CN109488288A - 用于随钻测量数据传输的智能钻杆电磁参数设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于随钻测量数据传输的智能钻杆电磁参数设计方法，通过布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配连接进行智能钻杆的电磁参数设计；在电磁耦合接头的原边线圈并联上由电阻和电容组成的阻抗补偿元件，使耦合线圈输入阻抗与该补偿元件阻抗相并联的阻抗值与布线杆体传输线的特征阻抗值相等，实现布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配，在给定设计频率、传输线的单位长度电容、传输线的单位长度电感，电磁耦合线圈直径，环状高频磁芯的内环直径，环状高频磁芯的外环直径，线圈导线的直径，导线的电导率等参数条件下，通过电路分析与数学分析确定出智能钻杆电磁参数的设计规则。本发明的有益效果是可实现电遥测钻柱的高频信号传输，并获得较高的数据传输速率。
Description
技术领域
本发明属于井下随钻测量技术领域，涉及一种油气钻井过程中的随钻测量/随钻测井数据传输装置的电磁参数设计方法，特别涉及一种用于随钻测量/随钻测井数据传输的智能钻杆电磁参数设计方法。
背景技术
井下随钻测量(MWD)技术是一种在钻井过程中实时测量及传输井下信息的现代钻井辅助技术。随钻测量技术最初仅用于钻井工程参数(钻井液压力、井筒温度、井斜角、方位角、钻压、钻头扭矩、钻头震动等)的实时测量与传输，目前发展到与测井技术相结合，将钻井工程参数与地层参数(地层电阻率、岩石孔隙度、岩石自然伽玛射线等)一并进行实时测量与传输，并称之为随钻测井(LWD)技术，因此随钻测井技术也可称为现代随钻测量技术。钻井过程中，钻井液由地表通过钻柱被泵入井下，从钻头水眼喷出用于钻头的润滑和冷却并通过井壁与钻柱的环型空间向上返出井口，MWD/LWD工具安装在钻头上部的钻铤内，见图1。在MWD/LWD工具中，安装在近钻头钻柱中的传感器获得测量数据并通过井下信息遥测系统传输到地面，信息遥测通过智能钻杆形成的电遥测钻柱来传输井下MWD/LWD数据。智能钻杆是一种在钻杆内壁镶嵌有铠装数据电缆的特殊钻杆，数据电缆为同轴电缆，智能钻杆的长度接近10米，其中杆体长度近9米，杆体两端分别为螺旋状的公、母接头，用于钻杆串联形成钻柱，钻杆中空用于钻井液的流通，钻杆的公、母接头内布置有环状高频磁芯，磁芯内部刻槽用于放置导线形成单匝线圈，钻杆中的电缆导线在钻杆两端分别嵌入磁芯槽内形成闭合回路，用于传输高频电压信号；当钻杆串联形成钻柱时，两两相邻钻杆端部的线圈位置非常接近从而形成一对电磁耦合线圈，当其中一个线圈流过高频电流时，电流产生的交变磁场会大部分进入另一线圈内部，在其中感应出交变电压并在与钻杆中的电缆导线形成的闭合回路中产生电流，从而将信号从一个钻杆传递到相邻钻杆再继续接传形成电磁信号的传输通道。由于电遥测钻柱的各个智能钻杆之间没有电接触，所以智能钻杆可像普通钻杆一样通过接单根形成钻柱用于钻井操作。目前的研究表明，电遥测钻柱井下信息遥测系统的数据传输速率可以达到2Mbit/s，远高于钻井液压力脉冲(传输速率20bit/s)及地层电磁波(传输速率15bit/s)信息遥测系统的数据传输速率，但由于信号传输过程中的衰减严重，需要每传输300米左右通过中继放大器对信号进行放大后再继续传输，对于3000多米常规井深的钻井过程，则需要配置十几个中继放大器，由此造成电遥测钻柱井下信息遥测系统成本的提高及信号传输可靠性的降低。