CN115749751A - 一种跨螺杆无线传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油地质勘探钻井技术领域，具体提供了一种跨螺杆无线传输系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括天线模块、传感器测量模块、发射模块和主控电路模块，天线模块、传感器测量模块和发射模块均电连接主控电路模块；所述接收端包括接收天线模块和接收模块，接收天线模块分别电连接天线模块和接收模块，解决了在复合盐泥浆体系钻井液环境和高矿化度地层水层中，现有跨螺杆无线数据传输信号差或不能传输的问题，本发明具有设计科学合理，结构简单、制作成本低、使用寿命长、不受泥浆介质影响的特点，可广泛的在钻井现场推广，用于任何数据的传输及其他工况短距离无线传输使用。

Description

一种跨螺杆无线传输系统

技术领域

本发明属于石油地质勘探钻井技术领域，具体涉及一种跨螺杆无线传输系统。

背景技术

随着石油和天然气开发的不断进行，早期的常规油气藏开发已经接近尾声，目前已经向开发非常规油气藏、复杂油气藏等方面，由浅层向深层发展，而这些钻井工艺应用越来越广泛。在这些井的施工过程中，由于通过地质导向提高钻遇率和泻油面积为提高单井产量有非常重要的意义，因此，对地质导向施工中使用的随钻测量仪器的要求越来越高，特别是要求测量点距离钻头越近越好，如果能够在螺杆下方则为最佳。由于螺杆的特殊结构，不利于电缆穿过，因此近钻头短节一般需要有一个跨螺杆的无线短传装置，将测量的信号传输到螺杆上方，再将数据传给MWD，MWD探管控制脉冲器动作，产生泥浆脉冲信号发送到地面。

申请人所掌握的与本发明相关的同类技术现状：“用于随钻测量系统的信号发射装置和跨螺杆数据传输方法”专利申请号：CN201810777667.0，申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司,中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院。此发明公开了一种用于随钻测量系统的信号发射装置和跨螺杆数据传输方法，包括：传感测量模块采集钻头实时获取的随钻测量参数；中央处理模块接收随钻测量参数并进行编码，生成含有该参数信息的第一交变电流信号和频率控制信号；发射控制模块接收中央处理模块发送的信号，产生与频率控制信号匹配的第二交变电流信号，使得在发射控制模块上下短节处形成对应的电压差并输出相应的发射电流信号，以进行传输；中央处理模块接收通过发射控制模块检测到的发射电流对应的反馈信息，基于此调整目标发射频率，以调整发射电流信号的频率。本发明的装置根据周围地层以及钻井液的电导率变化，自适应的调整发射功率，提高电池使用工作效率。其核心在于：发射控制模块，其用于接收所述第一交变电流信号和所述频率控制信号，产生与所述频率控制信号匹配的第二交变电流信号，使得在所述发射控制模块上下短节位置处形成对应的电压差，并通过井筒内的钻井液、周围地层、钻具上用以连接上下短节的螺杆以及短节本体形成的回路将所述电压差转换成发射电流信号以进行传输。

背景技术发明利用发射、接收短节形成的电压差，通过交变电流与钻具回路的电压差转换成电流信号进行数据传输，由于近年来钻井技术现场广泛使用复合盐泥浆体系，该技术在高矿化度地层或盐水泥浆中，由于阳离子定向移动造成介质电阻大幅降低，发射装置与接收装置之间的电势差大幅减少，通信信号严重降低甚至无法通信。而且，由于复合盐泥浆体系的“导电性”，现有技术会在泥浆造成“短路”，导致电池快速放电无法正常作业或者出现井下电池爆炸等安全事故。

发明内容

本发明提供的一种跨螺杆无线传输系统，其目的是克服现有利用发射、接收短节形成的电压差，通过交变电流与钻具回路的电压差转换成电流信号进行数据传输的跨螺杆无线传输技术，在复合盐泥浆体系钻井液环境和高矿化度地层水层中通信信号严重降低或无法通信的问题。

为此，本发明提供了一种跨螺杆无线传输系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括天线模块、传感器测量模块、发射模块和主控电路模块，天线模块、传感器测量模块和发射模块均电连接主控电路模块；所述接收端包括接收天线模块和接收模块，接收天线模块分别电连接天线模块和接收模块。

