CN101525997A

CN101525997A - 一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置及其发射方法

Info

Publication number: CN101525997A
Application number: CN200810101406A
Authority: CN
Inventors: 刘修善; 杨春国; 侯绪田; 高炳堂
Original assignee: China Petroleum Chemical Co Oil Exploration; China Petroleum and Chemical Corp
Current assignee: China Petroleum Chemical Co Oil Exploration; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: CN101525997B

Abstract

本发明涉及一种实现无线随钻测量的信号发射装置。一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置，包括上部钻柱和下部钻柱，且在所述上部钻柱和下部钻柱中间包含有绝缘接头；所述上部钻柱和下部钻柱用于形成非对称偶极天线。本发射装置采用软件无线电技术实现无线传输的各种功能；通过阻抗变换器实现发射机天线与传输介质的阻抗匹配；采用偶极天线发射随钻测量数据信号。提高了电磁随钻测量系统对于不同地层的适应能力和测量深度。

Description

一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置及其发射方法

技术领域

本发明属于油田、矿山等行业的测量仪器，尤其涉及一种实现无线随钻测量的信号发射机。

背景技术

在钻井工程中，随钻测量(MWD)是井眼轨道监测与控制中的一项核心技术。目前，国内外的随钻测量系统普遍采用钻井液脉冲来传送测量数据，这种随钻测量技术在液体钻井液中能够稳定、可靠地工作，在钻井工程中被广泛应用并发挥了重要作用。然而，对于气体及各种充气钻井液，由于流体可压缩性强，钻井液脉冲信号很弱甚至不能产生有效的脉冲信号，因此钻井液脉冲MWD将无法正常工作。

电磁随钻测量(EM-MWD)是20世纪80年代进入工业化应用的一项新技术，具有信号传输速度高、不需要循环钻井液便可传送数据、测量时间短、成本低等特点。特别是，EM-MWD系统基本上不受钻井液介质的影响，不仅适用于常规钻井液中的随钻测量，而且还适用于在气体、泡沫、雾化、空气、充气等钻井液中使用，可以解决钻井液脉冲MWD系统难以逾越的随钻测量难题。

井下信号发射装置是电磁随钻测量系统的关键部分，目前使用的发射装置由数据通信接口电路、调制器、载波信号发生器、功率放大器、发射线圈组成。通信接口接收来自测量短节的随钻测量数据，通过载波信号发生器和调制器进行载波调制，调制信号经功率放大器放大后送入发射线圈发射出去，经地层传输到地面。根据电磁信号在地层中的传播规律，要使地面接收机正确地收到信号，发射机必须采用极低频率，因此对于采用线圈发射方式来说，既使采用高磁导率磁芯，要形成足够的信号强度也需要很大的线圈匝数，很难满足井眼尺寸的要求。电磁信号在传输过程中，传输性能会受到地层电阻率的严重影响，而不同地区以及同一地区不同地层的电阻率是不同的。加之钻杆之间的接触电阻随着钻柱的振动也发生变化。因此，固定的发射装置与传输介质的阻抗匹配对不同电磁环境的适应性差，从而影响测量深度。此外，调制器与载波信号发生器是由硬件电路实现的，使用单一的编码、调制方式和发射频率，根据现场电磁环境的要求实现在线维护比较困难。这些因素是影响电磁随钻测量系统推广应用的技术瓶颈。

如CN 1657742A专利中存在以下技术问题：1.线圈发射信号发射线圈是由导磁材料做成的环状体，在环状体上绕有线圈，安装在井下发射装置短节内，在发射线圈外装有一个用陶瓷材料或高温环氧树脂做成的绝缘环。要形成足够强度的磁流需要有大量的线圈匝数，而匝数则受井眼尺寸的限制。同时线圈的欧姆损耗也将对源电流施以严重限制。2.发射电路由传感器数据接口、载频发生器、FSK调制器、功率放大器等功能块电路组成。通过传感器接口实现与测量短节的通信，通过硬件电路实现无线传输的各种功能，因此维护、升级不方便，在线调整通信功能困难。3.采用FSK调制方式。4.发射装置与传输介质的阻抗匹配固定，对不同电磁环境的适应性差，从而影响测量深度。

又如CN 1603576A的专利申请中存在1.线圈发射信号无线发射元件由螺线管线圈和套于该线圈内的铁氧体磁芯组成，装入绝缘壳体内。要形成足够强度的磁流需要有大量的线圈匝数，而匝数则受井眼尺寸的限制。同时线圈的欧姆损耗也将对源电流施以严重限制。2.发射电路由微处理器、DSP处理器、D/A转换器、功率放大器、谐振电路组成。通过微处理器与各测量传感器通信，无线传输功能由专用DSP处理器和D/A转换器结合软件编程实现，数据调制采用二进制幅移键控(ASK)方式，载波频率为1～33kHz。3.通过LC串联谐振电路驱动螺线管线圈发射信号，发射装置与传输介质的阻抗匹配固定，对不同电磁环境的适应性差，从而影响测量深度。

