CN111456724A

CN111456724A - 一种自动调谐型井下无线信号传输系统

Info

Publication number: CN111456724A
Application number: CN202010233567.9A
Authority: CN
Inventors: 陈庆; 杨振; 胡皓然; 杨思谛; 余沐阳; 刘昶; 李红斌
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: CN111456724B

Abstract

本发明公开了一种自动调谐型井下无线信号传输系统，包括：井下发送模块和井口天线；井下发送模块分别与油管中的钻具和随钻测井仪器相连；其中，随钻测井仪器置于钻具的钻头处；钻具包括绝缘短节，绝缘短节横向置于钻具马达的下方，位于钻具的钻杆和钻铤中间，用于实现钻杆与钻铤的电气隔离；井下发送模块的正极与绝缘短节靠近钻杆的一端相连，井下发送模块的负极与绝缘短节靠近钻铤的一端相连；井口天线放置在井口，一端与油管相连，另一端接地；采用井下发送模块接收随钻测井仪器所测得的随钻测井数据，采用直驱的方式，将所得随钻测井数据转换成电信号，自动调谐放大后，通过油管传输到井口天线上。本发明通过直驱方式进行传输，传输效率较高。

Description

一种自动调谐型井下无线信号传输系统

技术领域

本发明属于油气井测试作业领域，更具体地，涉及一种自动调谐型井下无线信号传输系统。

背景技术

在油气井的勘测与开采过程中，获得井下实时测量数据是十分重要的，它能够让地面人员根据井底的实时情况，及时采取各种措施，调整测试工作程序，解决测试的盲目性，减少测试开关井操作判断的失误和返工，提高一次测试的成功率。随着随钻测量和随钻测井技术的进展，更多的传感器安装在靠近钻头的位置，因为在钻井过程中传感器越接近钻头，它所获得的地层信息就越准确、越及时，而随着油气井的深度越来越深，将传感器获得的信息传输到井上就显得尤为重要，因此，研究一种井下无线信号传输系统存在重要的意义。

目前，现有的井下无线信号传输系统是一种基于电天线传输技术设计的电磁无线通讯系统，其工作原理是给发射线圈施加一频率为f的信号电流，在信号电流的激励下，磁环中产生出频率为f的交变磁场。而这交变的磁场又在磁环两侧的钻柱上感应出电压，电压的极性随频率f交替变化，这样在井下马达或钻挺以下的钻柱形成了以发射线圈为中心的电耦极子，正是这一电偶极子构成了无线短传信道的基础；在该系统在传输信号的过程中，高频段的电磁波会发生非常严重的衰减，穿透地层的能力较弱，接收端接收的信号的信噪比较低，传输质量较差；而低频或甚低频段的电磁波衰减速度慢，穿透能力较强，有利于信号的传输，故井下无线信号发射系统发射的电磁波往往采用较低的频率，但是发射频率较低，同时也会导致接收线圈很难感应到信号，进而导致发射线圈的传输效率很低。因此，这种通过沿钻杆的轴向交变电流激励电磁场进行信号传输的方法适用于地层结构简单、电导率较高的钻井环境，而在地层结构复杂、电导率较低的钻井环境下，电磁无线传输通道无法建立，导致传输失败。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种自动调谐型井下无线信号传输系统，用以解决现有系统由于采用发射线圈而导致无法兼顾传输质量和传输效率的问题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种自动调谐型井下无线信号传输系统，包括：井下发送模块和井口天线；

井下发送模块分别与油管中的钻具和随钻测井仪器相连；其中，随钻测井仪器置于钻具的钻头处；钻具包括绝缘短节，绝缘短节横向置于钻具马达的下方，位于钻具的钻杆和钻铤中间，用于实现钻杆与钻铤的电气隔离；井下发送模块的正极与绝缘短节靠近钻杆的一端相连，井下发送模块的负极与绝缘短节靠近钻铤的一端相连；井口天线放置在井口，一端与油管相连，另一端接地；

