CN113006777A - 一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置及方法，绝缘接头上端与固定接头连接，下端与发射电极连接，发射电极位于海底泥层以下，绝缘短节将钻杆分为上部钻杆和下部钻杆，井底信号接收装置和井底仪器控制装置安装于绝缘短节内部，地面数据处理装置与地面信号发射装置连接，地面信号发射装置的输出端通过铠装电缆分别与发射电极和上部钻杆相连。本发明的有益效果是：海洋双向电磁随钻测量信号下传时，采用绝缘接头将发射电极与海水和泥层绝缘，并通过在固定接头上施压，将发射电极压入地层中，有效地避免海水层和泥层对信号的衰减，并能够有效提升海洋双向电磁随钻测量信号下传的质量与深度。

Description

一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置及方法

技术领域

本发明涉及石油及地矿定向钻探领域，尤其涉及一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置及方法。

背景技术

随着智能化钻井技术的发展，将测井数据从井底实时传输至地面的随钻测量技术应运而生。目前，随钻测量技术主要有钻井液脉冲随钻测量技术和电磁随钻测量技术。钻井液脉冲随钻测量技术采用泥浆压力波传输井底测量的数据，而电磁随钻测量技术采用极低频电磁信号，通过钻杆和地层传输井底测量的数据。在空气或者泡沫中，由于气体可压缩，无法产生压力脉冲信号，导致钻井液脉冲随钻测量无法正常工作。而电磁随钻测量技术不受循环介质的影响，无需运动部件，通道面积大，结构可靠性高，具有广阔的应用前景。

双向电磁随钻测量技术在将数据由井底实时传输至地面同时，能在地面发射指令，并通过地层和钻杆组成的信号通道将控制指令传输至井底，从而调节井底仪器发射频率和功率，控制井底发射模块和钻具的工作状态，显著提高生产效率。

海洋双向电磁随钻测量信号传输与陆地不同。一方面，海洋钻井存在海水层和泥层，而海水和泥层的电阻率非常低，电磁信号在低电阻率介质中传输会严重衰减，导致海洋钻井信号强度比陆地钻井小，信号传输深度浅；另一方面，海水随海洋气候的变化起伏不定，在海平面难以稳定地安装地面发射电极，严重影响了信号传输的质量。

发明内容

本发明旨在解决传统双向电磁随钻测量技术在海洋中信号下传深度有限、信号传输质量不佳的技术问题，本发明提供了一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置及方法，一方面有利于提高信号下传深度，另一方面能够保证信号传输质量。

为了实现上述目的，本发明提供一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，包括：

绝缘接头、固定接头、发射电极、绝缘短节、钻杆、井底信号接收装置、井底仪器控制装置、钻头、地面信号发射装置、地面信号处理装置和铠装电缆；

所述绝缘接头上端通过螺纹与所述固定接头连接，下端通过螺纹与所述发射电极连接，所述发射电极位于海底泥层以下，所述绝缘短节将所述钻杆分为上部钻杆和下部钻杆，所述井底信号接收装置和所述井底仪器控制装置安装于所述绝缘短节内部，所述地面数据处理装置与所述地面信号发射装置连接，所述地面信号发射装置的输出端通过铠装电缆分别与所述发射电极和所述上部钻杆相连；

所述地面信号发射装置将控制指令转化为低频电信号，并通过所述发射电极、地层和所述钻杆将所述低频电信号向井底传输，所述井底信号接收装置采集所述上部钻杆和所述下部钻杆之间的电势差，经处理获得控制指令，从而实现海洋双向电磁随钻测量信号的下传。

