CN108691534B - 一种井下电磁无线通讯系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下电磁无线通讯系统及方法，涉及地下资源勘探和开发技术领域。系统包括井下工具、随钻测井仪器、钻头、随钻测量系统、分别设置在井下工具两端的第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置均包括电磁天线线圈结构、无线发射单元结构、无线接收单元结构和通用信号接口；所述电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流以及通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构之间通过电磁信号跨过井下工具进行电磁无线数据通讯。本发明可实现适用于不同介电性质的井下复杂环境的短距离数据传输。

Description

一种井下电磁无线通讯系统及方法

技术领域

本发明涉及地下资源勘探和开发技术领域，尤其涉及一种井下电磁无线通讯系统及方法，应用于井下数十米范围的短距离数据传输。

背景技术

在油气勘探与开发过程中，随钻测井和数据实时传输技术的应用有利于及时准确评价储层含油情况，预测和分析油井产状，快速优化油气开采方案，提高钻井成功率及采收率。然而，井下随钻测井数据的实时传输技术需要克服跨越难以埋设线缆的井下工具进行数据通讯的难题，搭建跨越数十米范围内的短距离数据无线传输通道，保证数据通讯的准确性和时效性。

目前，井下数据短距离无线传输方式主要包括声波无线传输及电磁波无线传输两种。其中声波无线传输技术中发射及接收换能器的机械结构设计复杂，受干扰信号影响严重，数据滤波难度大，有效数据提取困难，没有广泛推广应用。电磁波无线传输技术相对于声波传输技术而言，应用范围较广，但无线电磁天线设计、发射信号的调制、信号滤波、解调等技术仍是研究难点。而目前井下短距离的电磁无线传输技术根据信号传输原理不同分为电天线传输技术和磁天线传输技术。基于电天线传输技术设计的电磁无线通讯系统工作原理是通过沿钻杆的轴向交变电流激励电磁场进行信号传输，适用于电导率较高的钻井环境，而在电导率较低的钻井环境，电磁无线传输通道无法建立。基于磁天线传输技术设计的电磁无线通讯系统通过绕钻杆的交变电流环激励沿钻杆方向的电磁场进行信号传输，适用于电导率较低的钻井环境，而在电导率较高的钻井环境中，信号衰减加剧，信号传输距离严重受限。目前井下短距离电磁无线通讯技术仅采用单一的电磁场传输方式，设计出基于电天线传输技术的电磁无线传输系统或基于磁天线传输技术的电磁无线通讯系统。可见，无论上述两种系统的应用都存在不可避免的局限性，不能完全适用于不同介电性质的井下复杂环境。

发明内容

本发明的实施例提供一种井下电磁无线通讯系统及方法，以实现适用于不同介电性质的井下复杂环境的短距离数据传输。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种井下电磁无线通讯系统，包括井下工具、随钻测井仪器、钻头、随钻测量系统、分别设置在井下工具两端的第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置均包括电磁天线线圈结构、无线发射单元结构、无线接收单元结构和通用信号接口；所述电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流以及通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构之间通过电磁信号跨过井下工具进行电磁无线数据通讯。

具体的，所述第一无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测井仪器连接，以接收随钻测井仪器测量的钻头的随钻测井数据；所述第二无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测量系统连接，以向随钻测量系统发送所述随钻测井数据；

或者，所述第二无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测量系统连接，以接收随钻测量系统的井上数据；所述第一无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测井仪器连接，以向随钻测井仪器发送所述井上数据。

具体的，所述电磁天线线圈结构轴向安装在一钻铤舱体的线圈槽内，所述电磁天线线圈结构外围设置有天线套；所述电磁天线线圈结构包括环形磁芯；在所述环形磁芯上采用螺绕环绕制方式绕有线圈，作为电天线，使得电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流；在所述环形磁芯上还采用螺线管式绕制方式绕有线圈，作为磁天线，使得电磁天线线圈结构能够通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；作为电天线的线圈两端接出作为电天线接口；作为磁天线的线圈两端接出作为磁天线接口。

