电磁随钻传输理论与应用

本书以电磁随钻测量系统为例，全面系统地阐述和分析电磁随钻传输技术的工作原理、系统构成、测量参数、评价指标、系统设计和所涉及的信号处理技术。主要内容包括低频电磁随钻信号的衰减模型以及影响电磁波传输的主要因素，井场噪声电磁噪声的采集系统以及基于 Bootstrap方法的井场噪声的统计特性分析，井下发射机的拓扑结构和负载等效模型研究与井下发射机的硬件和软件平台的构建，电磁信号地面接收机的信号预处理技术、噪声抵消技术、相干载波提取技术等理论仿真、半物理实验、程序框图和实验分析。本书内容既有利于电磁随钻测量的理论研习，也可为研究随钻测量、随钻测井、近钻头测量、地质导向或旋转导向提供方便。 本书理论与应用并重，仿真、半物理实验和现场实验有机结合，可供从事钻井工程测量与测井工程相关仪器研发人员和现场施工专业技术人员阅读和参考，也可作为高等院校石油工程、勘查技术与工程、测控技术与仪器的教师和相关研究生的教材或参考书。

前言
第1章 绪论 1
1.1 EM-MWD系统工作原理与构成 4
1.1.1 EM-MWD系统的工作原理 5
1.1.2 EM-MWD系统的主要测量参数 5
1.1.3 EM-MWD系统的主要评价指标 7
1.2 EM-MWD系统研究现状 8
1.2.1 随钻电磁传输信道的特性研究现状 8
1.2.2 低信噪比下EM-MWD信号的检测技术研究现状 11
1.2.3 EM-MWD系统国内外发展现状 12
1.3 EM-MWD系统新技术与面临的挑战 17
参考文献 18
第2章 井筒中低频电磁波传输特性研究 22
2.1 EM-MWD系统工作原理及构成 22
2.1.1 EM-MWD系统井下电磁场的形成机理 24
2.1.2 绝缘段结构及等效物理模型 26
2.1.3 主要测量参数 27
2.2 井筒中低频电磁波传播规律研究 27
2.2.1 EM-MWD系统电磁信道的等效传输线法研究 28
2.2.2 金属套管对随钻电磁信号传播的影响 31
2.2.3 不同井眼结构下电磁波传播规律研究 32
2.2.4 井场环境对电磁波信号的影响研究 34
2.2.5 影响 EM-MWD系统中电磁波衰减的因素 34
2.3 鄂北地区电磁波的衰减模型与仿真 36
2.3.1 鄂北地区电磁波的衰减模型 36
2.3.2 鄂北地区电阻率分布特性 37
2.3.3 EM-MWD系统中电磁波衰减仿真 37
2.4 小结 41
参考文献 42
第3章 井场噪声采集与噪声特性研究 43
3.1 井场噪声的统计特性 43
3.1.1 井场噪声概述 44
3.1.2 井场噪声源分类 44
3.1.3 常见的井场噪声模型 48
3.1.4 井场噪声谱分析 54
3.2 井场噪声采集系统硬件设计 56
3.2.1 耦合变压器设计及选型 57
3.2.2 低噪声前置放大器设计 57
3.2.3 低噪声滤波器设计 59
3.2.4 USB6221采集卡 61
3.2.5 井场电磁噪声采集系统功能划分 61
3.3 井场噪声采集系统软件设计 62
3.3.1 LabVIEW编程平台及开发流程 62
3.3.2 井场噪声采集系统主界面设计 63
3.3.3 井场噪声采集系统各功能模块设计 65
3.3.4 LabVIEW与MATLAB混合编程 66
3.4 井场噪声Bootstrap方法分析 67
3.4.1 Bootstrap方法概述 68
3.4.2 Bootstrap技术在井场噪声处理中的应用 69
3.5 实测井场噪声数据分析与处理 72
3.5.1 实验井场位置 73
3.5.2 基于Bootstrap方法的噪声数据分析 74
3.5.3 井场噪声的谱分析 75
3.5.4 不同钻进状态时的井场噪声分析 77
3.6 小结 83
参考文献 84
第4章 基于μC/OS-II的井下电磁发射机设计 86
4.1 电磁发射机概述 86
4.2 井下电磁发射机原理与构成 88
4.2.1 井下电磁发射机工作原理 88
4.2.2 定向测量探管 90
4.2.3 井下电磁发射机质量的评价标准 93
4.3 井下电磁发射机拓扑结构与负载等效模型 94