优选地，所述绝缘接头由小段圆形中空钢管制成，绝缘接头本体和上下端螺纹内外表面由耐磨绝缘材料覆盖，所述绝缘接头上下端扣型均为母扣。

优选地，所述固定接头由小段圆形中空钢管制成，下端扣型为公扣，所述固定接头上下端均安装有密封胶圈，中空部分在铠装电缆装入后用绝缘密封胶填充。

优选地，所述发射电极上端扣型为公扣，上端中心有一固定螺钉，铠装电缆穿过固定接头和绝缘接头中轴线的密封中空小孔后与螺钉固定。

优选地，所述绝缘短节由小段中空钻杆制成，绝缘短节本体和上、下端螺纹内外表面由耐磨绝缘材料覆盖，所述井底信号接收装置和所述井底仪器控制装置通过金属挂钩与所述上部钻杆和所述下部钻杆连接固定。

优选地，所述地面信号发射装置安装在所述上部钻杆顶端，发射信号类型为低频正弦交流电信号。

优选地，位于海水层的所述钻杆上端安装隔水套管，并将所述隔水套管延伸到泥层以下。

优选地，所述绝缘接头长度为x米，其中x的取值范围为[a，b]米，0<a<b；

所述固定接头长度为y米，其中y的取值范围为[c，d]米，0<c<d；

所述发射电极直径为z米，其中z的取值范围为[e，f]米，0<e<f；

所述发射电极距离所述上部钻杆水平长度为t米，其中t的取值范围为[g，h]米，0<g<h。

此外，为了实现上述目的，本发明基于所述的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，还提供了一种海洋双向电磁随钻测量信号下传方法，包括以下步骤：

所述地面数据处理装置接收用户终端(可以是计算机或者手机APP)发送的调节井底仪器工作状态的控制指令；

所述地面数据处理装置将所述控制指令转化为低频电信号，并发送所述低频电信号至所述地面信号发射装置；

所述地面信号发射装置通过铠装电缆将所述低频电信号施加在所述上部钻杆和所述发射电极上；

所述井底信号接收装置采集所述绝缘短节两端的上部钻杆和下部钻杆之间的电势差，并将所述电势差经过放大、解码、降噪、滤波处理，得到地面下传的控制指令，并将所述控制指令发送至所述井底仪器控制装置；

所述井底仪器控制装置根据所述控制指令调节井底仪器的工作状态，以实现海洋双向电磁随钻测量信号下传过程。

优选地，所述井底仪器包括钻具和井底发射模块，所述控制指令用于调节所述钻具的转速和转向，所述控制指令还用于调节所述井底发射模块的功率和频率。

本发明的有益效果是：海洋双向电磁随钻测量信号下传时，采用绝缘接头将发射电极与海水和泥层绝缘，并通过在固定接头上施压，将发射电极压入地层中，有效地避免海水层和泥层对信号的衰减，并能够有效提升海洋双向电磁随钻测量下传信号的质量与深度。

附图说明

图1是本发明海洋双向电磁随钻测量信号下传装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中固定接头、绝缘接头和发射电极连接剖面示意图；

图3是本发明一种海洋双向电磁随钻测量信号下传方法的流程图；

图1中：1-固定接头；2-绝缘接头；3-发射电极；4-上部钻杆；5-绝缘短节；6-井底信号接收装置；7-井底仪器控制装置；8-下部钻杆；9-钻头；10-海水层；11-泥层；12-地层；13-隔水套管；14-地面信号发射装置；15-地面信号处理装置；16-铠装电缆；

图2中：1-1为固定接头上部密封胶圈；1-2为固定接头本体；1-3为绝缘密封胶；1-4为固定接头下部密封胶圈；2-1为绝缘接头本体；2-2为耐磨绝缘材料；3-1为固定螺钉；3-2为发射电极本体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和效果更加清楚的理解，现将结合附图对本发明实施方式作进一步的描述。

实施例1：

请参考图1，图1是本发明海洋双向电磁随钻测量信号下传装置的结构示意图。本发明提供的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置包括：固定接头1；绝缘接头2、发射电极3、上部钻杆4、绝缘短节5、井底信号接收装置6、井底仪器控制装置7、下部钻杆8、钻头9、海水层10、泥层11、地层12、隔水套管13、地面信号发射装置14、地面信号处理装置15和铠装电缆16。