以及CN 2900781Y的专利中，存在1.发射电路由调制器、放大器组成。通过硬件电路实现无线传输的各种功能，因此维护、升级不方便，在线调整通信功能困难。2.放大处理后的信号直接通过信号发射极发射，发射装置与传输介质的阻抗匹配固定，对不同电磁环境的适应性差，从而影响测量深度。

发明内容

根据上述存在的技术问题，本发明提供一种井下信号发射装置，通过无线电技术实现电磁随钻测量系统的发射装置功能；通过多样化阻抗变换器或多抽头阻抗变换器实现对不同地层的阻抗匹配，保持发射装置的最佳效率，从而增强电磁随钻测量系统对不同电磁环境的适应能力，提高测量深度。

本发明提供了一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置及其发射方法，用于电磁随钻测量系统中地质数据和工程数据的实时的信号发射。

其中实现发明目的而研制的发射装置包括：

一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置，包括上部钻柱和下部钻柱，且在所述上部钻柱和下部钻柱中间包含有绝缘接头；所述上部钻柱和下部钻柱用于形成非对称偶极天线；

所述发射装置还包括发射机部件、电源部件和测量部件；上述三个部件分别固定设置在上、下部钻柱内部；所述发射机部件包括单片机、功率放大器和阻抗变换器；所述单片机用于对信号进行编码、调制，功率放大器用于进行功率放大，并通过阻抗变换器完成地层阻抗匹配，形成双极性信号，馈接到所述上部钻柱和下部钻柱，完成发射。

为了实现核心发射机部件的固定，在所述绝缘接头和下部钻柱中间设置有座键接头，所述发射机部件固定连接座键接头；所述电源部件和测量部件依次固定在发射机部件的下端；所述绝缘接头和上部钻柱中间设置调整接头，所述发射机部件的上端设置有上连接杆，所述上连接杆用于将发射机部件与所述调整接头连接，进而与所述上部钻柱电连接。

由于发射装置在其内部阻抗值与传输介质阻抗一致时发射效率最高，电池工作时间也会延长。而不同地区的地下电磁环境是一个变数，单一的阻抗匹配值应用于不同电阻率地层会严重影响发射机效率，从而影响电磁传输距离。采用阻抗匹配技术，利用发射机阻抗可调方案使其与传输介质阻抗匹配，在不同的地层中保持较高的发射效率。发射装置通过阻抗变换器实现功率放大器与由上部钻柱和下部钻柱形成的非对称偶极天线所输入阻抗之间的匹配，而发射天线所输入阻抗随地层电阻率变化而变化。

所述阻抗变换器包括线圈和负载电阻。

为了对内部电路和功率放大器进行隔离，以及实现辅助功能，在所述发射机部件中还包括隔离单元和辅助单元；所述隔离单元用于将所述单片机与功率放大器有效隔离，实现功率放大器浮地设计，即采用不接地设计方式。所述隔离单元为光电隔离器，由光电耦合器或隔离变压器及辅助电路组成。

所述辅助单元用于给发射装置提供加电控制、检测功率放大器的工作状态以及调整发射装置输出功率和发射效率；

所述辅助单元包括过流检测电路、保险管、继电器。

辅助单元除对发射装置提供加电控制以及过流检测与电路保护功能外，还可实现对发射机输出功率和发射效率的调整控制。

辅助单元电路中设置多个电阻串联与功率放大器中调整电阻等效，通过改变串联阶数改变调整电阻大小。利用过流检测电路，当工作电流超过最高额定工作电流时，产生一跳变信号，此信号送至单片机中断INTO，通过中断服务程序，发出控制指令，调整功率放大器中调整电阻值的大小，以获得最大输出功率和发射机效率。

为了解决现有技术中应用线圈发射信号造成的技术问题，本发明采用根据上部钻柱和下部钻柱用于形成非对称偶极天线；所述的发射机部件通过所述上连接杆、调整接头与所述上部钻柱电连接，且通过所述座键接头与下部钻柱电连接，即发射机部件的功率输出分别馈送到上、下部钻柱；所述上连接杆具有绝缘涂层。通过偶极天线发射信号比用发射线圈激励信号更能适应钻井井眼周围电磁环境的需要，信号传输效率更高。

