CN111448764A - 电磁遥测发射机装置和泥浆脉冲-电磁遥测组件 - Google Patents

Abstract

提供了一种统一泥浆脉冲(MP)‑电磁(EM)遥测组件和井下遥测工具，其包括井下EM遥测发射机装置。EM遥测发射机装置包括调制器，调制器被配置成通过传输介质传输至少一个EM信号。调制器包括第一电抗电路和第二电抗电路，以及由控制器控制以在第一配置和第二配置之间交替地切换调制器的多个开关。EM信号通过穿过电抗电路中的一个并旁路另一个电抗电路而被传输。

Description

电磁遥测发射机装置和泥浆脉冲-电磁遥测组件

技术领域

本发明总体上涉及井下遥测系统，并且具体地涉及电磁(EM)遥测发射机装置，以及涉及在井下遥测技术中采用EM发射机的泥浆脉冲(MP)和EM遥测组件。

背景技术

烃的开采涉及钻探可以达到数千公里深度的井眼。井眼钻探操作需要位于地面的钻机设备、包括纵向附接的钻杆的钻柱、以及为钻头提供动力的液压马达。液压马达和钻头是底孔组件(BHA)的一部分，该底孔组件附接到钻柱的井下侧。钻探流体(通常称为“泥浆”)通过钻柱从地面被泵送，从而为液压马达(因此，为泥浆马达)提供动力。然后泥浆通过钻头喷嘴排出，并携带钻屑穿过环形空间(钻柱外部和井眼之间的空间)向上到达地面。泥浆使钻头冷却和润滑并控制井眼的压力，以防止地层坍塌到井中。

定向和水平钻探操作包括从垂直方向引导钻柱以一定角度穿透目标储层。需要实时的井下数据来精确地遵循井眼的规划路径。井下数据包括定向数据、地层特性数据和井下条件数据。使用集成在BHA中的随钻测量(MWD)遥测系统获得井下数据。MWD系统使用钻头附近的传感器测量井下数据，对数据编码，然后通过遥测系统将数据传输到地面，在地面使用地面设备测量和解码数据。

在工业中两种常用的遥测系统是MP遥测和EM遥测。为了使用MP遥测传输数据，流量阀由泥浆脉冲发生器驱动以瞬时限制流过钻柱的泥浆流。这在泥浆中产生压力脉冲(因此，泥浆脉冲)，该压力脉冲代表使用立管压力传感器在地面测量的编码的井下数据。MP遥测的优点在于，它独立于地层起作用，并且通常比EM遥测更深钻可靠。MP遥测的缺点是其较慢的数据传输速率(高达1比特/秒)及其对泥浆特性的依赖性。如果泥浆是可压缩的或包含大量的堵漏材料(LCM)，则MP遥测难以有效地产生和测量泥浆脉冲。并且由于泥浆被连续地泵送通过钻柱，来自泥浆泵的压力尖峰可以掩盖代表编码数据的泥浆脉冲。这与泥浆脉冲随着井眼深度增加的衰减相结合，可能使MP遥测的检测和解码变得不可能。

通过减小压力脉冲的宽度，可以增加MP遥测的数据传输速率。这是通过在较短的时间周期内限制泥浆系统的流量来实现的。这种方法的缺点是它增加了功耗，并且使泥浆脉冲更容易受到来自泥浆泵的噪声的影响。通过增加泥浆脉冲的强度/幅度，可以部分地提高解码可靠性。这可以通过阻塞泥浆柱的横截面面积的更大百分比来增加钻探泥浆的流量限制来实现。这种方法的缺点是它进一步限制了泥浆流向钻探马达，并且可能潜在地损坏泥浆循环系统。用于提高解码可靠性的另一种方法是增加压力脉冲的宽度，这通过在增加的时间段内限制泥浆的流量来实现。这种方法的缺点是降低了数据传输速率。

为了使用EM遥测传输数据，在BHA中的绝缘接头的两端产生交变差分电压(峰间电压高达150V)，发送低频(0.5-32Hz)交流电流(AC)穿过地层并到达地面。调制该AC以携带编码数据。在地面测量并解码交变差分电压。

EM遥测更独立于泥浆的特性，并且具有显著更快的数据传输速率，取决于信号频率和调制方法，数据传输速率可以达到30比特/秒。EM遥测的缺点在于其具有比MP遥测更高的功耗。而且，在短路的情况下，高电压输出(峰间电压高达150V)可能损坏电子器件。此外，由于功率效率低，EM发射机所消耗的功率的一部分作为热量被浪费。由于系统在可超过200℃的井下环境中操作，所以额外的废热可破坏电子器件。EM遥测的另一个缺点是EM信号的衰减。在地面，EM遥测接收器必须能够接收、测量和过滤弱至1μV(-120dBV)的信号。EM信号衰减取决于BHA的配置(例如长度和直径)、大地地层的厚度和电特性、以及取决于由地面上的钻探设备和机械所产生的电磁干扰(EMI)的EM信号接收。这些可以包括大功率发电机、泵和马达。信号衰减和EMI的结合可能使得测量和解码不可能。

