摘要
传统的随钻测量方法应用于取心钻探时，受限于岩心管对泥浆脉冲传输通道的堵塞，随钻仪器安装于取心钻具后方，导致测量仪器与钻头之间存在较大距离，造成测量的轨迹及工况数据存在滞后性，影响钻探工艺及轨迹的精确控制。针对此问题，提出了适用于绳索取心的近钻头随钻测量系统，利用近钻头发射端实时采集工况及轨迹数据，采集到的数据经甚低频电磁波发送到与取心钻具内管总成相连接的接收端进行存储，待取心完毕打捞岩心管时将仪器提出进行数据读取。介绍了系统的整体方案及电路设计，开展了系统短传功能的室内验证试验，试验结果表明系统可在井下进行跨取心钻具的近钻头信息传输，且无线短传距离可达8 m。研究成果可为近钻头随钻测量系统的相关研究提供借鉴。
绳索取心钻探已经成为地质岩心钻探的主流技术方法，在固体矿产资源勘探过程中得到了广泛应用，它利用岩心管与绳索打捞相结合的方式，实时获取地下岩心资
传统的随钻测量普遍采用泥浆脉冲进行数据传
近年来，电磁波在井下数据传输领域展现出巨大潜力，其传输速率快及受泥浆性能影响低等优点，为解决传统随钻测量技术中数据传输问题提供了新的思路。胡中志
基于此，本文结合绳索取心定向钻探需求以及甚低频电磁波传输特性，设计了适用于绳索取心的近钻头随钻测量系统，克服了传统数据传输方式不适配的问题，实现了近钻头与地面的半实时单向通信，为近钻头无线短传系统的设计研究提供一种新的思路。
图1 系统整体方案示意
Fig.1 The overall scheme diagram of the system
在实际取心作业中，由于钻具所在的井下环境恶劣，对信号发射和接收电路的稳定性与可靠性提出了较高的要求。为保证近钻头随钻测量系统的正常工作，设计时必须优选满足井下温度及振动需求的电子元器件，同时还需简化电路，以提升可靠性。近钻头随钻测量系统信号传输流程如
图2 信号传输流程
Fig.2 Flow diagram for signal transmission
通信系统中原始信号能量较低，不适合直接传输，一般将原始电信号加载到高能量的载波信号上，这个过程称为调
| (1) |
式中：A——幅值；——相位；——第1个余弦信号频率；——第2个余弦信号频率；t——时间。
保持余弦波的幅值以及相位为常量，利用余弦波的频率来传递基带数字信号。假设余弦波频率与基带信号的表征关系如
| 载波信号 | /kHz | 基带信号 |
|---|---|---|
| 10 | 1 | |
| 40 | 0 |
FSK信号的解调方法分为相干解调和非相干解调两大
锁相环解调法原理如
图3 锁相环解调法原理
Fig.3 Principle block diagram of phase‑locked loop demodulation method
当接收信号与压控震荡器的初始震荡信号存在相差，将鉴相器输出的相差信号微分后，得到反映两者信号之间的频差信号，此频差信号经环路滤波器平滑处理后，控制压控振荡器的振荡频率向输入信号频率靠近，最终使二者频率相等从而实现解调过程。
设输入信号：
| （2） |
式中：wi——输入信号角频率；——随时间变化的相位偏移。
压控振荡器输入信号：
| ) | （3） |
式中：wv——振荡器输入信号角频率；——初始相位。
则有：
| （4） |
式中：——输入信号角频率和振荡器输入信号角频率差值；——低通滤波器输入信号
当输入信号为单载波信号时，可得：
| （5） |
上式反映了输入信号和压控振荡器输出信号的频差。对于FSK信号来讲，上式即为调制信号，对其进行滤波判决，即可完成FSK信号的解调。
未经过功率放大的信号通常较弱，无法在较长的距离上传输。因此信号调制后需将mV级别的信号进行放大后再发射，以便增加信号传输距离。本系统使用两级功放电路，先使用初步功放电路对mV级的正弦信号进行电压放大，再通过二级功放电路对信号进行电流放大，经过二次放大的信号能够直接驱动发射天线的负载线圈。
信号在传输过程中由于地层的阻隔衰减严重，且夹杂大量噪声，因此需要对信号进行滤波处理。带通滤波器选定为巴特沃斯滤波器，使用两个二阶巴特沃斯滤波器组成四阶带通滤波器。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为
图4 带通滤波器阶跃响应
Fig.4 Step response of the band‑pass filter
