孙 浩 玉

(1.中国石油大学机电工程学院，山东青岛266580;2.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017)

目前，国内随钻信息的实时传输主要通过钻井液脉冲方式，其理想传输速率仅为2～5 bit/s，远远不能满足众多参数随钻实时快速传输要求。美国IntelliServ公司生产出一种基于电磁感应耦合原理的高速随钻数据传输系统，利用钻杆接头处的耦合线圈来实现信号的非接触式传输，数据沿着钻杆内的信号线经过耦合器沿钻杆逐级进行传输，也称为磁感应传输系统［1-2］。该系统传输的最高实验速率可达2 Mbit/s、应用速率为56 kbit/s，无中继传输可达20～30节钻杆，既解决了电磁波、钻井液脉冲等技术速率低的问题，又克服了有线传输中磨损的缺点，被誉为近25年来钻井技术最重大的进步之一。目前，磁感应耦合传输技术的具体实现细节还没有相关报道。笔者通过大量的实验进行初步探索，研制出磁感应传输的模拟实验系统，对该传输技术及其信道的频率特性进行分析与讨论。

1 信号的感应耦合传输原理

磁感应耦合原理见图1，两个相互靠近的N匝线圈1和2，分别称为初级线圈和次级线圈，两个线圈的电感量都为L，初级线圈的电流i1将产生磁通Φ11，其穿过次级线圈的部分称之为耦合磁通Φ21，未穿过次级线圈的部分称为漏磁通Φ1n，两线圈之间磁通相互匝链的关系称为磁耦合，定义耦合系数k=Φ21/Φ11，表征两个线圈耦合的强弱程度。

图1 感应耦合传输原理Fig.1 Principle of inductively coupled transmission

由电磁感应定律表可知，耦合磁通Φ21的变化将会引起线圈2感应电势的变化，其大小如下:

式中，M为两个线圈之间互感的大小，M=kL，k为耦合系数。通过线圈间的电磁感能够使能量或信号由一个线圈传递到另一个线圈中［3-4］，这就是感应耦合传输的原理。由于线圈间间隙的存在必然会产生漏磁通Φ1n，信号或能量在传输时就会发生损耗，因此要提高传输效率就必须采取措施减小漏磁通。该系统采用磁芯聚拢磁力线来提高耦合系数k。

实际磁感应耦合系统中，用铁氧体材料制成环状磁芯，线圈环绕在环状磁芯的槽内并进行密封制成耦合器。耦合器两端分别装入钻杆公接头的前端和母接头的台肩处(钻杆接头处要经过特殊加工)，钻杆连接后耦合器两端的线圈并无直接连接，间距在1～2 mm，钻杆的对接示意图参见图2。耦合线圈1、耦合线圈2分别对应图1中的两个线圈，电缆用于连接钻杆两端的线圈构成回路，钻杆对接以后两个线圈距离很近，即可实现磁感应耦合信号传输。

图2 钻杆对接示意图Fig.2 Diagram of drill pipe connections

2 感应耦合器的频率特性

根据高频变压器原理［5］，提出感应耦合器电路模型如图3中虚线框内部所示。图3中，电阻R表示线圈的直流损耗，Rm表示磁芯在高频下的磁滞损耗和涡流损耗，电容Cs是线圈的分布电容，Cp是变压器两线圈之间的杂散电容，L为感应耦合器的初级线圈和次级线圈的自感，M为互感。

图3 感应耦合器的电路模型Fig.3 Circuit model of inductive couple

通过实验验证，该电路模型在计算谐振频率时不能采用耦合器单边的电感L，而是必须通过互感M来计算，这和间隙较大如能量耦合谐振频率的计算只采用单边的电感和电容［6-7］是完全不同的，因此该模型只适用于小间隙的信号耦合传输。