在某一频带的信号强度和EMI之间的关系可以由信噪比(S/N)表示。EM信号必须满足S/N阈值以便被成功地测量和解码。一种增加S/N的方法是增加EM信号的强度/振幅。这可以通过增加EM发射机的输出电压来完成。这种方法的局限性在于，它增加了功耗，并且由于EM发射机中的功率效率低而可能产生大量的废热。输出电压可高达150V(峰间)，并且可损坏井下设备。

另一种解决方案是找到并切换到在地面具有较高S/N的频带。为了保持信号完整性，钻探操作者必须使用频谱图连续地监控EM分布图以找到最优频率信道。此外，切换到较低频带降低了数据传输速率。另一种降低所选频带所需的S/N阈值的方法是使用更简单的调制方案。这种方法的缺点是它也降低了数据传输速率。

近年来，还开发了组合的MP和EM遥测系统以在MP模式和EM模式之间切换。美国专利No.9,291,049公开了一种包括MP遥测单元和EM遥测单元的井下MWD遥测工具，所述EM遥测单元包括EM信号发生器。当前在本领域中使用的组合的MP和EM系统的限制在于EM和MP遥测单元简单地点对点连接。这导致系统太长(～10米)而不能组装然后运输到钻机。这种系统必须在需要MWD操作员的钻机现场组装。组装整个底孔组件(BHA)也花费更多的时间。

另一个限制是使用连接器来连接EM遥测模块和MP遥测模块，这立即引入了系统故障的附加风险。此外，由于EM和MP系统是独立的，所以它们各自具有单独的电气和机械部件。这给系统带来了更大的风险。由于EM和MP遥测系统独立地起作用，所以功率和数据管理没有被细化。

因此，需要克服现有技术中的一个或更多个限制，并提供一种改进的遥测系统，该遥测系统具有低功耗、增加的可靠性以及紧凑、模块化和智能的组件。

提供该背景信息的目的是使申请人相信的已知信息可能与本技术相关。并非必须承认，也不应解释为，任何前述信息构成了针对本技术的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的电磁遥测发射机装置和采用该装置的统一模块化设计和智能的泥浆脉冲-电磁遥测组件。

根据本发明的一个方面，提供了一种EM遥测发射机装置，包括电源、控制器和调制器，所述调制器被配置成从电源接收直流电流(DC)并从控制器接收控制命令。调制器还被配置为响应于控制命令而传输至少一个EM信号。至少一个EM信号在地面位置与地下位置之间或在地下位置与另一地下位置之间传输。调制器包括第一电抗电路和第二电抗电路、第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子和第二输出端子用于在分开的、间隔开的位置处直接或感应连接到传输介质。多个开关被配置以在第一配置与第二配置之间交替地切换调制器。在第一配置中，第一电抗电路的输入至少间歇地连接到电源。第一电抗电路的输出连接到第一输出端子，并且第二输出端子连接到旁路第二电抗电路的电返回路径。在第二配置中，第二电抗电路的输入至少间歇地连接到电源。第二电抗电路的输出连接到第二输出端子，并且第一输出端子连接到旁路第一电抗电路的另一电返回路径。根据本发明的另一方面，提供了一种包括如上所述的EM发射机装置的统一泥浆脉冲(MP)-电磁(EM)遥测组件。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括统一MP-EM遥测组件的井下遥测工具，所述统一MP-EM遥测组件包括如上所述的EM发射机装置。

附图说明

结合附图，从以下详细描述中，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的使用MP-EM遥测组件的示例性钻探系统的示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的MP-EM遥测组件的EM遥测发射机的示意性框图。

图3A和3B示出了在第一配置下的图2的EM遥测发射机的调制器的电路图。

]图4A是示出在图3A和3B的调制器的开关S1处电压作为时间的函数的曲线图。

图4B示出了图3A和3B的调制器的输出电压。

图5A和5B示出了工作在第二配置下的调制器的电路图。

图6示出了当调制器处于第一配置然后处于第二配置时第一开关S1和第四开关S4的占空比的曲线图。

图7示出了在第一配置以及随后在第二配置下，调制器的输出电压的曲线图。

图8A和8B示出了在地面接收到的具有不同频率的两个调制信号，其中图8A是时域，图8B是频域。

图9是MP-EM遥测统一组件的横截面图。

图10示出了根据本发明的一个实施例的包括MP-EM遥测统一组件的MWD遥测工具。

具体实施方式

本发明提供了一种电磁(EM)遥测发射机装置、统一模块化设计的泥浆脉冲-电磁遥测组件和采用该泥浆脉冲-电磁遥测组件的井下遥测工具。

本发明的EM遥测发射机装置包括电源、控制器和调制器，调制器被配置成从电源接收直流电流(DC)并从控制器接收控制命令。调制器还被配置为响应于控制命令而传输至少一个EM信号。至少一个EM信号在地面位置与地下位置之间或在地下位置与另一地下位置之间传输。该调制器包括第一电抗电路和第二电抗电路、第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子和第二输出端子用于在分开的、间隔开的位置处直接或感应连接到信号传输介质。传输介质的非限制性示例包括大地、其他类型的地层或流体。多个开关被配置以在第一配置与第二配置之间交替地切换调制器。在第一配置中，第一电抗电路的输入至少间歇地连接到电源。第一电抗电路的输出连接到第一输出端子，并且第二输出端子连接到旁路第二电抗电路的电返回路径。在第二配置中，第二电抗电路的输入至少间歇地连接到电源。第二电抗电路的输出连接到第二输出端子，并且第一输出端子连接到旁路第一电抗电路的另一电返回路径。