4.3.1 井下电磁发射机功率电路拓扑结构 95
4.3.2 井下电磁发射机的SPWM控制原理 97
4.3.3 井下电磁发射机负载等效模型 99
4.4 井下电磁发射机硬件设计 102
4.4.1 井下电磁发射机主控系统设计 102
4.4.2 发射机H桥功率驱动电路设计 105
4.4.3 井下电磁发射机检测电路设计 106
4.4.4 发射机与定向探管接口电路设计 109
4.4.5 井下电磁发射机供电电源设计 109
4.4.6 井下电磁发射机仪器结构设计 110
4.5 井下电磁发射机软件设计 111
4.5.1 井下发射机系统软件概述 111
4.5.2 μC/OS-II在DSP上的移植 114
4.5.3 井下电磁发射机的任务划分及优先级 115
4.5.4 井下电磁发射机主程序设计 116
4.5.5 井下电磁调制信号产生子程序 117
4.5.6 输出电压与电流控制子程序 119
4.5.7 发射机与定向探管通信子程序 123
4.6 井下电磁发射机系统测试 124
4.6.1 井下电磁发射机的数学模型分析 124
4.6.2 井下电磁发射机的LC滤波分析 125
4.6.3 井下电磁发射机双闭环PI控制 127
4.6.4 井下电磁发射机的仿真模型及结果分析 129
4.7 小结 135
参考文献 135
第5章 随钻电磁信号地面接收系统设计 138
5.1 EM-MWD系统地面接收的工作原理与分析 138
5.1.1 地面接收机工作原理 139
5.1.2 接收机设计关键指标 141
5.1.3 EM-MWD系统工作参数的配置 142
5.2 EM-MWD地面接收系统硬件设计 146
5.2.1 地面接收机硬件设计 146
5.2.2 隔离式安全栅设计 147
5.2.3 低噪声前置放大器设计 149
5.2.4 低噪声滤波器设计 150
5.2.5 司钻指示器设计 151
5.2.6 供电电源设计 153
5.3 地面接收机解调方法 153
5.3.1 电磁波载波同步技术 154
5.3.2 码元同步与帧同步 160
5.3.3 相干解调算法与实现 160
5.4 EM-MWD地面接收系统软件设计 161
5.4.1 EM-MWD地面接收系统软件构架分析 162
5.4.2 EM-MWD地面接收系统软件需求分析 163
5.4.3 电磁波数据的实时获取及处理 164
5.4.4 EM-MWD地面接收系统软件模块设计 165
5.5 远程接收系统方案设计 167
5.5.1 远程接收系统工作原理及主要完成功能 168
5.5.2 远程无线传输协议方案的选择 169
5.5.3 基于ZigBee协议的远程无线电磁信号传输方案设计 170
5.5.4 基于ZigBee技术的无线传输监控软件设计 174
5.5.5 实验结果分析 176
5.6 小结 177
参考文献 178
第6章 EM-MWD系统的信号检测方法 179
6.1 EM-MWD电磁信号的检测技术概述 179
6.2 井下电磁发射机的调制技术 180
6.2.1 EM-MWD系统调制技术优选 182
6.2.2 井下电磁发射机 BPSK 调制信号的产生 183
6.2.3 井下电磁发射机 2DPSK 信号的解调 184
6.3 井场噪声处理方法研究 188
6.3.1 陷波器工作原理 189
6.3.2 50Hz噪声IIR数字陷波器研究 190
6.3.3 50Hz噪声数字陷波器仿真研究 192
6.4 井场噪声自适应抵消工作原理 194
6.4.1 改进的井场噪声自适应抵消工作原理 197
6.4.2 井场噪声自适应抵消方法探讨 199
6.4.3 井场噪声自适应抵消方法仿真 200
6.5 自适应BPSK算法在EM-MWD系统中的应用研究 203
6.5.1 自适应BPSK调制技术原理 203
6.5.2 EM-MWD系统中自适应BPSK相干检测方法研究 205
6.5.3 EM-MWD系统中自适应BPSK相干检测的误比特率 206
6.5.4 自适应BPSK算法仿真 206
6.5.5 EM-MWD系统实测数据分析与处理 209
6.6 小结 213
参考文献 214