具体的，所述无线发射单元结构包括第一数控开关、第二数控开关、电天线发射信号调制电路、电天线发射功率调整电路、电天线载波频率选择电路、磁天线发射信号调制电路、磁天线发射功率调整电路和磁天线载波频率选择电路；所述第一数控开关的一端和第二数控开关的一端分别连接所述通用信号接口；所述第一数控开关的另一端、电天线发射信号调制电路、电天线发射功率调整电路和电天线载波频率选择电路依次串接，所述电天线载波频率选择电路连接所述电天线接口；所述第二数控开关的另一端、磁天线发射信号调制电路、磁天线发射功率调整电路和磁天线载波频率选择电路依次串接，所述磁天线载波频率选择电路连接所述磁天线接口；

所述第一数控开关和第二数控开关根据预先设置的通断时长进行通断，所述通断时长根据数据中适用于电天线和磁天线不同特性的电磁信号的分时发送顺序预先设置；

在第一数控开关接通时，数据中适用于电天线的电磁信号经过第一数控开关，经过电天线发射信号调制电路进行信号调制处理，再经过电天线发射功率调整电路进行功率调整处理，再经过电天线载波频率选择电路进行频率选择处理，输出到电天线接口；

在第二数控开关接通时，数据中适用于磁天线的电磁信号经过第二数控开关，经过磁天线发射信号调制电路进行信号调制处理，再经过磁天线发射功率调整电路进行功率调整处理，再经过磁天线载波频率选择电路进行频率选择处理，输出到磁天线接口。

另外，所述无线接收单元结构包括接收数据比对电路、电天线接收信号解调电路、电天线接收信号滤波电路、电天线信号增益调整电路、磁天线接收信号解调电路、磁天线接收信号滤波电路和磁天线信号增益调整电路；

所述接收数据比对电路的输出端连接所述通用信号接口；所述接收数据比对电路的一输入端、电天线接收信号解调电路、电天线接收信号滤波电路和电天线信号增益调整电路依次串接，所述电天线信号增益调整电路连接所述电天线接口；所述接收数据比对电路的另一输入端、磁天线接收信号解调电路、磁天线接收信号滤波电路和磁天线信号增益调整电路依次串接，所述磁天线信号增益调整电路连接所述磁天线接口；

数据中适用于电天线的电磁信号经过电天线信号增益调整电路进行增益调整处理，再经过电天线接收信号滤波电路进行滤波处理，再经过电天线接收信号解调电路进行解调处理，输出到接收数据比对电路；

数据中适用于磁天线的电磁信号经过磁天线信号增益调整电路进行增益调整处理，再经过磁天线接收信号滤波电路进行滤波处理，再经过磁天线接收信号解调电路进行解调处理，输出到接收数据比对电路；

接收数据比对电路对经过处理后的适用于电天线的电磁信号和适用于磁天线的电磁信号进行比对处理，形成正确数据，并传输至通用信号接口。

具体的，所述通用信号接口包括控制器局域网络总线接口、串行外设接口、集成电路总线接口、RS232接口、RS485接口、RS422接口以及单总线接口中的一种或多种。

具体的，所述第一无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测井仪器采用滑环结构、插针结构或导线直连方式连接；所述第二无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测量系统采用滑环结构、插针结构或导线直连方式连接。

一种井下电磁无线通讯方法，应用于上述的井下电磁无线通讯系统；方法包括：

第一无线电磁通讯装置通过通用信号接口接收随钻测井仪器测量的钻头的随钻测井数据；

第一无线电磁通讯装置对随钻测井数据进行处理，并将处理后的随钻测井数据通过电磁天线线圈结构跨过井下工具传输至第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构；

第二无线电磁通讯装置对处理后的随钻测井数据再次进行处理，并将再次处理后的随钻测井数据通过通用信号接口发送至随钻测量系统；

第二无线电磁通讯装置通过通用信号接口接收随钻测量系统的井上数据；

第二无线电磁通讯装置对井上数据进行处理，并将处理后的井上数据通过电磁天线线圈结构跨过井下工具传输至第一无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构；

