CN113250683B - 一种井下极低频通信模组的近场延长器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下极低频通信模组的近场延长器，属于井下无线通信领域，包括：对称串接于井下极低频通信模组两端的两个部分；每个部分包括：由油管短节连接的若干个绝缘扶正器和一个金属扶正器；绝缘扶正器的数量和油管短节的数量由近场延长实用距离确定；其中，井下极低频通信模组将极低频电流信号发射至近场负载回路及远场负载回路；近场负载回路由井下极低频通信模组、两端的近场延长器、延长器外侧的管间介质、套管和土质层构成；远场负载回路由井下极低频通信模组、两端的近场延长器、近场段与地面之间的套管和土质层构成。本发明通过延长近场负载回路增大了近场等效阻抗，提高电源驱动效率，进而增强地面接收信号强度。
Description
技术领域
本发明属于井下无线通信领域，更具体地，涉及一种井下极低频通信模组的近场延长器。
背景技术
地面-井下无线通信是实现油田信息化、智慧化的关键组成部分。目前，井下无线通信介质有声波、极低频电磁波、泥浆脉冲三种，其中，极低频电磁波抗干扰能力强、衰减慢、适用场景广，故通信介质多数采用极低频电磁波。采用该介质需要井下无线发射模组将采集到的油气参数转换为电信号，进而发射至地面信号接收端。在套管井井下发射系统的驱动方面，电源驱动负载发射极低频电磁波的方式分为线圈感应驱动和直接驱动两种，直接驱动方式结构简单、能量损耗更低，因此，无线发射系统的负载驱动方式往往采用直接驱动。
在专利CN202011605569.2中提出了套管井电磁通信信道的远近场域分段模型，近场域即井下极低频通信模组发射信号的局部场域。在近场域中油管、套管、金属扶正器为金属材质，具备良好的导电性，其造成的直接影响便是近场负载阻抗极低，仅毫欧级，但驱动电流信号为数十安培，故直驱方式面临着“大电流电源-毫欧级负载”的极端负载驱动工况。负载阻抗低意味着驱动效率受限，同时受环境影响因素较强，导致接收端接收信号的强度和稳定性不能得到保障。专利CN202011503130.9从改进直驱电路的角度提高驱动效率能力，该方式改善效果有限。综上，现有技术套管井电磁通信负载驱动效率低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种井下极低频通信模组，其目的在于，通过在所述井下极低频通信模组两端对称串接绝缘扶正器和油管短节的管柱组合，井下极低频通信模组通过将采集的所述油气参数转化为极低频电流信号，并以直驱方式发射至近场延长后的负载回路；由此解决直驱方式下负载驱动效率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种井下极低频通信模组的近场延长器，包括：
对称串接于所述井下极低频通信模组两端的两个部分；每个部分包括：由油管短节依次连接的若干个绝缘扶正器和一个金属扶正器；所述绝缘扶正器的使用数量和所述油管短节的使用数量由近场延长实用距离确定；
其中，井下极低频通信模组，串接于油管上且置于油气参数测量段，用于将采集的所述油气参数转化为极低频电流信号，并以直驱方式发射至近场负载回路及远场负载回路；
所述近场负载回路由所述井下极低频通信模组、两端的所述近场延长器、延长器外侧的管间介质、所述套管和土质层构成；所述远场负载回路由所述井下极低频通信模组、两端的所述近场延长器、近场段与地面之间的套管和所述土质层构成。
在其中一个实施例中，所述绝缘扶正器，表面喷有绝缘涂层，用于所述近场延长器的扶正及其与套管间的电气隔离。
在其中一个实施例中，所述金属扶正器，用于提供近场延长器与所述套管间的电气连接，以构成近场电流回流通道。
在其中一个实施例中，所述绝缘扶正器的最大供起半径小于所述套管的内径，且二者差值小于第一差值阈值；所述金属扶正器的最大拱起半径大于所述套管的内径，且二者差值大于第二差值阈值。
在其中一个实施例中，所述近场延长实用距离Lp的获取过程包括：
在理论仿真过程中，等距增大所述金属扶正器和所述套管的接触点与所述井下极低频通信模组之间的距离L，获取各个接触点对应的电位值UCP；将最大电位值
对应的距离作为所述近场延长极限距离Ll；
结合工程需求在所述近场延长极限距离Ll的范围内确定所述近场延长实用距离Lp，Lp＜Ll。
