CN117627632A - 井下无线短传与电阻率测量一体化天线的设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线的设计方法及装置，其中设计方法为：沿金属钻铤外壁开设柱型凹槽；在所述凹槽内布设天线本体，方法为：在所述凹槽内壁贴合放置磁性材料，与所述金属钻铤及凹槽内其它天线材料之间做绝缘处理；沿垂直于金属钻铤轴方向，在位于所述凹槽内、贴合所述磁性材料的柱体上，缠绕两组绝缘导线线圈，其中一组所述绝缘导线线圈用于发射和接收无线短传信号，另一组所述绝缘导线线圈用于发射和接收电磁波电阻率测量信号。本发明节省了发射短节的长度，在丰富测量参数的同时减小了对造斜率的影响。

Description

井下无线短传与电阻率测量一体化天线的设计方法及装置

技术领域

本发明涉及近钻头随钻测量系统技术领域，尤其涉及井下无线短传、电阻率测量天线设计方法与装置。

背景技术

经过多年的勘探开发，我国陆上浅层及浅海的常规油气资源已开发殆尽，非常规油气资源已经成为开发的主要目标，这对勘探开发技术提出了更高的要求，需要高端的地质导向装备作支撑。常规地质导向装备中，地质及工程参数测量传感器距离钻头较远，致使信息滞后而无法满足复杂地质环境的作业需求，因此近钻头随钻测量系统受到越来越多的青睐。该系统能及时获取钻头附近的地质和工程参数，提供更准确的导向依据，进而提高储层钻遇率，减小作业风险，降低成本，现已逐渐成为大位移水平井、复杂结构井等地质导向作业中的常备系统。

近钻头随钻测量系统由数据测量及发射短节、数据接收短节和MWD随钻测量系统组成，数据测量及发射短节用于测量钻头附近的地质和工程参数，并将这些参数通过无线短传天线跨过螺杆钻具传输给数据接收短节，数据接收短节将接收到的数据通过MWD系统上传到地面。数据测量及发射短节放置在螺杆钻具和钻头之间，为了不影响系统的造斜率，该短节应该尽可能短，但为了实现更多的地质和工程参数测量，需要在该短节布置相应的多个传感器，因此，在结构方面需要做更多的优化设计工作，争取在相同的测量参数种类情况下，短节尽可能短。

伽马和电阻率参数是地质导向作业中常用的测量参数，但目前大部分近钻头测量系统均只具备伽马测量功能，如果集成电阻率测量功能会增加数据测量及发射短节的长度，进而影响造斜功能。

发明内容

本发明需解决的技术问题是在近钻头测量系统中集成电阻率测量功能，但又不增加发射短节的长度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种井下无线短传与电阻率测量一体化天线的设计方法，采取技术方案如下：

沿金属钻铤外壁开设柱型凹槽；在所述凹槽内布设天线本体，方法为：在所述凹槽内壁贴合放置磁性材料，与所述金属钻铤及凹槽内其它天线材料之间做绝缘处理；沿垂直于金属钻铤轴方向，在位于所述凹槽内、贴合所述磁性材料的柱体上，缠绕两组绝缘导线线圈，其中一组所述绝缘导线线圈缠绕于另一组所述绝缘导线线圈上，一组所述绝缘导线线圈用于发射和接收无线短传信号，另一组所述绝缘导线线圈用于发射和接收电磁波电阻率测量信号。

进一步的，在所述凹槽内除两组绝缘导线线圈和所述磁性材料之外的空间填充绝缘性的填充材料。

进一步的，在所述凹槽内、所述天线本体外设置天线保护，在所述凹槽外设置天线保护罩，在所述天线保护罩上沿与所述绝缘导线线圈缠绕方向相垂直的方向设计开槽，在所述开槽处填充具有绝缘性的填充材料。

进一步的，所述磁性材料有较高的磁导率和磁饱和强度，具有较低的电阻率；所述磁性材料的所有性能具备在常温和井下高温环境下的一致性。

进一步的，所述两组绝缘导线线圈由多匝且紧密排列的绝缘导线缠绕而成，所述绝缘导线的绝缘层厚0.02mm-0.05mm，线径在0.1mm-1.0mm之间，匝数在1-300之间。

根据本发明的又一方面，提供了一种井下无线短传与电阻率测量一体化天线装置，采取技术方案如下：

所述井下无线短传和电阻率测量一体化天线装置包括天线本体，布设于沿金属钻铤外壁开设的柱型凹槽内；所述天线本体包括磁性材料、第一线圈组、第二线圈组，所述磁性材料贴合放置在所述凹槽内壁上，与所述金属钻铤、第一线圈组、第二线圈组之间做绝缘处理，所述第一线圈组、第二线圈组为沿垂直于钻铤轴方向，缠绕于钻铤凹槽内、贴合所述磁性材料的柱体上的多匝绝缘导线，所述第一线圈组缠绕于所述第二线圈组上，其中一组线圈用于发射和接收无线短传信号，另一组线圈用于发射和接收电磁波电阻率测量信号。

