近钻头数据无线电磁短传系统研究与设计

摘要

随着电子技术的发展，随钻测量（MWD）技术已日趋成熟。在过去的数十年中，随着油田勘测开发的不断推进，对超薄油藏、断块油藏等难动用储量的开发已大规模展开，对井眼轨迹控制精度的要求日益提高，钻头（近钻头）处的信息显得越来越重要，然而由于井下马达的影响，近钻头信息与MWD系统之间的数据传输无法采用有线的方式，因此井下近钻头数据无线短传系统的研究具有重要的理论价值和实用意义。
　　本文在调研国内外本领域最新研究进展的前提下，采用电磁波作为无线短传系统的传输方式，并对整个短传系统进行有限元分析仿真，获取电磁信号井下传输规律，并对信号收发电路进行了设计制作和实验。
　　论文的主要工作如下:
　　首先构建了井下无线电磁短传信号的传输模型，分别分析了无线短传系统的磁路构成和电路构成，根据井下系统电源电压及信号传输频率确定了磁芯材料、线圈匝数等结构参数，在系统稳定工作的前提下实现电源利用率最大化。
　　其次建立了井下电磁短传系统模型，采用有限元法分析了不同地层下电磁信号传输频率、泥浆介质电阻率、收发线圈距离对接收线圈感应电压信号的影响，揭示了接收线圈感应电压信号强度的变化规律，为井下无线电磁短传系统电路结构及电子器件的设计选材提供了数据支持。
　　最后设计并实现了井下通信电路，针对电磁波传播特性和井下复杂环境选取合理的短传信号调制方案。采用ARDUINO NANO作为控制芯片，使用直接数字频率合成芯片AD9833设计了信号发射电路，采用锁相环芯片NE564设计了信号接收电路，并最终对调制解调电路进行了实验验证，为将来的进一步研究打下了基础。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文研究的主要内容

1．4 本章小结

第二章 无线电磁短传系统参数研究

2．1 井下无线短传信号传输模型

2．1．1 系统传输技术原理

2．1．2 系统等效回路

2．2 无线短传系统磁路及电路分析

2．2．1 系统磁环磁场

2．2．2 系统磁芯电路

2．3 磁环材料选择

2．3．1 磁化基本理论

2．3．2 磁介质的磁化

2．3．3 软磁材料

2．4 线圈参数计算

2．4．1 发射线圈参数计算

2．4．2 接收线圈参数计算

2．5 本章小结

第三章 无线短传系统有限元分析

3．1 有限元分析法

3．1．1 电磁场基本理论

3．1．2 有限元分析法

3．2 仿真分析

3．2．1 建立模型

3．2．2 材料设定

3．2．3 构造电路、剖分网格

3．3 求解及结果分析

3．4 本章小结

第四章 信号收发调理电路设计与实现

4．1 电路系统设计

4．2 调制解调原理探究

4．2．1 调制解调方式选择

4．2．2 2FSK调制原理

4．2．3 直接数字频率合成技术

4．2．4 FSK信号解调原理

4．3 发射电路设计

4．3．1 控制芯片

4．3．2 2FSK信号调制电路

4．3．3 放大电路

4．3．4 电路及调试结果

4．4 接收电路设计

4．4．1 锁相环NE564

4．4．2 电路及解调结果

4．5 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的学术成果