井下发送模块用于接收随钻测井仪器所测得的随钻测井数据，采用直驱的方式，将所得随钻测井数据转换成电信号，采用自动调谐的方式，对电信号进行放大，将放大后对电信号通过油管传输到井口天线上；

井口天线用于接收井下发送模块输入的载有随钻测井数据的电信号，并发射出去。

进一步优选地，井下发送模块的正极、靠近井下发送模块正级侧的油管、油管外部靠近井下发送模块正级侧的套管、地层、钻井液、油管外部靠近井下发送模块负级侧的套管、井下发送模块的负极构成一个闭合的传输回路。

进一步优选地，井下发送模块包括调谐电路和发射器；

其中，调谐电路和发射器并联；

发射器用于将所得随钻测井数据转换成电信号，并控制调谐电路中电容器的投切，来调节传输回路的阻抗值；

调谐电路用于通过改变电路的阻抗值，使电路发生谐振，自适应的对电信号进行放大，提高信号强度。

进一步优选地，调谐电路由n条并联的电路支路构成，每条电路支路由两个反并联的晶闸管和一个电容器串联构成；其中，n为正整数；

晶闸管用于控制电容器的投切；

电容器用于自动调谐，使电信号的幅值达到最大值。

进一步优选地，首先采用V-I法测量在使用谐振电路之前由钻井液和油管所组成的介质的等效阻抗；然后利用所得的等效阻抗值计算传输回路达到谐振时的所需要的电容值的大小，从而控制电容器的投切。

进一步优选地，调谐电路中各电容的大小由上述等效阻抗确定。

进一步优选地，本发明所提出的自动调谐型井下无线信号传输系统应用于油气井测试作业领域。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提出了一种自动调谐型井下无线信号传输系统，对载有随钻测井数据的电信号进行自动调谐放大，能够匹配任意低的工作频率，然后通过测量流经地层部分的电信号实现信号传输，整个过程中信号的衰减较小，信噪比较高。另外，本系统直接将井下发送模块的正、负极连接在绝缘短节的两侧，并未采用发射天线，通过直驱方式进行信号传输，而不是依靠线圈感应进行传输，能够在保证传输质量的同时也使得传输效率较高。

2、本发明所提出的一种自动调谐型井下无线信号传输系统，井下发送模块的正极、靠近井下发送模块正级侧的油管、油管外部靠近井下发送模块正级侧的套管、地层、钻井液、油管外部靠近井下发送模块负级侧的套管、井下发送模块的负极构成一个闭合的传输回路，通过在一定频率下所测得的回路的阻抗值，来选择相应的电容与之进行匹配，使整个传输回路产生并联谐振，让传输回路中传输的电流值最大，从而解决来传输回路阻抗匹配的问题。通过调节电容的投切能够匹配任意低的工作频率，从很大程度上改变了随钻测量数据井下无线通讯的技术现状，即能够在较低的工作频率(工作频率低，衰减也较低)下，保证传输系统的传输效率。

3、本发明所提出的一种自动调谐型井下无线信号传输系统，能够尽量减少电池的功率(工作频率越低，电池的损耗越小)，本发明可以满足发射器在任意低频率工作，最大程度上减小电池的损耗。而在目前的钻井作业当中，当发射器的电池耗尽之后需要提井更换电池，而每提井一次经济损失高到百万元，本发明通过直驱方式解决了传输效率的问题的同时，自动调谐的采用也减少了电池的功耗，减少了经济损失。

附图说明

图1为本发明所提供的一种自动调谐型井下无线信号传输系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的井下发送模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的传输回路的等效电路示意图。

