CN108278108A - 一种井下近钻头无线短传系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下近钻头无线短传系统及其工作方法。所述井下近钻头无线短传系统，包括近钻头传感器、无线发射装置和无线接收装置；本发明所述井下近钻头无线短传系统，通过检测电路实时监测无线短传信道的状况，并根据反馈的传输信道信息，采用水平极化和垂直极化两种天线，分别发送极化方向相互正交的电磁波信号，经钻井液和地层传输后，收到的电磁波信号由于极化方向不相关，两种信号的衰减也不相关，从而提高了信号的传输质量。

Description

一种井下近钻头无线短传系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种井下近钻头无线短传系统及其工作方法，属于近钻头无线短传的技术领域。

背景技术

随着油田勘探的不断深入，储量好、储层深的油田区域越来越少，对夹层多、储层薄的油井开发已经成为必然趋势。井下工程参数能够实时反映地下油气的储量及动态变化，在评价油井生产及使用寿命等方面有着至关重要的作用。常规随钻测量系统中，传感器通常设置在马达系统的上方，距离钻头大约有15左右的盲区。在钻井过程中，由于传感器与钻头距离较远而不能及时发现钻头处井眼轨迹变化和地层岩性。

近钻头测量技术通过在紧靠钻头的位置放置多个传感器，在钻井过程中不间断地检测钻孔或钻头处实际工况信息。该技术不仅能够获取未曾被泥浆介质污染侵蚀的地层信息，还可测得钻压、环空压力及温度等参数信息，并可通过方位、井斜等参数信息确定钻头的实际位置。在钻井过程中，传感器的安装位置离钻头越近，所测得的地质信息及工程参数越准确。

近钻头测量技术的核心之一是克服动力钻具的阻碍实现近钻头传感器与随钻测量系统之间有效的通信。目前，国内研究近钻头信号的传输方式主要有线传输和无线传输，有线传输的方式可以保证数据传输的实时性，但是需要绕过螺杆钻具建立有线传输信道，由于螺杆钻具在钻进过程中的剧烈震动，有线信道容易被损坏，无法保证数据传输的稳定性，局限性较大。

无线传输方式中电磁短传方式研究较多，根据信号传输的原理，电磁短传技术可以分为磁场型和电场型。磁场型多采用收发线圈的方式，该方式不受钻井液介质的影响，电磁波的传输速度也快，系统结构相对简单，但是对传输介质的电阻率要求较高，当地层电阻率较低或钻具形状发生突变时都将影响其传输速率和传输效果，信号在传输过程中受噪声影响较大，致使信号不容易被探测和接收。电场型传输方式是由绝缘装置构成收发电极，信号由发射电极沿钻杆和钻井液传输到接收电极，该方式结构简单，数据传输速率较快，但容易受井下环境的影响，当电导率较低时数据传输速率也会降低。

中国专利授权公告号106246169B公开了一种适用于井下近钻头无线短传发射的机械装置。该装置采用电信号的发射方式，在钻头连接壳体和钻杆连接壳体进行中间串接绝缘短节，形成两个发射电极，实现信号的传输。这种方式利用钻杆和钻头的保护装置进行通信，而保护装置在钻进的过程中受损较大，同时发射装置发射的信号不稳定，信号在传输的过程中也会受到很大影响。

中国专利公开号106499386A公开了一种基于耦合通信的近钻头测井系统和方法。该方法采用耦合通信的方法，通过在螺杆外部接若干传输短节，传输短节之间通过万向节连接，形成电容或电感的耦合实现信号传输。该方式结构复杂，多个短节中任意一个发生故障，信号就会无法传输，不利于检查维修。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种井下近钻头无线短传系统。

本发明还提供一种上述无线短传系统的工作方法。

本发明的技术方案为：

一种井下近钻头无线短传系统，包括近钻头传感器、无线发射装置和无线接收装置；

所述无线发射装置包括，依次连接的电导率检测电路、发射调理电路和发射模块；所述发射调理电路与所述近钻头传感器连接；根据检测的钻杆周围传输介质电导率大小，对近钻头传感器测量的井下参数信息进行相应的A/D转换、编码和调制，并最终耦合到发射模块；

电导率检测电路用于测量钻杆周围传输介质电导率，并将测量结果发送给发射调理电路，供发射调理电路进行信号处理调制。当电导率检测电路测得钻杆周围传输介质电导率较高时，发射调理电路进行相应的调制，使发射模块发射电场信号，当电导率检测电路测得钻杆周围传输介质电导率较低时，发射调理电路进行相应的调制，使发射模块发射电磁波信号；