绝缘接头2上端通过螺纹与固定接头1连接，下端通过螺纹与发射电极3固定，通过在固定接头1上端面施加压力使整个发射电极3压入泥层11；绝缘短节5将钻杆分为上部钻杆4和下部钻杆8，绝缘短节5的本体和上、下端螺纹内、外表面由耐磨绝缘材料覆盖，将井底信号接收装置6和井底仪器控制装置7安装在绝缘短节5内部，且将井底信号接收装置6安装在井底仪器控制装置7的上部；将地面数据处理装置15与地面信号发射装置14连接，将地面信号发射装置14输出端通过铠装电缆16分别与发射电极3和上部钻杆4相连，发射电极3与上部钻杆4的水平距离为300米，地面信号发射装置14安装在上部钻杆4顶端，发射信号类型为频率为5Hz的正弦交流电信号，位于海水层10的上部钻杆4上端安装隔水套管13，并将隔水套管13延伸到泥层11以下；

工作时，地面信号发射装置14将控制指令经过发射电极3、地层12、上部钻杆4和下部钻杆8传输至井底，井底信号接收装置6采集绝缘短节5两端的上部钻杆4和下部钻杆8之间的电势差，并将所述电势差经过放大、解码、降噪、滤波等一系列处理，得到地面下传的控制指令，并将控制指令发送至所述井底仪器控制装置7；井底仪器控制装置7根据控制指令调节井底仪器的工作状态，以实现海洋双向电磁随钻测量信号下传过程。

实施例2：

请参考图2，图2是本发明实施例中固定接头、绝缘接头和发射电极连接剖面示意图。绝缘接头2由小段圆形中空钢管制成，绝缘接头本体2-1和上、下端螺纹内、外表面由耐磨绝缘材料2-2覆盖，绝缘接头2长度为0.5米；固定接头1由小段圆形中空钢管制成，其上、下端安装有上部密封胶圈1-1和下部密封胶圈1-4，中空部分在铠装电缆16装入后用绝缘密封胶填充，固定接头1长度为0.5米；发射电极3上端中心有一固定螺钉3-1，铠装电缆16通过固定接头1和绝缘接头2中轴线的密封中空小孔后与固定螺钉3-1连接；绝缘接头2上、下端均为母扣，固定接头1下端和发射电极3上端通过公扣与绝缘接头2固定，且固定接头本体1-2、绝缘接头本体2-1和发射电极本体3-2为同一直径0.41米。

实施例3：

基于实施例1和2所提供的海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，本发明具体实施例还提供了一种海洋双向电磁随钻测量信号下传方法，请参考图3，图3是本发明一种海洋双向电磁随钻测量信号下传方法的流程图。该方法包括以下步骤：

S1、所述地面数据处理装置15接收用户终端发送的调节井底仪器工作状态的控制指令；

S2、所述地面数据处理装置15将所述控制指令转化为低频电信号并发送至所述地面信号发射装置14；

S3、所述地面信号发射装置14通过所述铠装电缆16将所述低频电信号施加在所述上部钻杆4和所述发射电极3上；

S4、所述井底信号接收装置6采集所述绝缘短节5两端的上部钻杆4和下部钻杆8之间的电势差，并将所述电势差经过放大、解码、降噪、滤波等处理，得到地面下传的控制指令，并将所述控制指令发送至所述井底仪器控制装置7；

S5、所述井底仪器控制装置7根据所述控制指令调节井底仪器的工作状态(钻具的转速和转向、井底发射模块的功率和频率等)，以实现海洋双向电磁随钻测量信号下传过程。

本发明具体实施例提供的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置及方法，在海洋双向电磁随钻测量信号下传时，采用绝缘接头将发射电极与海水和泥层绝缘，并通过在固定接头上施压，将发射电极压入地层中，有效地避免海水层和泥层对信号的衰减，并能够有效提升海洋双向电磁随钻测量下传信号的质量与深度。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，其特征在于：所述海洋双向电磁随钻测量信号下传装置包括：

