CN110265784B - 随钻仪器的天线设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随钻仪器的天线设备，属于石油天然气钻井随钻仪器技术领域，其包括短节本体，设置在所述短节本体周身上的至少一个环形凹槽，所述环形凹槽内设置环形凹槽台阶，所述环形凹槽台阶将所述环形凹槽分成内层凹槽和外层凹槽；设置在所述内层凹槽内的天线装置，以及设置在所述外层凹槽内的天线保护装置。本发明能够设置多圈天线，并防止高振动以及高压泥沙的高速冲刷对天线造成损坏。

Description

随钻仪器的天线设备

技术领域

本发明涉及一种随钻仪器的天线设备，属于石油天然气钻井随钻仪器技术领域。

背景技术

随钻仪器已经广泛的应用于石油天然气钻井过程中，如随钻电阻率仪器、随钻伽马仪器、随钻核磁仪器等等。很多随钻测量仪器上都带有天线，通过发射或接受无线电磁波信号，测量地层信息或者传输数据。

随钻测量仪器上的天线大多采用环形结构，套在测量短节本体上，并用胶固定。为了保护天线不被泥浆冲蚀，需要在天线外侧加装保护壳体。另外，为了减小天线保护外壳体对电磁波信号的干扰并保证保护壳体的强度和耐磨性，现有技术在短节本体上加工若干条形细缝。这些细缝与短节轴向平行且周向均匀分布在短节本体外表面上，在这些细缝中部加工有环形槽，天线在环形槽中穿过，最后在穿有天线的环形槽内注入高强度密封胶。

这种天线保护外壳体虽然缩小了天线与泥浆的接触面积，提高了天线的可靠性，但仅适合天线圈数较少(通常是1～3圈)时使用。当天线数量较多时，在环形槽中穿线会十分困难，并且线与线之间的排列也会不整齐，影响线圈发射接收电磁波的效率。并且，现有结构在遇到恶劣的井下工况时，尤其在离钻头距离较近的区域，高振动以及高压泥沙的高速冲刷会导致保护壳体细缝中的封胶松动、脱落，最终导致天线损坏。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种随钻仪器的天线设备，能够设置多圈天线，并防止高振动以及高压泥沙的高速冲刷对天线造成损坏。

本发明的提出了一种随钻仪器的天线设备，包括：

短节本体，

设置在所述短节本体上的至少一个环形凹槽，所述环形凹槽内设置环形凹槽台阶，所述环形凹槽台阶将所述环形凹槽分成内层凹槽和外层凹槽；

设置在所述内层凹槽内的天线装置，以及

设置在所述外层凹槽内的天线保护装置。

本发明的进一步改进在于，所述天线装置包括圆环主体形状的天线骨架，所述天线骨架外侧设置环形的绕线槽，所述绕线槽内缠绕若干圈天线。

本发明的进一步改进在于，所述绕线槽内设置用于固定所述天线的固定胶。

本发明的进一步改进在于，所述天线骨架内设有若干沿轴向方向延伸的孔，所述孔呈一圈或多圈的形式布置，并且在所述孔内布置有磁芯。

本发明的进一步改进在于，每一个所述孔内设置一段与所述孔长度相同的磁芯；或者

每一个所述孔内设置多段通过磁芯间隔块相连的磁芯；其中，同一个孔内的所有磁芯和磁芯间隔块的总长度与所述孔的长度相同。

本发明的进一步改进在于，所述天线骨架外侧设置天线内层封胶；其中，所述天线内层封胶外侧与所述环形凹槽台阶齐平，从而构成所述外层凹槽的底部。

本发明的进一步改进在于，所述环形凹槽台阶的边沿设置第一倒角；所述天线内层封胶两侧设置与所述环形凹槽台阶的第一倒角形状相匹配斜边。

本发明的进一步改进在于，所述天线骨架外侧边缘设置密封纹。

本发明的进一步改进在于，天线保护装置包括弧形的天线保护外壳，若干所述天线保护外壳在所述外层凹槽内共同形成一个完整的环形柱体，其中，所述天线保护外壳的厚度与所述外层凹槽深度相同。