在其中一个实施例中，所述工程需求包括：井下安装难易度、油井结构限制、绝缘扶正器的绝缘可靠度。
在其中一个实施例中，所述油管短节使用对数为N，N＝Lp/l0，所述绝缘扶正器使用对数为N-1，l0为单个所述绝缘扶正器串接单段油管短节的总长度。
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、本发明提出的一种井下极低频通信模组的近场延长器，井下极低频通信模组两端的近场延长器，以绝缘扶正器和油管短节的管柱组合延长了井下极低频通信模组的近场回路，增大了其等效阻抗，由此形成以下好处：(1)改善了“大电流电源-毫欧极负载”的极端负载驱动工况，提高了负载的驱动效率，增大电源能量利用率；(2)增大负载阻抗可降低环境杂散因素的干扰，使接收端信号更加稳定；(3)近场回路等效阻抗增加可使得近远场负载回路耦合加强，信号在向地面接收端传输过程中能保持更高的信号强度，接收端信号强度更强；
2、本发明通过近场电磁场仿真和施工现场因素综合考虑，确定近场延长的实用距离，避免因延长距离过长，导致管间介质泄漏电流过大或近场延长段绝缘失效，最终造成近场延长段不起作用或地面接收端无法接受可用信号，同时在一定程度上降低了装置安装与下井难度。
附图说明
图1本发明一实施例提供的井下极低频通信模组的近场延长器的结构示意图；
图2本发明一实施例提供的金属扶正器和绝缘扶正器结构示意图。
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1、井下极低频通信模组；2、近场延长器；3、绝缘扶正器；4、金属扶正器；5、油管短节；6、套管；7、管间介质；8、土质层；9、近场负载回路；10、远场负载回路；11、绝缘涂层；12、扶正器的拱起最大半径。
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。
本发明提供了一种井下极低频通信模组的近场延长器，包括：
分别串接于所述井下极低频通信模组两端的两个部分；每个部分包括：由油管短节依次连接的若干个绝缘扶正器和一个金属扶正器；绝缘扶正器的使用数量和油管短节的使用数量由近场延长极限距离Ll和近场延长实用距离Lp确定；
其中，井下极低频通信模组，串接于油管上且置于油气参数测量段，用于将采集的油气参数转化为极低频电流信号，并以直驱方式发射至近场负载回路及远场负载回路；
近场负载回路由井下极低频通信模组、两端的近场延长器、延长器外侧的管间介质、套管和土质层构成；远场负载回路由井下极低频通信模组、两端的近场延长器、近场段与地面之间的套管和土质层构成。
具体的，如图1所示，本发明提供了一种井下极低频通信模组的近场延长器，其中，井下极低频通信模组1串接于油管上，置于油气参数测量段；近场延长器2为对称串接于井下极低频通信模组1两端的“油管短节-扶正器”管柱组合，从井下极低频通信模组往上依次为若干个绝缘扶正器3、一个金属扶正器4，绝缘扶正器与井下极低频通信模组之间、扶正器与扶正器之间以油管短节5连接。
其中，近场负载回路为：电流信号由1井下极低频通信模组正极发出，沿2近场延长器向上传输，到达4金属扶正器与6套管接触点后，沿着套管及外侧土质层向下传输，然后延着对称段流入1井下极低频通信模组负极，由此形成回流通道。远场负载回路为：电流信号由1井下极低频通信模组正极发出，沿2近场延长器向上传输，到达4金属扶正器与6套管接触点后，沿着套管向上传输，然后经由土质层进行回流，最后流入1井下极低频通信模组负极。
在其中一个实施例中，绝缘扶正器，表面喷有绝缘涂层，用于近场延长段的扶正及其与套管间的电气隔离。
在其中一个实施例中，金属扶正器，用于提供近场延长段与套管间的电气连接，以构成近场电流回流通道。
在其中一个实施例中，绝缘扶正器的最大供起半径小于套管的内径，且二者差值小于第一差值阈值；金属扶正器的最大拱起半径大于套管的内径，且二者差值大于第二差值阈值。第一差值阈值为1mm左右，第二差值阈值为2mm左右。也即绝缘扶正器的最大供起半径略小于套管的内径，金属扶正器的最大拱起半径略大于套管的内径。
如图2所示，绝缘扶正器表面喷有绝缘涂层11，实现近场延长段的扶正以及其与套管间的电气隔离；金属扶正器提供近场延长段与套管间的电气连接，构成近场电流回流通道。绝缘扶正器3的拱起最大半径12设置略小于套管内径，金属扶正器4的拱起最大半径12设置略大于套管内径。
