智能测调配水装置无线通信技术的研究.pdf

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1、中文摘要 II 论文题目：智能测调配水装置无线通信技术的研究论文题目：智能测调配水装置无线通信技术的研究 专专业：业：测试计量技术及仪器测试计量技术及仪器 硕硕 士士 生：杨生：杨婷婷( (签名签名) ) 导导师：李长星师：李长星( (签名签名) ) 摘要 注水驱油是油田中后期的重要采油手段。目前，各油田普遍采用偏心注水管柱技术 来提高原油采收率。现有的偏心注水方法是根据各油层的理论配水量和实际配水量及嘴 损曲线，粗略选择一个固定的水嘴，用投捞器将堵塞器放入偏心注水井的指定工作筒， 然后用流量计测试各层实际注水量。如果达不到地质方案要求，则需重新更换合适水嘴 后投入工作筒，如此反复，直至注水量

2、达到地质要求。联动测调仪是用于注水井的流量 控制中较为成熟的仪器，其采用的是可调式堵塞器，通过下井仪器的机械臂和井下的配 水器的成功对接来完成数据传输， 从而控制可调式堵塞器的移动改变开度来调节注水量， 此技术依靠机械的结构来完成对接，具有不可靠性。 在联动测调仪的基础上，本文针对对接技术进行改进，采用通过井下低频电磁感应 无线通信技术来完成井下可调式堵塞器与下井仪器之间进行数据传输， 从而实现集测量， 调配为一体的智能测调配水。地面计算机将控制信号传给发送模块，经信号处理之后， 将数据通过发射线圈发送，接收线圈感应到信号，经过解调电路之后恢复出控制信号， 然后输入单片机，单片机控制电机带动堵

3、塞器的开度，来调节注水量。在井下高温高压 的环境下，采用低频感应通信技术实现下井仪器一次下井可以完成各地层的流量的测量 和调配，解决了目前井下常规技术频繁投捞堵塞器，效率低、测调周期长等问题。 关键词：注水井关键词：注水井 偏心配水偏心配水 可调堵塞器可调堵塞器 电磁感应电磁感应 论文类型：论文类型：应用研究应用研究 英文摘要 III SubjectSubjectSubjectSubject ：WWWWirelessirelessirelessireless communicationcommunicationcommunicationcommunication technologytechn

4、ologytechnologytechnology researchresearchresearchresearch ofofofof distributiondistributiondistributiondistribution devicesdevicesdevicesdevices forforforfor intelligentintelligentintelligentintelligent measurmentmeasurmentmeasurmentmeasurment andandandand allocationallocationallocationallocation S

5、pecialitySpecialitySpecialitySpeciality： MeasuringMeasuringMeasuringMeasuring TechnologyTechnologyTechnologyTechnology andandandand InstrumentsInstrumentsInstrumentsInstruments NameNameNameName ：YangTing(signature)YangTing(signature)YangTing(signature)YangTing(signature) InstructorInstructorInstruct

6、orInstructor： LiChangXing(signatureLiChangXing(signatureLiChangXing(signatureLiChangXing(signature ) ) ) ) ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT Water injectionoil displacement is an importantin the later period of exploitation of oil field. At present, the technology of eccentric distribution pipe is us

7、ed widely in oil field to improve the oil recovery factor. The existing eccentric water injection method is shown as follow.Firstly,according to the theoretical water injection amount the actual amount and the nozzle loss curve ,a fixed water nozzle is roughly chosen. The plug will be pull outand a

8、suitable water nozzle will be replaced.Then the blanking plug is put into the specified working barrel of eccentric water injection wells with device,and the actual water injection amount is measured by flometer. After the plug being put into the same workingbarrel,the water injection amount of each

9、 layer will be measured again by flowmeter.The process will be repeated till the water injection amount match the requirement of geology project.Automatic measurement and deploy deviceuse adjustable blanking pug to work is relatively mature in the current water injection technology. The data transmi

10、ssion underground is achieved by connection between the mechanical arm of underground device and water distribution instrument. As this mechanicial technology is not credible, a new method based on this technology is proposed. This paper uses the technology of low frequency communication of Electrom