本发明的进一步改进在于，所述天线保护外壳上设置若干通孔，所述通孔内设置填充块。

本发明的进一步改进在于，所述通孔包括位于与所述天线保护外壳内表面相连的边缘处的下倒角，以及位于与所述天线保护外壳外表面相连的边缘处的上倒角。

本发明的进一步改进在于，所述填充块外层设置耐磨层。

本发明的进一步改进在于，所述磁芯采用软磁材料；所述磁芯间隔块与所述天线骨架的材质均采用非金属不导磁材料。

本发明的进一步改进在于，所述填充块采用非金属不导磁材料。

本发明的进一步改进在于，所述天线保护外壳采用无磁金属材质。

本发明的进一步改进在于，所述天线保护外壳与所述短节本体通过螺栓相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

在本发明所述的随钻仪器的天线设备，能够设置多圈天线，并防止高振动以及高压泥沙的高速冲刷对天线造成损坏。短节本体上的凹槽内，将磁芯封装在天线骨架内部，在天线骨架的绕线槽内缠绕多圈、多层天线，并用绝缘胶将天线封装，使天线与外界隔绝，最后在天线外侧安装带通孔的无磁天线保护外壳，增加天线保护外壳体的耐磨、抗冲刷性能。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的随钻仪器的天线设备结构示意图。

图2是根据本发明的一个实施方案的随钻仪器的天线设备的剖面图示意图；

图3是图2的局部放大图，显示了天线保护装置和天线装置的安装结构示意图；

图4是根据本发明的一个实施方案的天线骨架结构示意图，显示了设置一圈圆柱孔的结构；

图5是根据本发明的一个实施方案的天线骨架结构示意图，显示了设置多圈圆柱孔的结构；

图6是根据本发明的一个实施方案的天线骨架的剖面图，显示了圆柱孔内设置多段磁芯的结构；

图7是根据本发明的一个实施方案的天线骨架的剖面图，显示了不同磁芯间隔块厚度不同的结构；

图8是根据本发明的一个实施方案的天线保护外壳示意图，显示了天线保护外壳弧度为180度；

图9是根据本发明的一个实施方案的天线保护外壳组装结构示意图，显示了天线保护外壳弧度为120度；

图10是根据本发明的一个实施方案的天线保护外壳示意图，显示了通孔的长度方向沿天线保护外壳的周向方向；

图11是根据本发明的一个实施方案的天线保护外壳示意图，显示了通孔的长度方向在天线保护外壳的轴向倾斜一定角度的结构示意图；

图12是根据本发明的一个实施方案的天线保护外壳示意图，显示了通孔为V形孔的结构示意图；

图13是根据本发明的一个实施方案的填充块和耐磨层剖面结构示意图，显示了耐磨层处于填充通孔上部部分空间的结构。

图14是根据本发明的一个实施方案的填充块和耐磨层剖面结构示意图，显示了耐磨层处于填充通孔整个上部空间的结构。

图15是根据本发明的一个实施方案的填充块和耐磨层剖面结构示意图，显示了耐磨层处于填充通孔上部和中部部分空间的结构。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下、10、短节本体，11、环形凹槽，12、内层凹槽，13、外层凹槽，20、天线装置，21、天线，22、天线固定胶，30、磁芯，31、磁芯间隔块，40、天线保护装置，41、天线骨架，42、天线内层封胶，43、圆柱孔，44、天线保护外壳，45、密封纹，46、绕线槽，47、环形凹槽台阶，48、第一倒角，50、螺栓，61、通孔，62、下倒角，63、上倒角，70、填充块，80、耐磨层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例随钻仪器的天线设备。根据本发明的随钻仪器的天线设备，能够设置多圈天线，并防止高振动以及高压泥沙的高速冲刷对天线造成损坏。

