CN103089249A - 随钻信号无线电磁传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种随钻信号无线电磁传输系统，随钻信号无线电磁传输系统包括钻杆、钻铤、钻具、电磁信号发射模块、中继短接模块、电磁信号接收模块；电磁信号接收模块包括环形金属管、环形天线、接收电路，环形天线与接收电路设置在环形金属管外侧底部的环形凹槽内，环形金属管套在地面钻杆上；磁信号发射模块设置在钻铤外侧环形凹槽内，钻铤连接在钻具与钻杆之间；中继短接模块包括金属钻杆短接、两组环形天线、中继放大电路、电池；金属钻杆短接连接在上下两段钻杆之间；两组环形天线、中继放大电路、电池设置在金属钻杆短接外侧环形凹槽内。本发明通过中继的方式进行接力传输，传输距离不受限制，有更快的数据传输速率。

Description

随钻信号无线电磁传输系统

技术领域

本发明涉及随钻传输技术。

背景技术

随钻信号无线传输目前仍普遍采用泥浆脉冲传输的方式，但泥浆脉冲传输方式速度慢，通常只有几Bit至十几Bit，实时性差，而且不能用于气体钻井等。因此泥浆脉冲传输方式已越来越不能满足现代随钻测井的需求。另外目前采用的一种无线电磁传输方式是：利用钻杆作为不对称的偶极天线，从而将信号发射到地面，该方式也称为EM-MWD系统，由于是利用钻杆作为偶极天线，从而该系统需采用绝缘短接，使钻杆成为偶极天线的上、下两个臂。由于采用了完全的绝缘材料，因而会影响钻杆的强度。另外，由于地层为有耗介质，在地层中传输较远距离时，必须采用很低的频率，从而其传输速度很低，与泥浆脉冲的传输速度相当。另外，其传输距离通常也不能太远，如通常只能达到两千米左右。为了提高传输速度，Novatek^TM公司在下提出了一种无线与有线相结合的方法，两段钻杆之间通过无线耦合器实现无线磁耦合传输，在钻杆内部通过埋入传输线实现有线传输。此种方式能明显提高传输速度，但此种方式的也存在很大的缺点：需要破坏原有钻杆的结构，或重新设计钻杆，并且钻杆接头之间的缝隙对其传输性能也影响很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在现有钻杆的基础上，不影响钻杆强度且不受传输距离限制的随钻信号无线电磁快速传输系统。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，随钻信号无线电磁传输系统，其特征在于，包括钻杆、钻铤、钻具、电磁信号发射模块、1个或1个以上的中继短接模块、电磁信号接收模块；

电磁信号接收模块包括环形金属管、环形天线、接收电路，环形天线与接收电路设置在环形金属管外侧底部的环形凹槽内，环形天线与接收电路通过传输线相连；环形金属管套在地面钻杆上，环形金属管的内径大于钻杆外径；环形凹槽内接收电路设置在环形天线之上，在接收电路外侧与底部设置金属保护层，接收电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充；

电磁信号发射模块设置在钻铤外侧环形凹槽内，钻铤连接在钻具与钻杆之间；电磁信号发射模块包括环形天线、发射电路，环形凹槽内环形天线设置在发射电路之上，环形天线与发射电路通过传输线相连；在发射电路外侧与顶部设置金属保护层，发射电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充；

中继短接模块包括金属钻杆短接、2组环形天线、中继放大电路、电池；金属钻杆短接连接在上下两段钻杆之间；2组环形天线、中继放大电路、电池设置在金属钻杆短接外侧环形凹槽内；环形凹槽内一组环形天线设置在中继放大电路之上，另一组环形天线设置在中继放大电路之下，环形凹槽内电池与中继放大电路并行放置在2组环形天线之间，电池的输出端与中继放大电路的电源输入端相连，2组环形天线分别通过传输线与中继放大电路相连；在中继放大电路与电池的外侧、顶部以及底部设置金属保护层，中继放大电路与电池一同封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；2组环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充。

本发明提供了的随钻信号无线电磁传输系统，通过在地面上外套的环形金属管、金属短接与钻铤上分别开挖环形凹槽，放入与环形凹槽匹配的环形天线，分别构成接收模块，中继短接模块和发射模块。为了防止电路对环形天线的干扰，对电路周围采用金属保护层进行封闭。本发明系统克服了现有采用不对称偶极天线发射信号，必须使用绝缘短接的缺点，也克服了破坏原有钻杆结构的缺点。另外，中继的方式进行接力传输，所以传输距离不受限制。另外，本发明因为采用了更为合理的天线形式，使用中继传输保证传输质量，所以频带更宽，因此传输速度更快相比已有的泥浆脉冲传输方式以及EM＿MWD系统更快。