在一些实施例中，调制器的第一电抗电路和第二电抗电路中的每一个均包括至少一个电感器、至少一个电容器、或者至少一个电感器和至少一个电容器。

在一些实施例中，多个开关包括将电源连接到第一电抗电路的输入的第一开关、将虚拟接地连接到第一电抗电路的输入的第二开关、将第一电抗电路的输出和第一输出端子连接到虚拟接地的第三开关、将电源连接到第二电抗电路的输入的第四开关、将虚拟接地连接到第二电抗电路的输入的第五开关、以及将第二电抗电路的输出和第二输出端子连接到虚拟接地的第六开关。每个开关均具有各自的开关占空比。开关的开关占空比是开关周期的一部分，在开关占空比期间开关闭合。

在一些实施例中，第一配置被配置为互补地切换第一开关和第二开关，使得一次仅闭合第一开关和第二开关中的一个。在一些实施例中，第二配置被配置为互补地切换第四开关和第五开关，使得每次仅闭合第四开关和第五开关中的一个。

在一些实施例中，EM信号被调制为至少一个调制信号，该调制信号具有由多个开关的打开和闭合操作确定的波形。在一些实施例中，波形被配置为近似正弦波形、方波波形、三角波形和锯齿波形中的一种或组合。

在一些实施例中，EM信号可以根据调制方案被调制。调制方案可以是脉宽调制(PWM)、幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)和/或正交幅度调制(QAM)。在一些实施例中，至少两个调制方案可以在幅度域、相位域或频域中被复用。

EM遥测发射机装置的电源可包括隔离电路以电隔离调制器。这种隔离在灾难性故障的情况下保护非隔离的电路。此外，调制器与钻机所使用的外部接地连接。隔离电路保护DC总线免受来自钻机的EM噪声。这防止了电源中的敏感测量的问题。另外的优点是由调制器产生的开关噪声将不会影响向其余的井下传感器供电的电池总线。这确保了井下数据的精确测量。

在优选实施例中，变压器是平面变压器，其具有较低的漏电感(功率更有效)，具有较小的轮廓，并且比环形变压器运行得更低温。

根据本发明的另一目的，提供了一种统一模块/智能设计的MP-EM遥测组件，其包括由第一绝缘体分成第一部分和第二部分的接头、机械部分和电子部分。机械部分和电子部分位于接头内并由第二绝缘体隔开。机械部分包括驱动马达和流量阀。统一电子部分包括EM发射机装置。统一MP-EM遥测组件还包括第一连接器和第二连接器。第一连接器将机械部分电连接至接头的第一部分，并且第二连接器将电子部分电连接至第二部分。在各种实施例中，接头可以指钻铤。

在一些实施例中，统一模块/智能设计的MP-EM遥测组件的控制器被配置成向驱动马达发送命令，以通过控制流量阀来改变钻探流体的流量而经由第一连接器传输至少一个MP信号。在一些实施例中，控制器还通过在接头的第一部分和第二部分两端生成差分电压而经由第一连接器和第二连接器向调制器发送命令以传输至少一个EM信号。在一些实施例中，第一和/或第二(电)绝缘体由有关电地非导电材料制成。非导电材料的非限制性示例包括陶瓷、玻璃纤维和碳纤维。

本发明还提供了一种井下遥测工具，包括统一模块/智能设计的MP-EM遥测组件，其可以由操作者在现场通过附接/拆卸统一组件的模块化机械部分来配置：选择1-脉冲发生器的阀的机械部分仅意味着输出EM遥测；选择2-钻柱的绝缘部分或一体化发射机的组件仅意味着输出液压脉冲发生器；选择3-所有上述呈现意味着MP/EM遥测的所有信道。

井下遥测工具可被配置成传输由在统一MP-EM遥测组件的控制器中预先配置的传输模式确定的选定井下数据。传输模式可以是MP模式、EM模式、MP-EM冗余模式和MP-EM相依模式中的一种。在MP模式下，所有选定井下数据经由至少一个MP信号被传输。在EM模式下，所有选定井下数据经由至少一个EM信号被传输。在MP-EM冗余模式下，所有选定井下数据经由至少一个MP信号和至少一个EM信号两者被传输。在MP-EM相依模式下，选定井下数据的一部分经由至少一个MP信号被传输，并且选定井下数据的另一部分经由至少一个EM信号被传输。在本发明的一个实施例中，定向数据经由至少一个EM信号传输，而地理数据和操作数据经由至少一个MP信号传输。其它传输模式也是可能的，例如使用MP和EM信号中的一个或组合来传输井下数据或其它相关配置或操作数据。

