CN105178948A - 随钻信号无线电磁传输中继器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种随钻信号无线电磁传输中继器，包括上金属钻杆接头、下金属钻杆接头、中继探管、中继信号接收器、中继信号发射器、电池、环形接收天线、绝缘偶极中继发射天线、传输线；下金属钻杆接头中还包括一个环形凹槽；接收天线与发射天线采用不同结构，采用环形接收天线可有效降低来自地层的各种干扰，利用金属钻杆与钻杆接头本身作为发射天线无需另外在钻杆上设置安装发射天线的空间，减小对钻杆强度的影响。

Description

随钻信号无线电磁传输中继器

技术领域

本发明涉及随钻传输技术的信号中继传输技术。

背景技术

目前，无线随钻测量系统(MWD)仍普遍采用钻井液脉冲遥传技术来传送测量数据。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，对于充气钻井液，气体可压缩性使得钻井液脉冲信号很弱甚至不能产生脉冲信号，导致钻井液脉冲遥传系统将无法正常工作。此外，钻井液脉冲MWD信号传输速率也很低。随钻信号无线电磁传输系统则没有此限制，在液体和气体钻井中均可使用，且传输速率高，易于实现双向通信。然而，随钻信号无线电磁传输系统是一种特殊的无线通信系统，即电磁波在地层有耗介质中传播，其传输深度受到地层电导率制约。当地层电导率较大时，随着钻进深度的增加，电磁波衰减也就越严重，到达地面的信号越微弱，以至于地面系统无法检测到有效信号。申请号为201310006420.6的随钻信号无线电磁传输系统为增加随钻信号传输距离使用了中继器，如图1所示，带有中继器的随钻信号无线电磁传输系统，包括地面接收机1、井下发射机5、钻具6、钻杆、随钻信号无线电磁传输中继器3，钻杆与钻杆之间通过钻杆接头连接，中继器3设置于两根钻杆间的接头部位，井下发射机5接收来自于钻具6的测量数据，再通过中继器3将测量数据传输至地面接收机1。为了方便描述将中继器3上方的钻杆称为上部钻杆2，将中继器3上方的钻杆称为下部钻杆4。

随钻信号无线电磁传输中继器的设计需要在保证传输效果的同时保证钻杆强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种新结构的适用于随钻测量的无线电磁传输中继器。

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中继器，包括上金属钻杆接头、下金属钻杆接头、中继探管、中继信号接收器、中继信号发射器、电池、环形接收天线、绝缘偶极中继发射天线、传输线；下金属钻杆接头中还包括一个环形凹槽；

所述中继探管分别通过上金属钻杆接头的固定端与下金属钻杆接头的固定端设置于上金属钻杆接头与下金属钻杆接头内的中轴处；

电池固定于中继探管上半部分，中继信号发射器位于中继探管中间部分，中继信号接收器位于中继探管下半部分；

电池对中继信号发射器与中继信号接收器供电，中继信号接收器与中继信号发射器以信号传输线相连；

绝缘偶极中继发射天线包括上部钻杆、下部钻杆、上金属钻杆接头、下金属钻杆接头、绝缘介质，绝缘介质设置于上金属钻杆接头与下金属钻杆接头的接触面上；绝缘介质将上金属钻杆接头与下金属钻杆接头分隔电气绝缘，上金属钻杆接头与上部钻杆匹配连接，下金属钻杆接头与下部钻杆匹配连接，形成绝缘偶极中继发射天线的两极；中继信号发射器正输出端与上金属钻杆接头的固定端通过传输线电气连接，中继信号发射器负输出端与下金属钻杆接头的固定端通过传输线电气连接；

环形接收天线设置于下金属钻杆接头的环形凹槽内，由环形的软磁材料以及环绕在软磁材料之外的线圈组成；中继信号接收器与环形接收天线之间电气连接；环形接收天线与环形凹槽之间的空间使用高强度耐磨绝缘介质填充。

本发明的有益效果是，接收天线与发射天线采用不同结构，采用环形接收天线可有效降低来自地层的各种干扰，利用金属钻杆与钻杆接头本身作为发射天线无需另外在钻杆上设置安装发射天线的空间，减小对钻杆强度的影响。

附图说明

图1是带本中继器的随钻信号无线电磁传输系统示意图。

图2是本发明随钻信号无线传输中继器内部结构示意图。

具体实施方式

随钻信号无线电磁传输中继器，主要由环形接收天线、中继信号接收器、中继信号发射器、绝缘偶极中继发射天线组成，其接收来自井下发射机的信号，进行滤波、解码及解调等数据处理后，送给中继信号发射器再次编码调制，再将数据信号以不同于井下发射机的载波频率转发出去，地面接收机接收、处理来自中继转发器的信号。

如图2所示，随钻信号无线电磁传输中继器，包括中继探管9、环形接收天线17、绝缘偶极中继发射天线、中继信号接收器16、中继信号发射器14、电池11。

中继探管9分别通过上金属钻杆接头10的固定端10-1与下金属钻杆接头11的固定端11-1设置于上金属钻杆接头10与下金属钻杆接头11内的中轴处；

绝缘偶极发射天线，完成对新的载波频率信号的发射，包括上金属钻杆接头10、下金属钻杆接头13、绝缘介质12。所述绝缘介质将上金属钻杆接头与下金属钻杆接头分隔电气绝缘，上金属钻杆接头与上部钻杆匹配连接，下金属钻杆接头与下部钻杆匹配连接，作为绝缘偶极中继发射天线的两极，实现中继信号的发射。

