和空间的变化规律， 最后由此规律来分析电压和电流的传输特性。事实上，“场 的理论和“路”的理论既 是紧密相关的，又是相互补充的。在实际的油气井作业过程中，都是使用套管与地层隔 离，使用与套管同轴的油管来进行原油和油气的上抽。在进行油管与套管构成的电磁信 道理论分析时，如采用严格的方法，由场的边界条件求解，则在物理模型较为复杂时将 是十分困难和艰巨的。若采用电路等效传输线的方法，则能够简化计算的过程。井下无 6 第二章井下信息无线传输理论与建模 线传输信号传输路径如图2 1 所示。 图2 - 1 井下无线传输信号传输路径示意图 传输线有电阻是为大家所熟知的，但通电传输线还会对外表现出其它的一些物理效 应，故除电阻外还应有其它的物理量可以用来描述这些物理效应的参数。当导线中有电 流时，电流会在导线周围产生磁场，这一磁场效应可以用串接的电感元件加以描述，因 为电流通过电感时也会产生磁场；两根导线平行放置，导线间还会有电容效应，其电容 效应可以用跨接在两线间的电容元件来描述；另外，两根导线问还有漏电流，可使用跨 接的电导元件来描述。所以，完整的描述传输线的物理效应的参数一共有四类，即电阻火、 电感三、电导g 和电容c ，这些参数都是均匀分布在传输线上的。 当考虑到以上因素时，两传输线间的电压是处处不同的，传输线中的电流也是处处 不同的。所以，当要计算沿线各处的电压和电流时，就只能使用分布参数模型来分析。 根据分布参数的概念，应将该传输线等分为无限多段，每一段导线上具有相同的电阻和 电感，每一段导线间具有相同的电容和电导。传输线的分布参数等效电路如图2 2 所示。 根据上面所谈到的传输线的分布参数模型，必须先定义传输线的原参数，然后再用 原参数将每一元段中的各元件的参数表示出来。传输线的原参数是指单位长度的传输线 所具有的参数，即： 风两根导线每单位长度具有的电阻。 7 西安石油大学硕士学位论文 厶两根导线每单位长度具有的电感。 图2 - 2 传输线分布参数等效图 c o 每单位长度导线之间的电容。 g 。每单位长度导线之间的导纳。 r 。、厶、c o 、g o 就称为传输线的原参数，可通过实验的方法测得。若沿线原参数 处处相等，则称为均匀传输线。图2 3 所示即为一均匀传输线传输回路。 始 电源 图2 3 均匀传输线传输回路图 传输线的一端和电源连接，称为始端；另一端与负载相连称为终端。两根导线中， 一根称为来线，另一根称为回线。来线是指电流的参考方向是从始端指向终端的传输线； 回线是指电流的参考方向是从终端指向始端的传输线。油管与套管在此系统中可被分别 认作为来线和回线。实际的传输线都存在损耗，有来自传输线导体及导体之间的介质损 耗，有导体本身电阻；有导体之间介质的漏电导等，所以，电阻和电导均匀连续地分布 在整个油管和套管组成的回路中。 使用分布参数模型时，该传输线就可以看成是由无限个长度为位( 即长度无限小) 的元段组成，令传输线始端有信号源，终端有负载。线上位置坐标原点定为始端。图2 - 4 为传输线的一微小段& ，图中各元件为止段长传输线分布电路参量( 线单位长度的电 感r 。，电容c o ，电阻民及漏电导g o ) 的集总表示。根据电路定律可写出& 端口上的电压、 电流关系： 8 掣一 越 坞 z ： 心 心 止 以 o z 牡 枷 瑚 峨 卜 = ， ) 缸 蚶 地 位 弘 + ，l z 以 p 叫 吖 卜 卜 一 ， 第二章井下信息无线传输理论与建模 i ( z ，f ) h ( 。：缸4 a z - i ( z + a z ，t ) nm 7 r 1 ，v 、6 ，、 u 心也i由 z ，f ) 让岛纰 上式可整理为： z 卜一a z 图2 - 4 正弦时变条件下的传输线等效模型 二：意：二裂c o0 u 止( z + a z , t ) a z “心，) = g o 心化，卅 甜 j 一 对式( 2 - 2 ) 两端同除以z ，并求止专0 极限，得： 这组含有一维空间变量z 和时间变量t 的微分方程称为传输线方程，也叫做电报方程。 