第一无线电磁通讯装置对处理后的井上数据再次进行处理，并将再次处理后的井上数据通过通用信号接口发送至随钻测井仪器。

具体的，所述电磁天线线圈结构包括环形磁芯；在所述环形磁芯上采用螺绕环绕制方式绕有线圈，作为电天线，使得电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流；在所述环形磁芯上还采用螺线管式绕制方式绕有线圈，作为磁天线，使得电磁天线线圈结构能够通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；作为电天线的线圈两端接出作为电天线接口；作为磁天线的线圈两端接出作为磁天线接口；

所述第一无线电磁通讯装置对随钻测井数据进行处理，并将处理后的随钻测井数据通过电磁天线线圈结构跨过井下工具传输至第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构，包括：

第一无线电磁通讯装置在随钻测井数据中获取按照分时发送顺序发送的适用于电天线和磁天线不同特性的电磁信号；

第一无线电磁通讯装置将适用于电天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到电天线接口，沿钻杆方向产生轴向交变电流，产生处理后的适用于电天线的电磁信号，跨过井下工具被第二无线电磁通讯装置的电天线接收；

第一无线电磁通讯装置将适用于磁天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到磁天线接口，产生绕钻杆的交变电流环，产生处理后的适用于磁天线的电磁信号，跨过井下工具被第二无线电磁通讯装置的磁天线接收；

所述第二无线电磁通讯装置对处理后的随钻测井数据再次进行处理，并将再次处理后的随钻测井数据通过通用信号接口发送至随钻测量系统，包括：

第二无线电磁通讯装置将处理后的适用于电天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于电天线的电磁信号；

第二无线电磁通讯装置将处理后的适用于磁天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于磁天线的电磁信号；

第二无线电磁通讯装置对再次处理后的适用于电天线的电磁信号和再次处理后的适用于磁天线的电磁信号进行比对处理，形成正确数据，并通过通用信号接口发送至随钻测量系统。

具体的，所述第二无线电磁通讯装置对井上数据进行处理，并将处理后的井上数据通过电磁天线线圈结构跨过井下工具传输至第一无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构，包括：

第二无线电磁通讯装置在井上数据中获取按照分时发送顺序发送的适用于电天线和磁天线不同特性的电磁信号；

第二无线电磁通讯装置将适用于电天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到电天线接口，沿钻杆方向产生轴向交变电流，产生处理后的适用于电天线的电磁信号，跨过井下工具被第一无线电磁通讯装置的电天线接收；

第二无线电磁通讯装置将适用于磁天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到磁天线接口，产生绕钻杆的交变电流环，产生处理后的适用于磁天线的电磁信号，跨过井下工具被第一无线电磁通讯装置的磁天线接收；

所述第一无线电磁通讯装置对处理后的井上数据再次进行处理，并将再次处理后的井上数据通过通用信号接口发送至随钻测井仪器，包括：

第一无线电磁通讯装置将处理后的适用于电天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于电天线的电磁信号；

第一无线电磁通讯装置将处理后的适用于磁天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于磁天线的电磁信号；

第一无线电磁通讯装置对再次处理后的适用于电天线的电磁信号和再次处理后的适用于磁天线的电磁信号进行比对处理，形成正确数据，并通过通用信号接口发送至随钻测井仪器。

本发明实施例提供的一种井下电磁无线通讯系统及方法，能够综合电磁波通信中的电天线和磁天线的两种数据传输方式，通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流以及通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环，通过电磁信号跨过井下工具进行电磁无线数据通讯。本发明可以克服单一使用井下电天线信号或井下磁天线信号传输的弊端，以实现适用于不同介电性质的井下复杂环境的双向短距离数据传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种井下电磁无线通讯系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的井下电磁无线通讯系统中的第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的井下电磁无线通讯方法的流程图一；

图4为本发明实施例提供的井下电磁无线通讯方法的流程图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种井下电磁无线通讯系统10，包括井下工具11(如螺杆马达)、随钻测井仪器12、钻头13、随钻测量系统14(Measure While Drilling，简称MWD)、分别设置在井下工具11两端的第一无线电磁通讯装置15和第二无线电磁通讯装置16(两个无线电磁通讯装置的结构可以完全相同)；如图2所示，所述第一无线电磁通讯装置15和第二无线电磁通讯装置16均包括电磁天线线圈结构21、无线发射单元结构22、无线接收单元结构23和通用信号接口24；所述电磁天线线圈结构21能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流以及通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环(具体内容在后续实施方式中阐述)；所述第一无线电磁通讯装置15和第二无线电磁通讯装置16的电磁天线线圈结构21之间通过电磁信号跨过井下工具11进行电磁无线数据通讯。

