CN115680632B - 一种井下微电流信号无线上传方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油工业中井下无线通信技术领域，特别涉及一种井下微电流信号无线上传方法及装置。本发明提出的基于微电流的井下通信方法，依靠油、套管作为传输介质，通过地面检测微电流的方式实现信号无线上传，相较于现有技术中的通信方式，具有通信稳定、距离长等优势。本发明适用于在套管内下入油管管柱的井身结构；以油管和套管为电流载体，形成回路。相较于现有通信方式，能够有效降低信号在中途的损耗，提高信号通信距离。本发明解决了目前采用非对称偶极子天线方式进行无线通信时，由于天线结构限制而存在的通信效率低下问题，目前在多家油气田完成了现场试验，通信距离1000米以上。
Description
技术领域
本发明涉及石油工业中井下无线通信技术领域，特别涉及一种井下微电流信号无线上传方法及装置。
背景技术
目前油气田井下通信主要采用有缆方式，作业成本高，智能化程度低。近年来井下无线通信技术在石油行业的试井、完井监测、随钻测井方面获得了应用。根据国内外油田现场应用的报道情况来看，声波无线传输系统、无线射频识别技术、压力脉冲无线通信及低频电磁波无线通信均得到不同程度的应用。有效提高了井下无线通信技术水平。压力波目前应用广泛，但存在传输速度慢、需要依靠井筒介质传播的问题，不适用于气井。申请号为CN202120749209.3，发明名称为一种压力波码发送装置和压力波码收发系统的专利申请文件，该专利包括供压模块、开关阀体、开关阀座和阀芯等，所述开关阀座上设置有压力通道,压力通道与井下连通；开关阀体上设置有供压口,供压口与所述供压模块连通，结构复杂，可靠性不高；电磁波虽然传输速度快，适用于气井，但存在传输距离短，店面信号易受干扰等问题，申请号CN202011121691.2，发明名称为新型井下双向无线通信系统及方法的专利申请文件，该专利包括地面部分、井下部分和射频信号小球,地面部分和该井下部分之间通过该射频信号小球进行无线通信,该射频信号小球分为控制小球和反馈小球,控制小球能在井筒中自由降落,反馈小球能在井液中自动上浮至井口,地面部分向该控制小球中写入控制信息后,控制小球从井口下沉入井中,在经过该井下部分时,该井下部分读取该控制小球中的控制信息,调节井下开关阀的开度,将需要反馈的信息写入到该反馈小球中,并释放该反馈小球到井液中,反馈小球在井液中上浮至井口时,地面部分读取该反馈小球中的反馈信息并进行信号处理，系统复杂，现场操作性差；声波目前技术不成熟，传输距离短且易受到干扰。
综上所述，现有专利主要存在以下局限性：通讯效率低；结构复杂，现场操作性差；通信距离短，适应差。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种井下微电流信号无线上传方法及装置，用于解决现有技术通讯效率低、结构复杂，现场操作性差、通信距离短和适应差等问题。
一种井下微电流信号无线上传方法，所述方法包括：
当终端模块处于信号接收工况时：通过井下测量及信号收发短节采集信息调制成信号，并把信号加载到由套管和油管构成的闭合回路上，并通过在井口安装终端模块的方式把信号提取出来，从而实现井下信号远程无线上传至地面的目的；
当终端模块处于信号发射工况时：终端模块将控制指令调制成信号，并将其输入至由套管和油管构成的闭合回路上，井下测量及信号收发短节通过检测闭合回路上的有效电流信号接收到控制指令，从而实现控制目标井的井下设备。
进一步的，所述由套管和油管构成的闭合回路，具体包括：
套管和油管两端电连接，并中间段保持绝缘，通过套管和油管形成闭合回路。
进一步的，所述井下测量及信号收发短节采集信息调制信号，并把信号加载到由套管和油管构成的闭合回路，具体包括：
井下测量及信号收发短节根据现场需求，实时采集井下各种参数；
根据各种参数，经过短接内置控制电路对信号进行处理后，输出大功率交流载波信号，并将交流载波信号加载到由套管和油管构成的闭合回路。
进一步的，所述调制成信号的信号交流载波频率的范围为0.2Hz~20Hz。
一种井下微电流信号无线上传装置，所述装置包括：井下测量及信号收发短节、闭合回路和终端模块；
井下测量及信号收发短节，用于采集信息调制信号，把信号加载到闭合回路上或从闭合回路接收信号；
闭合回路，由套管和油管构成，用于井下信号与地面的远程无线通信；
终端模块，安装于井口，用于把信号从闭合回路上提取出来或把信号加载到闭合回路上。
进一步的，所述闭合回路，具体包括：
