CN113129574A - 一种近钻头伽马成像工具无线控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线控制装置及控制方法，属于随钻测量领域，具体是涉及一种近钻头伽马成像工具无线控制装置及控制方法。本发明通过地面设备和无线短传天线件的耦合作用给仪器内部的控制供电，控制器得电工作后，可自行将仪器内部的电池开关打开和关闭，从而实现不同打开仪器密封结构，就可打开仪器电源的功能，极大程度减少钻井现场打开仪器从而导致仪器密封失效，损坏仪器的风险。

Description

一种近钻头伽马成像工具无线控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种无线控制装置及控制方法，属于随钻测量领域， 具体是涉及一种近钻头伽马成像工具无线控制装置及控制方法。

背景技术

随钻测量MWD(Measurement While Drilling)是指钻机在钻进的同 时连续不断地检测有关钻孔或钻头的信息。钻井过程中，近钻头处的 伽马、电阻率等地层地质参数的随钻准确测量对安全、高效钻井十分 重要的。近年来，随着油气藏开采难度的增加，钻井深度的增加，特 别是各种分支井、水平井的开发，常规随钻测量系统测量点远离钻头， 地层地质数据信息测量滞后，大大降低了钻遇率，降低油井产量。

现有技术中的的近钻头伽马成像工具，在伽马传感器旋转时通过 伽马传感器记录工具近钻头处周围地层的自然伽马，并和地磁传感器 测量到方位数据信息进行数据融合，产生伽马成像信息，并以无线电 磁波信号的方式从螺杆马达下部钻头上部将测量到的伽马信息传输 到螺杆马达上部的无线数据接收工具短节，并由MWD泥浆脉冲信息 传输系统传输到地面，有地质工程师进行解释。由于这种近钻头的伽 马成像工具的长度不能太长，否则影响整个钻具组合的造斜能力，因 此留给伽马传感器和电路安装的空间及其有限，工具除安装必要功能 模块(如伽马传感器、无线短传天线、测控电路)外，会尽量减少其他 功能模块。

现有技术中，在打开仪器电源的时候，需要打开仪器密封结构， 会导致仪器密封失效，损坏仪器。

因此，对现有技术中的仪器上电启动和断电控制方式进行改进， 以满足不同应用场景的需求，是当前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本 理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认 出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的 范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念 以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要是解决现有技术所存在的钻井现场频繁开启仪器造 成的密封失效等技术问题，提供了一种近钻头伽马成像工具无线控制 装置及控制方法。该装置及方法在保留无线短传天线原功能基础上， 利用地面设备和无线短传天线件的耦合作用给仪器内部的控制供电， 控制器得电工作后，可自行将仪器内部的电池开关打开和关闭。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，包括：

控制端，包括一个H桥数字功放电路以及与所述H桥数字功放电 路相连的LC调谐发射线圈；

受控端，包括一个全波整流桥电路以及与所述全波整流桥电路相 连的LC调谐接收线圈，所述LC调谐接收线圈能够与所述LC调谐发 射线圈相耦合，所述全波整流桥电路电连接至近钻头测量与无线短传 电路系统；

其中，所述受控端设置于随钻测量钻艇本体的无线舱体中，所述 无线舱体沿钻艇本体的侧壁设置有天线保护罩；

优选的，上述的一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，所述钻 艇本体包括一电路舱体，所述近钻头测量与无线短传电路系统设置于 该电路舱体内。

优选的，上述的一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，所述近 钻头测量与无线短传电路系统包括相互间电连接的钻头地质参数测 量电路、无线短传通讯电路和无线通电断电控制电路。

优选的，上述的一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，所述钻 艇本体包括一电池舱体，用于安装向所述近钻头测量与无线短传电路 系统以及LC调谐接收线圈和全波整流桥电路供电的电池组。

优选的，上述的一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，所述控 制端还包括依次连接的控制器、数字频率合成器、运算放大器、比较 器、MOSFET管驱动器，所述MOSFET管驱动器与所述H桥数字功放电 路。