另外，在井下电磁无线通讯系统10中还需设置电源系统(图中未示出)，以为井下电磁无线通讯系统中的各需用电的部分供电。

具体的，所述第一无线电磁通讯装置15中的通用信号接口24与所述随钻测井仪器12连接，以接收随钻测井仪器12测量的钻头的随钻测井数据；所述第二无线电磁通讯装置16中的通用信号接口24与所述随钻测量系统14连接，以向随钻测量系统14发送所述随钻测井数据。此处的随钻测井数据可以是钻头附近的地层参数和测井参数等。

或者，所述第二无线电磁通讯装置16中的通用信号接口24与所述随钻测量系统14连接，以接收随钻测量系统14的井上数据；所述第一无线电磁通讯装置15中的通用信号接口24与所述随钻测井仪器12连接，以向随钻测井仪器12发送所述井上数据。

具体的，所述电磁天线线圈结构21轴向安装在一钻铤舱体的线圈槽内(图中未示出)，所述电磁天线线圈结构21外围设置有天线套(图中未示出)，以保护电磁天线线圈结构21，避免受到机械损坏和泥浆侵入；如图2所示，所述电磁天线线圈结构21包括环形磁芯211；在所述环形磁芯211上采用螺绕环绕制方式绕有线圈，作为电天线212，使得电磁天线线圈结构21能够通过电天线212沿钻杆方向(即环形磁芯211的轴线方向)产生轴向交变电流(电流方向如图2电天线212部分所示)；在所述环形磁芯211上还采用螺线管式绕制方式绕有线圈，作为磁天线213，使得电磁天线线圈结构21能够通过磁天线213产生绕钻杆(即绕环形磁芯的环的圆周方向)的交变电流环(电流方向如图2电天线212部分所示)；作为电天线212的线圈两端接出作为电天线接口(A1和A2之间)；作为磁天线213的线圈两端接出作为磁天线接口(B1和B2之间)。本发明实施例中采用环形磁芯211，即可作为两种线圈的载体，又可增强线圈产生的电磁场的传播或传导效应。此处电磁天线线圈结构21可用于发射电磁波信号，也可用于接收电磁波信号。

具体的，如图2所示，所述无线发射单元结构22包括第一数控开关221、第二数控开关222、电天线发射信号调制电路223、电天线发射功率调整电路224、电天线载波频率选择电路225、磁天线发射信号调制电路226、磁天线发射功率调整电路227和磁天线载波频率选择电路228；所述第一数控开关221的一端和第二数控开关222的一端分别连接所述通用信号接口24；所述第一数控开关221的另一端、电天线发射信号调制电路223、电天线发射功率调整电路224和电天线载波频率选择电路225依次串接，所述电天线载波频率选择电路225连接所述电天线接口；所述第二数控开关222的另一端、磁天线发射信号调制电路226、磁天线发射功率调整电路227和磁天线载波频率选择电路228依次串接，所述磁天线载波频率选择电路228连接所述磁天线接口。

所述第一数控开关221和第二数控开关222根据预先设置的通断时长进行通断，所述通断时长根据数据中适用于电天线和磁天线不同特性的电磁信号的分时发送顺序预先设置。

在第一数控开关221接通时，数据中适用于电天线的电磁信号经过第一数控开关221，经过电天线发射信号调制电路223进行信号调制处理，再经过电天线发射功率调整电路224进行功率调整处理，再经过电天线载波频率选择电路225进行频率选择处理，输出到电天线接口。

在第二数控开关222接通时，数据中适用于磁天线的电磁信号经过第二数控开关222，经过磁天线发射信号调制电路226进行信号调制处理，再经过磁天线发射功率调整电路227进行功率调整处理，再经过磁天线载波频率选择电路228进行频率选择处理，输出到磁天线接口。

另外，如图2所示，所述无线接收单元结构23包括接收数据比对电路231、电天线接收信号解调电路232、电天线接收信号滤波电路233、电天线信号增益调整电路234、磁天线接收信号解调电路235、磁天线接收信号滤波电路236和磁天线信号增益调整电路237。