进一步的，在所述凹槽内除所述磁性材料、第一线圈组、第二线圈组之外的空间填充具有绝缘性的填充材料。

进一步的，在所述天线本体外设置天线保护罩，在所述天线保护罩上沿与线圈组缠绕方向相垂直的方向设计开槽，在所述开槽处填充具有绝缘性的填充材料。

进一步的，所述磁性材料要求有较高的磁导率和磁饱和强度，具有较低的电阻率；所述磁性材料的所有性能具备在常温和井下高温环境下的一致性。

进一步的，所述第一线圈组、第二线圈组由多匝且紧密排列的绝缘导线缠绕而成，所述绝缘导线绝缘层厚0.02mm-0.05mm，线径在0.1mm-1.0mm之间，匝数在1-300之间。

与现有技术对比，本发明有益效果如下：

本发明提供了一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线的设计方法，节省了发射短节的长度空间，在丰富测量参数的同时减小了对造斜率的影响。本发明提出的设计方案考虑了磁性材料的设计，相比常规只考虑导线的设计，更全面的考虑了影响天线性能的因素，能更有效得提升天线的工作性能。另外，本发明将天线本体与天线保护罩分解成两个部件，分别承担密封功能，相当于有两道密封，有效提升了天线在高压环境中的适应性。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出了根据本发明的具体实施例提供的一体化天线设计示意图。

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的一体化天线保护罩结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、金属钻铤；2、磁性材料；3、第一线圈组；4、第二线圈组；5、第一填充材料；6、连接器；7、天线保护罩；8、开槽；9、第二填充材料。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在近钻头测量系统中集成电阻率测量功能可以提升地质导向作业效果，但同时增加对数据测量及发射短节的长度的要求，为了节省该短节的长度空间，在丰富测量参数的同时减小对造斜率的影响，本发明提供了一种井下无线短传与电阻率测量一体化天线的设计方法及装置。

作为本发明的实施例，提供的一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线的设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1、沿钻井作业中使用的金属钻铤外壁开设柱型凹槽，用于布设天线本体和天线保护罩。

步骤2、在所述凹槽内布设天线本体

步骤2.1在钻铤凹槽内壁贴合放置磁性材料，用于增加天线的辐射电阻。

所述磁性材料与所述金属钻铤及凹槽内天线其它材料之间做绝缘处理，绝缘方式不做限制，如涂抹绝缘涂层等。

优选地，所述磁性材料要求有较高的磁导率和磁饱和强度用于增加天线的辐射电阻，进而提高天线辐射效率；具有较低的电阻率，减小涡流损耗；所述磁性材料的所有性能要具备在常温和井下高温环境下的一致性，磁芯材料成分不做限制，如可以使铁氧体等材料。

步骤2.2沿垂直于钻铤轴方向，在位于钻铤凹槽内、贴合所述磁性材料的柱体上，缠绕两组绝缘导线线圈，用于向外辐射和接收电磁波信号。

其中，一组绝缘导线线圈缠绕于另一组绝缘导线线圈上，一组所述绝缘导线线圈用于发射和接收无线短传信号，另一组所述绝缘导线线圈用于发射和接收电磁波电阻率测量信号，具体对应关系不做限制。由于用于无线短传的天线工作频率较低，在1-10kHz附近，优选地，在有限的凹槽空间内缠绕多匝绝缘导线，以提高辐射电阻，且绝缘导线电阻较小、线径较粗、绝缘层较薄，并在缠绕多匝绝缘导线时紧密排列，以减小损耗电阻，进而提高天线的辐射效率，提升无线短传的距离。由于用于电磁波电阻率测量的天线工作频率在100k-2MHz附近，高于无线短传的工作频率，优选地，在有限的凹槽空间内缠绕多匝绝缘导线，以提高辐射电阻，且绝缘导线电阻较小、线径较粗、绝缘层较薄，并在缠绕多匝绝缘导线时紧密排列，以减小损耗电阻，进而提高天线的辐射效率。具体的导线材料、绝缘层厚度、匝数和线径不做限制，在一示例中选纯铜导线、绝缘层厚0.02mm-0.05mm，线径在0.1mm-1.0mm之间，匝数在1-300之间。