绝缘接头、固定接头、发射电极、绝缘短节、钻杆、井底信号接收装置、井底仪器控制装置、钻头、地面信号发射装置、地面信号处理装置和铠装电缆；

所述绝缘接头上端通过螺纹与所述固定接头连接，下端通过螺纹与所述发射电极连接，所述发射电极位于海底泥层以下，所述绝缘短节将所述钻杆分为上部钻杆和下部钻杆，所述井底信号接收装置和所述井底仪器控制装置安装于所述绝缘短节内部，所述地面数据处理装置与所述地面信号发射装置连接，所述地面信号发射装置的输出端通过铠装电缆分别与所述发射电极和所述上部钻杆相连；

所述地面信号发射装置将控制指令转化为低频电信号，并通过所述发射电极、地层和所述钻杆将所述低频电信号向井底传输，所述井底信号接收装置采集所述上部钻杆和所述下部钻杆之间的电势差，经处理获得控制指令，从而实现海洋双向电磁随钻测量信号的下传。

2.如权利要求1所述的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，其特征在于：所述绝缘接头由小段圆形中空钢管制成，绝缘接头本体和上下端螺纹内外表面由耐磨绝缘材料覆盖，所述绝缘接头上下端扣型均为母扣。

3.如权利要求1所述的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，其特征在于：所述固定接头由小段圆形中空钢管制成，下端扣型为公扣，所述固定接头上下端均安装有密封胶圈，中空部分在铠装电缆装入后用绝缘密封胶填充。

4.如权利要求1所述的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，其特征在于：所述发射电极上端扣型为公扣，上端中心有一固定螺钉，铠装电缆穿过固定接头和绝缘接头中轴线的密封中空小孔后与螺钉固定。

5.如权利要求1所述的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，其特征在于：所述绝缘短节由小段中空钻杆制成，绝缘短节本体和上、下端螺纹内外表面由耐磨绝缘材料覆盖，所述井底信号接收装置和所述井底仪器控制装置通过金属挂钩与所述上部钻杆和所述下部钻杆连接固定。

6.如权利要求1所述的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，其特征在于：所述地面信号发射装置安装在所述上部钻杆顶端，发射信号类型为低频正弦交流电信号。

7.如权利要求1所述的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，其特征在于：所述钻杆位于海水层的一端安装隔水套管，并将所述隔水套管延伸到泥层以下。

8.如权利要求1所述的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，其特征在于：所述绝缘接头长度为x米，其中x的取值范围为[a，b]米，0<a<b；

所述固定接头长度为y米，其中y的取值范围为[c，d]米，0<c<d；

所述发射电极直径为z米，其中z的取值范围为[e，f]米，0<e<f；

所述发射电极距离所述上部钻杆水平长度为t米，其中t的取值范围为[g，h]米，0<g<h。

9.一种海洋双向电磁随钻测量信号下传方法，基于权利要求1-8任一项所述的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传装置，其特征在于：所述海洋双向电磁随钻测量信号下传方法包括以下步骤：

所述地面数据处理装置接收用户终端发送的调节井底仪器工作状态的控制指令；

所述地面数据处理装置将所述控制指令转化为低频电信号，并发送所述低频电信号至所述地面信号发射装置；

所述地面信号发射装置通过铠装电缆将所述低频电信号施加在所述上部钻杆和所述发射电极上；

所述井底信号接收装置采集所述绝缘短节两端的上部钻杆和下部钻杆之间的电势差，并将所述电势差经过放大、解码、降噪、滤波处理，得到地面下传的控制指令，并将所述控制指令发送至所述井底仪器控制装置；

所述井底仪器控制装置根据所述控制指令调节井底仪器的工作状态，以实现海洋双向电磁随钻测量信号下传过程。

10.如权利要求9所述的一种海洋双向电磁随钻测量信号下传方法，其特征在于：所述井底仪器包括钻具和井底发射模块，所述控制指令用于调节所述钻具的转速和转向，所述控制指令还用于调节所述井底发射模块的功率和频率。

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