在一些实施例中，传输模式可以由从地面传输并由在井下位置处的遥测工具接收的下行链路信号重新配置。下行链路信号可以包括由至少一个井下传感器测量并由控制器读取的至少一个MP信号和/或至少一个EM信号，以重新配置传输模式。所述至少一个井下传感器可以包括加速度计、磁力计、陀螺仪、振动和冲击传感器、伽马传感器、电阻率传感器、中子密度传感器、孔隙度传感器、压力传感器和温度传感器中的至少一个。

井下遥测工具可以是MWD遥测工具或随钻测井(LWD)遥测工具。

参考实施例的附图来讨论与本发明的装置、组件和工具相关的进一步细节。

图1示出了钻探系统的示例，其可以包括根据本发明的EM遥测发射机装置和统一MP-EM遥测组件。钻探系统包括具有钻台102的井架100，以便于钻柱104将井眼106钻入大地108中。底孔组件(BHA)110位于钻柱的井下端。BHA结合了为钻头114和井下MWD遥测系统500(包括根据本发明的统一MP-EM遥测组件和EM遥测发射机)提供动力的泥浆马达112。泥浆系统116通过钻柱泵送泥浆，以便为泥浆马达提供动力并驱动钻头。泥浆通过钻头中的喷嘴排出，并流过环形空间118，并返回到泥浆系统中，在泥浆系统中泥浆被再循环。为了传输泥浆脉冲信号，MWD遥测系统在泥浆中产生压力脉冲，该压力脉冲由位于地面的立管压力传感器120测量。然后，由立管压力传感器测量的压力脉冲被地面接收器122解码。为了传输电磁信号，MWD系统在被绝缘接头124分开的BHA和钻柱两端产生交流电压差分。这将交流电流发送通过地层。地面接收器经由将地面接收器122连接到钻柱的第一电缆125和将地面接收器122连接到穿透大地的导电桩128的第二电缆126来测量交变差分电压。可以理解，地面接收器与BHA和钻柱电连通。

EM遥测发射机

图2示出了根据本发明的实施例的遥测发射机200的EM部分的示例。EM遥测发射机200包括隔离电源210、控制器230、数字隔离器220和调制器240。电源250向隔离电源210提供直流电，隔离电源210向调制器240提供隔离直流电。应当理解，调制器240与EM遥测发射机的其余部分电隔离。为了传输携带井下数据的EM信号，控制器从井下传感器模块检索或接收井下数据，然后对该数据进行编码。控制器230然后通过数字隔离器220发送数字命令信号，并将数字命令信号发送到调制器。响应于数字命令信号，调制器240将由隔离电源供应的隔离直流(DC)电转换成表示编码的井下数据的交流(AC)信号。AC信号经由与传输介质的直接或感应连接通过传输介质传输。

本发明人认为调制器240(也称为图3A和3B中所示的混合H桥接电路)是基于传统H桥接电路的改进。调制器240包括第一电抗电路301和第二电抗电路302。第一电抗电路包括电感器L1和电容器C1，并且第二电抗电路包括电感器L2和电容器C2。尽管在该示例中仅示出了每个电抗电路中的一个电感器和一个电容器，但是每个电抗电路可以具有一个或更多个电感器以及一个或更多个电容器。在一些情况下，电抗电路可以仅包括电感器或仅包括电容器。如将容易理解的，反应性是指电路元件抵抗电压或电流变化的趋势。

调制器240还包括第一输出端子E1和第二输出端子E2，所述第一输出端子E1和第二输出端子E2用于在分开的间隔位置处直接或感应连接到传输介质。

调制器240还包括多个开关，多个开关被配置为在第一配置和第二配置之间交替地切换调制器。在第一配置中，第一电抗电路的输入至少间歇地连接到电源，并且第一电抗电路的输出连接到第一输出端子E1，并且第二输出端子E2连接到旁路第二电抗电路的电返回路径。在第二配置中，第二电抗电路的输入至少间歇地连接到电源，并且第二电抗电路的输出连接到第二输出端子E2，并且第一输出端子E1连接到旁路第一电抗电路的电返回路径。

多个开关包括将电源连接到第一电抗电路的输入的第一开关S1、将虚拟接地连接到第一电抗电路的输入的第二开关S2、将第一电抗电路的输出和第一输出端子连接到虚拟接地的第三开关S3、将电源连接到第二电抗电路的输入的第四开关S4、将虚拟接地连接到第二电抗电路的输入的第五开关S5、以及将第二电抗电路的输出和第二输出端子连接到虚拟接地的第六开关S6。每个开关具有各自的开关占空比。

图3A和3B示出了第一配置，其被配置为互补地切换第一开关S1和第二开关S2，使得每次仅闭合第一开关S1和第二开关S2中的一个。即，当第一开关S1闭合时，第二开关S2打开，而当第二开关S2闭合时，第一开关S1打开。在该配置中，第六开关S6保持闭合，第三开关S3、第四开关S4和第五开关S5保持打开。第五开关可以可选地闭合。