11、agnetic Induction to achieve the underground data transmission between the adjustable blanking plug and the down hole instrument, thus an intelligent measurement and allocation device is achieved. Control signal is transferred to the send module by the upper monitor and then send to the receive part

12、 after analysis. The control signal is send to the single chip by demodulation circuit. The single chip drives the motor to regulate the value and water injection. Under the environment of high pressure and temperature, the technology of low frequency inductive communication has made it possible to

13、go down the ground only once to measure and allocation the flux in each level flow of the ground. This technology has solved the problem of frequently pulling down the plug device, low efficiency and long cycle measurement. Keywords:Keywords:Keywords:Keywords: WaterWaterWaterWaterinjectioninjectioni

14、njectioninjection wellswellswellswells, , , , EccentricEccentricEccentricEccentric waterwaterwaterwater distributiondistributiondistributiondistribution, , , ,AdjustableAdjustableAdjustableAdjustable blankingblankingblankingblanking plugplugplugplug, , , , ElectromagneticElectromagneticElectromagnet

15、icElectromagnetic InductionInductionInductionInduction Thesis:Thesis:Thesis:Thesis:ApplicationApplicationApplicationApplication studystudystudystudy 目录 IV 目录 第一章 绪论. 1 1.1 引言. 1 1.2 选题的背景及意义. 1 1.3 注水井配水技术国内外现状及发展趋势. 3 1.3.1 国外现状 3 1.3.2 国内现状 3 1.3.3 目前的发展趋势 5 1.4 课题研究的主要内容及创新点. 5 1.4.1 课题研究的主要内容 5

16、1.4.2 课题的创新点 5 第二章井下无线通信技术的研究. 6 2.1 无线通信的井下环境及通信频率段选择. 6 2.1.1 注水井井下空间环境的介绍 6 2.1.2 井下无线通信频率段选择 6 2.2 短距离无线通信技术的研究及井下通信方式的选择. 7 2.2.1 短距离无线通信技术的研究. 7 2.2.2 适合井下传输数据的通信方式. 9 2.2.3 井下通信方式的选择 9 2.3 电磁感应测井原理及电磁感应通信原理. 10 2.3.1 电磁感应测井原理 10 2.3.2 电磁感应通信的原理. 12 2.4 井下电磁感应等效模型和模块中各参数的确定. 13 2.4.1 模拟等效回路 13

17、 2.4.2 等效电路分析 13 2.4.3 导磁材料和导磁环的参数选择 14 2.4.4 井下的收发线圈的参数的确定 14 第三章 注水井智能测调配水装置总体设计. 17 3.1 注水井智能测调系统介绍 17 3.1.1 注水井智能测调系统总述. 17 3.1.2 注水井智能测调系统各系统介绍. 17 3.2 注水井智能测调工艺的组成 19 3.3 智能测调配水装置的配套工具及仪器介绍. 20 3.3.1 配水器 20 目录 V 3.3.2 Y341-114 型封隔器21 3.3.3 可调式堵塞器 21 3.3.4 流量计 22 第四章 智能测调配水装置的硬件设计. 23 4.1 智能测调配

18、水系统 23 4.1.1 智能测调配水系统框架介绍 23 4.1.2 智能测调配水系统原理介绍 24 4.2AT89S52 单片机24 4.2.1AT89S52 单片机简介.25 4.2.2AT89S52 单片机硬件电路.25 4.2.3AT89S52 外围电路硬件设计.26 4.3 D/A 转换电路27 4.3.1 D/A 转换指标.27 4.3.2DAC0832 芯片介绍28 4.3.3 DAC0832 硬件电路设计.29 4.4 功率放大电路. 29 4.5 控制电机转动及保护电路. 30 4.6 调制解调电路设计. 30 4.6.1 调制原理介绍以及方式确定 31 4.6.2 解调原理

