磁耦合有缆钻杆关键技术与发展趋势

作为高速井下网络通讯部件,磁耦合有缆钻杆利用水眼内的同轴电缆实现信号的高速传输,利用钻杆两端的磁耦合线圈实现了钻杆间的无线通讯,磁耦合通讯使磁耦合有缆钻杆不影响常规接单根等钻井工艺。借助数据服务器、无线短节、中继器、井下单元及各种有缆钻具等功能部件的配合,磁耦合有缆钻杆系统能够实现地面及井下数据的组网通讯,具有高速、双向、全天候的传输特性。磁耦合有缆钻杆的关键技术包含:高速调制解调器、井下令牌环网、虚拟串口技术及分布参数测量等(基于高速调制解调器的井下令牌环网是高效的组网技术);虚拟串口技术便于第三方厂家快速利用磁耦合有缆钻杆连接自己的测量工具;分布参数测量以较低的成本实现了全井筒的状态监控,在控压钻井、井控安全、钻井参数优化等方面有重要作用。智能(自动化)钻井是钻井业的发展趋势,磁耦合有缆钻杆的独特特性使其适用于智能(自动化)钻井。在减少应用成本的情况下,磁耦合有缆钻杆能够进一步开拓市场。

高频磁耦合有缆钻杆信道的联合仿真设计

为了延长高频磁耦合有缆钻杆的无中继传输距离,使用电磁结构仿真与线性仿真的联合仿真技术对信道建模并仿真。高频磁耦合有缆钻杆信道是重复的基本单元的级联,基本单元包含磁耦合线圈副与同轴电缆。对磁耦合线圈副,电路理论建模需要通过测量样品等得到元件参数,有些参数不易测量,有些结构及材料参数不易体现在模型中,而电磁结构仿真能够解决这些问题。对于同轴电缆这类大尺寸模型,电磁结构仿真耗时长,使用线性仿真可以保证仿真精度、缩短仿真时间。联合仿真技术弥补了单一仿真的缺陷,经实验验证,仿真结果与实际测量结果一致。通过联合仿真研究了基本单元级联数量、有缆钻杆尺寸、铁氧体磁芯磁导率及隔离隙等对谐振峰载波频点和衰减的影响,完成了高频磁耦合有缆钻杆信道的阻抗匹配和优化设计,使无中继传输距离达到了300 m以上,有效减少了中继器的使用数量,在降低成本的同时提高了信道可靠性,并完成了现场试验。