EM-MWD天线绝缘材料的设计
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作者:连杰 张冀冠 陈翔
摘要：电磁波随钻测量系统（EM-MWD）作为煤矿钻井定向施工的一项新技术，应用效果好、成本低，但是在应用过程中，EM-MWD天线绝缘组件容易塑性变形，出现断裂等问题，为了解决这个问题对EM-MWD天线绝缘材料进行设计，选择LPP，设计的绕包层数最多为27层，绝缘材料在绕包过程中留有2mm的缝隙。最后对制作的实验样品进行了交流击穿实验和仿真分析，结果表明：液氮环境下使用的LPP的交流击穿场强威布尔概率为4.86%，雷电冲击击穿场强概率为3.21%。绝缘层的长度一般为0.5m，避免由于绝缘层较短造成的地面接收电压变低。当绝缘层的电阻达到数百欧姆就可以满足实际应用中的相关要求。
关键词：EM-MWD;天线;绝缘材料;LPP
中图分类号：TQ352
文献标识码：A
文章编号：1001-5922（2020）07-0071-03
煤矿井下定向施工钻井，实时测量钻孔倾角、方位角、工具面向角等主要参数，绘制钻孔轨迹并根据需要调整钻进姿态，可提高钻孔施工质量，保证煤矿安全高效开采瓦斯，以及超前、区域、精准防治灾害。随钻测量系统是钻井定向施工的必要支撑，电磁波随钻测量系统（EM-MWD）不受钻井液的限制，受到广泛的关注和研究。
在定向井作业过程中，当钻井液中充气或者采用泡沫、空气钻井时，MWD将无法正常工作，而电磁波随钻测量仪（EM-MWD）的优势在于对传输介质的非依赖性。EM-MWD井下信号的发射以绝缘耦合组件为载体，两路信号施加于绝缘耦合组件两端，构成偶极天线系统。目前绝缘耦合组件多采用复合绝缘材料隔离金，属的方式，由于绝缘组件为非金属材料，导电铜棒为刚性差的导电铜棒，绝缘组件容易发生疲劳弯曲。而且两端均由螺母锁紧，当井下应用超过一定时间后，由于井下振动，螺母会有所松动。一旦螺母松动，整个仪器串的自重及泥浆的冲击力将由绝缘杆与上配合接头，下配合接头与上配合接头之间的连接螺纹承担，由于上配合接头为非金属材质，强度低，很容易发生此处螺纹断裂，而造成仪器损坏。绝缘组件也为非金属材质，容易塑性变形，当发生疲劳变形后，同样会造成上述问题。因此，本文对EM-MWD天线绝缘材料进行设计，期望解决上述问题。
1井下激励装置
1.1系统结构
电磁波随钻测量系统（EM-MWD）主要包括井下系统和地面接收系统两部分，井下系统包括电源系统发电机和电池组、测量传感器、数据调制与发射电路、绝缘电偶极子发射天线、钻铤系（无磁钻铤、绝缘鉆铤和动态方位伽马钻铤）24，井下系统是井下钻具组合的一部分，井下系统结构见图1;地面接收系统包括地面接收机（DSP处理器、阈值调节器、低通滤波器、前置放大器）、司钻显示器、计算机（数据图形界面显示软件、信号滤波解调软件等）。地面接收系统的主要作用是实时接收、转换、记录地下采集的有用信号。
1.2工作原理
电磁波随钻测量系统（EM-MWD）由绝缘的电磁发射天线分隔成2个电极，一个电极经过钻柱进行传导到地面井台，另一个电极从地层进行传导传输至地面的接收天线，地面接收机分别和这两个电极进行连接，形成一个闭合的回路。当EM-MWD在井下进行工作时，将激励电压加在两个电极之间，激励电流从正极出来一部分沿上段钻柱向上流动，这部分电流由于地层导电的原因很大部分电流泄露到地层中，在负电极的吸引作用下，这部分泄露电流在下段钻柱的负极上聚集。接收天线与钻柱之间有电流通过，地面接收到的信号经过地面接收机的处理如降噪、放大、解码之后发送至计算机，在计算机屏幕上显示相关的结果，并将结果存储在计算机中。
天线绝缘材料的设计
2.1天线
EM-MWD中的绝缘钻铤式电偶极子天线将钻柱部分（钻铤以上）和钻头部分（钻铤以下）分成两个电极，见图2。发射模块将发射信号加在钻柱和钻头两极，钻柱、钻头和地层构成信号电流回路。钻铤断开处接入连接器，该连接器表面通过电化学方法由绝缘材料形成绝缘层，接人连接器之后形成发射天线的两极。为了保证绝缘效果，需要设计高性能的绝缘材料。
2.2天线绝缘材料的设计
2.2.1绝缘的材料选择