本实施例所述的一种随钻仪器的天线设备，如图1和图2所示，包括短节本体10。所述短节本体10为圆柱形，两端连接其他随钻设备。本实施例所述随钻仪器的天线设备的周身上设置至少一个环形凹槽11。所述环形凹槽11内两侧分别设置环形凹槽台阶47，所述环形凹槽台阶47将所述环形凹槽11分成内层凹槽12和外层凹槽13。位于凹槽台阶上面的部分为外层凹槽13，位于凹槽台阶侧面的部分为内层凹槽12。所述内层凹槽12设置天线装置20，所述天线装置20内固定设置若干圈天线。所述天线装置20为圆环形，其厚度与所述内层凹槽12的深度相匹配。在内层凹槽12安装天线装置20后，天线装置20的外表面与环形凹槽台阶47上表面相齐平。这样，环形凹槽台阶47上表面和天线装置20外表面共同构成外层凹槽13的底部。在本实施例中，所述外层凹槽13内还设置天线保护装置40。所述天线保护装置40的厚度与所述外层凹槽13的深度相同。

根据本实施例所述的随钻仪器的天线设备，在短节本体10上设置环形凹槽11，用于设置天线装置20和天线保护装置40。在本实施例中环形凹槽11通过环形凹槽台阶47分为内层凹槽12和外层凹槽13。其中，内层凹槽12用于设置天线装置20，在制作时可以调整内层凹槽12的深度来调整天线装置20中天线的圈数。因此本实施例所述随钻仪器的天线设备能够设置多圈天线。天线装置20固定在内层凹槽12中时，天线装置20和环形凹槽台阶47共同构成了外层凹槽13的底部，外层凹槽13用于设置天线保护装置40。天线保护装置40用于保护天线不受高振动以及高压泥沙的高速冲刷，从而提高了天线装置20的使用寿命。

在一个实施例中，所述天线装置20包括天线骨架41。如图2和图3所示，所述天线骨架41为圆环形，所述天线骨架41的宽度与所述内层凹槽12的宽度相同，使天线骨架41正好放置在内层凹槽12内。所述天线骨架41外侧的曲面上设置环形的绕线槽46。所述绕线槽46内缠绕若干圈天线21，并排缠绕的天线构成一层。在所述绕线槽46内所述天线21可以是一层，也可以多层，根据需要设置天线的圈数和层数。优选地，所述天线21是耐高温的漆包线，或者带绝缘皮的耐高温单芯线。通过根据本实施例中的天线骨架41，可以在绕线槽46内设置多圈、多层天线，提高了布置天线的数量。在组装时通过缠绕的方式布置天线，组装更加简单，并且天线排布更为整齐，从而提高了线圈发射和接收电磁波的效率。

在一个实施例中，所述绕线槽46内设置用于固定所述天线的固定胶22。所述固定胶22凝结并填充在天线与天线骨架41之间、天线与天线之间的缝隙，从而来固定及保护天线。

在制作根据本实施例所述随钻仪器的天线设备时，将天线缠绕在绕线槽46内。在天线骨架41的绕线槽46内缠绕天线时，首先在绕线槽46的表面涂一层天线固定胶22，然后缠绕一层天线并在该层天线外侧涂天线固定胶22，之后反复缠绕天线以及涂天线固定胶22，直至天线的层数达到设计要求的层数。天线需要缠绕整齐，一根紧挨一根。天线缠绕完成后，天线固定胶22需要固化，可以根据天线固定胶22的自身特性以及设计要求选择加热固化，也可以选择常温固化。待天线固定胶22完全固化后才能进行下一步工作。天线固定胶22选择耐高温(200℃以上)且固化时间大于2小时的绝缘胶，例如环氧树脂等。天线的总厚度小于绕线槽46的深度，即天线完全放入在绕线槽46内部。

在本实施例中，所述天线骨架41内部设置若干圆柱孔43，所述圆柱孔43贯穿天线骨架41两端。所述圆柱孔43内填充磁芯30。在本实施例中，所述圆柱孔43可以在圆环形的天线骨架41上均匀设置一圈(如图4所示)，也可以设置两圈或两圈以上(如图5所示)。