所述发射模块包括，水平极化发射天线、垂直极化发射天线和绝缘短节；水平极化发射天线和垂直极化发射天线通过绝缘短节实现电气隔离；水平极化发射天线与垂直极化发射天线极化方向相互正交，构成双极化天线；

当地层传输介质电导率较低时，发射模块发出极化方向相互正交的电磁波，经钻井液和地层传播后，接收端接收的电磁波信号呈现出不相关的衰减特性。当地层传输介质电导率较高时，发射模块将构成两个电场信号的发射电极，发射电场信号。

所述无线接收装置包括，接收模块和接收调理模块；所述接收模块包括，水平极化接收天线、垂直极化接收天线和绝缘短节；水平极化接收天线、垂直极化接收天线由绝缘短节隔开，实现电气隔离；当发射端发射电磁波信号时，水平极化接收天线接收经钻井液和地层传输的水平极化电磁波信号，垂直极化接收天线接收垂直极化的电磁波信号。当发射端发射电场信号时，钻井液和地层中存在电流场变化，接收端的两个接收电极感应交变的电压信号，从而实现发送信号的接收；

所述接收调理模块包括，感应电压信号处理模块、电磁波信号处理模块、控制电路和解调电路；所述感应电压信号处理模块和电磁波信号处理模块分别与控制电路连接；

所述感应电压信号处理模块与接收模块连接，对感应电压信号进行滤波和放大处理；

电磁波信号处理模块与接收模块连接，将接收到的水平极化和垂直极化电磁波信号进行放大和滤波处理，得到衰减特性不同的信号；

根据本发明优选的，所述近钻头传感器设置在测传马达和钻头之间；所述近钻头传感器包括，井斜传感器、方位自然伽马传感器和方位电阻率传感器，用于测量地层电阻率、井斜和井下温度；

无线发射装置设置在近钻头传感器和测传马达之间，处理近钻头传感器所获得的井下参数信号，并根据传输介质电导率将处理后的信息转变为电场信号或电磁波信号发射出去；

无线接收装置设置在测传马达的顶部、随钻测量仪器的端部，用于接收从钻井液和地层中传过来电磁波信号或电场信号，根据接收到的信号恢复为原始参数信息并发送给随钻测量仪器。

所述水平极化发射天线设置在发射调理电路的上方，垂直极化发射天线设置在水平极化发射天线的上方。

一种上述无线短传系统的工作方法，包括步骤如下：

1)无线发射装置接收近钻头传感器发送的井下参数信号；

2)电导率检测电路对传输介质电导率进行测量，并将测量结果发送至发射调理电路；其中的传输介质电导率是指钻井液和地层中的电导率；

3)所述发射调理电路根据传输介质电导率的大小对井下参数信号采用不同的调制方式；如果传输介质电导率小于阈值P，则发射调理电路将井下参数信号调制成相应的电磁波信号；如果传输介质电导率大于阈值P，则采用电信号传输方式，所述发射调理电路将井下参数信号调制成电场信号；如果检测的电导率较大，采用电磁波方式信号在介质中衰减过大；

4)信号调制完成后，将调制信号分别加到水平极化发射天线和垂直极化发射天线上；

当传输介质电导率小于阈值P时，水平极化发射天线和垂直极化发射天线发射极化方向相互正交的电磁波信号；经过由钻井液和地层构成的介质传播后，在接收端接收，由于极化方向相互正交，两种电磁波信号的衰减特性也不相关，经过解调后恢复原始的信号，提高了信号的传输质量。

当传输介质电导率大于阈值P时，水平极化发射天线和垂直极化发射天线构成电偶极子的两个发射电极；电场信号在钻杆周围形成传导电流场；

5)所述控制电路根据接收信号的不同，对感应电压信号处理模块和电磁波信号处理模块发送处理信号的命令，并给解调电路发送相应的解调命令，恢复原始信号，并发送给随钻测量仪器；

当传输介质电导率小于阈值P时，水平极化接收天线接收水平极化的电磁波信号，垂直极化接收天线接收垂直极化的电磁波信号；

当传输介质电导率大于阈值P时，在钻杆周围形成的传导电流场中，水平极化接收天线和垂直极化接收天线构成的接收电极感应交变的电压，实现电场信号的接收。

根据本发明优选的，所述阈值P≤0.005s/m。

本发明的有益效果为：

1.本发明所述井下近钻头无线短传系统，通过检测电路实时监测无线短传信道的状况，并根据反馈的传输信道信息，采用水平极化和垂直极化两种天线，分别发送极化方向相互正交的电磁波信号，经钻井液和地层传输后，收到的电磁波信号由于极化方向不相关，两种信号的衰减也不相关，从而提高了信号的传输质量。