优选的，上述的一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，，所述 受控端包括：

与所述全波整流桥、低功耗控制器、MOSFET驱动器相连的储能 电容，所述MOSFET驱动器与一三极管的集电极以及近钻头测量与无 线短传电路系统统相连，所述三极管的发射极与电池系统相连。

一种近钻头伽马成像工具无线控制方法，包括：

将电路舱体中的受控电路与一带有LC调谐接收线圈的受控端相 连；

利用一带有能够与所述LC调谐接收线圈相耦合的LC调谐发射线 圈的控制端产生电磁波信号以在所述LC调谐接收线圈内产生高频感 应电流进而控制。

优选的，上述一种近钻头伽马成像工具无线控制方法，包括：所 述控制端控制器控制数字频率合成器产生与LC调谐发射线圈的调谐 频率相同的正弦信号，该信号通过运算放大器放大并增加输出电流， 并通过两个比较器产生带有死区的互补方波，然后通过MOSFET管驱 动器驱动由MOSFET管构成的H桥数字功放电路产生频率为F0的功率 信号，最终通过调谐频率为F0的LC调谐发射线圈发射出电磁波。

优选的，上述一种近钻头伽马成像工具无线控制方法，所述控制 端还包括依次连接的控制器、数字频率合成器、运算放大器、比较器、 MOSFET管驱动器，所述MOSFET管驱动器与所述H桥数字功放电路；

其中，所述高频感应电流经过全波整流电路转换为直流后给储能 电容进行充电，使得电容的电压不断上升，直到达到低功耗控制器的 工作电压，从而使低功耗控制器开始工作，低功耗控制器开始工作后， 将通过MOSFET管驱动器驱动MOSFET管打开，将电池的电能加载到低 功耗控制器上，代替电容给低功耗控制器供电，从而使近钻头工具的 电路系统开始全面正常工作。

因此，本发明的优点是：通过地面设备和无线短传天线件的耦合 作用给仪器内部的控制供电，控制器得电工作后，可自行将仪器内部 的电池开关打开和关闭，从而实现不同打开仪器密封结构，就可打开 仪器电源的功能，极大程度减少钻井现场打开仪器从而导致仪器密封 失效，损坏仪器的风险。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例， 并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属 领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1例示了本发明实施例中的无线短传系统布局示意图；

图2例示了本发明实施例中的近钻头测量和无线数据传输工具 短节整体结构；

图3例示了本发明实施例中的短传天线实现无线控制仪器上电 断电功能的示意图；

图4-1，4-2是无线开关电路结构示意图；

图4-3，4-4是本实施的电路结构示意图；

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

如图1所示，为无线短传系统布局。无线短传系统使用的天线系 统为磁偶极子天线，天线由多匝线圈绕钻铤轴向绕制而成。主要用于 通过高频电磁波跨过螺杆马达将近钻头处测量的地层地质信息，发送 到螺杆马达之上并通过MWD系统传送到地面如图1所示。

如图2所示，图2近钻头测量和无线数据传输工具短节整体结构。 近钻头测量和无线数据传输工具短节磁偶极子天线经本发明设计后 可以形成给仪器通断电无线开关，可在不打开仪器信号口盖的情况下， 通过无线的方式给仪器进行上电操作。该发明点设计分为两个部分： 第一部分为近钻头工具外部的无线数据通讯装置，其也由控制器、数 字频率合成器、运算放大器、比较器、MOSFET管驱动器、H桥数字功 放电路、和LC调谐发射线圈构成。第二部被安装在近钻头工具内部， 由LC调谐接收线圈、全波整流桥、储能电容、低功耗控制器、MOSFET 管驱动器、MOSFET管开关电路、电池供电电路等组成。

