CN111364980B - 一种用于井下信号传输的磁耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于井下信号传输的磁耦合装置，属于井下传输领域。包括：结构相同的发射模块和接收模块；发射模块将井下测量数据通过磁耦合原理，采用无线的方式传输至接收模块；接收模块将井下测量数据上传至地面系统；发射模块包括：凹极式管状本体、扇形长条状铁芯、间隔式线圈和栅栏式金属外壳；凹极式管状本体表面均匀分布多个凹槽，扇形长条状铁芯固定在各个凹槽内；间隔式线圈等间隔的分段缠绕在凹极式管状本体外表面；栅栏式金属外壳包裹在间隔式线圈外面，其表面分布均匀分布多个扇形切缝，各个扇形切缝内填充有非金属材料。本发明能够在同等工作条件下增强磁场强度，大幅度减小信号的衰减，从而实现井下的高性能、高质量无线传输。

Description

一种用于井下信号传输的磁耦合装置

技术领域

本发明属于井下传输技术领域，更具体地，涉及一种用于井下信号传输的磁耦合装置。

背景技术

在石油行业中，对油田的开采需要钻井，并且在钻井后需要完成井下温度、压强、地质等信息的测量，由于井下环境恶劣，传统的有线传输方式不可能实现，无线传输的方法得到了广泛的应用和推广。若要保证测量数据稳定可靠的传输，需要从以下两方面入手：1)增强传输信号的强度；2)控制信号在传输过程中的损耗。

现有的无线传输方法主要有电场耦合方法和磁耦合方法，其中，电场耦合的方式存在的问题有以下几点：1)现有的采用电场耦合方式进行测量数据的传输时，需要将发射线圈，地层介质，接收线圈形成闭合回路。井下环境复杂多变，并不能保证发射装置与地层介质紧密接触，因此不能保证传输效率。2)油井下地层介质组成非常复杂，部分成分具有较高的电导率，信号在传输过程中会产生较大的衰减，从而影响信号的传输质量。3)固定发射线圈及接受线圈的油管和井下的其他设备通常为金属材料制成。在电场耦合方式的信号传输过程中，信号通过金属管道会产生一定的损耗。

磁耦合方法存在以下问题：由于设备需要在井下工作，油井口仅仅比油管略粗，线圈需要随着油管下井，这对线圈整体结构的尺寸和线圈的安装及回收都提出了严格的要求。现有的磁耦合线圈在现有工作条件和装置尺寸的限制下所能产生的磁场强度较弱，不能满足信号在复杂地质条件下传输的要求。采用磁耦合原理进行信号传输时，选择使用低频信号进行传输，线圈中较大的电容会引起信号的损耗。除此之外，井下为高温、高压的恶劣环境，因此线圈的外壳需要具备很高的强度，而常用的金属及合金材料虽然可以保证强度，但是会在金属外壳中产生涡流效应，影响信号的强度。

综上所述，如何在小尺寸，便于安装和回收的条件下，设计出适用于井下复杂环境的高磁场强度、低损耗的线圈结构，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于井下信号传输的磁耦合装置，其目的在于提供一种适用于井下复杂环境的高磁场强度、低损耗的传输结构，实现井下信号的高质量传输。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于井下信号传输的磁耦合装置，包括：结构相同的发射模块和接收模块；

发射模块用于将井下测量数据通过磁耦合原理，采用无线的方式传输至接收模块；所述接收模块用于将井下测量数据上传至地面系统；

发射模块包括：凹极式管状本体、扇形长条状铁芯、间隔式线圈和栅栏式金属外壳；凹极式管状本体表面均匀分布多个凹槽，扇形长条状铁芯固定在各个凹槽内；间隔式线圈等间隔地分段缠绕在所述凹极式管状本体外表面；栅栏式金属外壳包裹在间隔式线圈外面，其表面分布均匀分布多个扇形切缝，各个扇形切缝内填充有非金属材料。