2.本发明所述井下近钻头无线短传系统，采用绝缘介质将两天线电气隔离，形成电偶极子两个发射电极，加入调制信号后，在传播介质中形成电流场，接收端随着电流场的变化产生感应电压，将信号传递到接收端，信号传输方式更加多样，信号传输更加稳定，接收端的信号更容易处理，增强了信号的传输效率，降低了信号在传输过程中的损耗，提高了信号的传输质量，使得信号传输更加稳定；

3.本发明所述井下近钻头无线短传系统，通过电导率反馈电路解决信号在复杂介质状况中传输稳定性不佳、易遭受干扰和传输损耗大的问题，提高了信号传输的稳定性和灵活性。

附图说明

图1为本发明所述井下近钻头无线短传系统的信号流程图；

图2为本发明所述井下近钻头无线短传系统的结构示意图；

图3为本发明所述无线发射装置的结构示意图；

图4为本发明所述无线接收装置的结构示意图；

图5为本发明的电场信号传播示意图；

其中：1、钻头；2、近钻头传感器；3、无线发射装置；4、测传马达；5、无线接收装置；6、随钻测量仪器；7、接收调理模块；8、发射天线；9、绝缘短节。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图2-4所示。

一种井下近钻头无线短传系统，包括近钻头传感器2、无线发射装置3和无线接收装置5；

所述无线发射装置3包括，依次连接的电导率检测电路、发射调理电路和发射模块；所述发射调理电路与所述近钻头传感器2连接；根据检测的钻杆周围传输介质电导率大小，对近钻头传感器2测量的井下参数信息进行相应的A/D转换、编码和调制，并最终耦合到发射模块；

电导率检测电路用于测量钻杆周围传输介质电导率，并将测量结果发送给发射调理电路，供发射调理电路进行信号处理调制。当电导率检测电路测得钻杆周围传输介质电导率较高时，发射调理电路进行相应的调制，使发射模块发射电场信号，当电导率检测电路测得钻杆周围传输介质电导率较低时，发射调理电路进行相应的调制，使发射模块发射电磁波信号；

所述发射模块包括，水平极化发射天线、垂直极化发射天线和绝缘短节；水平极化发射天线和垂直极化发射天线通过绝缘短节实现电气隔离；水平极化发射天线与垂直极化发射天线极化方向相互正交，构成双极化天线；

当地层传输介质电导率较低时，发射模块发出极化方向相互正交的电磁波，经钻井液和地层传播后，接收端接收的电磁波信号呈现出不相关的衰减特性。当地层传输介质电导率较高时，发射模块将构成两个电场信号的发射电极，发射电场信号。

所述无线接收装置包括，接收模块和接收调理模块；所述接收模块包括，水平极化接收天线、垂直极化接收天线和绝缘短节；水平极化接收天线、垂直极化接收天线由绝缘短节隔开，实现电气隔离；当发射端发射电磁波信号时，水平极化接收天线接收经钻井液和地层传输的水平极化电磁波信号，垂直极化接收天线接收垂直极化的电磁波信号。当发射端发射电场信号时，钻井液和地层中存在电流场变化，接收端的两个接收电极感应交变的电压信号，从而实现发送信号的接收；

所述接收调理模块包括，感应电压信号处理模块、电磁波信号处理模块、控制电路和解调电路；所述感应电压信号处理模块和电磁波信号处理模块分别与控制电路连接；

所述感应电压信号处理模块与接收模块连接，对感应电压信号进行滤波和放大处理；

电磁波信号处理模块与接收模块连接，将接收到的水平极化和垂直极化电磁波信号进行放大和滤波处理，得到衰减特性不同的信号；

所述近钻头传感器2设置在测传马达4和钻头1之间；所述近钻头传感器2包括，井斜传感器、方位自然伽马传感器和方位电阻率传感器，用于测量地层电阻率、井斜和井下温度；

无线发射装置设置在近钻头传感器2和测传马达4之间，处理近钻头传感器2所获得的井下参数信号，并根据传输介质电导率将处理后的信息转变为电场信号或电磁波信号发射出去；

无线接收装置设置在测传马达4的顶部、随钻测量仪器6的端部，用于接收从钻井液和地层中传过来电磁波信号或电场信号，根据接收到的信号恢复为原始参数信息并发送给随钻测量仪器。