19、介绍以及方式确定 32 4.6.3 调制解调硬件电路 34 第五章 智能测调配水装置的软件设计. 39 5.1 系统软件设计思想 39 5.2 系统各部分软件设计. 39 5.2.1 主程序 39 5.2.2 下井仪器单片机控制系统软件流程设计 40 5.2.3 单片机控制电机系统软件流程设计 41 5.2.4 温度采集子程序 41 5.2.5 压力采集子程序 42 5.2.6 流量采集子程序 42 5.3 测控软件界面设计. 43 第六章 模拟实验. 46 6.1 电磁感应通信实验. 46 6.1.1 电磁感应通信线圈线径的确定实验 46 6.1.2 电磁感应载波波形的确定实验 47 目录

20、VI 6.1.3 电磁感应环境的模拟实验 48 6.1.4 电磁感应的通信距离实验 49 6.1.5 电磁感应通信载波频率的选择实验 49 6.2 调制解调的实验. 52 结论与展望. 55 致谢. 56 参考文献. 57 攻读硕士学位期间发表的论文. 59 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.11.1 引言引言 在油田采油的中后期，油层的压力逐渐下降，当油层的压力下降到低于油气的饱和 压力时，就会严重影响采收原油的效率。所以在采油自喷阶段的后期，我国油田采用注 水驱油的方法来提高开采原油的效率。注水驱油就是在地层里注水，用来补充已采出原 油所占的空隙，使得油层压力保持稳定或者上升，达到油井高

21、产稳产、提高采收率的目 的。理论上注水驱油就可以使原油的开采可以达到稳定高产的目的，但是针对于我国的 各地区地质情况不同，各个地层在不同时期的需注水量各不相同，笼统的注水显然是不 行的，注水的情况直接关系到原油的采收率。目前分层注水技术发展起来，从“常规偏 心注水技术”和“同心集成分层注水技术”到“偏心注水井分层流量自动测调仪” ，目前 最先进的技术就是 “可调式堵塞器配水技术” 。 可调式堵塞器配水技术虽然有了很大改进， 省去了反复投捞堵塞器的麻烦，但同时可调式堵塞器技术还是需要完成与下井仪器的调 节臂对接才能完成井上对可调式堵塞器的控制，工作的难点是完成下井仪器的调节臂与 可调式堵塞器的对

22、接需要大量的时间和人力。在井下实现无线通信技术，使下井仪器与 可调式堵塞器之间采用不接触的方式实现传输的数据，完成地面计算机对可调式堵塞器 的控制，采用双向性的通信，既可以实现井上对井下可调堵塞器的控制又可以把执行信 息数据反馈给地面计算机，从而实现智能的边调边测的配水技术。 1.21.2 选题的背景及意义选题的背景及意义 随着世界各国经济高速的发展，对能源的需求日益增长，各国对于有限的不可再生 的石油敏感度越来越高，目前急需提高石油探测和开采方面的技术。 在我国油田采油过程中，首先是利用油层的压力将原油举升到地面进行开采，即采 油的第一阶段自喷阶段，其采收率为 30%左右；当油层的压力消耗到

23、不能再把油举 升到井口时，可以由注水井将水注入地层来维持地层的压力，即进入了采油的第二阶段 注水驱油阶段，其采收率 20%-30%1；注水驱油后期由于原油吸附在岩石空隙间难 以开采，需要用物理和化学方法来驱出残余油，即三次采油，此阶段采收率为 40-50%。 注水驱油技术是目前油田实现提高采用效率的重要的途径。如图 1-1 所示，把水注 入油藏系统中，这样挤压油层既补充了已采出原油层中所占的空隙体积又把能量输了进 去，注入水参与了油藏系统内的物质运动和物质交换过程，保持了油藏能量，同时取代 了它们在油藏中的位置，从而使原油的采收率得到提高。 针对我国非均匀地质多油层砂岩的地质面积大，边水不活跃

24、的特点，我国在注水驱 油方案上，实行早期内部注水，保持各个地层的压力平衡。但是由于注水过早，地层压 力可以维持不变，原油的自喷就会导致在各地层间，地层内部和同一平面上形成差异， 最终导致注入水的地层形成单层突进，原油里很早见水的新问题。为了解决这一新的问 题2，必须针对各油层的具体情况，有区别地注水,即分层注水。分层注水技术是在各 西安石油大学硕士学位论文 2 图 1-1 注水驱油示意图 地层中注入该地层所需的注水量，这样原油的采收率才能达到最大。 我国原油的开采过程经历了低含水量期自喷开采、高含水前期机械举升开采和高含 水量后期机械举升的三个阶段，即经历着“会战初期” 、 “中含水期” 、