优选的，所述天线模块包括发射天线接头、发射端磁环、发射线圈和发射骨架，发射天线接头的中心轴上开设第一通孔，发射骨架的中心轴上开设第二通孔，发射骨架上开设有发射骨架槽，传感器测量模块、发射模块和主控电路模块均位于发射骨架槽内；发射天线接头的上端连接发射骨架，发射端磁环和发射线圈由内向外依次连于发射天线接头的外侧。

优选的，所述发射天线接头的外侧开设有第一凹槽，发射端磁环和发射线圈均连于第一凹槽内。

优选的，所述发射线圈环形绕接在发射端磁环上且发射线圈绕接后的形状为槽状。

优选的，所述天线模块还包括发射胶，发射胶灌缝在槽状发射线圈上。

优选的，所述天线模块还包括发射端聚醚醚酮环和发射天线罩，槽状发射线圈内环连接发射端聚醚醚酮环，槽状发射线圈外环连接发射天线罩。

优选的，所述接收天线模块包括接收天线接头、接收端磁环、接收线圈和接收骨架，接收天线接头的中心轴上开设第三通孔，接收骨架的中心轴上开设第四通孔，接收骨架上开设有接收骨架槽，接收模块位于接收骨架槽内；接收天线接头的上端连接接收骨架，接收天线接头的外侧由内向外依次连接接收端磁环和接收线圈。

优选的，所述接收天线接头的外侧开设有第二凹槽，接收端磁环和接收线圈均位于第二凹槽内。

优选的，所述接收线圈环形绕接在接收端磁环上且接收线圈绕接后的形状为槽状。

优选的，所述接收天线接头还包括接收胶，接收胶灌缝在槽状接收线圈上。

本发明的有益效果：

1)本发明提供的这种跨螺杆无线传输系统，发射端安装在螺杆下部，接收端安装在螺杆上部，解决了随钻测斜过程中测点离钻头距离过长，无法获取近钻头处的信息，实现了早发现早调整，可以对钻井轨迹进行精确控制；

2)本发明提供的这种跨螺杆无线传输系统，传感器测量模块将测量数据传输给主控电路模块，主控电路模块将测量数据编码、调制后驱动发射模块，发射模块将数据编码、调制后驱动发射线圈以电磁波的形式发射出去，接收端接收线圈在交变磁场的作用下，产生变化的感应电动势，经过接收模块解调以后，实现信号的传输，即使在复合盐泥浆体系钻井液环境和高矿化度地层水层中，通信信号也可正常发送，确保近钻头测量仪器数据的实时采集和及时传输。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是发射端结构示意图；

图2是螺杆结构示意图；

图3是接收端结构示意图；

图4是发射端A处的结构放大示意图；

图5是接收端B处的结构放大示意图。

附图标记说明：1、钻头；2、发射天线接头；3、发射端磁环；4、发射线圈；5、发射端聚醚醚酮环；6、发射天线罩；7、发射胶；8、发射端单芯密封塞；9、传感器测量模块；10、发射模块；11、主控电路模块；12、螺杆；13、接收天线接头；14、接收端磁环；15、接收线圈；16、接收端聚醚醚酮环；17、接收端天线罩；18、接收胶；19、接收端单芯密封塞；20、接收模块；21、发射骨架；22、接收骨架；2-1、第一通孔；2－2、第一凹槽；13-1、第三通孔；13-2、第二凹槽；21-1、第二通孔；21-2、发射骨架槽；22-1、第四通孔；22-2、接收骨架槽。

具体实施方式

实施例1：

如图1－5所示，一种跨螺杆无线传输系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括天线模块、传感器测量模块9、发射模块10和主控电路模块11，天线模块、传感器测量模块9和发射模块10均电连接主控电路模块11；所述接收端包括接收天线模块和接收模块20，接收天线模块分别电连接天线模块和接收模块20。

传感器测量模块9将测量数据传输给主控电路模块11，主控电路模块11将测量数据编码、调制后驱动发射模块10，发射模块10将数据编码、调制后驱动天线模块以电磁波的形式发射出去，接收端接收天线模块在交变磁场的作用下，产生变化的感应电动势，经过接收模块20解调以后，实现信号的传输，即使在复合盐泥浆体系钻井液环境和高矿化度地层水层中，通信信号也可正常发送，确保近钻头测量仪器数据的实时采集和及时传输。

