在深井和定向井钻井过程中,对井眼轨迹的测量和控制至关重要。电磁波随钻测量(Electromagnetic Measurement While Drilling,EM-MWD)技术是气体、泡沫等非液相钻井的重要测量技术手段,在井下数据传输领域方面具有显著优势。井下电磁发射机是EM-MWD系统的重要组成部分,安装在专用的无磁钻铤中,与定向测量探管进行实时通讯和数据传输,对接收到的钻柱姿态信息进行编码和载波调制,经功率放大后加载到绝缘天线两端,在绝缘段两端形成准静电场,通过沿钻杆引导的超低频周期激励电流和沿地层传输的电磁场到达井场地面,进过一系列数据处理后获得井眼轨迹等信息,实现井下测量数据的无线传输。由于井下电磁发射机工作环境的特殊性(高温、高压、高湿、强震动、空间狭小)和地层参数变化的不确定性,为了实现在井下复杂的环境中测量数据的高准确性传输,本文对井下电磁发射机的拓扑结构和控制策略等关键技术进行系统深入的研究,主要包括以下几个方面:1.电磁发射机主功率电路拓扑结构的选择;结合各种DC-AC逆变电路拓扑结构,为保证发射机可以在井下稳定的进行数据传输,最终选择以单相逆变电路作为主功率电路拓扑结构。2.电磁发射机主功率电路控制策略的选择;在SPWM脉宽调制方式上选择单极性倍频调制方式,在井下电阻率变化不确定的情况下,为保障电磁发射机输出的正弦电压幅值稳定不变,依据各种先进控制策略,最终选取发射机以电压外环电流内环的双PI环控制策略。3.井下电磁发射机软硬件部分设计;电磁发射机硬件设计主要包括DSP控制电路、功率放大及驱动电路、RS-485通讯电路、LC滤波电路和检测电路等,软件部分设计包含对DSP系统进行初始化设计、双环控制程序设计、SPWM子程序设计等。4.仿真及实验测试;通过Saber和Matlab/Simulink软件对系统进行闭环仿真,采用瞬时输出电压外环和瞬时电感电流内环双闭环控制进行仿真设计,保证系统能够实时跟踪输出电压的变化,根据地层负载的变化修正输出电压降低信号的总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)。经过实验验证,与仿真结果吻合,验证控制策略的有效性和可实施性。