25、“高含水期”的三 个时期。随着原油开采时期的不同，针对面临的不同的地质情况，分层注水技术也不断 地发展起来。60 年代我国石油开采已经进入了会战初期的低中含水的初期，分层注水技 术首先应用了水力压差式封隔器及配套的验封、不压井作业、分层测试为主要内容的分 层注水工艺，减缓了层间矛盾；70 年代我国石油开采真正步入中含水开采阶段，这时期 我国研究应用了 665 型偏心配水器与防腐油管配套的偏心式分层注水工艺，至今仍有油 田在使用；80 年代我国石油开采步入了中高含水开采阶段，油田综合含水量已经到到百 分之八十，这一时期我国已经开始研究应用小直径分层注水工艺的技术；90 年代，我国 原油开采步入高

26、含水后期开采阶段，对注采结构进行调整，又研究了桥式偏心分层注水 技术。 到 21 世纪原油的高含水后期，随着科技的进步，分层注水的技术很快发展起来， 开 采对象已经是渗透率较低的薄差储层，不仅仅要求分层注入水，更高的要求适时控制各 地层注水量，为了达到各地质层所需注水量要求，以便提高原油的采收率。这时期配水 技术开始采用固定式水嘴，这种调配的方式需要反复投捞堵塞器和更换水嘴，平均单井 更换水嘴的时间需要 4-6 天，劳动强度大并且费时间。随着时代的发展，可调式堵塞水 嘴代替固定式水嘴，这种可调式堵塞器水嘴避免了反复投捞堵塞器更换水嘴，节省了时 间。这种方式是通过机械结构完成井下的堵塞器与下井仪

27、器机械臂的对接，从而控制水 嘴孔径大小实现配水的自动调节，在注水井的这种特殊的环境中，机械结构的可靠性不 高。 在目前发展较成熟的可调式堵塞器的基础上，在井下高温高压和油管空间狭小的环 境条件下，针对上述的可调式堵塞器控制注水量中采用机械结构使井下可调式堵塞器与 第一章 绪论 3 下井仪器的调节臂之间对接的方法进行数据传输的这一技术，本文设计通过无线通信的 方式来实现可调式堵塞器与下井仪器的通信，进行传输数据，避免了对接的麻烦，通过 边调边测方式来达到配注要求，减轻了工人劳动强度，既省时又省力，提高了工作效率， 大大降低了生产成本。 1.31.3 注水井配水技术国内外现状及发展趋势注水井配水技

28、术国内外现状及发展趋势 1.3.11.3.1 国外现状国外现状 国外对于驱油技术也是在不断的发展，在注水驱油的基础上，国外也有注气驱油的 方法，对于在低渗透层注气驱油技术得到了令人瞩目的成绩，在 Grane 油田所利用对注 水与注气驱油方法结合的方法形成了一套比较成熟的技术。Norsk Hydro ASA 公司采用 联合注天然气和水(而并非单独注水)的工艺方法来保持储层压力,开发地处于挪威远海的 北海 Grane 油田，取得了极大的成功，获得了更高的采收率。 在二零零三原油开发的会议上提出了通过脉冲压力的方法来注水，原理是在脉冲压 力维持不变时， 在此期间注水量也是保持不变的， 在加拿大这种脉

29、冲注水技术得到实现， 但是此种方法的不足之处在于随着压力的跃变， 注水量不能瞬时的变化， 就会产生超量， 此种方法还有待改进。 在国外一些国家，对于井下的可调式堵塞器闸门的控制方面，针对用电机控制堵塞 器，来实现调节注水量，由于在井下注水管中的狭小的空间中，对电机的要求是体积不 能太大，所以实现位置控制就相当的困难。最近几年，传感器技术和自动控制技术已经 迅猛发展，使得可调式堵塞器的自动控制调节实现。巴西的石油公司开始研究了智能完 井技术，这种技术是在井下用传感器来获得井下该注水层的信息，再通过数据传输系统 和自动控制系统，来实现实时获得流量数据，实时控制可调式堵塞器，完成注水量即时 测量和即