所述接收数据比对电路231的输出端连接所述通用信号接口24；所述接收数据比对电路231的一输入端、电天线接收信号解调电路232、电天线接收信号滤波电路233和电天线信号增益调整电路234依次串接，所述电天线信号增益调整电路234连接所述电天线接口。所述接收数据比对电路231的另一输入端、磁天线接收信号解调电路235、磁天线接收信号滤波电路236和磁天线信号增益调整电路237依次串接，所述磁天线信号增益调整电路237连接所述磁天线接口。

数据中适用于电天线的电磁信号经过电天线信号增益调整电路234进行增益调整处理，再经过电天线接收信号滤波电路233进行滤波处理，再经过电天线接收信号解调电路232进行解调处理，输出到接收数据比对电路231。

数据中适用于磁天线的电磁信号经过磁天线信号增益调整电路237进行增益调整处理，再经过磁天线接收信号滤波电路236进行滤波处理，再经过磁天线接收信号解调电路235进行解调处理，输出到接收数据比对电路231。

接收数据比对电路231对经过处理后的适用于电天线的电磁信号和适用于磁天线的电磁信号进行比对处理，形成正确数据，并传输至通用信号接口24。

具体的，在本发明实施例中，所述通用信号接口24可以包括控制器局域网络总线接口(Controller Area Network，简称CAN接口)、串行外设接口(Serial PeripheralInterface，简称SPI接口)、集成电路总线接口(Inter-Integrated Circuit，简称IIC接口)、RS232接口、RS485接口、RS422接口以及单总线接口中的一种或多种。

具体的，在本发明实施例中，所述第一无线电磁通讯装置15中的通用信号接口24与所述随钻测井仪器12可采用滑环结构、插针结构或导线直连方式连接(图中未示出)。所述第二无线电磁通讯装置16中的通用信号接口24与所述随钻测量系统14可采用滑环结构、插针结构或导线直连方式连接(图中未示出)。

另外，值得说明的是，在井下工具应用多个上述的第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置后(即不仅仅局限于两个无线电磁通讯装置)，也可实现长距离的电磁无线通讯信道的搭建。

本发明实施例提供的一种井下电磁无线通讯系统，能够综合电磁波通信中的电天线和磁天线的两种数据传输方式，通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流以及通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环，通过电磁信号跨过井下工具进行电磁无线数据通讯。本发明可以克服单一使用井下电天线信号或井下磁天线信号传输的弊端，以实现适用于不同介电性质的井下复杂环境的双向短距离数据传输。

如图3所示，本发明实施例还提供一种井下电磁无线通讯方法，应用于上述的井下电磁无线通讯系统；方法包括：

步骤301、第一无线电磁通讯装置通过通用信号接口接收随钻测井仪器测量的钻头的随钻测井数据。

步骤302、第一无线电磁通讯装置对随钻测井数据进行处理，并将处理后的随钻测井数据通过电磁天线线圈结构跨过井下工具传输至第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构。

步骤303、第二无线电磁通讯装置对处理后的随钻测井数据再次进行处理，并将再次处理后的随钻测井数据通过通用信号接口发送至随钻测量系统。

步骤304、第二无线电磁通讯装置通过通用信号接口接收随钻测量系统的井上数据。

步骤305、第二无线电磁通讯装置对井上数据进行处理，并将处理后的井上数据通过电磁天线线圈结构跨过井下工具传输至第一无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构。

步骤306、第一无线电磁通讯装置对处理后的井上数据再次进行处理，并将再次处理后的井上数据通过通用信号接口发送至随钻测井仪器。

为了使本领域的技术人员更好的了解本发明，下面列举一个更为详细的井下电磁无线通讯方法，其中，上述的井下电磁无线通讯系统中，电磁天线线圈结构包括环形磁芯；在所述环形磁芯上采用螺绕环绕制方式绕有线圈，作为电天线，使得电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流；在所述环形磁芯上还采用螺线管式绕制方式绕有线圈，作为磁天线，使得电磁天线线圈结构能够通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；作为电天线的线圈两端接出作为电天线接口；作为磁天线的线圈两端接出作为磁天线接口。