智能钻杆可以看做由布线的杆体及两端单匝线圈形成的电磁接头组成，当钻杆串联时，相邻钻杆的接头通过螺扣连接形成可传输电磁信号的电磁耦合器或电磁耦合接头。当在杆体中的数据电缆中输入几兆赫兹——十几兆赫兹的高频电压信号时，电缆导线中的信号波长与钻杆长度处于同一个数量级，此时数据电缆应看做具有分布电磁参数的传输线，电缆中的电压信号传输杆体长度的距离会产生较大的相位变化(相移)，在传输线的特性阻抗与电磁耦合接头的线圈阻抗不一致(阻抗不匹配)情况下会引起信号在线圈端的反射，因此电缆导线上的信号电压为入射信号与反射信号的电压相量之和。该相移如果利用得好可以对信号电压起增强作用；如果利用得不好，可能造成信号电压的大幅度下降，并可能使信道的频率特性变差，包括信道的电压传输系数减小及带宽变窄，影响数据的传输速率及传输距离。目前的相关研究均没有考虑高频信号通过智能钻杆杆体电缆导线时相移产生的影响，也没有考虑信号传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配问题，其结果是杆体电缆导线电磁参数及耦合接头电磁参数设计的不合适，往往造成高频下传输距离不够需要增加多个中继放大器，或采用较低频率信号进行传输来获得减少中继放大器的效果，使得数据的传输速率降低。有关智能钻杆的结构和电磁信号传输的研究，SPE79885、SPE92477、SPE99134、SPE110939等多篇文献介绍了Nevotek和GrantPrideco公司的Interpipe智能钻杆结构及现场试验数据，但未涉及智能钻杆的电磁参数设计；石崇东等在“智能钻柱设计方案及其应用”(石油钻探技术2004)中给出了与上述SPE文献类似的智能钻杆结构以及另一种采用直接电接触来传输电信号及电力的智能钻杆结构；朱柯斌等在“基于电缆—无线耦合的随钻测井信号传输新方法及其数值模拟研究”(物理学报2013)中针对Nevotek公司的智能钻杆结构采用电磁场数值模拟方法研究了矩形传输线的插入损耗与反射损耗及电磁耦合接头的耦合系数；孙浩玉在“智能钻杆磁感应传输技术及其信道特性分析”(中国石油大学学报2013)中采用实验方法研究了电磁耦合接头的电压传输特性及电遥测钻柱信道的电压传输系数的频率特性；李作会等在“磁感应传输钻杆耦合器设计及仿真研究”(中外能源2016)中采用电磁仿真及实验方法研究了电磁耦合接头的耦合电压频率特性及耦合间隙对耦合电压的影响；刘亚军等在“甚低频磁感应波智能钻杆信号传输系统性能分析”(西安石油大学学报2017)采用电路分析方法研究了基于智能钻杆的电遥测钻柱的甚低频(20KHz)信号传输的误码率。上述研究仅局限在智能钻杆结构、电磁耦合接头的电磁特性分析、传输线的传输损耗分析、低频信号长距离传输的可行性分析等，并没有涉及到智能钻杆的电磁参数设计，尤其是可以使高带宽的高频信号传输距离远大于目前中继距离的智能钻杆的电磁参数设计。因此，如何在高频情况下建立传输线与电磁耦合接头的匹配电路模型及信号电压传输的数学模型，如何基于信号能量的最大传输实现智能钻杆的电磁参数设计以大幅度延长中继距离，现有技术均无法提供有效的解决方法和解决途径。
发明内容
本发明的目的在于提供用于随钻测量数据传输的智能钻杆电磁参数设计方法。本发明所采用的技术方案是：
通过布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配连接进行智能钻杆的电磁参数设计；