30、时调节， 最后在井上对井下获得数据的分析调控， 来达到注水量的最优的测调。 这一技术得到了业内人士的大力赞同。这种技术在国际上也迅速的发展起来，据统计到 二零零九年，这种智能的测调井已经超过了一千八百口井之多。直到二零一零年这种技 术市场销售已经到达了六亿美元。目前国际几大石油公司像油井动态公司、贝克休斯和 斯伦贝谢等在智能井上各有发展，油井动态公司注重可调堵塞器控制，贝克休斯则在井 下的数据传输，尤其是在井下实现无线通信技术有所建树。 1.3.21.3.2 国内现状国内现状 近年来，注水井上用的配水器是 665 型偏心配水器，其结构如图 1-2 所示，其工作 原理是流量计测量出注水当前的流量

31、，反馈到井上，在井上把测得的实际的流量数据和 该地层的需配注的流量做比较，人工选择较合适的偏心堵塞器的水嘴，用专业的投捞器 捞出原来的不合适的水嘴，把合适的水嘴放到井下的配水器中调试，在井下继续测量， 如果没有达到该地层配注的流量要求，继续更换水嘴，以便达到所需的注水量；然后再 依次进行下一层的流量调配。根据油田开发数量的增加和地层地质的更高要求，这种通 过反复的投捞水嘴的技术，劳动量大，又费时间又费人力，已经被更新的技术所代替。 西安石油大学硕士学位论文 4 图 1-2 665 型偏心配水器结构图 在偏心配水技术的基础上， 井下分层配水技术蓬勃发展起来， 如固定式配水器技术、 活动式空心配水

32、器技术、偏心配水器技术、液力投捞配水器技术、还有恒流配水技术等。 值得一提的就是测调联动分层注水技术，是目前较为成熟的配水技术。联动测调仪的结 构如图 1-3 所示，此系统是下井仪器通过单芯电缆放入到注水管柱中，通过其导向机构 导向作用，使得联动测调仪的机械臂张开与注水管柱中的配水器的可调式堵塞器对接， 通过流量计测量实际的该层的注水量，此时地面可以实时的检测到注水量与所需配注水 量的差值，根据差值来控制调节可调堵塞器来完成该层注水量的配注。联动测调仪在注 水管柱中上提或者下移3，来配注下一需配注地层，依次完成各地层注水量的调配。这 种技术已经用到了三百五十三口井中，成功率达到了百分之九十六以

33、上，大大的提高了 注水量调配的速度。 图 1-3 联动测调仪的结构图 第一章 绪论 5 1.3.31.3.3 目前的发展趋势目前的发展趋势 随着我国无线通信技术的高速发展，人们已经逐渐着眼于对井下的无线通信技术的 研究。目前，我国石油开采已经到高含水量时期，各油田也越来越注重二次开采技术的 改善，将无线通信技术应用到注水井测调配水中已经被很多人看好，如果无线通信技术 成功的应用于注水量的配注中，会更有效的提高注水的效率，达到稳定的注够水，注好 水，从而达到提高原油的采收率。 1.41.4 课题研究的主要内容及创新点课题研究的主要内容及创新点 1.4.11.4.1 课题研究的主要内容课题研究的主

34、要内容 本文对注水井已有配水设备进行改进，主要研究在可调堵塞器与下井仪器之间通过 无线通信技术传输数据， 通过单片机控制电机带动可调式堵塞器转动来控制水嘴的开度， 从而实现注水井的配水装置智能的配水，提高注水井的配注效率。本系统由井上计算机 控制系统4，下井仪器单片机控制系统和井下单片机控制电机系统三部分构成一个闭环 的控制系统，通过单片机控制电机正反转，电机带动堵塞器旋转来控制堵塞器开度从而 调节注水量。本文的核心研究的是下井仪器单片机系统与单片机控制电机系统之间通过 无线通信方式来传输数据，即在井下高压高温环境以及狭小空间内完成无线通信技术， 重点是要确定无线通信的方式和选择合适的载波频率