显然作为方程中的参量凡，c o ，r 。及g 。应为常数，这就要求传输信号的传输线结构均匀， 但在实际应用中，传输线在传输过程中都存在不同程度的损耗。此电报方程是传输线损 耗研究的理论基础。 2 2 2 等效传输线模型下传输线方程的解与解的讨论 令信源角频率为国，线上的电压，电流皆为正弦时变规律，这样具有普遍意义， 则： _ a i ( z , t ) ：r 。 国j ( z ) p 硝】_ a u ( z , t ) ：r 。 m6 ( z ) p 埘】 o t o t 代入式( 2 3 ) 中，并令z = r o + j c o l o ，】，= g o + ，崛，则得到： r 1 一_ a u ；_ ( z ) ：z 晒 l 出 1 ( 2 4 ) i 一了a i ( z ) = 】，6 ( z ) 【如 把式( 2 - 4 ) 化为只含一个待求函数的方程。这可通过将式( 2 4 ) 对z 求导后再分别代入式( 2 _ 4 ) 来实现，其结果为： 9 q d 一 锄_ 暨身丝衍 舐1 塑 厶 厶 -0 即 即 = = 一 力一 警塑勃 西安石油大学硕士学位论文 了d2u ( z ) 一刀易( z ) ：o 一一厶u i z ，一u d z 2 、 _ d 2i ( z ) 一z 】，j ( z ) ：o d z 2 、7 令，2 = z y ，可以利用高等数学的知识得到它们的通解为： ( 2 5 ) 由传输线理论知，4 、a ：、马、b 2 是由传输线的始端的边界条件决定的常数。利用式 ( 2 - 4 ) ，导出i ( z ) 并将其代入，这样待定积分常数只有4 、彳：两个，方程的解式为： u ( z ) = a l e 一声+ a 2 p 声 j ( z ) ：去b ，e 一声+ 4 ：p 五】2 - 6 其中7 与z 。分别称为传输线的传播常数与波阻抗，是传输线的两个重要参量： y = 施再i 习瓦丽) = 口+ 矽 ( 2 7 ) z 。= 居篇 仁8 ， 当传输线长为z 时，z ：z ，6 ( ，) ：6 厶，j p ) ：j ，且易l ：z 。j 工，z 为传输线终端所接负载 阻抗。将6 三，j 三代入式( 2 6 ) 解出： 1 4 ：丢( 6 工+ z o 工) p 一 【彳：= 圭( 6 工一z o z 工) p 一， 所以有： 1 6 ( z ) = 三1 ( 6 工+ z ol l ) e r ( - ) + l ( 云r 工一z o z 上) p 一，( ，一：) 卜= 三( 詈五) e r ( t _ 02 1 、z o f j l 一五矿州叫 - r 程计算中位置坐标方向指向信源端，以为传输线负载端为坐标原点更为方便。为此只 需取新的坐标变量d ：，一z ，并代入易：z tj l ，则解式( 2 9 ) 可写成： 1 0 舭 础 么 吃 + + 呼 声 ， 彳 目婶 第二章井下信息无线传输理论与建模 i u ( d ) = 去( z l + z o ) le 一+ 去( z l z o ) 屯e 一珂 ：珏t 归一薅驴 q 。 传输线的传播常数通常为复数，即y = 口q - 拶，其实部口称为衰减常数，虚部称为相 移常数。为方便分析而假定式( 2 l o ) 中乙，z o 都为纯阻。