所述单片机为DSP单片机，用于与所述测量部件的信号进行交换并对信号进行编码和调制输出；所述电源部件为高能电池组或涡轮发电机中的一种。以适应不同钻井液钻井。

而根据发射装置而实现的发射方法包括：

1)地层数据输入步骤：所述单片机将所述测量部件中的探测信号进行数据输入；

2)数据处理步骤：将所述输入的信号进行处理；

3)隔离步骤：将处理后的信号进行有效隔离处理，提高抗干扰能力；

4)功率放大步骤：将来自单片机的两路信号，通过隔离器后，分别输入两路开关功率放大器，进行信号放大；

5)阻抗变换步骤：将来自功率放大器的两路交替信号，通过阻抗变换器形成双极性信号；用于实现功率放大器与发射天线输入的阻抗值进行匹配，以保持发射效率；

6)数据发射步骤：将通过阻抗变换器后形成的双极性信号，馈接到非对称偶极天线的两极，进行发射。

所述数据处理步骤包括：

a)编码过程：进行信源编码、信道编码；

b)调制过程：进行信号调制；

c)输出调制信号过程：输出两路互补的调制信号。

为了完成上述的辅助功能，所述发射方法中还包括辅助过程步骤，所述辅助过程用于给发射装置提供加电控制、检测功率放大器的工作状态以及调整发射装置输出功率和发射效率。辅助过程由单片机控制，在不超过限流阀值情况下尽量减小限流电阻，以获得最大功率和效率

本发明上述的技术方案中包含了以下几个技术：

(1)软件无线电技术：数字信号处理是软件无线电技术的核心。本发射装置硬件电路采用带有DSP功能的单片机，通过一个模块化的通用硬件平台为依托，采用软件编程来实现无线传输的各种功能，包括工作频率、信源编码、信道编码、载波调制，通信协议等，不但简化了电路设计，而且具备如下优势：

①硬件结构通用，可以灵活实现各种功能。不同电磁环境可由相对一致的硬件利用不同的软件来实现，发射机功能的改进和升级很方便。

②由于发射机的主要功能由软件来实现，因此可很方便地采用新的数字信号处理手段提高抗干扰性能，其它如载波频率、可编程信号波形、信号编码与调制等功能的在线实现成为可能。

③软件维护相对改变硬件电路来说要方便得多，这样能更快地跟踪市场变化，满足新的使用要求，大大降低更新换代的成本。

总之，本发射装置通过采用软件无线电技术，提高了电磁随钻测量系统对不同电磁环境的适应能力。

(2)阻抗匹配技术：发射装置在其内部阻抗值与传输介质阻抗一致时发射效率最高，电池工作时间也会延长。而不同地区的地下电磁环境是一个变数，单一的阻抗匹配值应用于不同电阻率地层会严重影响发射机效率，从而影响电磁传输距离。采用阻抗匹配技术，利用发射装置阻抗可调方案使其与传输介质阻抗匹配，在不同的地层中保持较高的发射效率。

(3)偶极天线：使用绝缘接头将钻柱分隔成上下两部分，构成非对称偶极天线。发射机部件分别与上下部钻柱连接，发射装置机功率输出分别馈送到上下钻柱。通过偶极天线发射信号比用发射线圈激励信号更能适应钻井井眼周围电磁环境的需要，信号传输效率更高。

本发明通过提供一种信号无线传输的发射装置，用于电磁随钻测量系统中实时测量信号的发射。采用DSP技术实现测量数据信号的编码与载波调制，通过阻抗变换器，如使用输出变压器等方式，实现发射装置与传输介质的阻抗匹配，因此，天线输入阻抗随地层电阻率的变化而变化，发射效率达到50％以上，有效地提高了对于不同地层的适应能力、增加了测量深度。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明部件原理结构示意图；

图3为本发明发射方法的流程示意图。

各附图的具体说明请结合下述的具体实施方式。

具体实施方式

图1为本发明的装置结构示意图；图2为本发明部件原理结构示意图；

其中，一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置，包括上部钻柱1和下部钻柱4，且在所述上部钻柱1和下部钻柱4中间包含有调整接头9和绝缘接头2；所述上部钻柱1和下部钻柱4用于形成非对称偶极天线；

所述发射装置还包括发射机部件5、电源部件6和测量部件7；上述三个部件分别固定设置在上、下部钻柱内部；所述发射机部件5包括单片机、功率放大器和阻抗变换器；所述发射机部件5用于对信号进行编码、调制后进行功率放大，并通过阻抗变换器完成地层阻抗匹配，形成双极性信号，馈接到所述上部钻柱1和下部钻柱4，完成发射。