35、。 1.4.21.4.2 课题的创新点课题的创新点 首先，在注水井当前的压力和温度等环境条件下，实现无线通信技术，避免了下井 仪器与堵塞器之间采用机械结构对接的不可靠性，提高了工作效率，大大降低了生产成 本。其次，高频信号在矿化度高的水中会瞬间衰减，不适合在井下注水管柱中传输数据， 因此选用低频电磁感应通信技术方式来实现数据的传输。再有，就是实现了 2050cm 的 通信，即使下井仪器未准确到达配注层时与配水器也有良好的数据传输，改进了常规的 接触式配水的技术。最后，在井下用单片机来控制电机的正反转从而带动堵塞器转动控 制堵塞器开度来控制注水量。该技术是在不改变现有分层测试技术及工艺管柱的参数

36、基 础上进行的，是原有技术的延伸和发展，适应性强。 西安石油大学硕士学位论文 6 第二章井下无线通信技术的研究 近年来，通过对井下环境和地质情况进一步了解，人们对井下的通信技术，从电缆 等有线的传输数据方式，已经转向研究井上、井下通过无线的方式进行数据传输，例如 电磁感应测井技术和随钻测量系统已经广泛的应用于各油田。随着对井下的无线传输数 据的研究，尤其是在随钻测量系统中成功的应用，通过无线通信技术获得了井下传感器 测量井下的温度压力。井下的无线通信技术包括光纤技术、电磁波、声波、泥浆压力波 等无线传输方式进行井上井下的数据传输，由于井下高温高压环境的限制，实现过程中 遇到了不同程度的问题，所

37、以这些技术还在发展和完善中。 在井上和井下无线通信技术的基础上，本文研究在井下配水器的可调堵塞器与下井 仪器之间通过无线通信，从而实现智能测调配水装置的边调边测的过程，使得注水量达 到最优化。本章通过对井下环境的研究，确定井下数据传输的频率段，从而确定无线通 信的方式，即利用电磁感应的方式进行的无线通信，通过对电磁感应的原理及电磁感应 信号传输的原理研究，建立了电磁感应传输的系统模型，为后面进行的实践提供了理论 基础。 2.2.1 1 无线通信的井下环境及通信频率段选择无线通信的井下环境及通信频率段选择 2.2.1 1.1.1 注水井井下空间环境的介绍注水井井下空间环境的介绍 井下的空间环境的

38、特殊性表现如下： 1） 无线通信系统是在狭小的空间即最小中心通 径为48mm 的注水管柱中进行；2）注水管柱中配水器的最大外径尺寸为92mm； 3） 注 水管中最大压力 60Mpa；4）注水管柱中温度范围为-20C150C；5）整个系统是在注水 管柱的水环境中进行的，注入的污水杂质含量高。针对注水井中这种高温高压的恶劣环 境，注水管内径48mm 的狭小空间，系统的总体体积势必会受到限制；在注水钢管管柱 中，钢管对信号会有屏蔽效果；注水管柱中注入含有杂质的水，其矿化度高，腐蚀性强， 电导率很高，进行无线通信的载波信号在井下传输时的衰减大。可见井下的环境复杂， 在选择无线通信技术方式和载波频率时，

39、考虑的影响因素会更多，技术要求更高。 2.2.1 1.2.2 井下无线通信频率段选择井下无线通信频率段选择 按照无线通信其工作频率不同，可以分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通 信。按无线电信号的频率分类如下表 2-1 所示，频谱可以分为甚低频 VLF，低频 LF，中 频 MF，高频 HF，甚高频 VHF，特高频 UHF，超高频 SHF，极高频 EHF，红外、可见光、 紫 外，可以看出每个频率段都有其传输媒介和用途。 在井下高压高温的恶劣环境中，当接入高频信号由于其变化率大，就会导致信号的 不均匀的分布，电荷会集中在导体的表面，会产生最大的感应电动势。由电磁感应的原 理我们知道在附近的闭合