在电磁耦合接头的原边线圈并联上由电阻和电容组成的阻抗补偿元件，使耦合线圈输入阻抗与该补偿元件阻抗相并联的阻抗值与布线杆体传输线的特征阻抗值相等，实现布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配，在给定设计频率fd、传输线的单位长度电容传输线的单位长度电感电磁耦合线圈直径dc，环状高频磁芯的内环直径d1，环状高频磁芯的外环直径d2，线圈导线的直径d0，导线的电导率ρ等参数条件下，通过电路分析与数学分析确定出智能钻杆电磁参数的设计规则
其中，
Rc为传输线的特性阻抗，为传输线单位长度的电感，为传输线单位长度的电容，rm为耦合线圈原边与副边线圈的电阻，k为原边线圈与副边线圈之间的耦合系数，L为耦合线圈电感，μr为高频磁芯的相对磁导率，R2为阻抗补偿元件中的电阻，C2为阻抗补偿元件中的电容。
进一步，利用布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗失配改善电遥测钻柱信道的电压传输系数；
为补偿信号通过信道产生的能量衰减，保证智能钻杆串联形成的电遥测钻柱信道具有较高的电压传输系数和较大的信道通带宽度，通过适当增大阻抗补偿元件的电阻值使其偏离设计值，使智能钻杆的布线杆体传输线与电磁耦合接头处于阻抗失配状态，利用阻抗失配产生的反射电压信号来增强布线杆体传输线上的电压信号幅度，使布线杆体上传输的信号幅度在某一频率区间得到增强，利用该频率区间实现高频电磁信号的长距离传输。
本发明的有益效果是：采用本发明所提供的智能钻杆电磁参数设计方法，并采用大于设计值的阻抗补偿元件电阻值，可以使得智能钻杆串联形成的电遥测钻柱信道具有较高的电压传输系数和较大的信道通带宽度，有利于高频电磁信号的长距离传输，使中继距离大幅度延长，仅需要少量的中继放大器，即可实现电遥测钻柱的高频信号传输，并获得较高的数据传输速率。
附图说明
图1是现有技术中包含有随钻测量/随钻测井工具及由智能钻杆串联形成的电遥测钻柱的钻井装置示意图；
图2是智能钻杆的结构示意图；
图3是电磁耦合接头的单边线圈结构示意图；
图4是智能钻杆串联的结构示意图；
图5是阻抗匹配情况下智能钻杆的等效电路图；
图6是阻抗匹配传输时30节智能钻杆串联后信道的电压传输系数频率特性计算曲线；
图7是阻抗失配传输时阻抗补偿元件电阻值为1KΩ条件下30节智能钻杆串联后信道的电压传输系数频率特性计算曲线。
图中：1-钻井液、2-地面、3-电遥测钻柱、4-钻井液泵、5-钻头、6-环形空间、7-地层、8-钻井参数及地层参数测量装置、9-信号发生器、10-高频电压表、11-信号处理装置、12-钻铤、13-钻井液罐、14-杆体、15-母接头、16-公接头、17-数据电缆、18-数据电缆保护套、19-线圈保护盖、20-钻杆母接头内线圈、21-钻杆公接头内线圈、22-高频磁芯、23-布线杆体传输线等效电路、24-阻抗补偿元件等效电路、25-电磁耦合接头及其负载等效电路。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
1.布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配连接
智能钻杆由布线杆体和电磁耦合接头组合而成，电磁耦合接头作为布线杆体传输线的终端负载，若使布线杆体传输线达到匹配状态，应使传输线的负载阻抗等于传输线的特性阻抗。通过在耦合接头的输入端并联上由电阻和电容组成的阻抗补偿元件，使耦合接头输入阻抗与该补偿元件阻抗相并联的阻抗值与传输线的特征阻抗值相等，则布线杆体传输线达到匹配状态，信号通过布线杆体传输线时无终端反射；处于阻抗匹配状态的智能钻杆进行多节级联组成电遥测钻柱时，由于耦合接头的负载为下一级智能钻杆的特性阻抗，从而实现电遥测钻柱上各级智能钻杆之间信号的匹配传输。