如图3所示，为本实施例的短传天线实现无线控制仪器上电断电 示意图。其工作原理为：近钻头工具外部的无线数据通讯装置通过控 制器控制数字频率合成器产生与LC调谐发射线圈的调谐频率相同的 正弦信号，该信号通过运算放大器放大并增加输出电流，并通过两个 比较器产生带有死区的互补方波，并通过MOSFET管驱动器驱动由 MOSFET管构成的H桥数字功放电路产生频率为F0的功率信号，最终 通过调谐频率为F0的LC调谐发射线圈发射出电磁波。该电磁波信号 与近钻头工具内部安装LC调谐接收线圈相互感应(LC调谐接收线圈 的调谐频率也为F0，这样可以达到最大的磁耦合效率)。这就会在LC 调谐接收线圈里产生高频感应电流，并在线圈两端产生感应电压，该 电流经过全波整流电路转换为直流后给储能电容进行充电，使得电容 的电压不断上升，直到达到低功耗控制器的工作电压，从而使低功耗 控制器开始工作，低功耗控制器开始工作后，将通过MOSFET管驱动 器驱动MOSFET管打开，将电池的电能加载到低功耗控制器上，代替 电容给低功耗控制器供电，从而使近钻头工具的电路系统开始全面正 常工作，达到通过无线的方式给工具通电的目的。

由于近钻头测量和无线数据传输工具短节的天线系统为磁偶极 子天线线圈，通过该线圈也可以实现近钻头测量和无线数据传输工具 短节测量数据无线回放功能。具体实施如下：设计外部无线数据通 讯读取装置，其具有无线数据通讯电路系统、电池供电系统和无线天 线系统。外部无线数据通讯装置的天线系统为磁偶极子天线线圈，将 近钻头测量和无线数据传输工具短节穿入该线圈，并将外部无线数据 通讯读取装置的天线系统和近钻头测量和无线数据传输工具短节的 天线系统处于同一水平面位置上，两个天线系统通过各自的电路可实 现无线数据传输功能。外部无线数据通讯读取装置的数据读取系统包 括控制器、频率信号发生器、功率放大电路、天线线圈系、发收功能 切换电路、前置放大电路、无线信号解调电路等。近钻头测量和无线 数据传输工具短节的内部电路模块也同样包括控制器、频率信号发生 器、功率放大电路、天线线圈系、发收功能切换电路、前置放大电路、 无线信号解调电路等。在通过无线短传天线使近钻头测量与无线短传 工具短节通电开始工作后，外部无线数据通讯读取装置通过控制器控 制频率信号发生器和功率放大电路产生调制的通讯信号，该信号通过 无线天线线圈发送配置指令并启动工具进入各种工作状态，该指令经 过DDS调制芯片调制后进入放大器，经放大后的调制信号再传输到无线天线线圈，并通过无线天线线圈传输到近钻头测量与无线短传工 具短节调制解调单元，传输过去的信号经过放大器放大和PLL解调 后输出数字信号到控制器，控制器识别接收到的控制指令，然后做出 相应的回应数据并通过近钻头测量与无线短传工具短节的无线信号 调试发射系统将回应数据发送回外部无线数据通讯读取装置进行接 收解调，从而实现近钻头测量与无线短传工具短节上电后配置和数据 读取功能。

图4-1，4-2是无线开关电路结构示意图；图4-1的无线电磁波 信号通过天线线圈L1和CTUNE构成的天线谐振单元进入到整流单元 D1，进行全波整流，整流后的脉动电流信号向CP6储能电容充电，并 被稳压二极管D2钳位到7V，该7V电压经过电压转换单元U6E转换成4.5V电压，并通过二极管D3和连接器LINK1向图4-2中主控单元 U2E供电，使得主控单元U2E开始上电工作，主控单元U2E工作后， 通过GPIO引脚控制电源切换开关IRF7311导通，将由电池单元7.2V 电压通过U5E变换成的5V电压，加载到主控单元U2E并为其供电， 这是当无线电磁波信号不在通过天线线圈L1和CTUNE构成的天线谐 振单元和整流单元D1向CP6储能电容充电时，就完成整个电路系统 电源接通过程，现在仪器内部的电路系统完全由内部电池供电。

图4-3中的电路在由图4-1和图4-2中的供电系统，实现通电操 作后。外部无线电装置通过天线线圈L1向图4-3中的电路发送命令 控制无线信号，改信号经过差分放大单元放大，再经过滤波放大单元 提高信噪比，再经连接器LINK2送到图4-4的半波整流单元整流，再 发送到主控解码单元进行频率检测解码，由于外部无线电装置发送到 天线上的无线控制命令是由900HZ和1.5KHZ组成的，两种频率的信 号分时发送，构成不同控制命令组合，中控解码单元通过测量不同频 率组合，解码出不同控制命令，并根据不同的命令控制仪器进行各种 操作。