代入y = 口+ 垆，写出式( 2 - 1 0 ) 相应的瞬时值表达式： u ( d ，r ) = r e 西( d ) p 卢】 = ( z l z o ) l p 捌c o s ( 研一膨) + 要( 乙+ z 。) t p 谢c o s ( 研+ 脚) = “t d ，+ | ：r d ，( 2 - 1 1 ) f ( d ，f ) = r e ，( d ) p 7 耐】 = 三( 考- 1 ) 矿c o s ( 研删一三喙+ 1 ) 州研嘲 = i i ( d ，f ) + i ，( d ，f ) ( 2 1 1 ) 上式中右端第一项其中相位c o t 一膨表示信号由信号源传向负载，第二项c o t + 膨表 示信号由负载传向信号源，这就是说，接有负载的传输线在时变信源激励下，传输线上 电压电流呈现波动过程，传输线上任意一点的电压或电流都由入射波和反射波两部分叠 加而得，两个方向信号的衰减主要由p 一耐和e 耐的值来衡量，由此，可以通过式( 2 1 1 ) 推 算出井下信号在油管和套管构成的传输信道中的衰减情况。利用式( 2 7 ) 运算可得： = 压瓦i 丽示面希司 = 痧i 瓦瓦雨面示司 ( 2 1 2 ) 由于角频率c o = 2 n f ，由式( 2 1 2 ) 中可以看到当频率厂减小时，国也相应减小，所以 衰减系数口也在减小。又由式( 2 1 1 ) 知，等式右边的第一项为入射波，依照振幅随着波的 前进按e 吨的指数规律的衰减可知，厂减小，入射波角频率国减小，口减小，p 哏增大， 导致等式右边的第一项增大，即入射波在传输过程中幅度衰减减小。而等式右边的第二 项中，g o 减小，p 盘减小，导致其振幅亦减小，两项相减，入射波增大，说明入射波在传 输的过程中，反射波减小，有利于入射波传输。因此可知，信号频率越低越好【1 5 1 。 另一方面，在实际应用的传输线里，信号在信道里传输都是会产生相关损耗的，这 些损耗使信号幅度在传输过程中不断衰减，如果损耗过大，有可能在传输线终端提取不 到有用信号，因此，需谨慎考虑各种类型损耗的存在。在油管和套管构成的信号传输回 路中，信号的衰减主要包括传输通道本身的电阻损耗、导体高频感应所产生的涡流损耗、 西安石油大学硕士学位论文 油管和套管之间的介质损耗，以及泄露损耗。 电阻损耗主要取决于油管和套管的材料、长度、截面积、生产工艺等，其值大小与 电流有关，而涡流损耗、介质损耗和泄露损耗，则会随着信号传输频率的改变而改变。 通常，在油管和套管上传输高频交流信号时，由于导体本身具有趋肤效应，随着信号频 率的增高，这种效应越明显，它使感应电流只集中在导体表面很小的截面上流动，造成 导体内部产生涡流，从而消耗信号的能量【1 6 】。 介质损耗是油管与套管之间的电介质( 原油和水的混合物) 对交流信号的衰减。量 度电介质的一个重要参数是介电常数，它是指在同一电容器中用某一物质作为电介质时 的电容值与其为真空时电容值的比值，称为该物质的“相对介电常数 。介电常数的大 小与介质材料、温度有关。在油管和套管构成的信号传输回路中，油管与套管相当于电 容的两极板，因此在他们之间存在介质损耗。同时，在实际环境中，油管和套管之间的 电介质中又存在电阻，因此必然对传输信号产生衰减。通常，介电常数越大，温度越高， 频率越高，介电损耗也就越大。 泄漏损耗是高频信号通过套管向地层辐射出去的信号。它同样会造成信号在传输过 程中的能量损失。 油管和套管构成的回路对信号的传输具有多种衰减因素，它的最终损耗是上述各种 损耗的总和。一般情况下，电阻损耗只有在低频时才对信号衰减起主要作用；在高频时， 信号的衰减主要由集肤效应和介质损耗决定，并且随着传输信号频率的增加，信号衰减 成倍增大。 从这两个角度分析，我们研究的无线传输装置拟采用低频传输。 2 2 3 油管与套管组成信道的分布参数计算 由以上的讨论可知，传输线重要的参数特性与分布参数线单位长度的电感厶，电容 c o ，电阻民及漏电导g 。有关，其中的特性阻抗z o 与传播常数y = 口+ 弘均称为传输线的 特性参数，由于套管与油管同轴，并且没有相互接触，在理想情况下，可以通过静电场 的同轴电缆分析理论将油管与套管组成信道的四种分布参数计算出来，油管与套管结构 如图2 5 所示。图中冠和为r 套管的内外半径，为油管的厚度，和，- 为油管的内外 半径，f ：为套管的厚度，p 为油管和套管的电阻率，q 、岛、岛、m 分别为油管与套 管之间油水混合物的导电率、介电常数、电阻率和介质相对磁导率。