进一步地，凹极式管状本体表面均匀分布有4n个凹槽，n为正整数且n≤2。

进一步地，凹槽的主视图为扇形，侧视图为长方形，上下左右四个侧壁均为斜面。

进一步地，扇形长条状铁芯由高磁导率的纯铁制成，且经过切片处理。

进一步地，栅栏式金属外壳表面分布均匀分布有4m个扇形切缝，m为正整数且m≤4。

进一步地，栅栏式金属外壳采用低磁导率、高电阻率的不锈钢材料制成。

进一步地，扇形切缝的外弧长为8mm，内弧长为4mm。

进一步地，扇形切缝内填充的非金属材料选用耐温耐压、抗腐蚀、易加工，且具有良好电性能的peek材料。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本发明采用凹极式管状本体，并在其侧壁凹槽中固定扇形长条状铁芯，用于增强磁感应强度，并在扇形长条式铁芯外部采用等间隔分段的绕线方法，大幅增加了线圈的磁导率，在通过相同电流时可以产生更大的磁场，进而增强了发射信号的强度；同时，采用这种绕线方式可以有效减小各部分线圈之间的分布电容，进而减小信号损耗。

(2)本发明采用的扇形长条状铁芯进行了切片处理，能够防止铁芯中产生涡流损耗，降低信号的衰减；所采用的栅栏式金属外壳具有很强的物理强度，在保证线圈工作在高温、高压、易腐蚀等恶劣条件下正常工作的同时，进行切缝处理，并在切缝处填充非金属材料，此设计避免金属外壳中产生涡流损耗。线圈中扇形长条铁芯的切片设计，以及栅栏式金属外壳的切缝、填充设计形成双重削弱，能够大幅降磁场在装置内部的损耗。

(3)本发明采用扇形长条状铁芯的四周斜面与凹极式管状本体的凹槽斜面契合；栅栏式金属外壳的切缝处采用扇形设计，扇形斜面的设计可以充分利用外界压强将非金属材料压紧在金属外壳的切缝中，这种斜面设计可以保证在有微小工业误差时，扇形长条状铁芯铁芯和凹极式管状本体、非金属材料和栅栏式金属外壳均能够紧密连接，保证线圈的性能。

(4)本发明采用磁耦合方式进行数据的传输，不需要将发射线圈、地层介质和接收线圈形成闭合回路，可以不借助任何介质进行传输，适用于不能与地层紧密接触甚至真空条件下的无线信号传输。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于井下信号传输的磁耦合装置示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于井下信号传输的磁耦合装置截面示意图；

图3为本发明实施例提供的一种用于井下信号传输的磁耦合装置中扇形长条状铁芯结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种用于井下信号传输的高性能磁耦合线圈工作原理示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1表示油管，2表示间隔式线圈，3表示非金属填充材料(peek材料)，4表示栅栏式金属外壳，5表示扇形长条状铁芯，6表示发射模块，7表示接收模块，8表示井壁。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种用于井下信号传输的磁耦合装置，包括：结构相同的发射模块和接收模块；发射模块将井下测量数据通过磁耦合原理，采用无线的方式传输至接收模块；接收模块将井下测量数据上传至地面系统；

如图1所示，发射模块包括：凹极式管状本体、扇形长条状铁芯、间隔式线圈2和栅栏式金属外壳4；凹极式管状本体表面均匀分布多个凹槽，扇形长条状铁芯固定在各个凹槽内，用于增强磁感应强度；间隔式线圈等间隔的分段缠绕在凹极式管状本体外表面，从而增加线圈的磁导率，同时减小电容，进而减小损耗；栅栏式金属外壳包裹在间隔式线圈外面，其表面分布均匀分布多个扇形切缝，各个扇形切缝内填充有非金属材料；栅栏式金属外壳进行切缝处理，是为了避免在金属外壳中产生涡流损耗。在切缝中填充高性能非金属材料3，是为了保证栅栏式金属外壳的物理强度。

