LabVIEW開發(fā)油氣井管道內(nèi)無線通信微波系統(tǒng)

由于石油和天然氣行業(yè)的重要性，許多公司和研究人員正在研究和開發(fā)新的通信和傳感器技術(shù)。需要解決的問題與管道狀況、地震活動、腐蝕水平、可能的氣體泄漏檢測和其他性能問題的實時和連續(xù)監(jiān)測有關(guān)。處理這些問題的最廣泛使用的技術(shù)包括開發(fā)用于物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)監(jiān)控應(yīng)用。然而，今天還沒有一個完全證明的微波系統(tǒng)，它能夠在石油和天然氣管道內(nèi)提供感官信息數(shù)據(jù)交換。

最近的注意力集中在提高油氣井內(nèi)的數(shù)據(jù)通信速率上。在這里，使用兩個壓電致動器將3米管道中的傳輸速率提高一倍。每個中繼器執(zhí)行器從2到6kHz傳輸，信號傳輸使用正交頻分復(fù)用實現(xiàn)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的性能，使用更多的執(zhí)行器可以改善數(shù)據(jù)傳輸。該研究更側(cè)重于計算各種情況下的信噪比和誤碼率，并測量實際數(shù)據(jù)速率或可用帶寬。

項目描述如何將油氣井管道的內(nèi)芯視為圓形金屬波導(dǎo)。傳播環(huán)境由尺寸、結(jié)構(gòu)、材料和波導(dǎo)工作條件決定。因此，在設(shè)置為2.4GHz的工作頻率下，通過可能的模式，導(dǎo)體損耗，EM場和通過波導(dǎo)的功率流進行分析。之所以采用這種方法，是因為有大量低成本的商用RF設(shè)備，這些RF器件的工作頻率為2.4GHz，這本質(zhì)上將降低系統(tǒng)實施成本。此外，采用OFDM時，2.4GHzISM頻段通常用于WiFi通信，并且符合相關(guān)的IEEE802.11協(xié)議。

具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件、地下地質(zhì)和管道的老化可能會導(dǎo)致金屬管道內(nèi)部的一些腐蝕。碳鋼1010的主要元素是鐵（超過99%），并且存在鐵與井下氧氣反應(yīng)的情況。

一種干甲烷混合物C2H4（即天然氣）被認為在管道內(nèi)流動，從而定義了從井內(nèi)到地表的生產(chǎn)流體。在工作中，假設(shè)甲烷混合物在油/氣井壓力和溫度條件下處于氣相，這是大多數(shù)實際天然氣管道的典型特征。

研究當(dāng)使用指令端火天線作為收發(fā)器時，流水線。這里分析的參數(shù)是內(nèi)芯內(nèi)的傳播模式、潮流和傳輸路徑損耗。此外，還檢查了天線在這種封閉環(huán)境中的性能。

選擇用于管道內(nèi)指令場傳播的實用天線對于微波傳輸系統(tǒng)的可靠運行非常重要。最重要的是，天線必須適合同心金屬波導(dǎo)布置，同時在2.4GHz下有效運行?；谏鲜鲈?，使用商用全波仿真工具設(shè)計和優(yōu)化了基于緊湊型平面八木宇田印刷電路板（PCB）的天線。

放置在管道內(nèi)的兩個基于八木宇田PCB的天線的有效增益與自由空間增益不同。這是因為當(dāng)輻射近場放置在引導(dǎo)的圓形金屬環(huán)境中時，它們占主導(dǎo)地位，因為天線產(chǎn)生的近場不會到達遠場區(qū)域。

關(guān)于在油氣井中使用電磁傳播的研究數(shù)量有限，目前的研究工作針對微波通信系統(tǒng)的建模和設(shè)計，其中天線接收器和發(fā)射器模塊被放置在金屬管道中進行油氣井傳感測量，主要是解決管道狀況的實時和連續(xù)性能監(jiān)測，以及其他問題，如腐蝕水平，可能的氣體泄漏檢測，以及其他類似的管道完整性問題。

在擬議的微波傳輸系統(tǒng)的設(shè)計過程中，決定將用于油氣井環(huán)境的管道配置視為所選行業(yè)標準半徑（69.85mm）和工作頻率（2.4GHz）的波導(dǎo)。由于已知管道特性、尺寸、金屬壁和填充材料，因此模態(tài)分析基于應(yīng)用理論，并開發(fā)了功率分析和金屬壁引起的導(dǎo)體損耗。選擇并使用微帶技術(shù)為收發(fā)器設(shè)計了緊湊的八木宇田天線。天線放置在管道內(nèi)，并通過模擬和現(xiàn)場測量在不同的管道配置中進行檢查。結(jié)果表明，該測試設(shè)置在2.4GHz下可以高效工作。

選擇的傳播模式是TE11本文已經(jīng)很好地定義了模式和傳輸路徑損耗，以及天線的有效增益。此外，還開發(fā)了一個鏈路預(yù)算方程，可以應(yīng)用于類似的管道系統(tǒng)。總體上，設(shè)置了一根36.03m的碳鋼圓管進行現(xiàn)場測試，并驗證了內(nèi)部的傳播路徑。使用OFDM作為通信協(xié)議和標準RF/微波組件，結(jié)果表明可以傳輸約150m（使用衰減器時的實驗顯示）。

總結(jié)數(shù)據(jù)采集，在實驗室中使用管心軸時，成功傳輸了實時視頻。在此測試階段，通過短管段實時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)來錄制實時流視頻。在測試過程中，發(fā)射器芯軸和接收器心軸直接耦合在一起。與用于現(xiàn)場試驗的數(shù)字化圖像和傳感數(shù)據(jù)的傳輸不同，LabVIEW用于傳輸實流視頻，LabVIEW用作USRP站的接口。在這種情況下，LabVIEW比Matlab和Simulink模型更受歡迎，原因是它為視頻包的傳輸提供了更有效的系統(tǒng)通信。

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