在油管下端依次机械连接井下测量及信号收发短节、绝缘短节和扶正器，绝缘短节用于实现其上下两端的电气绝缘；
绝缘短节下端与扶正器上端连接，扶正器与套管内壁电气连接；井口部分的套管头和油管头实现电气连接，即套管和油管两端电连接，并中间段保持绝缘，通过套管和油管形成闭合回路。
进一步的，所述井下测量及信号收发短节，具体用于：
井下测量及信号收发短节根据现场需求，实时采集井下各种参数；
根据各种参数，经过短接内置控制电路对信号进行处理后，输出大功率交流载波信号，并将交流载波信号加载到由套管和油管构成的闭合回路。
进一步的，控制电路板输出端有两根线，用于输出交流载波信号，两根线分别接在绝缘短节上、下两端；
井下测量及信号收发短节通过内置电池或井下发电装置供电。
进一步的，绝缘短节上端与井下测量及信号收发短节下端通过螺纹连接。
进一步的，所述终端模块，用于检测流过井口上微小电流，并提取出其中信号。
本发明提出的基于微电流的井下通信方法，依靠油、套管作为传输介质，通过地面检测微电流的方式实现信号无线上传，相较于现有技术中的通信方式，具有通信稳定、距离长等优势。
本发明适用于在套管内下入油管管柱的井身结构；以油管和套管为电流载体，形成回路。相较于现有通信方式，能够有效降低信号在中途的损耗，提高信号通信距离。
本发明解决了目前采用非对称偶极子天线方式进行无线通信时，由于天线结构限制而存在的通信效率低下问题，目前在多家油气田完成了现场试验，通信距离1000米以上。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例井下微电流信号无线上传方法流程图；
图2为本发明实施例井下微电流信号无线上传装置示意图；
图3为本发明实施例井下微电流信号无线上传方法等效数学模型示意图。
附图标记：1、套管；2、井下测量及信号收发短节；3、扶正器；4、油管；5、绝缘短节；6、终端模块，7、井口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
石油工业中井下无线通信技术领域中，井下无线通信技术在石油行业的试井、完井监测、随钻测井方面获得了应用。根据国内外油田现场应用的报道情况来看，声波无线传输系统、无线射频识别技术、压力脉冲无线通信及低频电磁波无线通信均得到不同程度的应用。
现有技术存在以下局限性通讯效率低、结构复杂、现场操作性差、通信距离短、适应差等问题。
为此，本发明提出了一种井下微电流信号无线上传方法及装置，包括一种井下微电流信号无线上传方法和一种井下微电流信号无线上传装置。
本发明提出的基于微电流的井下通信方法，依靠油、套管作为传输介质，通过地面检测微电流的方式实现信号无线上传，相较于以上几种通信方式，具有通信稳定、距离长等优势。
第一方面，如图1所示，一种井下微电流信号无线上传方法，所述方法包括：
当终端模块6处于信号接收工况时：通过井下测量及信号收发短节2采集信息调制信号，并把信号加载到由套管1和油管4构成的闭合回路上，并通过在井口7安装终端模块6的方式把信号提取出来，从而实现井下信号远程无线上传至地面的目的；
当终端模块6处于信号发射工况时：终端模块6将控制指令调制成信号，并将其输入至由套管1和油管4构成的闭合回路上，井下测量及信号收发短节2通过检测闭合回路上的有效电流信号接收到控制指令，从而实现控制目标井的井下设备。
具体实施时，将采集到的信息通过调频、调幅或调相的方式调制信号，将信息加载到电信号中，终端模块6把电信号提取出来，并发送到计算机以解调出采集到的信息。
本实施例中，所述由套管1和油管4构成的闭合回路，具体包括：
套管1和油管4两端电连接，并中间段保持绝缘，通过套管1和油管4形成闭合回路。
具体实施时，套管1和油管4中间段保持绝缘，使井下测量及信号收发短节2与安装终端模块6形成回路，以便将井下信号发送到地面。
井筒内可以是油、水、气体等介质，也可以是各种介质的混合物。
本实施例中，所述井下测量及信号收发短节2采集信息调制信号，并把信号加载到由套管1和油管4构成的闭合回路，具体包括：
井下测量及信号收发短节2根据现场需求，实时采集井下各种参数；
根据各种参数，经过短接内置控制电路对信号进行处理后，输出大功率交流载波信号，并将交流载波信号加载到由套管1和油管4构成的闭合回路。
具体实施时，采集井下各种参数，例如压力、温度、流量等。
本实施例中，所述调制成信号的信号交流载波频率的范围为0.2Hz~20Hz。
具体实施时，依据实验确定信号交流载波频率的范围0.2Hz~20Hz。