模型的参数计算过程十分繁琐，不同的线圈结构以及磁芯材料其结果都不相同。采用LCR测试仪进行测量:电感可直接测量，互感采用串联法测量;将输入和输出端同时短接，测量两个同名端可得分布杂散电容Cp;分布电容Cs的测量采用外加并联电容谐振法［8-9］;磁滞和涡流损耗Rm难以直接测量得到，只能通过实测和仿真对比得到大致的取值范围。上述的电容和电感值在不同频率下的测量值会有较大差别，因此要进行分段测量，如在1～3 MHz的频段内，电感L值变化最大从70增大120 μH，耦合系数k从0.6～0.7变化，分布电容值和杂散电容值变化较小测量值分别为十几个pF和几个pF，磁滞和涡流损耗Rm的数量级在几十kΩ其取值对模型的计算影响可忽略。

实测和仿真的电路与图3相同，其中:Us和r分别代表信号源及其内阻，输出电压的峰值为2 V，RL和CL为采样探头的等效阻抗，耦合器的传输特性实测曲线如图4中的实线所示。

由图4测试曲线可知:信号传输的谐振频点在2.1 MHz左右，由谐振点计算公式f=1/2π可知，改变模型中电容和电感参数可调整谐振频点，但是模型中电容参数难以控制，线圈电感的改变相对容易，如:减小耦合器的线圈匝数来减小电感值，进而获得更高的谐振频点来提高传输速率，但电感值减小的同时也会降低传输效率，因此电感值需兼顾速率和效率两个方面进行折中，最终要通过实验效果来决定。

图4 感应耦合器的频率特性Fig.4 Frequency characteristic of inductive couple

本文通过Pspice软件对耦合器的传输特性进行仿真，并与实测结果进行比对来修正模型中的各个参数测量值，最终的仿真曲线如图4中的虚线所示。

3 磁感应传输信道的电路模型

3.1 3节感应耦合器的频率特性

首先对3节耦合器直接相连构成的信道进行了实测和仿真，频率特性曲线如图5所示，图中的曲线1、2和3分别表示1节、2节和3节的输出频率特性曲线。

图5中的测试曲线和仿真曲线基本吻合，说明建立的耦合器电路模型及其修正后的参数测量值是正确的。从图中的曲线可以看出，每增加一个耦合器相当于增加了一个LC的谐振回路，因此谐振频点的数目与耦合器的个数是一致的。

此外，信号的传输效率即输出的电压幅值随耦合器的节数增加而迅速衰减，如3节耦合器后谐振幅值从6 V降到了1.8 V，显然信号传输的节数是有限的。为了提高信号的传输距离，必须对传输特性进行补偿。

图5 感应耦合器直连的测试曲线Fig.5 Test curve of inductive couple by direct connecting

3.2 磁感应耦合的补偿方法

针对磁感应耦合传输的衰减特性，可以采用电容或电感来进行补偿，其中电容补偿是一种简单易行的方式。

3.2.1 并联电容补偿

在图3所示的耦合器线圈回路中并联了一个100 pF的电容，测试结果参见图6。

由图6可见，在感应耦合器的线圈上并联一个电容后，以3节信道为例，电路的主谐振峰值由图5的6 V增大到图6的10 V，显著提高了信号的传输效率，同时信号传输的谐振频点由1.95 MHz降到了1.27 MHz。此时信道的频带约为1～3 MHz，而频率小于1 MHz的信号则衰减很大。

图6 并联补偿电容的频率特性Fig.6 Frequency characteristic of parallel capacitance compensation

3.2.2 串联电容补偿

同理，对磁感应耦合回路串联了1 nF的电容，串联电容补偿的实际测试曲线参见图7。

图7 串联补偿电容的频率特性Fig.7 Frequency characteristic of series capacitance compensation

图7中的曲线表明，在每个感应耦合器的线圈上串联一个电容后，以3节信道为例，在1.95 MHz频率处还是一个谐振点，但其幅值没有得到补偿，其余两个谐振点分别转移到了0.62和0.85 MHz频率处，且幅值从1.8 V升高到3 V多。