所述水平极化发射天线设置在发射调理电路的上方，垂直极化发射天线设置在水平极化发射天线的上方。

实施例2

如图1、图5所示。

一种实施例1所述无线短传系统的工作方法，包括步骤如下：

1)无线发射装置3接收近钻头传感器2发送的井下参数信号；

2)电导率检测电路对传输介质电导率进行测量，并将测量结果发送至发射调理电路；其中的传输介质电导率是指钻井液和地层中的电导率；

3)所述发射调理电路根据传输介质电导率的大小对井下参数信号采用不同的调制方式；如果传输介质电导率小于阈值P，则发射调理电路将井下参数信号调制成相应的电磁波信号；如果传输介质电导率大于阈值P，则采用电信号传输方式，所述发射调理电路将井下参数信号调制成电场信号；所述阈值P＝0.005s/m。如果检测的电导率较大，采用电磁波方式信号在介质中衰减过大；

4)信号调制完成后，将调制信号分别加到水平极化发射天线和垂直极化发射天线上；

当传输介质电导率小于阈值P时，水平极化发射天线和垂直极化发射天线发射极化方向相互正交的电磁波信号；经过由钻井液和地层构成的介质传播后，在接收端接收，由于极化方向相互正交，两种电磁波信号的衰减特性也不相关，经过解调后恢复原始的信号，提高了信号的传输质量。

当传输介质电导率大于阈值P时，水平极化发射天线和垂直极化发射天线构成电偶极子的两个发射电极；电场信号在钻杆周围形成传导电流场；

5)所述控制电路根据接收信号的不同，对感应电压信号处理模块和电磁波信号处理模块发送处理信号的命令，并给解调电路发送相应的解调命令，恢复原始信号，并发送给随钻测量仪器；

当传输介质电导率小于阈值P时，水平极化接收天线接收水平极化的电磁波信号，垂直极化接收天线接收垂直极化的电磁波信号；

当传输介质电导率大于阈值P时，在钻杆周围形成的传导电流场中，水平极化接收天线和垂直极化接收天线构成的接收电极感应交变的电压，实现电场信号的接收。

Claims (3)

1.一种井下近钻头无线短传系统，其特征在于，包括近钻头传感器、无线发射装置和无线接收装置；

所述无线发射装置包括，依次连接的电导率检测电路、发射调理电路和发射模块；所述发射调理电路与所述近钻头传感器连接；所述发射模块包括，水平极化发射天线、垂直极化发射天线和绝缘短节；水平极化发射天线和垂直极化发射天线通过绝缘短节实现电气隔离；水平极化发射天线与垂直极化发射天线极化方向相互正交，构成双极化天线；

所述无线接收装置包括，接收模块和接收调理模块；所述接收模块包括，水平极化接收天线、垂直极化接收天线和绝缘短节；水平极化接收天线、垂直极化接收天线由绝缘短节隔开，实现电气隔离；所述接收调理模块包括，感应电压信号处理模块、电磁波信号处理模块、控制电路和解调电路；所述感应电压信号处理模块和电磁波信号处理模块分别与控制电路连接；所述感应电压信号处理模块与接收模块连接，对感应电压信号进行滤波和放大处理；电磁波信号处理模块与接收模块连接，将接收到的水平极化和垂直极化电磁波信号进行放大和滤波处理，得到衰减特性不同的信号。

2.根据权利要求1所述的无线短传系统的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)无线发射装置接收近钻头传感器发送的井下参数信号；

2)电导率检测电路对传输介质电导率进行测量，并将测量结果发送至发射调理电路；

3)所述发射调理电路根据传输介质电导率的大小对井下参数信号采用不同的调制方式；如果传输介质电导率小于阈值P，则发射调理电路将井下参数信号调制成相应的电磁波信号；如果传输介质电导率大于阈值P，则采用电信号传输方式，所述发射调理电路将井下参数信号调制成电场信号；

4)信号调制完成后，将调制信号分别加到水平极化发射天线和垂直极化发射天线上；

当传输介质电导率小于阈值P时，水平极化发射天线和垂直极化发射天线发射极化方向相互正交的电磁波信号；

当传输介质电导率大于阈值P时，水平极化发射天线和垂直极化发射天线构成电偶极子的两个发射电极；电场信号在钻杆周围形成传导电流场；

5)所述控制电路根据接收信号的不同，对感应电压信号处理模块和电磁波信号处理模块发送处理信号的命令，并给解调电路发送相应的解调命令，恢复原始信号；

当传输介质电导率小于阈值P时，水平极化接收天线接收水平极化的电磁波信号，垂直极化接收天线接收垂直极化的电磁波信号；

当传输介质电导率大于阈值P时，在钻杆周围形成的传导电流场中，水平极化接收天线和垂直极化接收天线构成的接收电极感应交变的电压，实现电场信号的接收。

3.根据权利要求2所述的无线短传系统的工作方法，其特征在于，所述阈值P≤0.005s/m。