近钻头随钻测量系统发射性能是验证整体性能的基础，因此需对发射信号进行测试。通过软件程序设定输出频率为10、40 kHz的正弦波、以及10 ~40 kHz的FSK信号，程序设定输出幅度（幅度为峰峰值）为830 mV，采用示波器测量得到的输出波形如
图5 发射信号输出波形
Fig.5 Output waveform of transmitted signal
初级功率放大器为可调电压放大器，通过旋转可调电阻来实现放大倍数的调节。在输入信号的电压为800 mV时，可实现输出信号电压2~5 V的无级调节。在供电电压一定的情况下，当放大倍数过高时会出现削峰现象。测试结果如
图6 功放电路输出信号
Fig.6 Output signal of power amplifier circuit
从测试结果看，初级功率放大器放大倍数符合预定设计目标。在调整合适的情况下，输出信号的峰值最高能达到5.04 V，信号稳定无变形且无明显毛刺，但信号中夹杂高频噪声。
二级功率放大电路的性能直接关系到整个发射系统的信号强度，因此需对其信号输出波形及输出电流进行测试。二级功放模块直接由锂电池供电，模块的最大供电幅值电压达到28 V。测试时输出幅度值为830 mV的正弦波信号作为初始信号，初始信号经过一级功放抬高输出信号幅值电压到5.04 V后，再接入二级功率放大器进行电流放大，提升系统的负载能力。此时二级功放输出信号幅度值为17.4 V。将电流表与负载串接在输出电路中，测得携带负载线圈的情况下的输出电流为160 mA，输出信号的波形图如
图7 接入负载输出波形
Fig.7 Access load output waveform diagram
接收端系统主要测试其能否过滤环境中的噪声。通过设置输入频率10~40 kHz 的FSK正弦信号进行测试验证。为验证解码正确性，在发射端重复发送“11101010”的八位二进制基带信号，对基带信号FSK调制，其中“1”对应高频40 kHz的正弦交流信号，“0”对应低频10 kHz的正弦交流信号。调制后的信号经过功率放大由发射天线线圈进行发射，接收线圈与发射线圈的距离为8 m，用示波器分别测量发射线圈、接收线圈两端输出的信号波形进行对比，所得结果如
图8 信号传输过程波形
Fig.8 Waveform during the signal transmission process
接收信号波形表明当传输距离为8 m时，接收到的初始信号已夹杂大量噪声干扰信号。当通过放大电路与带通滤波器之后，FSK信号已经基本还原，但由于带通滤波对不同频率信号的增益不同，导致高频分量与低频分量产生了幅值差。最后经过FSK解调芯片后，信号被还原成代表“1”的高电平与代表“0”的低电平。由此证明了设计的接收端能够完成预定的设计目标，将接收到的信号还原成基带信号。
实物组装完成后（如
图9 绳索取心近钻头随钻测量系统实物
Fig.9 Picture of near‑bit measurement while drilling system for wire‑line coring
图10 试验结果
Fig.10 Experiment results
读取的温度数据平均值为16.9 ℃，水温为17.0 ℃，测量误差在+0.2~-0.2 ℃之间，符合温度传感器正常误差范围，由此证明在8 m的传输距离内，所研发的绳索取心近钻头随钻测量系统能够满足数据实时采集及无线传输的需求。
本文提出了一种绳索取心近钻头随钻测量系统，克服了传统随钻测量方法采集数据滞后性问题，实现了近钻头与地面的半实时单向通信。通过室内模拟环境下的井下通信试验，验证了该系统能够在8 m的传输距离内稳定可靠地实现数据的传输，满足近钻头数据实时采集及无线传输的需求，为绳索取心钻探工艺随钻测量系统的研究提供了新的思路。
未来将从二个方面继续开展研究：（1）目前的传输距离为地表试验下的最远传输距离，当距离超过8 m后将会产生较多误码，因此未来将对解码的硬件电路进行优化，同时也考虑加入纠错码软件优化算法，以进一步提升信号传输距离；（2）目前研发所用电子器件均不耐高温环境，若应用于超深井及地热井时，井下的工况温度将超过电路的承受温度，因此未来将优选耐高温的传感器及电子器件，并结合高温合金材料、散热涂层和微型散热器等复合手段，以进一步提高耐温范围，拓展在高温井下环境的应用。
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