发射模块安装在油管1下方，接收模块安装在油管1上方，具体地，由凹极式管状本体通过丝扣与油管相连，发射模块与接收模块跟随油管进行下井，且不影响原油在油管内的传送。凹极式管状本体表面均匀分布有4n个凹槽，n为正整数，考虑到工艺制造的难度，n≤2；栅栏式金属外壳表面分布均匀分布有4m个扇形切缝，m为正整数，考虑到工艺制造的难度，m≤4；本发明实施例中为绘图方便取n＝1，m＝1，截面图如图2所示，每个凹槽的主视图为扇形，侧视图为长方形，具有四个侧壁，侧壁均为斜面；扇形切缝的外弧长为8mm，内弧长为4mm。

扇形长条状铁芯5由高磁导率的纯铁制成，形状如图3所示，与凹槽契合，其制造工艺包括以下步骤：

S1.将等腰梯形的磁带沿着梯形的上底边卷起，形成两侧向下倾斜的柱状磁芯。将柱状磁芯进行切片处理，形成厚度为0.40mm的切片。将切片重组成磁芯后在空气中进行淬火。

S2.将淬火处理后的柱状磁芯使用绝缘胶固定在管状本体的凹槽中，使柱状磁芯的倾斜侧面与凹槽的斜面相契合并压紧，以保证在有微小工业误差时，扇形铁芯与管状本体仍然能够紧密连接。

上述栅栏式金属外壳采用低磁导率、高电阻率的不锈钢材料制成；扇形切缝内填充的非金属材料选用耐温耐压、抗腐蚀、易加工，且具有良好电性能的peek材料。

本发明实施例提供的装置工作原理如图4所示，具体过程如下：

1、仪器组装：在地面将切片后的扇形长条状铁芯组装，并用绝缘胶安装在凹极式管状本体的凹槽中。分别将发射模块6和接收模块7固定在油管的下端或两节油管之间。栅栏式金属外壳在经过切缝处理并使用peek材料填充后，分别包裹在发射线圈及接收线圈外部；

2、仪器下井：将安装好的线圈通过油管下井8；

3、信号传输：井下发射模块接收测量传感器的测量数据，通过磁耦合方式将信号发出；接收模块接收发射模块发出的信号，并且可选择将信号继续发送到地面系统。

4、探测结束：当该阶段探测结束时，完成所需传输任务后井下部分关闭，等待下一次传输任务，也可通过管道实现回收。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于井下信号传输的磁耦合装置，其特征在于，包括：结构相同的发射模块和接收模块；

所述发射模块用于将井下测量数据通过磁耦合原理，采用无线的方式传输至接收模块；所述接收模块用于将井下测量数据上传至地面系统；

所述发射模块包括：凹极式管状本体、扇形长条状铁芯、间隔式线圈和栅栏式金属外壳；所述凹极式管状本体表面均匀分布多个凹槽，所述扇形长条状铁芯固定在各个凹槽内；所述间隔式线圈等间隔地分段缠绕在所述凹极式管状本体外表面；所述栅栏式金属外壳包裹在间隔式线圈外面，其表面分布均匀分布多个扇形切缝，各个扇形切缝内填充有非金属材料。

2.根据权利要求1所述的一种用于井下信号传输的磁耦合装置，其特征在于，凹极式管状本体表面均匀分布有4n个凹槽，n为正整数且n≤2。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于井下信号传输的磁耦合装置，其特征在于，所述凹槽的主视图为扇形，侧视图为长方形，上下左右四个侧壁均为斜面。

4.根据权利要求1所述的一种用于井下信号传输的磁耦合装置，其特征在于，所述扇形长条状铁芯由高磁导率的纯铁制成，且经过切片处理。

5.根据权利要求1所述的一种用于井下信号传输的磁耦合装置，其特征在于，栅栏式金属外壳表面分布均匀分布有4m个扇形切缝，m为正整数且m≤4。

6.根据权利要求5所述的一种用于井下信号传输的磁耦合装置，其特征在于，所述栅栏式金属外壳采用低磁导率、高电阻率的不锈钢材料制成。

7.根据权利要求5所述的一种用于井下信号传输的磁耦合装置，其特征在于，所述扇形切缝的外弧长为8mm，内弧长为4mm。

8.根据权利要求7所述的一种用于井下信号传输的磁耦合装置，其特征在于，所述扇形切缝内填充的非金属材料选用peek材料。

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