第二方面，如图2所示，一种井下微电流信号无线上传装置，其特征在于，所述装置包括：井下测量及信号收发短节2、闭合回路和终端模块6；
井下测量及信号收发短节2，用于采集信息调制信号，把信号加载到闭合回路上或从闭合回路接收信号；
闭合回路，由套管1和油管4构成，用于井下信号与地面的远程无线通信；
终端模块6，安装于井口7，用于把信号从闭合回路上提取出来或把信号加载到闭合回路上。
本实施例中，所述闭合回路，具体包括：
在油管4下端依次机械连接井下测量及信号收发短节2、绝缘短节5和扶正器3，绝缘短节5用于实现其上下两端的电气绝缘；
绝缘短节5下端与扶正器3上端连接，扶正器3与套管1内壁电气连接；井口7部分的套管头和油管头实现电气连接，即套管1和油管4两端电连接，并中间段保持绝缘，通过套管和油管形成闭合回路。
本实施例中，所述井下测量及信号收发短节2，具体用于：
井下测量及信号收发短节2根据现场需求，实时采集井下各种参数；
根据各种参数，经过短接内置控制电路对信号进行处理后，输出大功率交流载波信号，并将交流载波信号加载到由套管1和油管4构成的闭合回路。
本实施例中，控制电路板输出端有两根线，用于输出交流载波信号，两根线分别接在绝缘短节5上、下两端；
井下测量及信号收发短节2通过内置电池或井下发电装置供电。
本实施例中，绝缘短节5上端与井下测量及信号收发短节2下端通过螺纹连接。
本实施例中，所述终端模块6，用于检测流过井口7上微小电流，并提取出其中信号。
为使本领域的技术人员能更好的理解本发明，结合附图对本发明的原理阐述如下：
本发明通过井下金属扶正器把套管和油管实现电气连接，通过井下发射短节把信号加载到由套管和油管构成的闭合回路上，并通过在井口安装终端模块的方式把信号提取出来，从而实现井下信号远程无线上传至地面的目的。
为了实现无线通信功能，在油管入井过程中，在油管下端依次机械连接井下测量及信号收发短节2、绝缘短节5和扶正器3。在井口7安装终端模块6。计算机实时采集终端模块数据，并提取出其中信号。
井下测量及信号收发短节可以根据现场需求，实时采集井下各种参数（例如压力、温度、流量等），并经过短接内置控制电路对信号进行处理后，输出大功率交流载波信号。控制电路板输出端有两根线，用于输出交流载波信号，两根线分别接在绝缘短节5上、下两端。
井下测量及信号收发短节通过内置电池供电，也可以另外安装井下发电装置为其供电；
井筒内可以是油、水、气体等介质，也可以是各种介质的混合物；
信号交流载波频率的范围0.2Hz~20Hz。
绝缘短节能够实现其上下两端的电气绝缘。
绝缘短节上端与井下测量及信号收发短节下端通过螺纹连接；
绝缘短节下端与扶正器上端连接。
扶正器下端可以连接油管或其他工具，也可以不连接任何油管或工具。扶正器与套管内壁电气连接；
井口部分的套管头和油管头实现电气连接。
终端模块6安装在井口上，能够检测流过井口上微小电流。
计算机具有数据采集及处理功能，能够对采集到的终端模块数据进行进一步的滤波降噪，并提取出其中的信号信息。该方法的等效数学模型如图3所示。
井下激励源边界条件复杂，本申请基于近似等效传输线理论建立井下微电流传输信道模型，假设以下条件成立:(1)忽略井内钻井液影响;(2)井眼周围地层为均匀介质。等效电路如图3所示，其中V（t）为激励源电压，Z（01）为工具上部分等效电阻，Z（02）为工具下半部分及地层等效电阻。经过分析计算，工具上部分和工具下部分分别与地层构成的同轴线特性阻抗Z0i和传播常数γi分别是：
其中li和 gi分别代表单位长度传输线的串联电感和并联电导，ω为微电流信号角频率，j为无量纲常数，取经验值0.8。i取值1和2，ri即r1和r2，分别为工具上部分等效电阻值和工具下半部分及地层等效电阻值；特性阻抗Z0i即Z01和Z02，γi为传播常数，在本发明中γ1和γ2基本相等。
在接收端开路时，将上部钻杆与地层构成的同轴线阻抗记为 Z1，下部钻杆与地层构成的传输线阻抗记为Z2，根据传输线理论有：
在接收端短路时，将上部管柱与地层构成的同轴线阻抗记为 Z1 ’，下部管柱与地层构成的同轴线阻抗记为Z2 ’，a为工具上部分管柱长度，Δa为工具下部分管柱长度。根据传输线理论有：
按照等效传输线理论，V(a)即工具以上管柱电压，I(a)即工具以上管柱电流，符合下列等式：
其中VL为井口与无穷远处之间的电位差，IL为井口测到的电流；
在上部管柱与地层构成的同轴线负载端开路时，IL= 0，根据电路原理有：
联立上面2个I（a）表达式，井眼与无穷远处之间的电位差为井口与无穷远处之间的接收电压Vrec（∞）为：