优选的，使用时，所述发射端安装在螺杆12下部，接收端安装在螺杆12上部；实现近钻头测量设备的跨螺杆数据传输，解决了随钻测斜过程中测点离钻头距离过长，无法获取近钻头处的信息，实现了早发现早调整，可以对钻井轨迹进行精确控制。

实施例2:

在实施例1的基础上，所述天线模块包括发射天线接头2、发射端磁环3、发射线圈4和发射骨架21，发射天线接头2的中心轴上开设第一通孔2-1，发射骨架21的中心轴上开设第二通孔21-1，发射骨架21上开设有发射骨架槽21-2，传感器测量模块9、发射模块10和主控电路模块11均位于发射骨架槽21-2内；发射天线接头2的上端连接发射骨架21，发射端磁环3和发射线圈4由内向外依次连于发射天线接头2的外侧。

传感器测量模块9将测量数据传输给主控电路模块11，主控电路模块11将测量数据编码、调制后驱动发射模块10，发射模块10将数据编码、调制后驱动发射线圈4以电磁波的形式发射出去，实现信号的发送；将传感器测量模块9、发射模块10和主控电路模块11连接在发射骨架槽21-2内，结构简单保证整体结构在使用过程中的稳定性；所述传感器测量模块9、发射模块10和主控电路模块11均采用现有模块，实际使用时根据需要选择，在此不对其模块结构和工作原理做详细介绍。

优选的，所述发射天线接头2的外侧开设有第一凹槽2－2，发射端磁环3和发射线圈4均连于第一凹槽2－2内。第一凹槽2－2便于发射端磁环3和发射线圈4的安装。

如图4所示，优选的，所述发射线圈4环形绕接在发射端磁环3上且发射线圈4绕接后的形状为槽状。发射线圈4环形绕接可作为接收线圈；槽状为第一凹槽2－2的形状，可使发射线圈4在绕接的时候充分利用第一凹槽2－2的空间，并保证绕接后结构的稳定性。

优选的，所述第一凹槽2－2为与发射天线接头2同轴的环形凹槽；保证发射端磁环3和发射线圈4均内置于第一凹槽2－2内且方便发射线圈4绕接。

优选的，所述天线模块还包括发射胶7，发射胶7灌缝在槽状发射线圈4上。发射胶7使发射线圈4被稳固的封胶于第一凹槽2－2内，保证使用过程的稳定性。

优选的，所述天线模块还包括发射端聚醚醚酮环5(发射端PEEK环)和发射天线罩6，槽状发射线圈4内环连接发射端聚醚醚酮环5，槽状发射线圈4外环连接发射天线罩6。聚醚醚酮环5和发射天线罩6可密封保护第一凹槽2－2内的灌胶部位。

优选的，所述第一凹槽2－2和第二凹槽13-2均进行绝缘喷涂处理。使发射端磁环3与发射线圈4接头本体之间实现电气绝缘，利于信号传输。涂层材料选用绝缘陶瓷氧化锆涂层，单边厚度0.25mm-0.3mm，外壳绝缘电阻：>100MΩ500V，0Hz；保证绝缘性的同时提高机械强度。

优选的，所述发射天线接头2的材料为高氮铬锰无磁不锈钢。高氮铬锰无磁不锈钢具有耐磨和高韧性的特点，提高井下环境下的耐腐蚀性，由于其无磁性的特点，不会干扰发射线圈4电磁波的发射。

优选的，所述发射天线接头2还包括发射端单芯密封塞8，发射端单芯密封塞8连接在第一凹槽2－2上端的发射天线接头2内。发射端单芯密封塞8可以将槽状发射线圈4与发射骨架槽21-2隔开，封胶时发射胶不会流到发射骨架槽21-2。

优选的，所述发射模块采用串口通信。串口通信每个数据帧前有一个同步位，数据帧各字节保持连续，每个数据帧串口发送时间＜20ms，数据帧之间要保持一定的延时间隔，防止发送缓冲器溢出。