图3A示出了当第一开关S1闭合且第二开关S2打开时的第一配置。第一电抗电路的输入经由第一开关S1连接到电源210。第一电抗电路的输出连接到第一输出端子E1，并且第二输出端子E2经由第六开关S6连接到虚拟接地。电流流经第一电抗电路并且通过传输介质从E1流到E2，并且旁路第二电抗电路。

图3B示出第一配置，其中第一开关S1打开，并且第二开关S2闭合。第一电抗电路的输入经由第二开关S2连接到虚拟接地。第一电抗电路的输出连接到第一输出端子E1，并且第二输出端子E2经由第六开关S6连接到虚拟接地。电流流经第一电抗电路并且通过传输介质从E1流到E2，并且旁路第二电抗电路。

图3A、3B、5A和5B中所示的虚拟接地可以是到电源的电返回路径或提供稳定参考电压或电吸收的类似电元件。

图4A示出了当调制器处于第一配置时第一开关S1处的电压作为时间的函数的曲线图。第一开关S1的开关占空比是S1闭合时的时间的比例。图4B示出了第一配置中的调制器的电压输出。

图5A和5B示出了第二配置，其被配置为互补地切换第四开关S4和第五开关S5，使得每次仅闭合第四开关S4和第五开关S5中的一个。即，当第四开关S4闭合时，第五开关S5打开，当第四开关S4打开时，第五开关S5闭合。在该配置中，第三开关S3保持闭合，第一开关S1、第二开关S2和第六开关S6保持打开。第二开关可以可选地闭合。

图5A示出了当第四开关S4闭合且第五开关S5打开时的第二配置。第二电抗电路的输入经由第四开关S4连接到电源210。第二电抗电路的输出连接到第二输出端子E2，并且第一输出端子E1经由第三开关S3连接到虚拟接地。电流流经第二电抗电路并且通过传输介质从E2流到E1，并且旁路第一电抗电路。

图5B示出第二配置，其中第四开关S4打开且第五开关S5闭合。第二电抗电路的输入经由第五开关S5连接到虚拟接地。第二电抗电路的输出连接到第二输出端子E2，并且第一输出端子E1经由第三开关S3连接到虚拟接地。电流流经第二电抗电路并且通过传输介质从E2流到E1，并且旁路第一电抗电路电感器。

互补开关是指涉及两个开关的配置，其中一个开关闭合而另一个开关打开，反之亦然。在本实施例中，S1和S2在第一配置中互补切换，而S4和S5在第二配置中互补切换。在其它实施例中，当处于第一配置中时，S1总是闭合，S2总是打开。类似地，当处于第二配置中时，S4总是闭合，S5总是打开。在这样的实施例中，第一和第二电抗电路在分别处于第一和第二配置中时总是连接到电源。在一些实施例中，第一配置还可包括S1和S2都打开的状态。类似地，第二配置还可包括处于第二配置中时其中的S4和S5都打开的状态。

应当注意，上述实施例中的开关可以是响应于控制信号的任何适当的电开关，所述控制信号例如周期性的“打开”和“闭合”信号。这种开关可以包括继电器、基于晶体管的开关或机电开关。在其它实施例中，S2可由第一二极管D1代替，S5可由第二二极管D5代替。

图6示出了第一开关S1和第四开关S4的占空比的曲线图。在本实施例中，当处于第一配置中时，第一开关S1的开关占空比先增加后减少，如图4A、图4B及图6所示。类似地，当处于第二配置中时，第四开关S4的开关占空比也先增加后减少，如图6所示。通过调整开关的开关占空比，可以得到不同形状的波形。波形的形状由所有开关的打开和闭合操作确定，特别是由每个开关的开关占空比确定。在一些实施例中，当脉冲的波形穿过传输介质并且可选地还穿过一个或更多个滤波电路时，整形波形变得可辨别为多级波形而不是一系列脉冲。这可能是由于例如低通或带通滤波特性。

图7示出了在第一配置以及然后在第二配置下的调制器的输出电压的曲线图。波形可以被配置成近似于正弦波形、方波波形、三角波形和锯齿波形中的一个或组合。波形可以是携带信息的调制波形，例如通过改变以下的一个或更多个：振幅、相位和频率。图8A和8B示出了在地面接收到的具有不同频率的两个调制信号，其中图8A在时域中，图8B在频域中。

另外或替代地，调制器可根据调制方案调制EM信号。调制方案可以是脉冲宽度调制(PWM)、幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)中的一种。至少两种调制方案可以在幅度域、相位域和频域之一中被复用。

在该调制器设计中，电感器L1和L2分别具有电阻DCR1和DCR2。电阻引起功率损耗，功率损耗可以由以下等式表示：

P_损耗＝I_out ²*DCR₁(正方向)

P_损耗＝I_out ²*DCR₂(反方向)