3.2.3 串并联电容补偿

在耦合器的线圈上同时并联和串联了电容，并进行了测试，如图8所示。对比图5可以看出，以3节信道为例，主谐振点从1.95 MHz降低到1.4 MHz，但输出幅值从1.8 V增加到5.8 V。因此，串、并联电容同时对信道的幅频特性起到了补偿作用，线圈上的并联电容对1 MHz以上谐振点的幅值进行了补偿，在线路上的串联电容相当于增加了谐振支路，其谐振频点分布在1 MHz以下。

图8 电容补偿后的频率特性Fig.8 Frequency characteristic of capacitance compensation

由此，最终得到的磁感应传输信道电路模型如图9所示，其中Cq和Ct分别为补偿的串联和并联电容，用于连接耦合器的10 m信号传输线的损耗可忽略不计。要通过该模型准确获取实际特性曲线的前提是耦合器的参数值必须准确，此外输入和输出(测试)端的等效阻抗尤其是电容值也必须准确，否则也会极大影响测试和仿真的一致性。

图9 磁感应传输信道电路模型Fig.9 Circuit model of magnetic inductive transmission channel

3.3 信道频率特性实验

对10节标准钻杆进行再加工并安装了9对耦合器后放入钻井实验平台，每节钻杆内的信号线用套管密封，补偿用的串、并联电容密封在耦合器线圈和信号线接头处，封装后的单边耦合器(分别安装在公、母接头)以及实验平台的照片如图10所示，钻井实验平台的测试参见图11。

图11 钻井实验平台Fig.11 Experimental platform for drilling

在井口发送信号，信号经过10节钻杆信号线和9对耦合器后从井下直连出井口用于测试，其输出的电压频域特性如图12(a)中曲线所示，仿真用的电路模型如图9所示，仿真曲线如图12(b)中曲线所示。

由图中曲线可知，在1.1～1.5 MHz间的几个谐振频点的幅值衰减最小，用其作为载波模拟频率则信号的传输效率会最高。实测和仿真曲线相比，丢掉了几个谐振点而且幅值上也有些差异，一个原因是由参数不可能完全统一造成的;另外，从仿真曲线上也可看出，谐振回路的增多，使有的谐振点非常不明显，也会造成在实测扫频时的遗漏。但从总体上看，实测和仿真曲线基本上是吻合的，因此可以通过建立的电路模型来分析实际信道的频率特性。

信号通信实验是采用频移键控(frequency shift keying-FSK)方式，在1.1～1.5 MHz间选取了两个谐振点作为调频的频点，通信的数字速率最高可达115.2 kbit/s。由于再加工的钻杆数量原因而没能进行更多节的实际传输实验，但在进行模拟实验时信号传输可超过20节。

图12 磁感应传输信道的频率特性Fig.12 Frequency characteristic of magnetic inductive transmission channel

4 结论

(1)基于磁感应传输原理制作了耦合器，实现了信号在钻杆间的非接触传输，在高频变压模型的基础上建立了耦合器的电路模型，通过仿真与实测的相结合，对模型中的测量参数进行了修正。

(2)分析了多节耦合器连接时的信号传输特性，得到了每增加一个耦合器就增加一个谐振回路的规律，进而得到了连续磁感应传输信道的电路模型。采用电容补偿的方法，增加了谐振频点的幅值，提高了信号传输效率，但是降低了信号频带且牺牲了信号的传输速率。

(3)搭建了磁感应传输系统，验证了连续磁感应传输技术的可行性，为该技术的进一步研究奠定了基础。

(4)国外技术在数字速率上已达到2 Mbit/s，超过了课题组用的模拟载波速率，相比之下技术差距非常明显，因此在耦合器的结构、磁芯、线圈以及补偿等最基本的环节上还需要大量的研究与探索。

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