CN101839132A - 电磁感应随钻数据传输系统 - Google Patents

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孙浩玉
张世平
吴仲华
朱政
马清明
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China Petrochemical Corp
Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Petroleum Administration Bureau
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China Petrochemical Corp
Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Petroleum Administration Bureau
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Abstract

电磁感应随钻数据传输技术是一种钻杆接头之间采用非接触电磁感应方式传输信号的随钻测量数据传输系统。它包括5部分：信号收发器(双向半双工通信)、非接触感应器、钻杆、中继节。其特征是在钻杆两端都装感应接头，当两节钻杆对接好后，两个存在微小间隙感应接头构成了一个非接触感应器，信号通过非接触感应器逐节传递下去。该发明应用于钻杆数据传输的优点是每节钻杆之间不用信号线连接，通过电磁感应就能传输信号，便于安装与拆卸，且传输稳定可靠。

Description

电磁感应随钻数据传输系统
技术领域
本发明涉及一种随钻测量数据传输系统，更具体地说是一种非接触电磁感应方式作为钻杆接头之间传输信号的随钻测量数据传输系统。
技术背景
随钻测量技术已经实现了对井眼几何参数(井斜角、方位角)、定向参数(工具面角)、井下工况参数(井底钻压、钻头扭矩、马达转速、井底温度等)、地层测试及评价参数(自然伽马、地层电阻率、地层倾角、孔隙度、密度、中子测井等)等进行测试。测量得到的大量数据需要传输到地面处理系统，以便在钻井过程中及时进行决策处理。目前随钻测量数据传输技术有泥浆脉冲法、电磁波法、插头法、湿接头法。
泥浆脉冲法该方法是目前使用最广泛的方法。泥浆脉冲法是随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)工具数据传输到地面的现代工业标准，典型传输速率是3～6bit/s，理想状态下能达到12bit/s。该方法显然不能适应现在钻井所需的高速实时数据传输要求。
电磁波法电磁波传输信号最早应用于煤矿安全和军事方面。电磁波传输信号有两种方法：以地层为传输介质和以钻杆为传输导体。电磁波传输数据的速度比较快且不需要特殊钻杆，其主要缺点在于电磁波在井壁地层中衰减严重，该方法仅限于在浅井中应用。
插头法20世纪50年代初，前苏联开始应用井下电钻。它是在钻杆每个单根内吊电缆，在钻杆接头处加电插头的办法，往往钻进1000m左右电插头就因磨损而失效，可靠性差。
湿接头法20世纪70年代，Shell公司研制了湿接头有线随钻传输技术，这一技术虽不断改进，但只有限度的沿用至今。
发明内容
本发明提供一种钻杆接头之间采用非接触电磁感应方式传输信号的随钻测量数据传输系统。
由于井下钻杆存在大量的连接头及连接/断开点，如果采用硬连线方式传输信号，则容易出现故障。本发明就是以非接触电磁感应方式进行钻杆接头之间的数据传输。钻杆两端都装有感应接头，感应接头内含有感应线圈，当两节钻杆对接好后，两个存在微小间隙感应接头构成了一个非接触感应器。钻杆中的数据传输是依据电磁感应原理，当一个感应接头周围的电磁场发生变化时，引起另一个感应接头周围的电磁场的变化，变化的磁场产生变化的电流，通过钻杆内的导线传输到下一个非接触感应器，依据此原理逐个钻杆传输下去。
本随钻测量数据传输系统运行过程如下：指令信号通过调制后加载到正弦载波上，通过前级放大后，进入功率放大电路，功率放大电路的负载为非接触感应器。正弦载波经过非接触感应器传输到下一个钻杆内的导线中，通过导线传输到下一个非接触感应器中，以此传输下去，直到被中继节接收后，进行信号增强后再发送出去，最后由接收器接收正弦载波信号，并解调出指令信号。
另外，非接触感应器可等效为非理想、漏磁严重的变压器，它的传输能量衰减较大，感应线圈的匝数、铁氧体的材料、外围匹配电容决定了这种非接触感应器的传输效率。
附图说明
图1是电磁感应随钻测量数据传输系统的结构图
图2是非接触感应器结构图
图3是信号收发器原理图
图4是中继节原理图
具体实施方式
参照附图1-4，将详细叙述本发明的具体实施方案。
图1是电磁感应随钻测量数据传输系统的结构图，包括5部分：信号收发器1、5(双向半双工通信)、非接触感应器、钻杆、中继节。由地面处理系统(PC机)发出指令给信号收发器1，信号收发器1经过调制处理后，向非接触感应器2发送携带指令信息的正弦载波，正弦载波以电磁感应方式被传递到钻杆3内的导线上，再通过导线传递到下一个非接触感应器上，依此类推，正弦载波信号被传递到中继节4内，中继节4把正弦载波信号增强后继续往下发送。最后正弦载波信号由信号收发器5接收，在进行相应地处理。
图2是非接触感应器2，它是由两个匹配电容6与两个感应接头7构成。感应接头由感应线圈10与U型铁氧体9组成。U型铁氧体9组成一铁氧体环形槽，感应线圈放置在铁氧体环形槽内。每个感应接头都匹配一电容6。感应线圈匝数、铁氧体材料、匹配电容容值决定了通过非接触感应器2的最佳频率。
图3是信号收发器，它是以双向半双工收发方式工作，既能发送信号也能接收信号。发送时，地面处理系统(PC机)发出指令给信号收发器中的调制解调器，由它把指令信号调制成正弦载波信号，经过前级放大、功率放大后，通过谐振电容11、谐振电感12、非接触感应器2把信号发送出去。接收时，由非接触感应器2感应过来正弦载波信号后，通过电阻13接收信号，经滤波后传输到调制解调器，解调出指令信号传给地面处理系统(PC机)。
图4是中继节，它负责对信号接收后转发，起到信号增强的作用。DSP检测两端非接触感应器2是否有输入信号，一旦一端有输入，就对其进行放大、滤波、解调出指令信号，再重新对指令信号进行调制、放大(相当于对信号进行整形放大)、输出。其中中继节为双向通信，通过模拟开关、DSP进行方向选通。

Claims (6)

1.一种非接触电磁感应信号传输方式的随钻测量数据传输系统由信号收发器、非接触感应器、中继节组成，其特征是钻杆(3)由两个感应接头(7)、两个匹配电容(6)和传输线(8)构成，钻杆对接后，两个匹配电容(6)与两个感应接头(7)构成传输信号的非接触感应器(2)，感应接头(7)由感应线圈(10)与U型铁氧体(9)组成，U型铁氧体(9)组成一铁氧体环形槽，感应线圈(10)放置在铁氧体环形槽内。
2.根据权利要求1所述随钻测量数据传输系统，其特征是非接触感应器(2)的两个感应接头(7)分别装在两根钻杆连接处。
3.根据权利要求1所述随钻测量数据传输系统，其特征是非接触感应器(2)的两个匹配电容(6)与两个感应接头(7)构成传输谐振回路。
4.根据权利要求1所述随钻测量数据传输系统，其特征是由感应线圈(10)与U型铁氧体(9)组成感应接头。
5.根据权利要求1所述随钻测量数据传输系统，其特征是信号收发器的谐振电容(11)、谐振电感(12)与非接触感应器(2)相连，对非接触感应器(2)有匹配补偿的作用，使信号以最大效率发送和接收。
6.根据权利要求1所述随钻测量数据传输系统，其特征是中继节通过非接触感应器(2)接收和发送信号，并通过模拟开关进行方向的选通，把衰减的信号进行增强再发送出去。
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