步骤3、将两组所述绝缘导线线圈和电气系统通过连接器绝缘密封连接，在井下高温高压环境中实现绝缘密封连接。

在本发明一实施例中，对所述天线本体做密封、支撑处理。

所述天线本体密封、支撑处理方法为：在所述凹槽内除两组绝缘导线线圈和所述磁性材料之外的空间填充绝缘性的填充材料。

所述填充材料起到固定支撑所述两组绝缘导线线圈和所述磁性材料的作用，并在不影响电磁波穿过的情况下起到一定的密封作用，使其不受泥浆的直接冲刷而损坏。材料性能要求绝缘，与钻铤壁之间有非常好的粘接性，且有较高的硬度能耐住井下高压环境。具体材料成分不做限制，如可选用环氧树脂胶等。

在本发明一实施例中，在所述凹槽内、所述天线本体外设置天线保护罩。

所述天线保护罩用于保护天线本体不受泥浆的冲刷和井壁的磨损。保护罩的材料不做限制，一般与钻铤材料一致即可。

进一步的，在所述天线保护罩上沿与所述两组绝缘导线线圈缠绕方向相垂直的方向设计开槽。

设计开槽是为了保证有足够的信号能穿过所述天线保护罩。所述开槽具体尺寸和形状不做限制，但为保证信号的穿过强度，在不影响机械强度的情况下，应尽可能增大所述开槽的宽度和数量，具体尺寸参数不做限制，如所述开槽面积与所述天线保护罩面积比值在1/3-1/2之间。

进一步的，在保护罩开槽处填充绝缘性的填充材料。

所述填充材料要求绝缘，与所述天线保护罩之间有非常好的粘接性能，用于穿过电磁波和防止井筒内的泥浆进入所述天线保护罩内，且能耐住井下的高压冲刷环境而不从所述天线保护罩脱落。具体材料成分不做限制，可选用与所述第一填充材料相同的材料成分。

基于上述井下无线短传和电阻率测量一体化天线的设计方法，本发明提供了一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线装置。

如图1所示，作为本发明的实施例，提供的井下无线短传和电阻率测量一体化天线装置组成部件包括天线本体，布设于沿金属钻铤1外壁开设的柱型凹槽内。所述天线本体包括磁性材料2、第一线圈组3、第二线圈组4、第一填充材料5。

所述磁性材料2贴合放置在所述凹槽内壁上，与所述金属钻铤1、第一线圈组3、第二线圈组4、第一填充材料5之间做绝缘处理，绝缘方式不做限制，如涂抹绝缘涂层等。优选地，所述磁性材料2有较高的磁导率和磁饱和强度用于增加天线的辐射电阻，进而提高天线辐射效率；具有较低的电阻率，减小涡流损耗；材料的所有性能要具备在常温和井下高温环境下的一致性，磁芯材料成分不做限制，如可以使铁氧体等材料。

如图1所示，所述第一线圈组3、第二线圈组4为沿垂直于钻铤轴方向，缠绕于钻铤凹槽内、贴合所述磁性材料2的柱体上的多匝绝缘导线，用于向外辐射和接收电磁波信号。所述第一线圈组3缠绕于所述第二线圈组4上，其中，一个用于发射和接收无线短传信号，另一个用于发射和接收电磁波电阻率测量信号，具体对应关系不做限制。

由于用于无线短传的天线工作频率较低，在1-10kHz附近，优选地，选择电阻较小、线径较粗、绝缘层较薄的绝缘导线，在有限的凹槽空间内缠绕多匝绝缘导线，以提高辐射电阻，并在缠绕多匝绝缘导线时紧密排列，以减小损耗电阻，进而提高天线的辐射效率，提升无线短传的距离。

由于用于电磁波电阻率测量的天线工作频率在100k-2MHz附近，高于无线短传的工作频率，优选地，选择电阻较小、线径较粗、绝缘层较薄的绝缘导线，在有限的凹槽空间内缠绕多匝绝缘导线，以提高辐射电阻，并在缠绕多匝绝缘导线时紧密排列，以减小损耗电阻，进而提高天线的辐射效率。

所述第一线圈组3、第二线圈组4具体的导线材料、绝缘层厚度、匝数和线径不做限制，在一示例中选纯铜导线、绝缘层厚0.02mm-0.05mm，线径在0.1mm-1.0mm之间，匝数在1-300之间。

所述第一线圈组3、第二线圈组4和电气系统通过连接器6连接，在井下高温高压环境中实现对连接处的绝缘密封功能。具体连接器的选型不做限制。

在本发明一实施例中，对所述天线本体做密封、支撑处理，方法为：在钻铤凹槽内除所述磁性材料2、第一线圈组3、第二线圈组4之外的空间填充第一填充材料5，起到固定支撑所述磁性材料2、第一线圈组3、第二线圈组4的作用，并在不影响电磁波穿过的情况下起到一定的密封作用，使其不受泥浆的直接冲刷而损坏。所述第一填充材料5性能要求绝缘，与钻铤壁之间有非常好的粘接性，且有较高的硬度能耐住井下高压环境。具体材料成分不做限制，如可选用环氧树脂胶等。