为了实现核心发射机部件的固定，在所述绝缘接头2和下部钻柱4中间设置有座键接头3，所述发射机部件5固定连接座键接头3；所述电源部件6和测量部件7依次固定在发射机部件5的下端；所述发射机部件5的上端设置有上连接杆8，所述上连接杆8用于将发射机部件5与所述调整接头9连接，进而与所述上部钻柱1电连接。

所述发射机部件5中的阻抗变换器用于通过阻抗变换器实现功率放大器与发射天线输入的阻抗值进行匹配，以保持发射效率；

所述阻抗变换器包括线圈和负载电阻。

为了对内部电路和功率放大器进行隔离，以及实现辅助功能，在所述发射机部件5中还包括隔离单元和辅助单元；所述隔离单元用于将所述单片机与功率放大器有效隔离，实现功率放大器浮地设计；所述隔离单元为光电隔离器，由光电耦合器或隔离变压器及辅助电路组成。

所述辅助单元由过流检测电路、保险管、继电器等组成。

为了解决现有技术中应用线圈发射信号造成的技术问题，本发明采用根据上部钻柱和下部钻柱用于形成非对称偶极天线；所述的发射机部件通过所述上连接杆与所述上部钻柱电连接，且通过所述座键接头与下部钻柱电连接，即发射机部件的功率输出分别馈送到上、下部钻柱；所述上连接杆带有绝缘涂层。通过偶极天线发射信号比用发射线圈激励信号更能适应钻井井眼周围电磁环境的需要，信号传输效率更高。

所述单片机为DSP单片机，与所述测量部件的信号进行交换并对信号进行编码和调制输出；所述电源部件为高能电池组或涡轮发电机中的一种。以适应不同钻井液钻井。

图3为本发明发射方法的流程示意图。

发射方法包括：

2)数据处理步骤：将所述输入的信号进行处理；

所述数据处理步骤包括：

a)编码过程：进行信源编码、信道编码；

b)调制过程：进行信号调制；

c)输出调制信号过程：输出两路互补的调制信号。

本发明提供的一种用于电磁随钻测量系统中实现实时钻井参数测量数据信号的发射装置。在实际应用时，单片机电路、功率放大器、隔离单元、阻抗变换器、辅助模块安装在承压管内组成发射机部件，使用绝缘接头把钻柱分成上下绝缘的两部分，作为天线的两极，供电电源安装在承压管内组成电源部件。发射机部件、电源部件于绝缘接头下部，使用带有绝缘涂层的上连接杆来实现与上部钻柱的隔离，使用仪器的座键接头固定发射装置并实现与下部钻柱的电气连接，通过带有绝缘涂层的上连接杆实现与上部钻柱的电气连接。

由单片机电路、功率放大器电路、阻抗变换器组成通用的模块化硬件平台，通过编程实现发射机的相关功能；通过改变阻抗变换器的变比或采用不同的阻抗变换器实现发射机天线与传输介质的阻抗匹配。

在实际的应用中，载波频率选择：

电磁随钻测量系统一种特殊的无线通信系统，其特殊性表现在：电磁在有耗介质中传播；由于井下条件的约束，应使井下电路尽量简化。因此在确定载波频率时需要考虑如下因素：

■根据对电磁传输信道特性分析研究，为了减小电磁的传播损耗，载波频率尽量低；

■为了提高信息传输的有效性，必须增加信息带宽，从而载波频率应尽可能提高；

■根据信息传输速率的要求选择载波频率；

■载波频率应远离干扰频率。

基于上述考虑，载波频率的确定原则是在满足传输带宽的条件下，载波频率应尽可能的低。即：

B＞R_b (1)

B/f₀≤20％ (2)

f_c＝min f₀ (3)

式中R_b为波特率；B为信号带宽；f₀为选定满足信息传输条件下的载波频率；f_c为选定的载波频率。

根据电磁随钻测量系统指标要求：R_b≥2bps

代入式(1)，(2)，(3)得：f₀≥10Hz，因此，载波频率为：

f_c＝min f₀＝10Hz

发射机功率与效率计算：

设阻抗变换器转换效率η，变压器变比n，初次级电流、电压分别为I，U、I₁，U₁，输出功率P_out，实际功耗P，变压器输入功率P′，天线输入阻抗Rz，输出功率及发射效率调整电阻Rx，供电电压v。

