随钻电磁中继信号同步技术研究
电磁中继器能够实现井下电磁信号的接力传递，有效增强信号强度，因此中继器是提高电磁随钻测量系统的传输深度的有效手段。然而电磁信号在地层传输过程中衰减、畸变严重，易于出现同步误差或失去有效的同步的问题，直接导致电磁中继信号无法正确、稳定地接收，丢失井下测量信息，使得电磁随钻测量系统的传输性能急剧退化。因此研究电磁中继器的同步技术具有重要的理论与现实意义。 (1)本文首先分析了地层电阻率变换、中继短节激励源位置放置、中继短节长度对中继信号传输过程中的影响;基于上述分析构建了中继信号在井筒中传播的近似等效传输线模型;利用该模型研究了中继信号的传输深度和信号衰减率与井深、地层电阻率等参数之间的相关性，并推导出地面电极检测电压的理论公式。最后使用COMSOLMultiphysics软件对该模型进行了仿真验证，结果表明:在地层电阻率为1～100Ω·m时，随着地层电阻率的增大，激励电压显著增大，但电流强度锐减;无中继随钻测量系统的地面接收电压随着井深的增加而显著下降，而加了增加了中继器的随钻电磁测量系统可有效提高地面接收电压幅值，提升约30dB左右，且电流密度强度提高了3倍左右。 (2)针对受井筒、地层等多种因素的影响，电磁中继信号存在接收、同步困难的问题，详细分析了基于Costas环法的载波同步原理，构建了基于Costas环的中继载波同步模型，给出了环路关键参数的选择方法，并给出了基于快速傅里叶变换的改进的载波同步方案。详细分析了基于Gardner法的中继信号位同步方案，并通过MATLAB对其进行了性能分析，结果表明:改进后的载波同步方案和位同步方案，具有环锁定时间更短，频偏捕获更快，在电磁中继信号同步系统中具有可行性。 (3)分析了环路增益、频差及环路捕获等因素对理想二阶同步环锁定性能的影响，结合改进型的Costas环，完成了载波同步环、位同步环的FPGA实现。采用FFT方法进行载波频偏估计，优化了Costas环路的载波捕获与窄带跟踪性能不够精确的问题。最后利用Modelsim软件进行仿真，验证了所设计方案的正确性与可行性。结果表明:输入环路信号的信噪比越高，环路的捕获锁定时间越短，锁定后信号的稳态性能相差越小;载波的初始频差值越小，环路捕获的时间越短。
油气田;随钻测量;电磁中继信号;载波同步
西安石油大学
硕士
仪器仪表工程
刘科满
2022
中文
TE271
2023-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）