特别地，为了提高无线数据的传输距离，在发射、接收和中继短接模块中分别加入了屏蔽导向的金属结构，从而增强了天线的方向性和增益：

在电磁信号发射模块中，在环形凹槽中环形天线外侧设置金属屏蔽层，该环形天线天通过其顶部的绝缘介质发射电磁信号；

在电磁信号接收模块中，在环形凹槽中环形天线外侧设置金属屏蔽层，该环形天线天通过其低部的绝缘介质接收电磁信号；

在中继短接模块中，在环形凹槽中中继放大电路之上的环形天线的外侧设置金属屏蔽层，该环形天线天通过其顶部的绝缘介质发射电磁信号；在环形凹槽中中继放大电路之下的环形天线的外侧设置金属屏蔽层，该环形天线天通过其底部的绝缘介质接收电磁信号。

本发明的有益效果是，在无需绝缘短接，在利用现有钻杆的情况下进行无线电磁传输，通过设置中继短接模块增大传输距离，进一步的，通过设置金属屏蔽层提高天线的方向性和增益。

附图说明

图1是本发明随钻信号无线传输系统示意图。

图2是为实施例发射模块的纵剖面示意图。

图3是为实施例接收模块的纵剖面示意图。

图4是为实施例中继短接的纵剖面示意图。

图5是本发明传输系统在不同电导率的地层中时的衰减随频率的关系：图5(a)为地层电导率为0.01S/m时的衰减随频率的关系；图5(b)为地层电导率为0.1S/m时的衰减随频率的关系；图5(c)为地层电导率为1.0S/m时的衰减随频率的关系。

图6是两种不同的传输结构：图6(a)在天线周围没有屏蔽结构；图6(b)在天线周围有屏蔽结构，在发射天线的底部和外侧以及接收天线的顶部和外侧增加了金属屏蔽结构。

具体实施方式

本发明随钻信号无线电磁传输系统，如图1所示，传输系统设置在钻井上，钻井包括钻杆11、钻具12、钻铤13，两段钻杆11间可以直接相连，可以通过金属钻杆短接15相连，钻杆11与钻具12之间通过钻铤13连接。传输系统包括钻杆11、钻铤13、钻具12、电磁信号发射模块21、中继短接模块23、电磁信号接收模块22。

接收模块22包括环形金属管14。环形金属管14外套在露出地面钻杆11上，环形金属管14的内径大于钻杆11外径。发射模块21设置在钻铤21外侧环形凹槽内。中继短接模块23包括金属钻杆短接15。当在需要对电磁信号传输设置中继中，即在相应位置的两段钻杆11之间设置中继短接模块，即，通过金属钻杆短接15连接上下两段钻杆。

发射模块21将井下传感器和随钻测井仪测得的信号传给发射出去，再通过中继短接模块23对其进行中继放大继续向上传输，最后通过地面接收模块22进行接收。同样，反向也可实现地面控制信号向井下的传输，此时地面的接收模块22用作向井下发射信号，中继短接模块23同样起中继放大的作用，使信号继续向下传输，此时的发射模块21用作接收信号。

发射模块21如图2所示，包括发射天线、发射电路211、电池218。发射天线为由环形的软磁材料214以及环绕在软磁材料之外的线圈215组成的环形天线。电池218与发射电路211相连。发射电路211与发射天线通过传输线213相连。发射电路211包括信号调制电路，功率率放大电路。井下传感器和随钻测井仪测得的信号通过传输线213传给发射电路211，发射电路211对其进行调制和功率放大后，再通过传输线213传给发射天线。

发射天线和发射电路211都放置于钻铤13的环形凹槽内。发射天线设置在发射电路211与电池218之上，发射电路211与电池218并行放置。在发射电路211与电池218的外侧与顶部设置耐磨高强度的金属材料216形成L形金属保护层，发射电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；在线圈215外侧设置耐磨高强度的金属材料216作为金属屏蔽层使得发射线圈的能量只能通过绝缘材料朝上端辐射同时保护线圈。也就是说金属屏蔽层增强了天线的方向性，聚中了电磁波朝上端传输。从而提高了向上传输的距离。在线圈215的顶部与环形凹槽之间填充了耐磨的绝缘材料217，如玻璃钢或聚四氟乙稀等。绝缘材料顶部与金属钻铤的接触面(环形凹槽的顶部)采用弧形过度，在机械上能避免应力集中，在传输性能上引导电磁波向上传输。本是实施例发射电路采用井下电池218供电。可选的，发射模块中可取消电池的使用，采用井下发电机供电。发射电路和电池的外侧面一端与金属屏蔽层底部相连，另一端与环形凹槽的低部相连，采用金属材料216形成金属保护层起保护作用。