耦合接头为一对电磁耦合线圈，由原边线圈和副边线圈组成，原边线圈与布线杆体传输线相连，原边线圈的输入端阻抗为布线杆体传输线的负载阻抗，副边线圈与下级布线杆体传输线相连，副边线圈的负载阻抗为布线杆体传输线的特性阻抗。通过耦合线圈的电路分析，耦合接头原边线圈的输入端阻抗可以表示为
其中，L1为原边线圈电感；L2为副边线圈电感；r1为原边线圈电阻；r2为副边线圈电阻；为两线圈之间的互感；k为原边线圈与副边线圈之间的耦合系数；ω＝2πf为信号角频率；f为信号频率；为传输线的特性阻抗，为传输线单位长度的电感，为传输线单位长度的电容。
由于电磁耦合线圈为对称结构，因此有L1＝L2＝L，r1＝r2＝rm，M＝kL。
对式(1)进行整理，可以得到
其中，为电磁耦合接头原边线圈输入端阻抗的实部；为电磁耦合接头原边线圈输入端阻抗的虚部。
设C2和R2分别为阻抗补偿元件的电容和电阻，若使布线杆体传输线达到匹配状态，应使耦合接头输入阻抗与阻抗补偿元件阻抗相并联的阻抗值与传输线的特征阻抗值相等，即
由此，可以得到阻抗补偿元件中的电阻与电容的数学模型
2.智能钻杆的电磁参数设计
智能钻杆的电磁参数设计包括布线杆体传输线的电磁参数设计、阻抗补偿元件的参数设计及电磁耦合接头的线圈参数设计。
设电磁耦合接头的线圈直径为dc；线圈导线直径为d0；电导率为ρ，则耦合接头的线圈电阻为
为使阻抗补偿元件的功耗较小，需使阻抗补偿元件的电阻尽可能取较大值。由当时，存在极小值，则R2存在极大值。因此，经数学分析得到电磁耦合接头的线圈电感表达式为
根据得到耦合系数的约束条件
设dc为电磁耦合接头的线圈直径，d1和d2分别为环状高频磁芯的内环和外环直径，高频磁芯的相对磁导率可以表示为
在给定设计频率fd、传输线的单位长度电容传输线的单位长度电感电磁耦合线圈直径dc，环状高频磁芯的内环和外环直径d1和d2，线圈导线直径d0，导线电导率ρ等参数条件下，可以确定出智能钻杆电磁参数的设计规则
其中
3.利用阻抗补偿元件电阻值的失配对信号的传输衰减进行补偿
信号通过信道会产生能量的衰减，表现为随着传输距离的增加信号的幅度逐渐减小，减小的程度受信道传输特性的影响，信道的传输特性以信号通过信道时的电压传输系数(传输后的信号幅度与传输前的信号幅度之比)来表示。
智能钻杆传输的电磁信号为基带数据调制载波参数(幅度、频率、相位)产生的频带信号，传输此类信号需要信道的频率特性具有一定的通带宽度。
根据通信理论，如果数据传输速率为Rb，采用二进制数字调制，信号的带宽为BW＝2Rb，数据最大传输速率为Rb＝BW/2；如果采用四进制数字调制，则信号带宽为BW＝Rb，数据最大传输速率为Rb＝BW。
多节智能钻杆串联组成电遥测钻柱形成信道，信号通过信道的电压传输系数可以表示为
其中
式(9)中，l为智能钻杆的杆体长度；为传输线单位长度的相移量；为传输线单位长度电阻；为传输线单位长度电导；ω＝2πf为信号角频率；f为信号频率。在信号频率改变情况下根据式(9)可以得到n节智能钻杆串联组成信道的电压传输系数随频率变化的频率特性。