通过仅穿过一个电抗电路并且旁路另一个电抗电路，该调制器的功率损耗被显著地减小。由于产生的热量较低或输出功率增加，功率效率的增加允许更小或更紧凑的设计。在本发明的设计中，实现了高效率(＞95％)和高输出电流(＞20A)。由于效率的增加，可以产生更强的信号以更容易地克服信号衰减问题。

在操作期间，并且在一些实施例中，EM遥测发射机200的电信号的输出可达到高达150V，并且调制器通过钻柱104与EM遥测发射机的其余部分和整个井下遥测组件电连接。包括井下和地面部件的整个钻探系统存在这样的风险，即，这种强电信号可能使电子器件短路并导致严重故障。通过经由隔离电源210(例如使用平面变压器220)将调制器240及电源与电池电隔离，可以大大降低短路的风险。

尽管在该实施例中使用了平面变压器，因为它是紧凑且高效的，但是在不脱离本发明的精神的情况下，可以考虑诸如环形变压器的其它类型的变压器。

尽管在该实施例中EM遥测发射机已经被用于通过大地将EM信号从地下位置传输到地面位置，但是它可以被用于通过诸如其他类型的地层或流体的其他传输介质在地下位置和另一地下位置之间传输EM信号。

统一MP-EM遥测组件

上述EM遥测发射机或另一EM发射机可被安装到壳体中以形成统一MP-EM遥测组件。图9示出了根据本发明的一个实施例的统一MP-EM遥测组件300。统一MP-EM遥测组件包括着陆间隙接头130、机械部分310和电子部分320。着陆间隙接头130是管状体。着陆间隙接头130具有两个端部，这两个端部被构造成具有螺纹以连接到钻杆104。着陆间隙接头130由接头绝缘体132分成第一部分134和第二部分136。绝缘体132产生绝缘区以电隔离第一部分134和第二部分136。统一MP-EM遥测组件还包括第一连接器322和第二连接器324。第一连接器322将机械部分310电连接到第一部分134，而第二连接器324将电子部分320电连接到第二部分136。机械部分310和电子部分320由第二绝缘体326分开。第一部分134和第二部分136由MP-EM遥测组件300差分地电驱动以创建MP信号或EM信号。然后，信号通过大地传播到地面，并由地面上的接收器122接收，如图1所示。

机械部分310包括驱动马达312和阀314。泥浆流过着陆间隙接头130。当需要传输MP信号时，EM遥测发射机中的控制器向驱动马达312发送指令以转动阀314，从而瞬时限制钻探流量以产生MP信号。MP信号然后通过第一连接器322传输，并通过大地传播，并在地面被接收。

电子部分320包括EM遥测发射机(诸如如上所述的发射机200)其具有电源、调制器和可以集成在电路板中的控制器。在该实施例中，控制器向驱动马达312和调制器240发送命令，以控制机械部分310和电子部分320。当需要传输EM信号时，控制器通过在接头的第一部分134和第二部分136的两端生成差分电压而经由第一连接器322和第二连接器324向调制器发送命令以传输至少一个EM信号。

在该实施例中，接头绝缘体132和第二绝缘体326由有关电地非导电材料制成。非导电材料可以是陶瓷、玻璃纤维或碳纤维。

MP-EM遥测组件将MP机械部分和EM电子部分结合在一个壳体中，并且使用两个连接器来传输MP和EM信号。仅使用单个控制器和单个电源来控制MP和EM信号两者以协调MP和EM传输。与市场上的类似产品相比，这种设计提供了紧凑且较短的组件。

井下MWD遥测工具

图10示出了根据本发明的一个实施例的与钻杆104连接的井下MWD遥测工具500。井下MWD遥测工具500包括图9所示的统一MP-EM遥测组件300、井下传感器模块512和至少一个例如两个电池模块514a和514b的电池模块514。统一MP和EM遥测组件纵向地连接到井下传感器模块512和至少一个电池模块。在本实施例中，传感器模块512与电池模块514a及514b通过稳定件516连接。

井下MWD遥测工具500还可包括连接到遥测工具的井上端的矛点518，用于线缆收回装置的附接，以收回遥测工具而不用起下钻柱。

传感器模块512包括至少一个被配置成测量井下数据的井下传感器。在该实施例中，传感器包括加速度计、磁力计、陀螺仪、流量开关传感器、振动和冲击传感器、伽马传感器、电阻率传感器、中子密度传感器、压力传感器和温度传感器。基于需要，可以使用其它传感器，并且不限于上述传感器。

来自传感器的测量的井下数据可以包括定向数据、地理数据和操作数据。定向数据可包括加速计读数、磁力计读数、工具方位角、工具倾斜和倾斜角。地理数据可以包括伽马、电阻率和中子密度。操作数据可以包括电池功率、电池总线、振动和冲击、温度、压力和每分钟转数(RPM)。