需要说明的是，近场延长器能够增强地面端接收信号，故需要延长近场，但近场段并非越长越好，延长距离过长会导致管间介质泄漏电流过大或近场延长段绝缘失效，所以近场延长存在一个合适的距离。
在其中一个实施例中，近场延长实用距离Lp的获取过程包括：
在理论仿真过程中，等距增大金属扶正器和套管的之间接触点的距离L获取各个接触点对应的电位值UCP；将最大电位值
对应的距离作为近场延长极限距离Ll；结合工程需求确定近场延长实用距离Lp，Lp＜Ll。其中，工程需求包括：井下安装难易度、油井结构限制和绝缘扶正器的绝缘可靠度。
具体的，通过近场电磁场仿真分析确定近场延长极限距离Ll，包括以下步骤：
S1.参考实际装置及其机械结构，简化并建立套管井近场模型，设置材料、电流源等仿真参数；
S2.从近场段不包含绝缘扶正器的一般情况开始，等距增大电流源与“金属扶正器-套管”接触点之间的距离L，分别仿真得出接触点电位值UCP；
S3.绘制接触点电位值UCP随距离L变化曲线，取峰值点处距离L为近场延长极限距离Ll。
需要指出的是，在Ll距离范围内，考虑装置安装与下井难易度、油井结构限制、绝缘扶正器绝缘可靠度等因素，确定近场延长实用距离Lp。近场延长器由绝缘扶正器和油管短节组成(其中，绝缘扶正器和油管短节是交替排列的，相当于一节油管短节就对应一节绝缘扶正器)。举例来说，在石油工业中，绝缘扶正器和油管短节的长度规格是确定的，故Lp确定下来后，就可以通过Lp/(绝缘扶正器和油管短节总长l0)来确定数量。
在其中一个实施例中，设单个绝缘扶正器串接单段油管短节的总长度为l0，则油管短节使用对数为N，N＝[Lp/l0]，绝缘扶正器使用对数为N-1。
具体的，金属扶正器、绝缘扶正器和油管短节长度规格一定，故其使用数量可以通过近场延长实际距离Lp确定：取单段油管短节串接单个扶正器的总长度为l0，令N＝[Lp/l0]，则油管短节使用对数取N，绝缘扶正器使用对数取N-1，金属扶正器使用对数取1。
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 (6)
1.一种井下极低频通信模组的近场延长器，其特征在于，包括：
对称串接于所述井下极低频通信模组两端的两个部分；每个部分包括：由油管短节依次连接的若干个绝缘扶正器和一个金属扶正器；所述绝缘扶正器的使用数量和所述油管短节的使用数量由近场延长实用距离确定；
其中，井下极低频通信模组串接于油管上且置于油气参数测量段，用于将所述油气参数对应的极低频电流信号，以直驱方式发射至近场负载回路及远场负载回路；
所述近场负载回路由所述井下极低频通信模组、两端的所述近场延长器、延长器外侧的管间介质、套管和土质层构成；所述远场负载回路由所述井下极低频通信模组、两端的所述近场延长器、近场段与地面之间的套管和所述土质层构成；
所述近场延长实用距离Lp的获取过程包括：
在理论仿真过程中，等距增大所述金属扶正器和所述套管间的接触点与所述井下极低频通信模组之间的距离L，获取各距离下接触点对应的电位值UCP；将最大电位值
对应的距离作为近场延长极限距离Ll；
结合工程需求在所述近场延长极限距离Ll的范围内确定所述近场延长实用距离Lp，Lp＜Ll。
2.如权利要求1所述的井下极低频通信模组的近场延长器，其特征在于，
所述绝缘扶正器，表面喷有绝缘涂层，用于对所述近场延长器进行扶正及对所述近场延长器实现与所述套管间的电气隔离。
3.如权利要求2所述的井下极低频通信模组的近场延长器，其特征在于，
所述金属扶正器，用于提供近场延长器与所述套管间的电气连接，以构成近场电流回流通道。
4.如权利要求3所述的井下极低频通信模组的近场延长器，其特征在于，
所述绝缘扶正器的最大拱起半径小于所述套管的内径，且二者差值小于第一差值阈值；
所述金属扶正器的最大拱起半径大于所述套管的内径，且二者差值大于第二差值阈值。
5.如权利要求1所述的井下极低频通信模组的近场延长器，其特征在于，所述工程需求包括：井下安装难易度、油井结构限制和绝缘扶正器的绝缘可靠度。
6.如权利要求1所述的井下极低频通信模组的近场延长器，其特征在于，
所述油管短节使用对数为N，N＝[Lp/l0]，所述绝缘扶正器使用对数为N-1，l0为单个所述绝缘扶正器串接单段油管短节的总长度。
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