在设计频率fd＝10MHz条件下，设智能钻杆的杆体长度l＝9m；布线杆体传输线的单位长度电容传输线单位长度电感传输线单位长度电阻传输线单位长度电导电磁耦合接头的线圈直径dc＝0.135m，环状高频磁芯的内环直径d1＝0.124m，环状高频磁芯的外环直径d2＝0.146m，线圈导线直径d0＝0.0012m，导线电导率ρ＝1.75×10-8Ω·m，根据式(8)计算出智能钻杆的各项电磁参数。其中，传输线特性阻抗Rc＝76.8Ω，阻抗补偿元件的电阻值R2＝137Ω，阻抗补偿元件的电容值C2＝171pF，取电磁耦合接头的耦合系数k＝0.8，改变信号频率，根据式(9)进行信道频率特性的计算。计算结果表明，多节智能钻杆串联后的信道频率特性呈现以频率7.8MHz为极大值点的钟形曲线，极大值点处的电压传输系数随串联的钻杆节数增加大幅度降低，串联30节时极大值点处的电压传输系数为9×10-5，信号的衰减非常严重，其中电磁耦合接头产生的信号衰减影响最大。由于智能钻杆的电压传输系数为布线杆体传输线的电压传输系数与电磁耦合接头的电压传输系数的乘积，如果电磁耦合接头产生的信号衰减过大，将严重影响智能钻杆的电压传输系数，并进一步影响智能钻杆串联组成的电遥测钻柱的电压传输系数。
解决上述问题的方案是设法使布线杆体传输线与电磁耦合接头处于阻抗的适当失配状态。此时布线杆体传输线会存在反射电压，由于传输线上的传输信号为反射信号与入射信号的矢量和，如果反射信号与入射信号之间的相位差小于90°，可以利用入射信号与反射信号的矢量和来增强布线杆体传输的信号幅度，从而解决长距离传输情况下信号的严重衰减问题。
具体做法是，通过式(8)的设计规则确定智能钻杆的电磁参数后，适当增大阻抗补偿元件的电阻值使其偏离设计值，此时智能钻杆的布线杆体传输线与电磁耦合接头处于失配状态，当经过布线杆体传输线传输的电压信号到达电磁耦合接头时，会在电磁耦合接头处产生反射电压信号并沿布线杆体传输线反向传播；在某一频率区间，反射信号与入射信号之间的相位差小于90°，因此入射信号与反射信号的矢量和将大于入射信号强度，使布线杆体上传输的信号在某一频率区间得到增强。
计算结果表明，适当增大阻抗补偿元件的电阻值后，多节智能钻杆串联后的信道频率特性呈现两个不同幅度的钟型曲线，在两个特定的频率点处均出现电压传输系数的极大值并在各个极大值点附近形成一定的频带宽度，形成频率特性的第一通带与第二通带；随着串联的钻杆节数增加，电压传输系数极大值的减小程度大幅度减缓。当耦合接头的耦合系数k＝0.8，阻抗补偿元件的电阻值R2＝1KΩ时，30节智能钻杆串联后第一通带与第二通带电压传输系数的极大值分别为0.25和0.14，电压传输系数极大值所对应的频率分别为7.6MHz及12.5MHz，第一通带与第二通带的宽度分别为4.4MHz和4.9MHz，即第二通带相对于第一通带的电压传输系数要小些，但频带宽度要稍大些。从上述的计算结果可以看出，阻抗补偿元件的电阻值大于其设计值情况下，30节智能钻杆串联后第一通带与第二通带电压传输系数的极大值远高于阻抗补偿元件电阻处于设计值下的电压传输系数极大值，说明阻抗补偿元件的电阻值失配在传输线上产生的反射电压对信号的传输损耗进行了较大的补偿。对于频率特性的第一通带与第二通带，如果以各自通带的平均频率点为载波频率，均可用来传输频带信号；由于第一通带的电压传输系数相对于第二通带要大，并且第一通带的平均频率点相对较低，而两个通带的带宽相差不大，因此第一通带比较适合进行信号的长距离传输。
根据文献SPE79885介绍的Grant Prideco公司Interpipe智能钻杆试验数据：钻杆串联节数30节，中继距离为300米，发射端信号电压幅度为3V，接收端信号电压幅度为40mV，信号的电压传输系数为0.0133，采用四进制数字调制，数据传输速率为2Mbit/s。