0 2 、占，、p ：、：分 别为油管内原油的导电率、介电常数、电阻率和介质相对磁导率。 1 ) 计算串联电阻风 串联电阻风为支流电阻与交流电阻之和，即r 。= r o + t o ，首先来计算直流电阻，o ： 根据电阻率计算公式可知，r = p 兰 j 令厂一= f 2 ，r r 1 = ，贝! j 有： 1 2 第二章井下信息无线传输理论与建模 管 i 图2 - 5 井下信号传输信道物理模型示意图 ，o2 五而p + 五南 2 芴瓦五pf 孬+ 芴百砸p 两y ( 2 - 1 3 ) = 一+ 一 2 万( ( f 2 + 吒) 2 1 2 ) 。2 石( ( f 1 + 墨) 一r 1 ) 2 ：2 + 壁 ：= 一- 卜一 2 胛2 ( f 2 + 2 ) 2 册l ( f l + 2 r 1 ) 式( 2 1 3 ) 等式右边的第一项为油管的单位等效直流电阻，第二项为套管的单位等效直 流电阻。接着计算交流等效电阻。图2 - 6 为计算套管和油管组成的导体交流电阻示意图， 交流r g n r o 计算如下： 根据坡印亭定理，可知交流阻抗： o z i2 r a + j x 。一舌如。d s ( 2 - 1 4 ) 1 p = 亡( 取h ) 二 要精确计算出该导体表面的电场是比较困难的，但由于它是满足给定边界条件的电 磁场方程组的解，那我们可采用假设信号角频率为缈= 2 矿，按良导体进行计算。 设流过套管的电流为，在导体表面由安培环路定理知： ( h d ，= i ( 2 1 5 ) ； 垒= = = = = = = 垒 = = = = = = = 3 一一_二二二=j专三亏i主三兰堑一建望q呈坦 互_ 图2 - 6 计算套管和油管组成的导体交流电阻示意图 西安石油大学硕士学位论文 可得h ： 弘2 砷：2 万存k ：2 万五( 卜吒) ：j h = 2 x ( r 一吒) 2 册2 由媒质的特性阻抗定义以及电场和磁场的振幅比和相位差关系可知： e = z h ( 2 1 6 ) z 刊zle 户 其中： i 冲_ j 匪 1 + ( 譬，2 i 秒：! t a n t p 半) 2、嬲。7 又由于前面假设油管和套管为良导体，所以有，三 1 ，占。：0 ，占 - 8 ，得： 仞g 可得： 一叵 陋| 一、了 e 刊z 秒：一1 至：一1 224 e j 8 黾= 再备 ( 2 1 7 ) 将式( 2 - 17 ) 代入( 2 1 4 ) 5 戈，则有： 弘+ = 一如一吾避c 庠去去，劣 互= 乞+ 此= 一石丢厚c 万1 + 歹击，垆= 石毒孚c 击+ 歹万1 ，2 即 将国= 2 n f 代入，化简可得： = 1 r ：1 坐( 1 + _ ，) = 2 所；、了【h j 1 4 第二章井下信息无线传输理论与建模 二二二二二二二二= = 二 将式( 2 - 1 8 ) 的虚步和实部分开，且设置= 叱= 2 a f l o ，得： 扣去倍 ，口= 毫- 厮! ( 2 - 2 0 ) ，口2 夏 。 ( 2 2 ) 计算串联电感厶。 设等效传输线上流过的电流为f ，轴向长度为j ，在，f r 。中。磁感应强度及圆外 磁链为： 色= 筹 ( 2 2 1 ) 蛾= 缎= b e d s = ，2 刃, i l a t 椭链： 仍= b = 垮= 1 2 t i l 万l d r 由于假设了油管和套管的厚度很薄，在计算电感时只考虑外自感，所以有： ，：丝：型l n 鱼 i 2 zr 故有串联直流电感： 厶= 孚= 丛l n 里(223)2zr i i 厶 由式( 2 - 1 9 ) 可得到串联交流电感乞。 3 ) 计算并联电容c 0 假设油管和套管之间的电位差为，则根据同轴等效传输线对称的特点和无限长的 假设，可确定电位函数缈只是p 的函数，采用圆柱坐标系，拉普拉斯方程简化为： 三吴f p 宴1 _ 0一i l l = p