实施例3:

在实施例2的基础上，所述接收天线模块包括接收天线接头13、接收端磁环14、接收线圈15和接收骨架22，接收天线接头13的中心轴上开设第三通孔13-1，接收骨架22的中心轴上开设第四通孔22-1，接收骨架22上开设有接收骨架槽22-2，接收模块20位于接收骨架槽22-2内；接收天线接头13的上端连接接收骨架22，接收天线接头13的外侧由内向外依次连接接收端磁环14和接收线圈15。

接收骨架槽22-2便于将接收模块20稳固的连于接收骨架22上，充分利用空间且提高使用过程中装置的稳定性；发射模块10将数据编码、调制后驱动发射线圈4以电磁波的形式发射出去，接收线圈15在交变磁场的作用下，产生变化的感应电动势，经过接收模块20解调以后，实现信号的传输，即使在复合盐泥浆体系钻井液环境和高矿化度地层水层中，通信信号也可正常发送，确保近钻头测量仪器数据的实时采集和及时传输。接收模块20采用现有模块实现该功能，在此不对其结构和工作原理做详细描述。

优选的，所述接收天线接头13的外侧开设有第二凹槽13-2，接收端磁环14和接收线圈15均位于第二凹槽13-2内。第二凹槽13-2便于接收端磁环14和接收线圈15的安装。

优选的，所述接收线圈15环形绕接在接收端磁环14上且接收线圈15绕接后的形状为槽状。接收线圈15环形绕接可作为发射线圈；槽状为第二凹槽13-2的形状，可使接收线圈15在绕接的时候充分利用第二凹槽13-2的空间，并保证绕接后结构的稳定性。

优选的，所述第二凹槽13-2为与收天线接头13同轴的环形凹槽；保证接收端磁环14和接收线圈15均内置于第二凹槽13-2内且方便接收线圈15绕接。

优选的，所述接收天线接头13还包括接收胶18，接收胶18灌缝在槽状接收线圈15上。接收胶18使接收线圈15被稳固的封胶于第二凹槽13-2内，保证使用过程的稳定性。

优选的，所述收天线接头13还包括接收端聚醚醚酮环16(接收端PEEK环)和接收端天线罩17，槽状接收线圈15内环连接接收端聚醚醚酮环16，槽状接收线圈15外环连接接收端天线罩17。接收端聚醚醚酮环16和接收端天线罩17密封保护第二凹槽13-2内的灌胶部位。

优选的，所述第二凹槽13-2均进行绝缘喷涂处理。使接收端磁环14和接收线圈15接头本体之间实现电气绝缘，利于信号传输。涂层材料选用绝缘陶瓷氧化锆涂层，单边厚度0.25mm-0.3mm，外壳绝缘电阻：>100MΩ500V，0Hz；保证绝缘性的同时提高机械强度。

优选的，所述第一通孔2-1的内面、第二通孔21-1的内面、第三通孔13-1、第四通孔22-1的内面、发射天线接头2的外面、发射骨架21的外面、接收天线接头13的外面、接收骨架22的外面均设有螺纹。螺纹为可拆卸连接，便于发射天线接头2与钻头1连接和拆卸，发射端与螺杆12的连接和拆卸，接收端与螺杆12的连接和拆卸。

优选的，所述接收天线接头13还包括接收端单芯密封塞19，接收端单芯密封塞19连接在第二凹槽13-2上端的接收天线接头13内。接收端单芯密封塞19将第二凹槽13-2与接收骨架槽22-2隔开，封胶时接收胶不会流到接收骨架槽22-2内。

优选的，所述发射胶7和接收胶18均为环氧树脂胶。环氧树脂胶强度高，耐温性好。

实施例4:

如图4所示，一种跨螺杆无线传输系统的传输方法，包括如下步骤：传感器测量模块9将测量数据传输给主控电路模块11，主控电路模块将测量数据编码、调制后驱动发射模块10，发射模块10将数据编码、调制后驱动发射线圈4以电磁波的形式发射出去，接收端接收线圈15在交变磁场的作用下，产生变化的感应电动势，经过接收模块20解调以后，实现信号的传输，即使在复合盐泥浆体系钻井液环境和高矿化度地层水层中，通信信号也可正常发送，确保近钻头测量仪器数据的实时采集和及时传输。