接收模块如图3所示，包括环形金属管14、接收天线、接收电路221，接收天线和接收电路221都放置于环形金属管14外侧底部的环形凹槽内。环形金属管14的内径稍大于钻杆的外径，环形金属管14直接套在钻杆的外面，不与钻杆接触，从而当钻杆旋转时环形金属管14仍是固定不动的，环形金属管14内接收模块的接收到的信号可以直接通过有线的方式传给地面系统。发射天线为由环形的软磁材料224以及环绕在软磁材料之外的线圈225组成的环形天线。接收电路221与接收天线通过传输线223相连。接收电路221主要包括信号放大电路，滤波电路、解调电路。接收天线接收到的信号通过传输线223传给接收电路26，接收电路26对其进行放大、滤波、解调后再传给地面系统。

接收电路221置于接收天线之上，在接收电路221外侧与底部设置金属材料226作为金属保护层，接收电路221封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；接收天线线圈225的外侧采用金属材料226作为金属屏蔽层。在线圈225的底部与环形凹槽之间填充了耐磨的绝缘材料227，电磁通路只能从线圈225下端口的绝缘材料227处进入。

中继短接模块如图4所示，包括金属钻杆短接15、接收天线、发射天线、中继放大电路231、电池238；接收天线、发射天线、中继放大电路231、电池238设置在金属钻杆短接15外侧环形凹槽内。在金属钻杆短接15的上、下两端都开有螺纹槽151和152，便于和钻杆直接对接。接收天线与发射天线均为环形天线，由环形的软磁材料234以及绕在环形软磁材料外面的线圈235组成。中继放大电路231与电池238并行放置，发射天线置于中继放大电路231与电池238之上，接收天线置于中继放大电路231与电池238之下。

在中继放大电路231与电池238的外侧、顶部以及底部设置耐磨高强度的金属材料236作为金属保护层，中继放大电路与电池一同封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；在接收天线的外侧设置耐磨高强度的金属材料236作为金属屏蔽结构，使得接收天线朝下的方向性更强。在接收天线的线圈的下端填充了耐磨的绝缘材料237。绝缘材料下端与金属短接15的接触面（环形凹槽的底部）采用弧形过度。在机械上能避免应力集中，在传输性能上能起引导从下传输过来的电磁波进入到接收天线。

在发射天线外侧设置耐磨高强度的金属材料236作为金属屏蔽结构，使得发射线圈的能量只能通过绝缘材料朝上端辐射。从而提高了电磁波朝上端传输的距离。在发射天线线圈的上端填充了耐磨的绝缘材料237。绝缘材料上端与金属钻铤的接触面（环形凹槽的顶部）采用弧形过度。在机械上能避免应力集中，在传输性能上引导电磁波向上传输。

接收天线的线圈接收到的信号通过传输线233传给中继放大电路，然后再通过传输线233传给发射天线的线圈。

如图5所示，不同地层电导率的情况下，可以看出地层电导率越高，衰减损耗越大，但即使为低阻地层（地层电导率为1.0）时，当频率为400Hz时其损耗也只有62dB左右，当频率为1000Hz时其损耗也只有77dB左右，而衰减120dB左右通常还能有效接收到。所以，可以看出通过该种式，即使在低阻地层中单个中继至少能传输100m以上的距离。而且其传输速度会远高于泥浆脉冲的传输速率（几个至十几个Bit每秒）。

在图6中，对比了不同的天线结构时的衰减情况，图6(a)为在钻杆外加发射天线和接收天线，发射天线到接天线之间的距离为100m，地层的电导率为0.1S/m。图6(b)与图6(a)不同的地方在于，在发射天线的下端和外表面加了金属屏蔽结构，在接收天线的上端和外表面同样加了金属屏蔽结构。对这两种结构进行了仿真计算，当频率为1000Hz时图6(a)结构的衰减为49.2194dB，而图6(b)结构的衰减为37.4439，见下表，所以图6(b)结构能有效减小传输的衰减。即加上述的屏蔽结构能够增强天线的方向性，提信号的传输距离。本实施例在环形天线外侧和顶部（或底部）都增加了屏蔽结构。如不增加金属屏蔽层以及金属保护层，只使用绝缘介质填充环形凹槽同样可以实现本发明，只是传输的衰减较采用了金属屏蔽层的系统大。

在本实施例中的中继短接模块相隔的距离大致可为100m-200m，具体可以根据地层的电导率来确定，如地层的电导率越高，中继短接模块相隔的距离可近一些，反之，中继短接模块间的距离可远一些。

信号在井下的往上传输步骤如下：

（a）井下传感器和随钻测井仪的测量信号通过传输线传至发射电路，发射电路对信号进行调制和功率放大再通过传输线传给发射天线。发射天线辐射信号通过绝缘材料辐射出去，由于发射天线金属屏蔽层的作用，辐射出去的能量主要向上传播。