井下MWD遥测工具500被配置成传输由在统一MP-EM遥测组件的控制器中预先配置的传输模式确定的选定井下数据。传输模式可以是MP模式、EM模式、MP-EM冗余模式和MP-EM相依模式中的一种。在MP模式下，所有选定井下数据经由至少一个MP信号被传输。在EM模式下，所有选定井下数据经由至少一个EM信号被传输。在MP-EM冗余模式下，所有选定井下数据经由至少一个MP信号和至少一个EM信号两者被传输。在MP-EM相依模式下，经由至少一个MP信号传输错误校正码，同时经由至少一个EM信号传输数据。这增加了传输速度和信号可靠性，因为可以在EM信道上保持高数据吞吐量的同时传输更复杂的错误校正码。传输模式可以由从地面传输并由井下位置处的遥测工具接收的下行链路信号重新配置。特别地，下行链路信号可以是由至少一个井下传感器测量并由控制器读取以重新配置传输模式的至少一个MP信号和/或至少一个EM信号。

尽管该实施例示出了井下MWD遥测工具，但是本发明的技术可以用于LWD工具。

应当理解，尽管为了说明的目的，本文已经描述了本技术的具体实施例，但是在不脱离本技术的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。特别地，提供计算机程序产品或程序元件、或程序存储或诸如磁或光导线、磁带或光盘等的存储器装置等，用于存储机器可读的信号、用于根据本技术的方法控制计算机的操作和/或根据本技术的系统构造其组件中的一些或全部，都在本技术的范围内。

与本文所述的方法相关联的动作可以实施为计算机程序产品中的编码指令。换句话说，计算机程序产品是计算机可读介质，在该计算机可读介质上记录有软件代码，以在计算机程序产品被加载到存储器中并在无线通信装置的微处理器上执行时执行该方法。

此外，该方法的每个步骤可以在诸如个人计算机、服务器、PDA等的计算装置上，并且依照从诸如C++、Java等的任何编程语言生成的一个或更多个程序元件、模块或对象，或者一个或更多个程序元件、模块或对象的一部分来执行。此外，每个步骤或者实现每个所述步骤的文件或对象等可以由专用硬件或为该目的设计的电路模块来执行。

另外或替代地，与本文描述的方法相关联的动作可实施为适当的电子电路(例如数字电路、模拟电路或数字与模拟电路两者)中的操作。电路可以包括基带电子部件、RF电子部件、逻辑门、集成电路等。将容易理解，此电路可被配置以响应于对应输入而执行方法的适当动作。

显然，本技术的前述实施例是示例，并且可以以许多方式变化。这些当前的或未来的变化不被认为是偏离了本技术的精神和范围，并且对于本领域技术人员显而易见的所有这些修改都旨在被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (29)

1.一种电磁(EM)遥测发射机装置，包括：

电源；

控制器；

调制器，所述调制器被配置成从所述电源接收直流电流(DC)并且从所述控制器接收控制命令；所述调制器还被配置成响应于所述控制命令而传输至少一个EM信号，所述至少一个EM信号是通过在地面位置与地下位置之间或在所述地下位置与另一地下位置之间的传输介质传输的，所述调制器包括：

第一电抗电路和第二电抗电路；

第一输出端子和第二输出端子，用于在分开的、间隔开的位置处直接或感应连接到传输介质；

多个开关，所述多个开关由所述控制器控制以在第一配置与第二配置之间交替地切换所述调制器，其中：

在所述第一配置中，所述第一电抗电路的输入至少间歇地连接到所述电源，所述第一电抗电路的输出连接到所述第一输出端子，并且所述第二输出端子连接到旁路所述第二电抗电路的电返回路径；以及

在所述第二配置中，所述第二电抗电路的输入至少间歇地连接到所述电源，所述第二电抗电路的输出连接到所述第二输出端子，并且所述第一输出端子连接到旁路所述第一电抗电路的另一电返回路径。

2.根据权利要求1所述的EM遥测发射机装置，其中，所述第一电抗电路和所述第二电抗电路中的每一个均包括至少一个电感器、至少一个电容器、或至少一个电感器和至少一个电容器。

3.根据权利要求2所述的EM遥测发射机装置，其中，所述多个开关包括将所述电源连接到所述第一电抗电路的输入的第一开关、将虚拟接地连接到所述第一电抗电路的输入的第二开关、将所述第一电抗电路的输出和所述第一输出端子连接到虚拟接地的第三开关、将所述电源连接到所述第二电抗电路的输入的第四开关、将虚拟接地连接到所述第二电抗电路的输入的第五开关、以及将所述第二电抗电路的输出和所述第二输出端子连接到虚拟接地的第六开关，每个开关均具有各自的开关占空比。

4.根据权利要求3所述的EM遥测发射机装置，其中，所述第一配置被配置成互补地切换所述第一开关和所述第二开关，使得一次仅闭合所述第一开关和所述第二开关中的一个。

5.根据权利要求4所述的EM遥测发射机装置，其中，所述第二配置被配置成互补地切换所述第四开关和所述第五开关，使得一次仅闭合所述第四开关和所述第五开关中的一个。

6.根据权利要求5所述的EM遥测发射机装置，其中，所述至少一个EM信号被调制为具有由所述多个开关的打开和闭合操作确定的波形的至少一个调制信号。

7.根据权利要求6所述的EM遥测发射机装置，其中，所述波形被配置成近似正弦波形、方波波形、三角波形和锯齿波形中的一种或组合。

8.根据权利要求1所述的EM遥测发射机装置，其中，所述至少一个EM信号被根据调制方案进行调制。

9.根据权利要求8所述的EM遥测发射机装置，其中，所述调制方案是脉宽调制(PWM)、幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)中的一种。