通过以上描述可知，本实施例通过地面设备和无线短传天线件的 耦合作用给仪器内部的控制供电，控制器得电工作后，可自行将仪器 内部的电池开关打开和关闭，从而实现不同打开仪器密封结构，就可 打开仪器电源的功能，极大程度减少钻井现场打开仪器从而导致仪器 密封失效，损坏仪器的风险。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系 列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根 据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文 中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的 其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、 “一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结 构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。 而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特 定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现 这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够 制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将 是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不 会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中 所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性 特征相一致的最广范围。

Claims (9)

1.一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，其特征在于，包括：

控制端，包括一个H桥数字功放电路以及与所述H桥数字功放电路相连的LC调谐发射线圈；

受控端，包括一个全波整流桥电路以及与所述全波整流桥电路相连的LC调谐接收线圈，所述LC调谐接收线圈能够与所述LC调谐发射线圈相耦合，所述全波整流桥电路电连接至近钻头测量与无线短传电路系统；

其中，所述受控端设置于随钻测量钻艇本体的无线舱体中，所述无线舱体沿钻艇本体的侧壁设置有天线保护罩。

2.根据权利要求1所述的一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，其特征在于，所述钻艇本体包括一电路舱体，所述近钻头测量与无线短传电路系统设置于该电路舱体内。

3.根据权利要求1所述的一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，其特征在于，所述近钻头测量与无线短传电路系统包括相互间电连接的钻头地质参数测量电路、无线短传通讯电路和无线通电断电控制电路。

4.根据权利要求1所述的一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，其特征在于，所述钻艇本体包括一电池舱体，用于安装向所述近钻头测量与无线短传电路系统以及LC调谐接收线圈和全波整流桥电路供电的电池组。

5.根据权利要求1所述的一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，其特征在于，所述控制端还包括依次连接的控制器、数字频率合成器、运算放大器、比较器、MOSFET管驱动器，所述MOSFET管驱动器与所述H桥数字功放电路。

6.根据权利要求1所述的一种近钻头伽马成像工具无线控制装置，其特征在于，所述受控端包括：

与所述全波整流桥、低功耗控制器、MOSFET驱动器相连的储能电容，所述MOSFET驱动器与一三极管的集电极以及近钻头测量与无线短传电路系统统相连，所述三极管的发射极与电池系统相连。

7.一种近钻头伽马成像工具无线控制方法，其特征在于，包括：

将电路舱体中的受控电路与一带有LC调谐接收线圈的受控端相连；

利用一带有能够与所述LC调谐接收线圈相耦合的LC调谐发射线圈的控制端产生电磁波信号以在所述LC调谐接收线圈内产生高频感应电流进而控制。

8.根据权利要求7所述一种近钻头伽马成像工具无线控制方法，其特征在于，包括：所述控制端控制器控制数字频率合成器产生与LC调谐发射线圈的调谐频率相同的正弦信号，该信号通过运算放大器放大并增加输出电流，并通过两个比较器产生带有死区的互补方波，然后通过MOSFET管驱动器驱动由MOSFET管构成的H桥数字功放电路产生频率为F0的功率信号，最终通过调谐频率为F0的LC调谐发射线圈发射出电磁波。

9.根据权利要求7所述一种近钻头伽马成像工具无线控制方法，其特征在于，所述控制端还包括依次连接的控制器、数字频率合成器、运算放大器、比较器、MOSFET管驱动器，所述MOSFET管驱动器与所述H桥数字功放电路；

其中，所述高频感应电流经过全波整流电路转换为直流后给储能电容进行充电，使得电容的电压不断上升，直到达到低功耗控制器的工作电压，从而使低功耗控制器开始工作，低功耗控制器开始工作后，将通过MOSFET管驱动器驱动MOSFET管打开，将电池的电能加载到低功耗控制器上，代替电容给低功耗控制器供电，从而使近钻头工具的电路系统开始全面正常工作。

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