1：井下发送模块 2：绝缘短节

3：金属扶正器 4：井口

5：井口天线 6：信号传输电流场

7：油管 8：套管

9：钻具 10：钻头

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。

为了实现上述目的，本发明提出了一种自动调谐型井下无线信号传输系统，如图1所示，包括：井下发送模块1和井口天线5；

井下发送模块1分别与油管7中的钻具9和随钻测井仪器相连；其中，随钻测井仪器置于钻具9的钻头10处；钻具包括绝缘短节2，绝缘短节2横向置于钻具马达的下方，位于钻具的钻杆和钻铤中间，用于实现钻杆与钻铤的电气隔离；井下发送模块的正极与绝缘短节靠近钻杆的一端相连，井下发送模块1的负极与绝缘短节2靠近钻铤的一端相连；井口天线5放置在井口，一端与油管9相连，另一端接地；井下发送模块1用于接收随钻测井仪器所测得的随钻测井数据，采用直驱的方式，将所得随钻测井数据转换成电信号，采用自动调谐的方式，对电信号进行放大，将放大后对电信号通过油管传输到井口天线5上；其中，随钻测井数据包括井下的温度和压力信息。井口天线5用于接收井下发送模块1输入的载有随钻测井数据的电信号，并发射出去。

具体的，图1中的虚线为信号传输电流场，其中，井下发送模块的正极、靠近井下发送模块正级侧的油管、油管外部靠近井下发送模块正级侧的套管、地层、钻井液、油管外部靠近井下发送模块负级侧的套管、井下发送模块的负极构成一个闭合的传输回路；通过无线式单工通信，通过井下无线信号传输系统将井下的随钻测井数据传输到井上。具体的，井下发送模块包括调谐电路和发射器；其中，调谐电路和发射器并联；发射器用于将所得随钻测井数据转换成电信号，并控制调谐电路中晶闸管的导通和关断，进而控制电容器的投切，来调节传输回路的阻抗值；调谐电路用于通过改变电路的阻抗值，使电路发生谐振，使电路达到谐振的频率在发射频率附近，从而自适应的对电信号进行放大，提高信号强度。进一步地，调谐电路包括n条并联的电路支路，每条电路支路由两个反并联的晶闸管和一个电容器串联构成；其中，n为正整数；晶闸管用于控制电容器的投切；具体的，由于发射器中H桥产生的是交变的电信号，所以控制电容导通的晶闸管需要采用一对反并联的结构，能够让所选择的电容能够完全的导通。电容器用于自动调谐，使电信号的幅值达到最大值。具体的，由于传输回路呈感性，阻抗值较大，传输回路中的电流较小，流经地层的电流很小，载有随钻测井数据的电信号的大小较弱，难以被地面装置检测出来。同时，由于发射器中电源功率的限制，发射器的电压不可能很大，因此在保证输出功率一定的条件下，可以在发射器两端并联可投切的电容器，来减小传输回路的阻抗，并通过发射器控制晶闸管的导通和关断，来调节不同的电容值并入电路当中，从而实现动态调谐使电路的谐振频率在发射器的发射频率附近，进而使传输回路中的电流最大，所发射的电信号的强度最强。

具体的，如图2所示，本实施例中，井下发送模块包括并联的谐振电路和发射器，其中，调谐电路包括晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6和电容器C1、C2、C3；其中，晶闸管VT1和VT4反并联后与电容器C1串联构成第一电路支路，晶闸管VT3和VT6反并联后与电容器C2串联构成第二电路支路，晶闸管VT5和VT2反并联后与电容器C3串联构成第三电路支路；第一电路支路、第二电路支路和第三电路支路并联构成调谐电路。其中，上述三个电容C1、C2、C3的大小由上述传输回路的阻抗值大小确定。具体的，首先采用V-I法测量在使用谐振电路之前由钻井液和油管所组成的介质的等效阻抗Z_X；然后利用所得的等效阻抗值Z_X计算传输回路达到并联谐振时的所需要的电容值的大小，从而控制电容器的投切。具体的，由于传输回路的介质呈感性，故可以将其等效为串联的电阻和电感。本实施例中，传输回路的等效电路示意图如图3所示，其中，Z_X为在电容器并入到电路结构之前的由钻井液和油管组成的介质的等效阻抗，Z_s为标准阻抗，Z_X，Z_s两端的矢量电压分别记为U_X和U_S，由于通过Z_X和Z_s的电流相同，故