40、回路中会产生感应电流，感应电流的方向和高频信号电流的方 向相反，会和原来电流形成相反的作用，减小了原来电流的方向，导致电流只限于靠近 导线外表面处。这样，因为信号传送时，衰减很大，所以趋肤效应使导线传输高频（微 波）信号时效率很低，而且随着频率的升高，趋肤效应就更为显著，信号衰减的越快。 第二章 井下无线通信技术的研究 7 表 2-1 频谱分类表 频率范围名称常用媒介用途 3Hz30Hz甚低频 VLF 超长波无线电音频、电话、数据终端、长 距离导航、时标 30Hz300kHz低频 LF长波无线电导航信标、电力线通信 300kHz3MHz中频 MF同轴电缆中波 无线电 调幅广播、移动陆地通信、

41、业余无线电 3MHz 30MHz高频 HF同轴电缆短波 无线电 移动无线电话短波广播定点 军用通信无线电 30MHz300MHz甚高频 VHF 同轴电缆超短 波无线电/米波 无线电 电视、 调频广播、 空中管制、 车辆通信、 导航、 集群通信、 无线寻呼 300MHz3GHz特高频 UHF 波导微波/分米 波无线电 电视空间遥测雷达导航点对 点移动通信 330GHz超高频 SHF 波导微波/厘米 波无线电 微波接力、 卫星和空间通信、 雷达 30300GHz极高频 EHF 波导微波/毫米 波无线电 雷达、微波接力、射电天文 学 从能量角度看，高频的电磁射入导体表面后，在导体中感应出一个高频交变

42、的涡流，涡 流又产生一个高频交变的电磁波，这个电磁波在导体内部的相位与入射波的相位正好相 反，同时涡流的产生还导致场能的消耗，结果使得导体内部的电磁场随着深入距离的增 加按指数衰减。而井下在高杂质的注水中，其矿化度高，腐蚀性强，电导率很高，由于 物流强度的相互影响使得传输的信号会大大的减弱，也就是周围水环境的电导率越大， 趋肤效应就越强，信号的衰减就越大。实践证明，甚低频 VLF 以及低频 LF 和中频 MF 的 低频区域，信号的衰减是随着频率的增大成指数衰减，在高频 HF 衰减达到最大，甚至在 水环境里信号会瞬间衰减为零， 这些频率段不利于信号的传输;进入甚高频 VHF 后,衰减随 频率上升

43、而减小，因此我们不选用甚高频 VHF 段。对于无线通信来说频率段的选择、载 波频率的选择是通信成功与否的关键，在甚低频 VLF 段，频率太低由于变化太缓慢其能 量小不足以实现无线通信 5，所以只有我们选择合适的载波频率才能成功的通信。综上 所述，在井下实现无线通信工作频率我们选择低频 LF。 2.22.2 短距离无线通信技术的研究及井下通信方式的选择短距离无线通信技术的研究及井下通信方式的选择 2.2.12.2.1 短距离无线通信技术的研究短距离无线通信技术的研究 科学技术高度发展的今天，短距离无线通信技术尤其是移动通信技术进入了一个高 速发展的阶段，人们在不同频段上研究通信的技术，为了避免相

44、互干扰，各个国家内部 西安石油大学硕士学位论文 8 规定频段的使用，随之产生了不同的通信协议，像工业、科学、医学（ISM）频段（868 MHz915 MHz）都有不同频段及各自的通信协议。无线通信技术的研究不仅要考虑的频率 的限制也要考虑传输距离，不同的传输距离无线通信的技术也是不同的。在短距离无线 通信的很多技术高速的发展起来，像 WLAN 技术、蓝牙技术、WiFi 技术、蓝牙技术、 紫蜂（ZigBee）技术、射频识别（RFID）技术以及 WirelessUSB 技术，各自通信技术都有 各自的通信技术标准 a.无线局域网(WLAN)技术 6 WLAN 是一种以无线的方式构成计算机的局域网，实