在本发明一实施例中，在所述天线本体外设置天线保护罩7，保护所述天线本体不受泥浆的冲刷和井壁的磨损。天线保护罩7的材料不做限制，一般与钻铤材料一致即可。

进一步的，为了保证有足够的信号能穿过所述天线保护罩7，在所述天线保护罩7上沿与线圈组的缠绕方向相垂直的方向设计开槽8，如图2所示。所述开槽8尺寸和形状不做限制，但为保证信号的穿过强度，在不影响机械强度的情况下，应尽可能增大所述开槽8的宽度和数量，具体尺寸参数不做限制，在一示例中，所述开槽8面积与所述天线保护罩7面积比值在1/3-1/2之间。

进一步的，在所述开槽8处填充第二填充材料9，所述第二填充材料9为保护罩开槽8处的填充材料，要求绝缘，与所述天线保护罩7之间有非常好的粘接性能，用于穿过电磁波和防止井筒内的泥浆进入所述天线保护罩7内，且能耐住井下的高压冲刷环境而不从所述天线保护罩7脱落。所述第二填充材料9具体材料成分不做限制，如可选用与所述第一填充材料5相同的材料成分。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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 (10)

1.一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线的设计方法，其特征在于，

沿金属钻铤外壁开设柱型凹槽；在所述凹槽内布设天线本体，方法为：在所述凹槽内壁贴合放置磁性材料，与所述金属钻铤及凹槽内其它天线材料之间做绝缘处理；沿垂直于金属钻铤轴方向，在位于所述凹槽内、贴合所述磁性材料的柱体上，缠绕两组绝缘导线线圈，其中一组所述绝缘导线线圈缠绕于另一组所述绝缘导线线圈上，一组所述绝缘导线线圈用于发射和接收无线短传信号，另一组所述绝缘导线线圈用于发射和接收电磁波电阻率测量信号。

2.根据权利要求1所述的一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线的设计方法，其特征在于，在所述凹槽内除两组绝缘导线线圈和所述磁性材料之外的空间填充绝缘性的填充材料。

3.根据权利要求2所述的一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线的设计方法，其特征在于，在所述凹槽内、所述天线本体外设置天线保护，在所述天线保护罩上沿与所述绝缘导线线圈缠绕方向相垂直的方向设计开槽，在所述开槽处填充具有绝缘性的填充材料。

4.根据权利要求1所述的一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线的设计方法，其特征在于，所述磁性材料有较高的磁导率和磁饱和强度，具有较低的电阻率；所述磁性材料的所有性能具备在常温和井下高温环境下的一致性。

5.根据权利要求1所述的一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线的设计方法，其特征在于，所述两组绝缘导线线圈由多匝且紧密排列的绝缘导线缠绕而成，所述绝缘导线的绝缘层厚0.02mm-0.05mm，线径在0.1mm-1.0mm之间，匝数在1-300之间。

6.一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线装置，其特征在于，包括天线本体，布设于沿金属钻铤(1)外壁开设的柱型凹槽内；所述天线本体包括磁性材料(2)、第一线圈组(3)、第二线圈组(4)，所述磁性材料(2)贴合放置在所述凹槽内壁上，与所述金属钻铤(1)、第一线圈组(3)、第二线圈组(4)之间做绝缘处理，所述第一线圈组(3)、第二线圈组(4)为沿垂直于钻铤轴方向，缠绕于钻铤凹槽内、贴合所述磁性材料(2)的柱体上的多匝绝缘导线，所述第一线圈组(3)缠绕于所述第二线圈组(4)上，其中一组线圈用于发射和接收无线短传信号，另一组线圈用于发射和接收电磁波电阻率测量信号。

7.根据权利要求6所述的一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线装置，其特征在于，在所述凹槽内除所述磁性材料(2)、第一线圈组(3)、第二线圈组(4)之外的空间填充具有绝缘性的填充材料。

8.根据权利要求7所述的一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线装置，其特征在于，在所述天线本体外设置天线保护罩(7)，在所述天线保护罩(7)上沿与线圈组缠绕方向相垂直的方向设计开槽(8)，在所述开槽(8)处填充具有绝缘性的填充材料。

9.根据权利要求6所述的一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线装置，其特征在于，所述磁性材料要求有较高的磁导率和磁饱和强度，具有较低的电阻率；所述磁性材料的所有性能具备在常温和井下高温环境下的一致性。

10.根据权利要求6所述的一种井下无线短传和电阻率测量一体化天线装置，其特征在于，所述第一线圈组(3)、第二线圈组(4)由多匝且紧密排列的绝缘导线缠绕而成，所述绝缘导线绝缘层厚0.02mm-0.05mm，线径在0.1mm-1.0mm之间，匝数在1-300之间。