（b）发射天线辐射出去的信号，被离之最近的中继短接模块放大再继续传播，具体为：处于中继短接模块中的接收天线8接收到被传输过来的信号，然后将该信号通过传输线传输给中继放大电路后再通过传输线传给发射天线。信号通过发射天线发射出去。然后再被下一个中继放大，一直传至地面。

（c）地面接收模块接收到来自地下的信号后，再通过接收电路进行放大、滤波、解调，最后再传给地面系统。

同样本发明系统也能用于井上控制信号往井下的传输，具体步骤为：

（a）首先将井上的接收模块用作向井下发射信号。此时，环形金属管凹槽内的环形天线作为发射天线。信号通过绝缘材料辐射出去，由于金属屏蔽结构的作用，辐射出去的能量主要向下传播。

（b）接收模块辐射出去的信号，被离之最近的中继短接模块放大再继续传播，具体为：处于中继电路之上的环形天线接收到被传输过来的信号，然后将该信号通过传输线传输给中继放大电路后，再通过传输线传给处于中继电路之下的环形天线发射出去。然后再被下一个中继放大，一直传至井下的发射模块。

（c）井下的发射模块此时用作接收到来自地上的控制信号，并讲接收到信号进行放大、滤波、解调。最后再通过该控制信号去控制钻具。

Claims (7)

1.随钻信号无线电磁传输系统，其特征在于，包括钻杆、钻铤、钻具、电磁信号发射模块、1个或1个以上的中继短接模块、电磁信号接收模块；

电磁信号接收模块包括环形金属管、环形天线、接收电路，环形天线与接收电路设置在环形金属管外侧底部的环形凹槽内，环形天线与接收电路通过传输线相连；环形金属管套在地面钻杆上，环形金属管的内径大于钻杆外径；环形凹槽内接收电路设置在环形天线之上，在接收电路外侧与底部设置金属保护层，接收电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充；

电磁信号发射模块设置在钻铤外侧环形凹槽内，钻铤连接在钻具与钻杆之间；电磁信号发射模块包括环形天线、发射电路，环形凹槽内环形天线设置在发射电路之上，环形天线与发射电路通过传输线相连；在发射电路外侧与顶部设置金属保护层，发射电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充；

中继短接模块包括金属钻杆短接、2组环形天线、中继放大电路、电池；金属钻杆短接连接在上下两段钻杆之间；2组环形天线、中继放大电路、电池设置在金属钻杆短接外侧环形凹槽内；环形凹槽内一组环形天线设置在中继放大电路之上，另一组环形天线设置在中继放大电路之下，环形凹槽内电池与中继放大电路并行放置在2组环形天线之间，电池的输出端与中继放大电路的电源输入端相连，2组环形天线分别通过传输线与中继放大电路相连；在中继放大电路与电池的外侧、顶部以及底部设置金属保护层，中继放大电路与电池一同封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；2组环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充。

2.如权利要求1所述随钻信号无线电磁传输系统，其特征在于，在电磁信号发射模块中，在环形凹槽中环形天线外侧设置金属屏蔽层，该环形天线天通过其顶部的绝缘介质发射电磁信号；

在电磁信号接收模块中，在环形凹槽中环形天线外侧设置金属屏蔽层，该环形天线通过其低部的绝缘介质接收电磁信号；

在中继短接模块中，在环形凹槽中中继放大电路之上的环形天线的外侧设置金属屏蔽层，该环形天线天通过其顶部的绝缘介质发射电磁信号；在环形凹槽中中继放大电路之下的环形天线的外侧设置金属屏蔽层，该环形天线天通过其底部的绝缘介质接收电磁信号。

3.如权利要求1或2所述随钻信号无线电磁传输系统，其特征在于，钻铤外侧环形凹槽的顶部为弧形；金属钻杆短接外侧环形凹槽的顶部与底部为弧形。

4.如权利要求1所述随钻信号无线电磁传输系统，其特征在于，电磁信号发射模块还包括电池，环形凹槽内电池与发射电路并行放置在环形天线之下，电池的输出端与发射模块的电源输入端相连，在电池外侧与顶部设置金属保护层，电池与发射电路一同封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内。

5.如权利要求1所述随钻信号无线电磁传输系统，其特征在于，所述绝缘介质为耐磨耐高温绝缘介质。

6.如权利要求1所述随钻信号无线电磁传输系统，其特征在于，所述环形天线由环形的软磁材料以及环绕在软磁材料之外的线圈组成。

7.如权利要求1所述随钻信号无线电磁传输系统，其特征在于，钻杆间大约每隔100m至200m处设置中继短接模块。

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