在一个实施例中，每一个所述圆柱孔43内设置一段或多段磁芯30。所述磁芯30为圆柱形，其截面直径与所述圆柱孔43的截面直径相接近，保证磁芯30能够与所述圆柱孔43匹配。在一个实施例中，所述磁芯30的长度与所述圆柱孔43的长度相同，每个圆柱孔43内设置一段磁芯30。在另一个实施例中，如图6所示，每一个所述圆柱孔43内设置多段磁芯30，相邻两个磁芯30之间设置磁芯间隔块31。其中，在同一个圆柱孔43内的所有磁芯30和磁芯间隔块31的总长度与圆柱孔43的长度相同。同一个圆柱孔内的不同磁芯间隔块31的长度可以相同(如图6所示)，不同磁芯间隔块31的长度也可以不同(如图7所示)。

在一个实施例中，如图3所示，所述天线骨架41外侧设置天线内层封胶42。所述天线内层封胶42用于连接所述天线骨架41和内层凹槽12。其中，所述天线内层封胶42外侧与所述环形凹槽台阶47齐平，共同构成外层凹槽13的底部，以便于安装天线保护装置40。

在本实施例中，所述天线内层封胶42的材料为绝缘、无磁及抗压的高分子材料，例如玻璃钢、环氧树脂等。在制作根据本实施例所述随钻仪器的天线设备时，组装天线内层封胶42的过程是在天线缠绕完成且天线固定胶22完全固化之后，填充在随钻短节本体10上的环形凹槽11内并进行固化。组装天线内层封胶42时保证与所述天线骨架41紧密粘合在一起，使两者之间无缝隙。天线内层封胶42将天线完全包裹在绕线槽46内部，避免天线与外界接触。从而进一步防止工作时井下高振动以及高压泥沙的高速冲刷而损坏天线。

在一个实施例中，所述环形凹槽台阶47的边沿设置第一倒角48。所述天线内层封胶42两侧设置与所述环形凹槽台阶47的第一倒角48形状相匹配斜边。在本实施例中，所述天线内层封胶42最宽处的宽度大于天线骨架41的宽度。这样，所述天线内层封胶42将天线骨架41、天线和天线固定胶22完全包裹在随钻短节本体10上的环形凹槽11内部，从而增强密封性，并且提高了对天线的保护效果。

在一个优选的实施例中，所述天线骨架41外侧边缘设置密封纹45。所述密封纹45数量为至少一个。所述密封纹45的截面优选为三角形、矩形或半圆形等结构。这样，在填充天线内层封胶42后，所述天线骨架41与所述天线内层封胶42之间通过密封纹45紧密咬合。从而增加天线内层封胶42和天线骨架41之间的粘合能力，增强密封性。

在一个实施例中，所述天线保护装置40包括弧形的天线保护外壳44，若干所述天线保护外壳44在所述外层凹槽13内围成一圈形成圆柱形，所述天线保护外壳44的厚度与所述外层凹槽13深度相同。在一个优选的实施例中，如图8所示，所述天线保护外壳44是一个圆环柱的一半，即所述天线保护外壳44的弧度为180度。在外层凹槽13内设置两个相对的天线保护外壳44。在另一个实施例中，如图9所示，所述天线保护外壳44为环形柱的三分之一，即所述天线保护外壳44的弧度为120度。在外层凹槽13内设置三个天线保护外壳44。当然，本实施例中一圈天线保护外壳44的数量也可以是四个及以上。并且，天线保护外壳44的形状可以相同也可以不同，只要保证天线保护外壳44能够围成一个360度的圆柱形就可以。

在一个优选的实施例中，所述天线保护外壳44上设置若干通孔61，所述通孔61内设置填充块70。所述通孔61可以增强电磁波传输信号的强度，减少天线保护外壳44对电磁波传输信号的干扰。

在一个优选的实施例中，如图13所示，所述通孔61与所述天线保护外壳44内表面相连的边缘设置下倒角62，所述通孔61与所述天线保护外壳44外表面相连的边缘设置上倒角63。优选地，所述下倒角62和上倒角63的倾斜角度均为30°至60°，下倒角62和上倒角63的倾斜角度和高度可以相等也可以不相等，但均小于天线保护外壳44的厚度的二分之一。