采用本发明进行智能钻杆的电磁参数设计，在补偿电阻R2＝1KΩ，耦合系数k＝0.8条件下，通过式(9)计算，90节智能钻杆串联后第一通带的电压传输系数极大值为0.0134，与上述30节串联的Interpipe智能钻杆的电压传输系数基本相同；第一通带电压传输系数极大值所对应频率为7.2MHz，频带宽度为3.8MHz，如果采用四进制数字调制，数据传输速率可以达到3.8Mbit/s。相对于Interpipe智能钻杆，在相同的电压传输系数下，数据传输速率可以达到Interpipe智能钻杆的1.9倍，中继距离是Interpipe智能钻杆的3倍，从而达到大幅度延长中继距离及提高数据传输速率的双重效果。
图1所示是现有的包含有随钻测量/随钻测井工具及由智能钻杆串联形成的电遥测钻柱的钻井装置。钻井液罐13中的钻井液1通过地面2的钻井液泵4注入钻进地层7的电遥测钻柱3中，到达电遥测钻柱3底端的钻头5，从钻头水眼流出后通过电遥测钻柱3与地层7之间的环形空间6返回至地面2，箭头表示钻井液的流动路径。
电遥测钻柱3中靠近钻头5的钻铤12中放置仪器，钻铤上部连接智能钻杆形成电遥测钻柱，整个钻柱对钻头5施加足够的钻压用于钻进地层7。钻铤12中的仪器包括钻井参数及地层参数测量装置8用于监控钻井操作及评估地层的物理特性。
为了通过电遥测钻柱传输井下数据，信号发生器9产生高频的正弦信号作为载波，通过钻井参数及地层参数测量装置8的测量数据来调制载波参数(幅度、频率、相位)形成具有一定频带的高频电压信号，高频电压信号通过电遥测钻柱传输至地面，经过高频电压表10检测并送入信号处理装置11进行信号处理。
电遥测钻柱由多节智能钻杆串联组成，智能钻杆的内壁镶嵌有铠装数据电缆形成布线杆体，钻杆中空用于钻井液的流通，钻杆两端布置有环状高频磁芯，磁芯内部刻槽用于放置导线形成单匝线圈，杆体中的电缆导线在钻杆两端分别嵌入磁芯槽内形成闭合回路，用于传输高频电压信号；当钻杆串联形成钻柱时，两两相邻钻杆端部的线圈位置非常接近从而形成一对电磁耦合线圈，电磁耦合线圈通过磁场耦合将高频电信号传递到相邻布线钻杆的数据电缆中，实现高频电磁信号的接力传输。当在钻杆中的电缆导线端加上高频电压信号时，会在电缆导线及与其相连的电磁耦合线圈的原边线圈中产生高频电流，电流产生的交变磁场会大部分进入副边线圈内部，在其中感应出交变电压并在与钻杆中的电缆导线形成的闭合回路中产生电流，从而将信号从一个钻杆传递到相邻钻杆再继续接传形成电磁信号的传输通道。安装在井下的信号发生器9产生高频的正弦信号作为载波，通过钻井参数及地层参数测量装置8的测量数据来调制载波的参数(幅度、频率、相位)形成具有一定频带的高频电压信号，高频电压信号通过电遥测钻柱传输至地面，实现井下测量数据的高速上传。
本发明所提出的一种用于随钻测量/随钻测井数据传输的智能钻杆电磁参数设计方法，按以下技术方案实现：
首先进行布线杆体传输线与电磁耦合接头之间的阻抗匹配连接设计；然后在此基础上通过电路分析与数学分析确定出智能钻杆电磁参数设计规则。通过在耦合接头的输入端并联上由电阻和电容组成的阻抗补偿元件，使耦合接头输入阻抗与该补偿元件阻抗相并联形成的阻抗值与传输线的特征阻抗值相等，实现布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配连接。通过对电磁耦合接头的电路分析，建立式(1)表示的耦合接头输入端阻抗数学模型，进一步通过对式(2)的数学分析得到式(3)表示的阻抗补偿元件中电阻与电容的数学模型，通过对补偿元件的电阻进行极值分析，得到使补偿元件的电阻存在极大值的条件，对此条件进行数学分析得到式(4)表示的耦合线圈电感表达式，进一步得到式(5)表示的耦合系数约束条件；根据电磁耦合线圈直径及环状高频磁芯的内环和外环直径，建立式(6)表示的高频磁芯的相对磁导率表达式；根据数据电缆导线直径、电导率和电磁耦合线圈直径，建立式(7)表示的耦合线圈原边线圈与副边线圈的电阻表达式；在给定设计频率、传输线参数和电磁耦合线圈结构参数条件下，可以通过式(8)确定出智能钻杆电磁参数的设计规则。