中继信号发射器正输出端与上金属钻杆接头的固定端通过传输线7连接，负输出端与下金属钻杆接头的固定端通过传输线8连接，实现中继信号发射器与绝缘偶极中继发射天线之间的电气连接。

环形接收天线，由环形的软磁材料以及环绕在软磁材料之外的线圈组成，安装在下金属钻杆接头的环形凹槽内，与中继信号接收器具备电气连接结构。

中继信号接收器，包括信号调理模块、数字处理模块及接收控制模块。信号调理模块对井下发射机的信号进行放大滤波，数字处理模块完成解码解调等处理后，再将数据信息传输给中继信号发射器。控制模块完成对中继信号接收器各电路模块通断控制。

中继信号发射器，包括编码调制模块、发射控制模块及功率模块。编码调制模块对中继接收器传输过来的数据信息进行再编码调制，经由功率模块以不同于井下发射机的载波频率发射出去。发射控制模块完成对中继信号发射器各电路模块的通断控制。

中继信号接收器与中继信号发射器以信号传输线15相连接。

实际应用中，可根据地层衰减情况，在钻杆上安装一个或多个中继器，以增强信号传输能力，提高地面信号接收强度，以适应不同特性的地层。

随钻信号无线电磁传输中继器，具有两种工作模式。

模式一：中继信号接收器的控制端与中继信号发射器的使能端相连。当中继信号接收器尚未接收到预设长度数据帧时，中继信号发射器由其控制模块将编码调制及功率模块关闭，并将中继信号发射器正极输出端传输线7与负极输出端传输线8短接。待中继信号接收器接收到预设长度的数据帧之后，由接收控制模块同时给中继信号发射器控制模块一使能触发信号，使其首先断开中继信号发射器正负输出端的传输线7、8的短接，再开启编码调制及功率模块，以新的载波频率完成对测量数据的“接力”传输。当中继信号接收器准备再次接收下一个预设长度的数据帧时，首先将使能触发信号清零，使得发射控制模块将编码调制及功率模块再次关闭，并将中继信号发射器正极输出端传输线7与负极输出端传输线8短接，接收器然后开始接收数据，直到接收到预设长度的数据帧，如此循环。

模式一的优点是，首先接收天线的接收信号更大(由于上、下钻杆的连通)，其次可以避免附近的绝缘偶极中继发射天线对该接收器的干扰。

模式二：中继信号发射器与接收器均开启，数据实时传输。模式二的优点是，具有较高的传输速率。

现场应用时，可根据实际钻进环境，灵活选择本发明的两种工作模式。

Claims (3)

1.随钻信号无线电磁传输中继器，其特征在于，包括上金属钻杆接头、下金属钻杆接头、中继探管、中继信号接收器、中继信号发射器、电池、环形接收天线、绝缘偶极中继发射天线、传输线；下金属钻杆接头中还包括一个环形凹槽；

所述中继探管分别通过上金属钻杆接头的固定端与下金属钻杆接头的固定端设置于上金属钻杆接头与下金属钻杆接头内的中轴处；

电池固定于中继探管上半部分，中继信号发射器位于中继探管中间部分，中继信号接收器位于中继探管下半部分；

电池对中继信号发射器与中继信号接收器供电，中继信号接收器与中继信号发射器以信号传输线相连；

绝缘偶极中继发射天线包括上部钻杆、下部钻杆、上金属钻杆接头、下金属钻杆接头、绝缘介质，绝缘介质设置于上金属钻杆接头与下金属钻杆接头的接触面上；绝缘介质将上金属钻杆接头与下金属钻杆接头分隔电气绝缘，上金属钻杆接头与上部钻杆匹配连接，下金属钻杆接头与下部钻杆匹配连接，形成绝缘偶极中继发射天线的两极；中继信号发射器正输出端与上金属钻杆接头的固定端通过传输线电气连接，中继信号发射器负输出端与下金属钻杆接头的固定端通过传输线电气连接；

环形接收天线设置于下金属钻杆接头的环形凹槽内，由环形的软磁材料以及环绕在软磁材料之外的线圈组成；中继信号接收器与环形接收天线之间电气连接；环形接收天线与环形凹槽之间的空间使用高强度耐磨绝缘介质填充。

2.如权利要求1所述随钻信号无线电磁传输中继器，其特征在于，中继信号发射器初始关闭，中继信号发射器的使能端与中继信号接收器的控制端相连，当中继信号接收器接收到预设长度的数据帧之后使能中继信号发射器完成中继信号转发；或者，中继信号发射器与中继信号接收器均开启，中继信号实时传输。

3.如权利要求1所述随钻信号无线电磁传输中继器，其特征在于，中继信号接收器由信号调理模块、数字处理模块及接收控制模块组成；中继信号发射器由编码调制模块、发射控制模块及功率模块组成。

中继信号接收器，包括信号调理模块、数字处理模块及接收控制模块；信号调理模块对井下发射机的信号进行放大滤波，数字处理模块完成解码解调等处理后，再将数据信息传输给中继信号发射器。控制模块完成对中继信号接收器各电路模块通断控制。

中继信号发射器，包括编码调制模块、发射控制模块及功率模块。编码调制模块对中继接收器传输过来的数据信息进行再编码调制，经由功率模块以不同于井下发射机的载波频率发射出去。发射控制模块完成对中继信号发射器各电路模块的通断控制。