在一个实施例中，如图8和图9所示，所述通孔61为长条形状，并且两端为半圆形。在本实施例中，所述通孔61的长度方向沿所述天线保护外壳44所在圆柱体的轴向方向(如图8和图9所示)，或者所述通孔61的长度方向沿所述天线保护外壳44的周向方向(如图10所示)，也可以是在轴向方向上倾斜一定的角度(如图11所示)。在本实施例中，所述通孔61可以是长度相同并且相互平行的通孔61，也可以是长短结合，并按照一定规律排列的细缝形状的通孔61。

在一个实施例中，如图12所示，所述通孔61为V形孔。在天线保护外壳44上的左侧和右侧各有一排或多排通孔61沿随钻短节本体10的周向、轴向或其它方向均匀分布。且各排V形通孔61的尖端的指向可以相同。

在一个实施例中，如图13所示，所述填充块70外层设置耐磨层80。所述填充块70与所述耐磨层80共同填充所述通孔61。所述耐磨层80的外表面与所述天线保护外壳44的表面相齐，与所述短节本体10的侧面处于同一曲面上。

在本实施例中，所述填充块70和耐磨层80组合的形状与所述通孔61形状相匹配。由于所述通孔61上设置上倒角63和下倒角62，在本实施例中，所述填充块70和耐磨层80组合的结构分为上部、中部和下部。其中上部截面为近似梯形，两个侧边与所述上倒角63相配合，上端为弧形的长边，下端为短边。下部截面为近似的梯形，两个侧面与所述下倒角62相配合，上端为短边，下端为弧形的长边。中部为矩形，中部的上端与上部的短边相连，中部的下端与下部的长边相连所述耐磨层80的厚度可以根据需要调整，耐磨层80可以采用较薄的结构，这样，所示耐磨层80和所述填充块70的上部共同填充通孔61上部的截面为近似梯形的空间，如图13所示；所述耐磨层80可以单独填充通孔61上部的截面为近似梯形的空间，而填充块70填充通孔61中部和下部的空间，如图14所示；所述耐磨层80也可以是较厚的结构，使其延伸到通孔61的中部，如图15所示。

在一个优选的实施例中，所述填充块70采用非金属不导磁材料，例如橡胶、环氧树脂、玻璃钢、PEEK等。

在使用根据本实施例所述随钻仪器的天线设备在井下工作时，环空泥浆压力作用在天线保护外壳44上，此时通孔61的下倒角62会压紧在填充块70下部的斜面上，并且在压力的作用下，会增强天线保护外壳44与填充块70之间的密封性。此外，通孔61的下倒角62也起到卡住填充块70的作用，防止填充块70从通孔61中脱落。所述填充块70中部的作用是连接填充块70下部与填充块70上部。填充块70上部的斜面的倾斜角度与通孔61上倒角63的倾斜角度相同，填充块70上部的斜面的高度小于通孔61上倒角63的高度。当随钻短节在井下工作时，环空泥浆压力通过耐磨层80传递到填充块70上表面，填充块70上部的斜面会压紧在通孔61上倒角63上，在压力的作用下，会增强填充块70与天线保护外壳44之间的密封性。此外，通孔61的上倒角63也起到支撑填充块70的作用，将填充块70受到的压力传递一部分给天线保护外壳44，从而减小填充块70对天线内层封胶42以及天线的压力。当随钻短节在井下工作时，环空泥浆压力作用在耐磨层80上表面，耐磨层80斜面会压紧在通孔61上倒角63上，在压力的作用下，会增强耐磨层80与天线保护外壳44之间的密封性。此外，通孔61上倒角63的斜面也起到支撑耐磨层80的作用，将耐磨层80受到的压力传递一部分给天线保护外壳44，减少耐磨层80对填充块70的压力。