已知：

P_out＝η×P′

P′＝I×U

P＝I×v

U＝n×U₁

Pout＝U₁ ²/Rz

U＝v-I×Rx

根据调整电阻Rx、变压器变比n、供电电压v、阻抗变换器转换效率η的设定值进行计算。

设Rx＝10Ω，n＝6，v＝36V，η＝0.8，计算如下：

当Rz＝0.2Ω，计算得到：

U＝13V，I＝2.3A，P_out＝23.5w，I₁＝10.8A，P＝82.8w，总效率ξ＝0.28

当Rz＝0.4Ω时：

U＝19.27V，I＝1.67A，P_out＝25.8w，I₁＝8.3A，P＝60.12w，总效率ξ＝0.43

当Rz＝0.8Ω时：

U＝25V，I＝1.1A，P_out＝21.7w，I₁＝5.2A，P＝39.6w，总效率ξ＝0.55

当Rz＝1.6Ω时：

U＝29.6V，I＝0.56A，P_out＝15.2w，I₁＝3.1A，P＝20.16w，总效率ξ＝0.75

因此，在固定变比n＝6、调整电阻Rx＝10Ω时，在0.2～1.6阻抗范围内，输出功率在15～25w之间。当最大输出电流为2.3A时，发射装置总效率很低，理论计算为28％；当电源输出电流为0.56A时，发射机效率达到75％。发射装置不能保证宽范围高效率工作，但功率在一定阻抗范围内基本维持平稳输出，满足电磁随钻测量系统要求。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims

1一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置，其特征在于：所述发射装置包括上部钻柱和下部钻柱，且在所述上部钻柱和下部钻柱中间包含有绝缘接头；所述上部钻柱和下部钻柱用于形成非对称偶极天线；

所述发射装置还包括发射机部件、电源部件和测量部件；上述三个部件分别固定设置在所述上、下部钻柱内部；

所述发射机部件包括单片机、功率放大器和阻抗变换器；所述单片机用于对信号进行编码、调制；功率放大器用于对信号进行功率放大，并通过阻抗变换器完成地层阻抗匹配，形成双极性信号，馈接到所述上部钻柱和下部钻柱，完成发射。

2根据权利要求1所述的一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置，其特征在于：

在所述绝缘接头和下部钻柱中间设置有座键接头，所述发射机部件固定连接座键接头，所述电源部件和测量部件依次固定在发射机部件的下端；所述绝缘接头和上部钻柱中间设置调整接头，所述发射机部件的上端设置有上连接杆，所述上连接杆用于将发射机部件与所述调整接头连接，进而与所述上部钻柱电连接。

3根据权利要求1或2所述的一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置，其特征在于：

所述发射机部件中还包括隔离单元和辅助单元；所述隔离单元用于将所述单片机与功率放大器隔离，为功率放大器浮地设计；所述隔离单元为光电隔离器，包括光电耦合器或隔离变压器及辅助电路；

所述辅助单元包括过流检测电路、保险管和继电器。

4根据权利要求1所述的一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置，其特征在于：

所述发射机部件中的阻抗变换器用于实现功率放大器与由上部钻柱和下部钻柱形成的非对称偶极天线所输入的阻抗值进行匹配，以保持发射效率；

所述阻抗变换器包括线圈和负载电阻。

5根据权利要求1或2所述的一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置，其特征在于：

所述的发射机部件通过所述上连接杆与所述调整接头连接，进而与所述上部钻柱电连接，且通过所述座键接头与下部钻柱电连接，即发射机部件的功率输出分别馈送到上、下部钻柱；所述上连接杆具有绝缘涂层；

所述单片机为DSP单片机，用于与所述测量部件的信号进行交换并对信号进行编码和调制输出；

所述电源部件为高能电池组或涡轮发电机中的一种。

6应用如权利要求1-5所述的一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置而采用的一种井下信号发射方法，所述发射方法中应用到非对称偶极天线、发射机部件、电源部件和测量部件，所述非对称偶极天线由上部钻柱和下部钻柱形成；

其特征在于：所述发射方法包括：

2)数据处理步骤：将所述输入的信号进行数据处理；

5)阻抗变换步骤：将来自功率放大器的两路交替信号，通过阻抗变换器形成双极性信号；用于实现功率放大器与非对称偶极天线输入的阻抗值进行匹配，以保持发射效率；

7根据权利要求6所述的一种电磁随钻测量系统的井下信号发射方法，其特征在于：

所述发射方法中还包括辅助过程步骤，所述辅助过程用于给发射装置提供加电控制、检测功率放大器的工作状态以及调整发射装置输出功率和发射效率。

8根据权利要求6所述的一种电磁随钻测量系统的井下信号发射方法，其特征在于：

所述数据处理步骤包括：

a)编码过程：进行信源编码、信道编码；

b)调制过程：进行信号调制；

c)输出调制信号过程：输出两路互补的调制信号。