如图4所示，本发明实施例提供的井下电磁无线通讯方法包括：

步骤401、第一无线电磁通讯装置通过通用信号接口接收随钻测井仪器测量的钻头的随钻测井数据。

步骤402、第一无线电磁通讯装置在随钻测井数据中获取按照分时发送顺序发送的适用于电天线和磁天线不同特性的电磁信号。

在步骤402之后执行步骤403或者步骤404。

步骤403、第一无线电磁通讯装置将适用于电天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到电天线接口，沿钻杆方向产生轴向交变电流，产生处理后的适用于电天线的电磁信号，跨过井下工具被第二无线电磁通讯装置的电天线接收。

在步骤403之后执行步骤405。

步骤404、第一无线电磁通讯装置将适用于磁天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到磁天线接口，产生绕钻杆的交变电流环，产生处理后的适用于磁天线的电磁信号，跨过井下工具被第二无线电磁通讯装置的磁天线接收。

在步骤404之后执行步骤406。

步骤405、第二无线电磁通讯装置将处理后的适用于电天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于电天线的电磁信号。

步骤406、第二无线电磁通讯装置将处理后的适用于磁天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于磁天线的电磁信号。

在步骤405和步骤406之后执行步骤407。

步骤407、第二无线电磁通讯装置对再次处理后的适用于电天线的电磁信号和再次处理后的适用于磁天线的电磁信号进行比对处理，形成正确数据，并通过通用信号接口发送至随钻测量系统。

步骤408、第二无线电磁通讯装置通过通用信号接口接收随钻测量系统的井上数据。

步骤409、第二无线电磁通讯装置在井上数据中获取按照分时发送顺序发送的适用于电天线和磁天线不同特性的电磁信号。

在步骤409之后执行步骤410或步骤411。

步骤410、第二无线电磁通讯装置将适用于电天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到电天线接口，沿钻杆方向产生轴向交变电流，产生处理后的适用于电天线的电磁信号，跨过井下工具被第一无线电磁通讯装置的电天线接收。

在步骤410之后执行步骤412。

步骤411、第二无线电磁通讯装置将适用于磁天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到磁天线接口，产生绕钻杆的交变电流环，产生处理后的适用于磁天线的电磁信号，跨过井下工具被第一无线电磁通讯装置的磁天线接收。

在步骤411之后执行步骤413。

步骤412、第一无线电磁通讯装置将处理后的适用于电天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于电天线的电磁信号。

步骤413、第一无线电磁通讯装置将处理后的适用于磁天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于磁天线的电磁信号。

在步骤412和步骤413之后，执行步骤414。

步骤414、第一无线电磁通讯装置对再次处理后的适用于电天线的电磁信号和再次处理后的适用于磁天线的电磁信号进行比对处理，形成正确数据，并通过通用信号接口发送至随钻测井仪器。

本发明实施例提供的一种井下电磁无线通讯方法，能够综合电磁波通信中的电天线和磁天线的两种数据传输方式，通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流以及通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环，通过电磁信号跨过井下工具进行电磁无线数据通讯。本发明可以克服单一使用井下电天线信号或井下磁天线信号传输的弊端，以实现适用于不同介电性质的井下复杂环境的双向短距离数据传输。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种井下电磁无线通讯系统，其特征在于，包括井下工具、随钻测井仪器、钻头、随钻测量系统、分别设置在井下工具两端的第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置均包括电磁天线线圈结构、无线发射单元结构、无线接收单元结构和通用信号接口；所述电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流以及通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构之间通过电磁信号跨过井下工具进行电磁无线数据通讯；

所述无线发射单元结构包括第一数控开关、第二数控开关、电天线发射信号调制电路、电天线发射功率调整电路、电天线载波频率选择电路、磁天线发射信号调制电路、磁天线发射功率调整电路和磁天线载波频率选择电路；

所述电磁天线线圈结构轴向安装在一钻铤舱体的线圈槽内，所述电磁天线线圈结构外围设置有天线套；所述电磁天线线圈结构包括环形磁芯；在所述环形磁芯上采用螺绕环绕制方式绕有线圈，作为电天线，使得电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流；在所述环形磁芯上还采用螺线管式绕制方式绕有线圈，作为磁天线，使得电磁天线线圈结构能够通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；作为电天线的线圈两端接出作为电天线接口；作为磁天线的线圈两端接出作为磁天线接口。