使用时，接收模块20解调以后利用泥浆脉冲器，将井下信息传送至地面系统，并进行水平井近钻头地质导向作业，提高水平井有效储层钻遇率和钻井时效。

在石油钻井工程中，常规的随钻伽马测量盲区过长，判断地层岩性滞后，不能及时判断优质储层位置并调整井眼轨迹，且在水平段钻进时不能及时发现泥质夹层，钻头容易钻出储层，导致频繁调整轨迹，井眼轨迹不规则等现象。本发明之近钻头地质导向工具距离钻头只有0.6米，该跨螺杆无线传输系统可准确的获得钻头处的动态方位伽马数据和静态井斜数据，解决常规伽马地质导向工具的不足，为复杂地层、薄油层的开发提供先进的工具，推动超薄油层及各类复杂油气层的开采，缩短钻井周期,降低钻井成本。

本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“内”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种跨螺杆无线传输系统，其特征在于：包括发射端和接收端，所述发射端包括天线模块、传感器测量模块(9)、发射模块(10)和主控电路模块(11)，天线模块、传感器测量模块(9)和发射模块(10)均电连接主控电路模块(11)；所述接收端包括接收天线模块和接收模块(20)，接收天线模块分别电连接天线模块和接收模块(20)。

2.如权利要求1所述的跨螺杆无线传输系统，其特征在于：所述天线模块包括发射天线接头(2)、发射端磁环(3)、发射线圈(4)和发射骨架(21)，发射天线接头(2)的中心轴上开设第一通孔(2-1)，发射骨架(21)的中心轴上开设第二通孔(21-1)，发射骨架(21)上开设有发射骨架槽(21-2)，传感器测量模块(9)、发射模块(10)和主控电路模块(11)均位于发射骨架槽(21-2)内；发射天线接头(2)的上端连接发射骨架(21)，发射端磁环(3)和发射线圈(4)由内向外依次连于发射天线接头(2)的外侧。

3.如权利要求2所述的跨螺杆无线传输系统，其特征在于：所述发射天线接头(2)的外侧开设有第一凹槽(2－2)，发射端磁环(3)和发射线圈(4)均连于第一凹槽(2－2)内。

4.如权利要求3所述的跨螺杆无线传输系统，其特征在于：所述发射线圈(4)环形绕接在发射端磁环(3)上且发射线圈(4)绕接后的形状为槽状。

5.如权利要求4所述的跨螺杆无线传输系统，其特征在于：所述天线模块还包括发射胶(7)，发射胶(7)灌缝在槽状发射线圈(4)上。

6.如权利要求5所述的跨螺杆无线传输系统，其特征在于：所述天线模块还包括发射端聚醚醚酮环(5)和发射天线罩(6)，槽状发射线圈(4)内环连接发射端聚醚醚酮环(5)，槽状发射线圈(4)外环连接发射天线罩(6)。

7.如权利要求1所述的跨螺杆无线传输系统，其特征在于：所述接收天线模块包括接收天线接头(13)、接收端磁环(14)、接收线圈(15)和接收骨架(22)，接收天线接头(13)的中心轴上开设第三通孔(13-1)，接收骨架(22)的中心轴上开设第四通孔(22-1)，接收骨架(22)上开设有接收骨架槽(22-2)，接收模块(20)位于接收骨架槽(22-2)内；接收天线接头(13)的上端连接接收骨架(22)，接收天线接头(13)的外侧由内向外依次连接接收端磁环(14)和接收线圈(15)。

8.如权利要求7所述的跨螺杆无线传输系统，其特征在于：所述接收天线接头(13)的外侧开设有第二凹槽(13-2)，接收端磁环(14)和接收线圈(15)均位于第二凹槽(13-2)内。

9.如权利要求8所述的跨螺杆无线传输系统，其特征在于：所述接收线圈(15)环形绕接在接收端磁环(14)上且接收线圈(15)绕接后的形状为槽状。

10.如权利要求9所述的跨螺杆无线传输系统，其特征在于：所述接收天线接头(13)还包括接收胶(18)，接收胶(18)灌缝在槽状接收线圈(15)上。

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