LabVIEW开发油气井管道内无线通信微波系统

LabVIEW开发油气井管道内无线通信微波系统

由于石油和天然气行业的重要性，许多公司和研究人员正在研究和开发新的通信和传感器技术。需要解决的问题与管道状况、地震活动、腐蚀水平、可能的气体泄漏检测和其他性能问题的实时和连续监测有关。处理这些问题的最广泛使用的技术包括开发用于物联网的无线传感器网络，以实现监控应用。然而，今天还没有一个完全证明的微波系统，它能够在石油和天然气管道内提供感官信息数据交换。

最近的注意力集中在提高油气井内的数据通信速率上。在这里，使用两个压电致动器将3米管道中的传输速率提高一倍。每个中继器执行器从2到6kHz传输，信号传输使用正交频分复用实现。结果表明，该系统具有良好的性能，使用更多的执行器可以改善数据传输。该研究更侧重于计算各种情况下的信噪比和误码率，并测量实际数据速率或可用带宽。

项目描述如何将油气井管道的内芯视为圆形金属波导。传播环境由尺寸、结构、材料和波导工作条件决定。因此，在设置为2.4GHz的工作频率下，通过可能的模式，导体损耗，EM场和通过波导的功率流进行分析。之所以采用这种方法，是因为有大量低成本的商用RF设备，这些RF器件的工作频率为2.4GHz，这本质上将降低系统实施成本。此外，采用OFDM时，2.4GHzISM频段通常用于WiFi通信，并且符合相关的IEEE802.11协议。

具有挑战性的环境条件、地下地质和管道的老化可能会导致金属管道内部的一些腐蚀。碳钢1010的主要元素是铁（超过99%），并且存在铁与井下氧气反应的情况。

一种干甲烷混合物C2H4（即天然气）被认为在管道内流动，从而定义了从井内到地表的生产流体。在工作中，假设甲烷混合物在油/气井压力和温度条件下处于气相，这是大多数实际天然气管道的典型特征。

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研究当使用指令端火天线作为收发器时，流水线。这里分析的参数是内芯内的传播模式、潮流和传输路径损耗。此外，还检查了天线在这种封闭环境中的性能。

选择用于管道内指令场传播的实用天线对于微波传输系统的可靠运行非常重要。最重要的是，天线必须适合同心金属波导布置，同时在2.4GHz下有效运行。基于上述原因，使用商用全波仿真工具设计和优化了基于紧凑型平面八木宇田印刷电路板（PCB）的天线。

放置在管道内的两个基于八木宇田PCB的天线的有效增益与自由空间增益不同。这是因为当辐射近场放置在引导的圆形金属环境中时，它们占主导地位，因为天线产生的近场不会到达远场区域。

关于在油气井中使用电磁传播的研究数量有限，目前的研究工作针对微波通信系统的建模和设计，其中天线接收器和发射器模块被放置在金属管道中进行油气井传感测量，主要是解决管道状况的实时和连续性能监测，以及其他问题，如腐蚀水平，可能的气体泄漏检测，以及其他类似的管道完整性问题。

在拟议的微波传输系统的设计过程中，决定将用于油气井环境的管道配置视为所选行业标准半径（69.85mm）和工作频率（2.4GHz）的波导。由于已知管道特性、尺寸、金属壁和填充材料，因此模态分析基于应用理论，并开发了功率分析和金属壁引起的导体损耗。选择并使用微带技术为收发器设计了紧凑的八木宇田天线。天线放置在管道内，并通过模拟和现场测量在不同的管道配置中进行检查。结果表明，该测试设置在2.4GHz下可以高效工作。

选择的传播模式是TE11本文已经很好地定义了模式和传输路径损耗，以及天线的有效增益。此外，还开发了一个链路预算方程，可以应用于类似的管道系统。总体上，设置了一根36.03m的碳钢圆管进行现场测试，并验证了内部的传播路径。使用OFDM作为通信协议和标准RF/微波组件，结果表明可以传输约150m（使用衰减器时的实验显示）。

总结数据采集，在实验室中使用管心轴时，成功传输了实时视频。在此测试阶段，通过短管段实时发送和接收数据来录制实时流视频。在测试过程中，发射器芯轴和接收器心轴直接耦合在一起。与用于现场试验的数字化图像和传感数据的传输不同，LabVIEW用于传输实流视频，LabVIEW用作USRP站的接口。在这种情况下，LabVIEW比Matlab和Simulink模型更受欢迎，原因是它为视频包的传输提供了更有效的系统通信。

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