45、 现计算机不受空间限制的移动。WLAN 采用的是 IEEE802.11 通信标准，工作在 5 GHz 频 带，物理层速率 54Mbps，传输层速率 25Mbps。它适合在同一区域接入不同用户，每个用 户还可以不同的的终端服务，无线传输数据距离可 100m。它的缺点就是设备很贵，还没 有成熟的步入市场，一对一的接法已经被淘汰，比较适合大型的设备。 无线局域网(WLAN)包括一种 IEEE802.11b 的产品称为 WiFi，其工作在 2.4GHz 频 段上。这种无线通信的方式是新的有特色的局域网的方案，其优点在于速度快，效率高， 方便移动。其采用的是 DSSS 技术，最理想时其速率的理论值为 1

46、 1Mpit/s。一般情况三 四十米的传输距离的速率为 6Mbit/s； 四五十米的传输距离的速度为 4Mbit/s， 七八十米 的传输距离的速率为 2Mbit/s。 b.蓝牙(Bluetooth)技术7在短距离无线传输数据中，通信的技术规范还不完全公 开，最新的公开的技术标准就是蓝牙(Bluetooth)。其标准是 IEEE802.15.工作在 2.4GHz 频带，其传输的频带宽度为 1Mb/s，采用一对一的方式或者采用一对多的方式连接，采 用异步不对称的传输的速度为 723.2kb/s。其特点是花费少，能够实现多用户共享资源， 能够完成个设备相互传输语音数据。该无线通信方式比较适合频带宽多

47、媒体的人群。其 缺点就是其安全性低。 c.紫蜂(ZigBee)技术8ZigBee是一种拓展性强、 易建成为低成本无线网络的设备， 具有低耗电、双向传输和感应功能等特点。ZigBee 设备工作在 2.4GHz 全球通用 lsM 频 段和 868MHz(欧洲 ISM 频段)/gl5MHz(北美 ISM 频段)三个频段。ZigBee 技术采用 802.15.4(Zig.Bee)协议。ZigBee 通过使用 IEEE 802.15.4 标准的 PHY 和 MAC 层，支持几 乎任意数目的设备的通信，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备 中，同时支持地理定位功能。Zigbee 技术是一种

48、低功耗，低时延，低成本的无线通信的 技术，其不足的地方就是传输数据的速率低。 d.射频识别(RFID)技术短距离无线通信技术应用研究 RFID(Radi Frequency Identification)射频识别技术是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号 和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性来识别目标对象并获取相关数据。 RFID 的使用频 率有 6 种， 分别为 135kHz、 13.56MHz、 433.92MHz、 860MHz930MHz、 2.45GHz 以及 5.SGHz。 工作在低频、 高频和特高频的即 ID 产品， 分别符合不同的标准， 具有不同的特性和应用， 广

49、泛应用于物品的跟踪，交通运输等物品识别和跟踪设备中。我国射频识别技术应用状 第二章 井下无线通信技术的研究 9 况还处于初级阶段，技术还不是很成熟。 2.2.22.2.2 适合井下传输数据的通信方式适合井下传输数据的通信方式 目前井下数据传输的方式有两种类型，包括有线传输和无线传输。有线传输采用电 缆的数据传输， 依靠油管柱的传输以及光纤传输。 无线传输数据的方式包括泥浆脉冲法， 电磁法，声波传输法和电磁感应传输法。 在井下传输数据的有线传输方式中，采用电缆传输的方法需要将电缆套入钻杆内部 实现电缆的数据传输，这种方法传输的特点就是传输的速率很高，可以实现数据的双向 传输，其不足的地方是工艺比较复杂；靠钻杆传输数据方式，是通过特种钻杆来实现的 数据传输，此种方法虽然传输数据上简单，速率快，但是采用特种钻杆的造价很高；光 纤电缆传输方法，传输数据成本不高，需要很多物理电缆，可在短时间内应用，不足之 处就是光纤电缆微小很容易磨损。 井下的无线传输的方法都应用在测井中，像电磁感应测井技术和随钻感应测量技术 已经广泛的应用于各油田。在随钻感应测量系统中按照其传输的信号有不同的技术，包 括泥浆脉冲法、电磁波法和声波法。泥浆脉冲法特点是不需要像电缆或者特殊的钻杆的 数据传输的信号，依靠泥浆传输