通过匹配设计确定智能钻杆的电磁参数后，适当增大阻抗补偿元件的电阻值使其偏离设计值，使智能钻杆的布线杆体传输线与电磁耦合接头处于失配状态，当经过布线杆体传输线传输的电压信号到达电磁耦合接头的原边线圈时，会在线圈处产生反射电压信号并沿布线杆体传输线反向传播；在某一频率区间，反射信号与入射信号之间的相位差小于90°，因此入射信号与反射信号的矢量和将大于入射信号强度，使布线杆体上传输的信号在某一频率区间得到增强。可以使得智能钻杆串联形成的电遥测钻柱信道具有较高的电压传输系数和较大的信道通带宽度，有利于高频电磁信号的长距离传输，并获得较高的数据传输速率。
参照附图1，钻铤12中仪器得到的测量数据，由信号发生器9对载波参数进行数据调制形成具有一定频带的高频电压信号，通过智能钻杆串联成的电遥测钻柱传输到地面，智能钻杆电磁参数的确定采用本发明的电磁参数设计方法。
图2是本发明中智能钻杆的结构示意图。智能钻杆由杆体14、母接头15、公接头16组成，母接头内部与公接头上部均有丝扣用于钻杆串联组成钻柱，钻杆总长近10米，钻杆中空用于钻井液的流通，与普通钻杆的外形结构相似。智能钻杆在杆体14的内部镶嵌有铠装数据电缆17，钻杆两端的公、母接头内布置有环状高频磁芯，磁芯内部刻槽用于放置导线形成单匝钻杆公接头内线圈21和钻杆母接头内线圈20，钻杆中的电缆导线在钻杆两端分别与公、母接头磁芯槽内的线圈连接形成闭合回路，用于传输高频电磁信号。
图3是本发明中电磁耦合接头的单边线圈结构示意图，图中为公接头内线圈结构，母接头内线圈结构与其相同。环状高频磁芯22的内部刻槽用于放置单匝线圈21，线圈的外部放置有线圈保护盖19，用于线圈21的固定与密封，线圈保护盖19由非金属材料制成；当钻杆级联时，另一钻杆母接头内的钻杆公接头内线圈20保护盖与其接触使钻杆母接头内线圈20和钻杆公接头内线圈21并排靠近形成电磁耦合接头。杆体中的数据电缆17在钻杆两端分别与公、母接头磁芯槽内的线圈导线连接形成闭合回路，数据电缆17放置在数据电缆保护套18中，数据电缆保护套镶嵌入钻杆内壁固定并密封。
图4是本发明中智能钻杆串联的结构示意图。当多个钻杆串联形成钻柱时，两两相邻钻杆端部母接头15内的钻杆母接头内线圈20和公接头16内的钻杆公接头内线圈21位置非常接近从而形成一对耦合线圈，通过电磁耦合来传递高频电磁信号，当其中一个线圈流过高频电流时，电流产生的交变电磁场会进入另一线圈内部，在其中感应出交变电压作用在杆体14中的数据电缆17上，并在电缆导线与线圈导线形成的闭合回路中产生电流及线圈磁场，依此类推，从而将信号从一个钻杆传递到相邻钻杆再继续接传形成电磁信号的传输通道。
图5是本发明中阻抗匹配情况下智能钻杆的等效电路图，由布线杆体传输线等效电路23、阻抗补偿元件等效电路24、电磁耦合接头及其负载等效电路25组成。布线杆体传输线的特性阻抗为Zc；阻抗补偿元件为容性元件，可以等效为电容C2和电阻R2的并联，电阻R2和电容C2的值可以通过式(3)的计算得到；电磁耦合接头的负载阻抗ZL为下一级智能钻杆的输入阻抗，在阻抗匹配情况下有ZL＝Rc。智能钻杆的输入信号电压相量为输出信号为负载阻抗ZL上的电压相量为输出信号电压相量与输入信号电压相量比值的模为电压传输系数。