2.根据权利要求1所述的井下电磁无线通讯系统，其特征在于，所述第一无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测井仪器连接，以接收随钻测井仪器测量的钻头的随钻测井数据；所述第二无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测量系统连接，以向随钻测量系统发送所述随钻测井数据；

或者，所述第二无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测量系统连接，以接收随钻测量系统的井上数据；所述第一无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测井仪器连接，以向随钻测井仪器发送所述井上数据。

3.根据权利要求1所述的井下电磁无线通讯系统，其特征在于，所述第一数控开关的一端和第二数控开关的一端分别连接所述通用信号接口；所述第一数控开关的另一端、电天线发射信号调制电路、电天线发射功率调整电路和电天线载波频率选择电路依次串接，所述电天线载波频率选择电路连接所述电天线接口；所述第二数控开关的另一端、磁天线发射信号调制电路、磁天线发射功率调整电路和磁天线载波频率选择电路依次串接，所述磁天线载波频率选择电路连接所述磁天线接口；

所述第一数控开关和第二数控开关根据预先设置的通断时长进行通断，所述通断时长根据数据中适用于电天线和磁天线不同特性的电磁信号的分时发送顺序预先设置；

在第一数控开关接通时，数据中适用于电天线的电磁信号经过第一数控开关，经过电天线发射信号调制电路进行信号调制处理，再经过电天线发射功率调整电路进行功率调整处理，再经过电天线载波频率选择电路进行频率选择处理，输出到电天线接口；

在第二数控开关接通时，数据中适用于磁天线的电磁信号经过第二数控开关，经过磁天线发射信号调制电路进行信号调制处理，再经过磁天线发射功率调整电路进行功率调整处理，再经过磁天线载波频率选择电路进行频率选择处理，输出到磁天线接口。

4.根据权利要求1所述的井下电磁无线通讯系统，其特征在于，所述无线接收单元结构包括接收数据比对电路、电天线接收信号解调电路、电天线接收信号滤波电路、电天线信号增益调整电路、磁天线接收信号解调电路、磁天线接收信号滤波电路和磁天线信号增益调整电路；

所述接收数据比对电路的输出端连接所述通用信号接口；所述接收数据比对电路的一输入端、电天线接收信号解调电路、电天线接收信号滤波电路和电天线信号增益调整电路依次串接，所述电天线信号增益调整电路连接所述电天线接口；所述接收数据比对电路的另一输入端、磁天线接收信号解调电路、磁天线接收信号滤波电路和磁天线信号增益调整电路依次串接，所述磁天线信号增益调整电路连接所述磁天线接口；

数据中适用于电天线的电磁信号经过电天线信号增益调整电路进行增益调整处理，再经过电天线接收信号滤波电路进行滤波处理，再经过电天线接收信号解调电路进行解调处理，输出到接收数据比对电路；

数据中适用于磁天线的电磁信号经过磁天线信号增益调整电路进行增益调整处理，再经过磁天线接收信号滤波电路进行滤波处理，再经过磁天线接收信号解调电路进行解调处理，输出到接收数据比对电路；

接收数据比对电路对经过处理后的适用于电天线的电磁信号和适用于磁天线的电磁信号进行比对处理，形成正确数据，并传输至通用信号接口。

5.根据权利要求1所述的井下电磁无线通讯系统，其特征在于，所述通用信号接口包括控制器局域网络总线接口、串行外设接口、集成电路总线接口、RS232接口、RS485接口、RS422接口以及单总线接口中的一种或多种。

6.根据权利要求2所述的井下电磁无线通讯系统，其特征在于，所述第一无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测井仪器采用滑环结构、插针结构或导线直连方式连接；所述第二无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测量系统采用滑环结构、插针结构或导线直连方式连接。

7.一种井下电磁无线通讯方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的井下电磁无线通讯系统；方法包括：