进一步的，Z_X还可以表示为

其中，U₁、U₂分别为U_X的实部分量和虚部分量，U₃、U₄分别为U_S的实部分量和虚部分量；通过测量U_S和U_X的实部和虚部分量，并进行矢量除法运算，得到在电容器并入到电路结构之前的由钻井液和油管组成的介质的等效阻抗Z_X。具体的，由于本实施例中有3条电路支路，每次进行上述测量是仅使一条支路的开关闭合，第一电路支路对应的预设的标准阻抗Z_s预设为20欧姆，第二电路支路对应的预设的标准阻抗Z_s预设为1k欧姆，第三电路支路对应的预设的标准阻抗Z_s预设为50k欧姆，依次进行测量，直至测量出在电容器并入到电路结构之前的由钻井液和油管组成的介质的等效阻抗Z_X。根据所得等效阻抗Z_X，结合并联谐振特性，计算当整个传输回路达到谐振时所需要的电容值的大小，进而控制电容器的投切。其中，本实施例中，调谐电路中各电容的大小由上述等效阻抗确定，中间电容C2取值为谐振电路到达到谐振时所需要的电容值，电容C1和C3按测量误差进行梯度选择。

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

1.一种自动调谐型井下无线信号传输系统，其特征在于，包括：井下发送模块和井口天线；

所述井下发送模块分别与油管中的钻具和随钻测井仪器相连；其中，随钻测井仪器置于钻具的钻头处；钻具包括绝缘短节，绝缘短节横向置于钻具马达的下方，位于钻具的钻杆和钻铤中间，用于实现钻杆与钻铤的电气隔离；所述井下发送模块的正极与绝缘短节靠近钻杆的一端相连，所述井下发送模块的负极与绝缘短节靠近钻铤的一端相连；所述井口天线放置在井口，一端与油管相连，另一端接地；

所述井下发送模块用于接收随钻测井仪器所测得的随钻测井数据，采用直驱的方式，将所得随钻测井数据转换成电信号，采用自动调谐的方式，对电信号进行放大，将放大后对电信号通过油管传输到井口天线上；

所述井口天线用于接收井下发送模块输入的载有随钻测井数据的电信号，并发射出去。

2.根据权利要求1所述的井下无线信号传输系统，其特征在于，所述井下发送模块的正极、靠近所述井下发送模块正级侧的油管、油管外部靠近所述井下发送模块正级侧的套管、地层、钻井液、油管外部靠近所述井下发送模块负级侧的套管、所述井下发送模块的负极构成一个闭合的传输回路。

3.根据权利要求2所述的井下无线信号传输系统，其特征在于，井下发送模块包括调谐电路和发射器；

所述调谐电路和所述发射器并联；

所述发射器用于将随钻测井数据转换成电信号，并控制所述调谐电路中电容器的投切，来调节传输回路的阻抗值；

所述调谐电路用于通过改变电路的阻抗值，使电路发生谐振，自适应的对电信号进行放大，提高信号强度。

4.根据权利要求3所述的井下无线信号传输系统，其特征在于，所述调谐电路包括n条并联的电路支路，每条电路支路均由两个反并联的晶闸管和一个电容器串联构成；其中，n为正整数；

所述晶闸管用于控制电容器的投切；

所述电容器用于自动调谐，使电信号的幅值达到最大值。

5.根据权利要求4所述的井下无线信号传输系统，其特征在于，首先采用V-I法测量在使用谐振电路之前由钻井液和油管所组成的介质的等效阻抗；然后利用所得的等效阻抗值计算传输回路达到谐振时的所需要的电容值的大小，从而控制电容器的投切。

6.根据权利要求5所述的井下无线信号传输系统，其特征在于，所述调谐电路中各电容的大小由所述等效阻抗确定。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的井下无线信号传输系统，其特征在于，应用于油气井测试作业领域。