图6是本发明中智能钻杆在设计参数下，30节智能钻杆串联成信道进行阻抗匹配传输时，根据式(9)得到的信道电压传输系数的频率特性计算曲线。计算条件：设计频率为10MHz，传输线特性阻抗为76.8Ω，电磁耦合接头的耦合系数为0.8，耦合接头的线圈电阻为0.007Ω，耦合接头的线圈电感量为2.3μH，阻抗补偿元件的电容值为171pF，阻抗补偿元件电阻值为137Ω。30节智能钻杆串联后的电压传输系数最大值为9×10-5，电压传输系数极大值所对应频率为7.8MHz。
图7是本发明中阻抗补偿元件的电阻值偏离137Ω的设计值达到1KΩ，智能钻杆的其余电磁参数仍保持在设计参数，30节智能钻杆串联成信道进行阻抗失配传输时，根据式(9)得到的信道电压传输系数的频率特性计算曲线。计算条件：电磁耦合接头的耦合系数为0.8，传输线特性阻抗为76.8Ω、耦合接头的线圈电阻为0.007Ω，耦合接头的线圈电感量为2.3μH，阻抗补偿元件的电容值为171pF。电压传输系数在第一通带与第二通带的极大值分别为0.25和0.14，电压传输系数极大值所对应频率分别为7.6MHz和12.5MHz，第一通带与第二通带的宽度分别为4.4MHz和4.9MHz。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.用于随钻测量数据传输的智能钻杆电磁参数设计方法，其特征在于按照以下步骤实现：
(1)通过布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配连接进行智能钻杆的电磁参数设计；
在电磁耦合接头的原边线圈并联上由电阻和电容组成的阻抗补偿元件，使耦合线圈输入阻抗与该补偿元件阻抗相并联的阻抗值与布线杆体传输线的特征阻抗值相等，实现布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配，在给定设计频率fd、传输线的单位长度电容传输线的单位长度电感电磁耦合线圈直径dc，环状高频磁芯的内环直径d1，环状高频磁芯的外环直径d2，线圈导线的直径d0，导线的电导率ρ参数条件下，通过电路分析与数学分析确定出智能钻杆电磁参数的设计规则
其中，
Rc为传输线的特性阻抗，为传输线单位长度的电感，为传输线单位长度的电容，rm为耦合线圈原边与副边线圈的电阻，k为原边线圈与副边线圈之间的耦合系数，L为耦合线圈电感，μr为高频磁芯的相对磁导率，R2为阻抗补偿元件中的电阻，C2为阻抗补偿元件中的电容。
2.按照权利要求1所述用于随钻测量数据传输的智能钻杆电磁参数设计方法，其特征在于：利用布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗失配改善电遥测钻柱信道的电压传输系数；
为补偿信号通过信道产生的能量衰减，保证智能钻杆串联形成的电遥测钻柱信道具有较高的电压传输系数和较大的信道通带宽度，通过适当增大阻抗补偿元件的电阻值使其偏离设计值，使智能钻杆的布线杆体传输线与电磁耦合接头处于阻抗失配状态，利用阻抗失配产生的反射电压信号来增强布线杆体传输线上的电压信号幅度，使布线杆体上传输的信号幅度在某一频率区间得到增强，利用该频率区间实现高频电磁信号的长距离传输。
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