在一个实施例中，所述天线保护外壳44采用无磁金属材质，例如无磁不锈钢、钛合金等。这样，天线保护外壳44不仅具有较高的强度，并且不会对天线造成电磁干扰。

在一个实施例中，所述天线保护外壳44与所述短节本体10通过螺栓50相连。所述天线保护外壳44上设置若干安装螺栓50的孔，短节本体10上与所述孔相对应的位置设置螺纹孔。通过螺栓50连接所述孔和螺纹孔来连接所述天线保护外壳44和短节本体10。本实施例通过螺栓50连接的方式连接稳固，不容易脱落，同时便于拆装和维修。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (11)

1.一种随钻仪器的天线设备，其特征在于，包括：

短节本体(10)，

设置在所述短节本体(10)上的至少一个环形凹槽(11)，所述环形凹槽(11)内设置环形凹槽台阶(47)，所述环形凹槽台阶(47)将所述环形凹槽(11)分成内层凹槽(12)和外层凹槽(13)；

设置在所述内层凹槽(12)内的天线装置(20)，所述天线装置(20)包括圆环主体形状的天线骨架(41)，所述天线骨架(41)外侧设置环形的绕线槽(46)，所述绕线槽(46)内缠绕若干圈天线(21)；所述天线骨架(41)内设有若干沿轴向方向延伸的孔(43)，所述孔(43)呈一圈或多圈的形式布置，并且在所述孔(43)内布置有磁芯(30)；以及

设置在所述外层凹槽(13)内的天线保护装置(40)；所述天线骨架(41)外侧设置天线内层封胶(42)；其中，所述天线内层封胶(42)外侧与所述环形凹槽台阶(47)齐平，从而构成所述外层凹槽(13)的底部；天线保护装置(40)包括弧形的天线保护外壳(44)，若干所述天线保护外壳(44)在所述外层凹槽(13)内共同形成一个完整的环形柱体，其中，所述天线保护外壳(44)的厚度与所述外层凹槽(13)深度相同；所述天线保护外壳(44)上设置若干通孔(61)，所述通孔(61)内设置填充块(70)。

2.根据权利要求1所述的随钻仪器的天线设备，其特征在于，所述绕线槽(46)内设置用于固定所述天线的固定胶(22)。

3.根据权利要求2所述的随钻仪器的天线设备，其特征在于，每一个所述孔(43)内设置一段与所述孔(43)长度相同的磁芯(30)；或者

每一个所述孔(43)内设置多段通过磁芯间隔块(31)相连的磁芯(30)；其中，同一个孔(43)内的所有磁芯(30)和磁芯间隔块的总长度与所述孔(43)的长度相同。

4.根据权利要求3所述的随钻仪器的天线设备，其特征在于，所述环形凹槽台阶(47)的边沿设置第一倒角(48)；所述天线内层封胶(42)两侧设置与所述环形凹槽台阶(47)的第一倒角(48)形状相匹配斜边。

5.根据权利要求4所述的随钻仪器的天线设备，其特征在于，所述天线骨架(41)外侧边缘设置密封纹(45)。

6.根据权利要求5所述的随钻仪器的天线设备，其特征在于，所述通孔(61)包括位于与所述天线保护外壳(44)内表面相连的边缘处的下倒角(62)，以及位于与所述天线保护外壳(44)外表面相连的边缘处的上倒角(63)。

7.根据权利要求6所述的随钻仪器的天线设备，其特征在于，所述填充块(70)外层设置耐磨层(80)。

8.根据权利要求3所述的随钻仪器的天线设备，其特征在于，所述磁芯(30)采用软磁材料；所述磁芯间隔块(31)与所述天线骨架(41)的材质均采用非金属不导磁材料。

9.根据权利要求8所述的随钻仪器的天线设备，其特征在于，所述填充块(70)采用非金属不导磁材料。

10.根据权利要求9所述的随钻仪器的天线设备，其特征在于，所述天线保护外壳(44)采用无磁金属材质。

11.根据权利要求10所述的随钻仪器的天线设备，其特征在于，所述天线保护外壳(44)与所述短节本体(10)通过螺栓(50)相连。

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