绝缘材料主要包括聚丙薄膜复合木纤维纸（PPLP）、聚四氟Z烯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯层压纸（LPP）及纳米复合材料等。本研究中天线的绝缘材料选择LPP，LPP绝缘材料的介电常数为2.2，该在沸点为77K的液氮浸渍条件下具有良好的电气性能和机械性能，LPP薄膜的厚度大约为0.12mm，EM-MWD工作中地面接收承受的最高工频电压为60kV，在考虑一定宽裕度的情况下，设计的绕包层数最多为27层。
2.2.2绝缘绕制的原则和方法
绝缘材料在绕制过程中应该注意拉伸强度、表面摩擦系数等特性，对于绕包来说尽量使绝缘材料“紧而不皱”，保证“紧而不断”，尽可能的减少层与层之.间存在的孔隙，同时在绕制过程中不能过紧，以防止出现低温断裂的情况。根据相关的研究可知，缝隙之
间的距离对于击穿电压的影响较大，因此，为了防止试验时出现岩缝隙爬电击穿的现象，根据EM-MWD中绝缘层的结构，采用对缝绕包工艺，绝缘材料在绕包过程中留有2mm的缝隙。
2.2.3绝缘材料LPP击穿强度试验
采用的绝缘材料LP的厚度为0.12mm，松装密度为0.90土0.10g/m'，湿度为7.0%，对制作的实验样品进行了交流击穿实验，得出液氮环境下使用的LPP的交流击穿场强威布尔概率为4.86%，雷电冲击击穿场强概率为3.21%。
2绝缘层关键参数仿真分析
EM-MWD绝缘层的设计主要是绝能性能的分析和绝缘层的长度确定，这两个参数的确定需要进行仿真分析，仿真实验采用ANSYS软件构建EM-MWD信号传输仿真模型，为绝缘材料的设计提供理论支持。 1）仿真模型构建。构建仿真模型时，做出如下假设：①地层全部为均质地层;②井眼轴线与钻柱的轴线相互重合;③钻柱全部为钻杆。模型简化之后，EM-MWD地下和地上部分具有对称性，因此，选择平面对称模型实现信号的传输分析。模型的主要参数设置如下：钻杆的电阻率为2x1072.m、钻杆的外径为73mm，壁厚为9.19mm，地层深度为2300m，井深为2000m、地层圆周半径为2000m、下部钻柱的长度为5m;激励源信号发射功率和发射频率为5W、2.5Hz，根据模型的需要确定绝缘层的长度和电阻值。设定地层的电阻率为25Q.m、绝缘层的电阻和长度分别为10M92、Im，在仿真结果中显示以钻柱为中心，与钻柱之间的水平距离越大地面电位逐渐降低。
2）绝缘层长度分析。分析绝缘层长度对信号传输的影响时，假设绝缘层的电阻值为10M2，地面接收电极和钻柱之间的水平距离为50m，仿真结果显示，绝缘层的长度越长，地面接收电压值会随之增大，当绝缘层的长度达到定值之后，地面接收电压值变化也趋于稳定，不再明显，地层的电阻率越大，钻井液电阻率越小，地面接收电压达到最大值对应的绝缘层长度越长，这是因为在高阻地层和低阻钻井液条件下，如果绝缘层的长度比较短则在绝缘层附近容易形成局部涡流，造成激励源有效发射功率降低，地面接收电压变小。在实际工程中绝缘层的长度一般为0.5m，避免由于绝缘层较短造成的地面接收电压变低。
3）绝缘层电阻分析。设定绝缘层的长度为lm，钻井液的电阻率为109.m，仿真结果显示，随着绝缘层电阻值的增加，地面接收电压值也会逐渐变大，但是增加的速度比较平缓，地面接收电压值最大时，绝缘层的电阻也最大。这是因为在高阻地层中，由于绝缘层电阻较小，激励源電流通过绝缘层形成电流回路而造成功率的损耗，減小了井口的接收电压。而EM-MWD在应用过程中地层的电阻率一般比较小，不会高于2002-m，所以当绝缘层的电阻达到数百欧姆就可以满足实际应用中的相关要求。
4结语
对研制的EM-MWD天线绝缘材料进行设计和仿真分析得到以下结论：①该绝缘材料选择LPP，LPP薄膜的厚度大约为0.12mm，EM-MWD工作中地面接收承受的最高工频电压为60kV，在考虑一定宽裕度的情况下，设计的绕包层数最多为27层。采用的绝缘材料LPP的厚度为0.12mm，松装密度为0.90+0.10g/m'，湿度为7.0%，对制作的实验样品进行了交流击穿实验，得出液氮环境下使用的LPP的交流击穿场强威布尔概率为4.86%，雷电冲击击穿场强概率为3.21%。②采用ANSYS软件构建EM-MWD信号传输仿真模型，绝缘层的长度越长，地面接收电压值会随之增大，当绝缘层的长度达到定值之后，地面接收电压值变化也趋于稳定，实际应用中绝缘层的长度一般为0.5m，可以避免由于绝缘层较短造成的地面接收电压变低。当绝缘层的电阻达到数百欧姆就可以满足实际应用中的相关要求。
参考文献
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