第一无线电磁通讯装置通过通用信号接口接收随钻测井仪器测量的钻头的随钻测井数据；

第一无线电磁通讯装置对随钻测井数据进行处理，并将处理后的随钻测井数据通过电磁天线线圈结构跨过井下工具传输至第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构；

第二无线电磁通讯装置对处理后的随钻测井数据再次进行处理，并将再次处理后的随钻测井数据通过通用信号接口发送至随钻测量系统；

第二无线电磁通讯装置通过通用信号接口接收随钻测量系统的井上数据；

第二无线电磁通讯装置对井上数据进行处理，并将处理后的井上数据通过电磁天线线圈结构跨过井下工具传输至第一无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构；

第一无线电磁通讯装置对处理后的井上数据再次进行处理，并将再次处理后的井上数据通过通用信号接口发送至随钻测井仪器。

8.根据权利要求7所述的井下电磁无线通讯方法，其特征在于，所述电磁天线线圈结构包括环形磁芯；在所述环形磁芯上采用螺绕环绕制方式绕有线圈，作为电天线，使得电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流；在所述环形磁芯上还采用螺线管式绕制方式绕有线圈，作为磁天线，使得电磁天线线圈结构能够通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；作为电天线的线圈两端接出作为电天线接口；作为磁天线的线圈两端接出作为磁天线接口；

所述第一无线电磁通讯装置对随钻测井数据进行处理，并将处理后的随钻测井数据通过电磁天线线圈结构跨过井下工具传输至第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构，包括：

第一无线电磁通讯装置在随钻测井数据中获取按照分时发送顺序发送的适用于电天线和磁天线不同特性的电磁信号；

第一无线电磁通讯装置将适用于电天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到电天线接口，沿钻杆方向产生轴向交变电流，产生处理后的适用于电天线的电磁信号，跨过井下工具被第二无线电磁通讯装置的电天线接收；

第一无线电磁通讯装置将适用于磁天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到磁天线接口，产生绕钻杆的交变电流环，产生处理后的适用于磁天线的电磁信号，跨过井下工具被第二无线电磁通讯装置的磁天线接收；

所述第二无线电磁通讯装置对处理后的随钻测井数据再次进行处理，并将再次处理后的随钻测井数据通过通用信号接口发送至随钻测量系统，包括：

第二无线电磁通讯装置将处理后的适用于电天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于电天线的电磁信号；

第二无线电磁通讯装置将处理后的适用于磁天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于磁天线的电磁信号；

第二无线电磁通讯装置对再次处理后的适用于电天线的电磁信号和再次处理后的适用于磁天线的电磁信号进行比对处理，形成正确数据，并通过通用信号接口发送至随钻测量系统。

9.根据权利要求8所述的井下电磁无线通讯方法，其特征在于，所述第二无线电磁通讯装置对井上数据进行处理，并将处理后的井上数据通过电磁天线线圈结构跨过井下工具传输至第一无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构，包括：

第二无线电磁通讯装置在井上数据中获取按照分时发送顺序发送的适用于电天线和磁天线不同特性的电磁信号；

第二无线电磁通讯装置将适用于电天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到电天线接口，沿钻杆方向产生轴向交变电流，产生处理后的适用于电天线的电磁信号，跨过井下工具被第一无线电磁通讯装置的电天线接收；

第二无线电磁通讯装置将适用于磁天线的电磁信号进行信号调制处理，再进行功率调整处理，再进行频率选择处理，输出到磁天线接口，产生绕钻杆的交变电流环，产生处理后的适用于磁天线的电磁信号，跨过井下工具被第一无线电磁通讯装置的磁天线接收；

所述第一无线电磁通讯装置对处理后的井上数据再次进行处理，并将再次处理后的井上数据通过通用信号接口发送至随钻测井仪器，包括：

第一无线电磁通讯装置将处理后的适用于电天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于电天线的电磁信号；

第一无线电磁通讯装置将处理后的适用于磁天线的电磁信号进行增益调整处理，再进行滤波处理，再进行解调处理，形成再次处理后的适用于磁天线的电磁信号；

第一无线电磁通讯装置对再次处理后的适用于电天线的电磁信号和再次处理后的适用于磁天线的电磁信号进行比对处理，形成正确数据，并通过通用信号接口发送至随钻测井仪器。

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