10.根据权利要求9所述的EM遥测发射机装置，其中，至少两种调制方案能够在幅度域、相位域和频域中的一个中被复用。

11.根据权利要求1所述的EM遥测发射机装置，其中，所述电源还包括隔离电路以电隔离所述调制器。

12.根据权利要求11所述的EM遥测发射机装置，其中，所述隔离电路是变压器。

13.根据权利要求12所述的EM遥测发射机装置，其中，所述隔离电路是平面变压器。

14.根据权利要求13所述的EM遥测发射机装置，其中，所述平面变压器包括铁氧体磁芯。

15.一种统一泥浆脉冲(MP)-电磁(EM)遥测组件，包括：

由第一绝缘体分成第一部分和第二部分的接头；

机械部分和电子部分，所述机械部分和所述电子部分位于所述接头内并且由第二绝缘体隔开；所述机械部分包括驱动马达和流量阀，并且所述电子部分包括如权利要求1所限定的EM发射机装置；

其中所述统一MP-EM遥测组件还包括第一连接器和第二连接器；所述第一连接器将所述机械部分电连接到所述接头的所述第一部分，所述第二连接器将所述电子部分电连接到所述第二部分。

16.根据权利要求15所述的统一MP-EM遥测组件，其中，所述控制器向所述驱动马达发送命令，以通过控制所述流量阀来改变钻探流体的流量而经由所述第一连接器传输至少一个MP信号。

17.根据权利要求16所述的统一MP-EM遥测组件，其中，所述控制器通过在所述接头的所述第一部分和所述第二部分的两端生成差分电压而经由所述第一连接器和所述第二连接器来向所述调制器发送命令以传输至少一个EM信号。

18.根据权利要求15所述的统一MP-EM遥测组件，其中，所述第一绝缘体和所述第二绝缘体由非导电材料制成。

19.根据权利要求18所述的统一MP-EM遥测组件，其中，所述非导电材料是陶瓷、玻璃纤维和碳纤维中的一种。

20.一种井下遥测工具，包括：

如权利要求15限定的被配置为连接到钻柱的统一MP-EM遥测组件；

井下传感器模块，所述井下传感器模块包括被配置成测量井下数据的至少一个井下传感器；

至少一个电池模块，所述至少一个电池模块被配置成为所述井下传感器模块和统一发射机组件供电；

其中，所述统一MP和EM遥测组件纵向地连接到所述井下传感器模块和所述至少一个电池模块。

21.根据权利要求20所述的井下遥测工具，其中，所述井下遥测工具被配置成传输由在所述统一MP-EM遥测组件的所述控制器中预先配置的传输模式确定的选定井下数据。

22.根据权利要求21所述的井下遥测工具，其中，所述传输模式是以下之一：

MP模式，其中，所有选定井下数据经由至少一个MP信号被传输；

EM模式，其中，所有选定井下数据经由至少一个EM信号被传输；

MP-EM冗余模式，其中，所有选定井下数据经由至少一个MP信号和至少一个EM信号两者被传输；

MP-EM相依模式，其中，所述选定井下数据的一部分经由至少一个MP信号被传输，并且所述选定井下数据的另一部分经由至少一个EM信号被传输。

23.根据权利要求22所述的井下遥测工具，其中，所述传输模式能够由从地面传输并由井下位置处的遥测工具接收的下行链路信号重新配置。

24.根据权利要求23所述的井下遥测工具，其中，所述下行链路信号包括由所述至少一个井下传感器测量并由所述控制器读取以重新配置所述传输模式的至少一个MP信号和/或至少一个EM信号。

25.根据权利要求20所述的井下遥测工具，其中，所述至少一个井下传感器包括加速度计、磁力计、陀螺仪、振动和冲击传感器、伽马传感器、电阻率传感器、中子密度传感器、孔隙度传感器、压力传感器和温度传感器中的至少一个。

26.根据权利要求25所述的井下遥测工具，其中，所述井下数据包括定向数据、地理数据和操作数据。

27.根据权利要求26所述的井下遥测工具，其中，所述定向数据包括加速计读数、磁力计读数、方位角、倾斜和倾斜角；地理数据包括伽马、电阻率和中子密度；操作数据包括电池功率、电池总线、振动和冲击、温度、压力和每分钟转数(RPM)。

28.根据权利要求20所述的井下遥测工具，还包括连接到所述遥测工具的井上端的矛点，用于收回装置的附接，以便收回所述遥测工具。

29.根据权利要求20所述的井下遥测工具，所述井下遥测工具是随钻测量(MWD)工具或随钻测井(LWD)工具。

Images