CN103266884A

CN103266884A - Em-mwd接力传输系统

Info

Publication number: CN103266884A
Application number: CN2013101696010A
Authority: CN
Inventors: 孙向阳; 聂在平
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-08-28

Abstract

本发明提供一种EM-MWD接力传输系统，包括包括钻杆、钻具、绝缘模块、电磁信号发射模块、电磁信号接收模块、1个或1个以上的中继短接模块；中继短接模块设置于钻杆之间，1个以上中继短接模块的间隔距离须保证电磁信号接收模块接收信号的信号强度大于等于门限值。本发明通过该中继延长了原EM-MWD的传输距离；在EM-MWD随钻过程中如果发现传输距离不够时增加本发明提供的中继短接，可以继续传输；另外，还可以通过增加频率提高传输速度，虽然增加频率可能会减短原有EM-MWD的传输距离，但由于采用了中继，因此整个的传输距离不会受限。

Description

EM-MWD接力传输系统

技术领域

本发明属于随钻传输技术领域，特别涉及随钻信号的无线电磁传输技术。

背景技术

在石油探测和其他地质钻探工程中，利用金属钻杆作为非对称激励偶极天线以实现随钻测井信号传输的电磁随钻测量（EM-MWD）技术是近年来的研究焦点之一。该方法克服了泥浆脉冲不能在空气钻井中应用的缺点，且对泥浆质量没有要求。

EM-MWD利用钻杆作为天线，通过在钻杆近钻头处设置绝缘模块，在绝缘模块的上、下两端加电激励，因此整个的钻杆和钻具构成一个极不对称的偶极天线，通过电磁波的方式来实现信号的传输。由于地层为有耗介质，对电磁波的衰减较大，特别对于低阻地层，衰减更为严重。因此其传输距离通常较为有限。另外，由于EM-MWD的传输距离与地层参数有关，而地层参数又通常未知，所以很难确定这种基于非对称激励钻杆天线有多远的传输距离，因此在应用过程中会出现这样的问题，当随钻过程中一旦发现传输距离不够，则毫无补救办法。

发明内容

本发明所要解决的传输距离不会受限是，提供一种传输距离不受限的EM-MWD系统。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，EM-MWD接力传输系统，包括包括钻杆、钻具、绝缘模块、电磁信号发射模块、电磁信号接收模块；绝缘模块与电磁信号发射模块设置于钻杆与钻具之间，绝缘模块设置在电磁信号发射模块之上，电磁信号接收模块设置于地面；

其特征在于，还包括1个或1个以上的中继短接模块；中继短接模块设置于钻杆之间，1个以上中继短接模块的间隔距离须保证电磁信号接收模块接收信号的信号强度大于等于门限值；

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，所述绝缘介质为耐磨耐高温绝缘介质。

本发明通过该中继延长了原EM-MWD的传输距离；在EM-MWD随钻过程中如果发现传输距离不够时增加本发明提供的中继短接，可以继续传输；另外，还可以通过增加频率提高传输速度，虽然增加频率可能会减短原有EM-MWD的传输距离，但由于采用了中继，因此整个的传输距离不会受限。

本发明通过中继短接可根据钻井深度灵活调整设置。实际使用时，当钻井深度较浅，直接可通过地面的电磁信号接收模块接收并进行解调以得到井下的信号。但当钻井达到一定深度，地面接收的信号强度小于预设值时，即在钻杆上加一节中继短接，使得信号继续接力传输，传到地面后仍通过地面电磁信号接收模块最终接收，当钻井深度进一步增加时，接收的信号的信号强度小于预设值时，再在钻杆上增加中继短接，从而能保证地面电磁信号接收模块始终能接收到有效的信号。

特别地，为了提高无线数据的传输距离，在中继短接模块中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：中继短接模块的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，能够有效延长EM-MWD系统的传输距离，另外，为提高传输速度提供了条件。

附图说明

图1是本发明EM-MWD接力传输系统示意图。

图2是为实施例中继短接的纵剖面示意图。

图3为中继短接传输性能示意图。

具体实施方式

本发明在现有EM-MWD系统上进行改进，包括了现有EM-MWD系统的钻杆13、钻具11、绝缘模块14、电磁信号发射模块12、电磁信号接收模块15；绝缘模块与电磁信号发射模块设置于钻杆与钻具之间，绝缘模块设置在电磁信号发射模块之上，电磁信号接收模块设置于地面，电磁信号接收模块通过一根与地面钻杆相连的天线以及一根经一定距离与地面相连的天线接收电磁信号。这里的电磁信号发射模块、电磁信号接收模块均为EM-MWD系统的现有模块，具体结构不在此赘述。为了实现电磁信号的接力传输，增加了中继短接模块16；中继短接模块设置于钻杆上臂之间，1个以上中继短接模块的间隔距离须保证电磁信号接收模块接收信号的信号强度大于等于门限值。

中继短接模块16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上臂之间；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。

中继短接模块16如图2所示，包括金属钻杆短接161、接收天线、发射天线、中继放大电路162、电池163；接收天线、发射天线、中继放大电路、电池设置在金属钻杆短接161外侧环形凹槽内。在金属钻杆

短接的上、下两端都开有螺纹槽164、165，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166以及绕在环形软磁材料外面的线圈167组成。中继放大电路与电池并行放置，发射天线置于中继放大电路与电池之上，接收天线置于中继放大电路与电池之下。

在中继放大电路与电池的外侧、顶部以及底部设置耐磨高强度的金属材料168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169，如玻璃钢或聚四氟乙稀等。绝缘材料下端与金属钻杆短接的接触面（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。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传给中继放大电路，然后再通过传输线传给发射天线的线圈。

中继短接模块的发射结构不需要用绝缘介质隔开金属钻杆。从而不致于影响钻杆的强度，另外也不会隔断钻杆上的电流从而影响下端EM-MWD的传输性能。同时该中继同样具有与EM-MWD相当的传输性能，下面通过仿真给出了证明。

考察两种激励模型，模型(a)为现有EM-MWD的激励模型，即通过在绝缘介质的两端加一激励电压；模型(b)为本发明的中继发射模型，即采用磁环天线的激励。当激励功率都为1W时，考察这两种激励模型在位于不同深度z时钻杆上电流的分布。电流分布图如图3：其中，曲线A为模型(a)的数值结果，曲线B为模型(b)的数值结果，由下图3可知，在相同激励功率的条件下，模型(b)在钻杆上激励的电流要稍强于模型（a），也即其传输距离要稍大于模型（b）。因此说明本发明提供的中继模块具有较好的中继传输性能。

Claims

1.EM-MWD接力传输系统，包括钻杆、钻具、绝缘模块、电磁信号发射模块、电磁信号接收模块；绝缘模块与电磁信号发射模块设置于钻杆与钻具之间，绝缘模块设置在电磁信号发射模块之上，电磁信号接收模块设置于地面；

2.如权利要求1所述EM-MWD接力传输系统，其特征在于，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EM-MWD接力传输系统，其特征在于，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EM-MWD接力传输系统，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。