其中，Vt是工具的工作电压。
在距离井眼 x处，当 x 远小于管柱长度时，x处与无穷远处之间的接收电压Vx∞为：
因此，井口与x处之间的接收电压Vrec（x）为：
在地层介质与上部钻杆构成的负载发生短路时，VL=0，接收电流的物理量值可以表示为：
与电力载波相比，根据油井开采需求，电力载波通信是利用潜油电缆，采用高频方式进传输井下信号；本申请不借助电缆；电力载波为保证井下仪器能够最大功率进行信号传输，需要对电缆特性阻抗进行计算，分析在不同载波频率下特性阻抗，本申请无需该环节。因此本申请节省了中间环节且不需要借助电缆，具有更好的应用适应性。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种井下微电流信号无线上传方法，其特征在于，所述方法包括：
当终端模块(6)处于信号接收工况时：通过井下测量及信号收发短节(2)采集信息调制成信号，并把信号加载到由套管(1)和油管(4)构成的闭合回路上，并通过在井口(7)安装终端模块(6)的方式把信号提取出来，从而实现井下信号远程无线上传至地面的目的；
当终端模块(6)处于信号发射工况时：终端模块(6)将控制指令调制成信号，并将其输入至由套管(1)和油管(4)构成的闭合回路上，井下测量及信号收发短节(2)通过检测闭合回路上的有效电流信号接收到控制指令，从而实现控制目标井的井下设备；
所述由套管(1)和油管(4)构成的闭合回路上串联有绝缘短节(5)，井下测量及信号收发短节(2)的控制电路板输出端有两根线，两根线分别接在绝缘短节(5)上、下两端；
所述由套管(1)和油管(4)构成的闭合回路，具体包括：
套管(1)和油管(4)两端电连接，并中间段保持绝缘，通过套管(1)和油管(4)形成闭合回路。
2.根据权利要求1所述的一种井下微电流信号无线上传方法，其特征在于，
所述井下测量及信号收发短节(2)采集信息调制信号，并把信号加载到由套管(1)和油管(4)构成的闭合回路，具体包括：
井下测量及信号收发短节(2)根据现场需求，实时采集井下各种参数；
根据各种参数，经过短接内置控制电路对信号进行处理后，输出大功率交流载波信号，并将交流载波信号加载到由套管(1)和油管(4)构成的闭合回路。
3.根据权利要求2所述的一种井下微电流信号无线上传方法，其特征在于，
所述调制成信号的信号交流载波频率的范围为0.2Hz～20Hz。
4.一种井下微电流信号无线上传装置，其特征在于，所述装置用于实现权利要求1－3任意一项所述的方法，包括：井下测量及信号收发短节(2)、闭合回路和终端模块(6)；
井下测量及信号收发短节(2)，用于采集信息调制信号，把信号加载到闭合回路上或从闭合回路接收信号；
闭合回路，由套管(1)和油管(4)构成，用于井下信号与地面的远程无线通信；
终端模块(6)，安装于井口(7)，用于把信号从闭合回路上提取出来或把信号加载到闭合回路上。
5.根据权利要求4所述的一种井下微电流信号无线上传装置，其特征在于，
所述闭合回路，具体包括：
在油管(4)下端依次机械连接井下测量及信号收发短节(2)、绝缘短节(5)和扶正器(3)，绝缘短节(5)用于实现其上下两端的电气绝缘；
绝缘短节(5)下端与扶正器(3)上端连接，扶正器(3)与套管(1)内壁电气连接；井口(7)部分的套管头和油管头实现电气连接，即套管(1)和油管(4)两端电连接，并中间段保持绝缘，通过套管和油管形成闭合回路。
6.根据权利要求4所述的一种井下微电流信号无线上传装置，其特征在于，
所述井下测量及信号收发短节(2)，具体用于：
井下测量及信号收发短节(2)根据现场需求，实时采集井下各种参数；
根据各种参数，经过短接内置控制电路对信号进行处理后，输出大功率交流载波信号，并将交流载波信号加载到由套管(1)和油管(4)构成的闭合回路。
7.根据权利要求5所述的一种井下微电流信号无线上传装置，其特征在于，
控制电路板输出端有两根线，用于输出交流载波信号，两根线分别接在绝缘短节(5)上、下两端；
井下测量及信号收发短节(2)通过内置电池或井下发电装置供电。
8.根据权利要求5所述的一种井下微电流信号无线上传装置，其特征在于，
绝缘短节(5)上端与井下测量及信号收发短节(2)下端通过螺纹连接。
9.根据权利要求4所述的一种井下微电流信号无线上传装置，其特征在于，
所述终端模块(6)，用于检测流过井口(7)上微小电流，并提取出其中信号。
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