CN203214049U - 无线随钻测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线随钻测量系统，该系统包括井下仪器和地面系统，井下仪器包括：电磁波随钻测量装置，用于利用电磁波进行随钻测量；钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于利用钻井液压力进行随钻测量；发收机，连接至电磁波随钻测量装置和钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于根据来自地面系统的信号控制井下仪器工作模式的转换，上述工作模式包括电磁波传输模式、钻井液压力脉冲模式；地面系统兼容两种工作模式的解调与解码，用于对电磁波传输模式下和/或钻井液压力脉冲模式下产生的信号进行数字信号处理。本实用新型实现了不同传输模式的测井组合，可同时选择两种模式下井作业，还可根据需求选择二者之一，具备灵活性和兼容性，适用性较强。

Description

无线随钻测量系统

技术领域

本实用新型涉及随钻测量领域，具体而言，涉及一种无线随钻测量系统。 

背景技术

无线随钻测量技术按照传输介质不同可以分为：泥浆压力脉冲随钻测量（Mud Pulse Measurement While Drilling，简称为MP-MWD（当前统称为MWD，下文均称为MWD））和电磁波随钻测量（Electromagnetic Measurement While Drilling，简称为EM-MWD）。前者以钻井液为传输介质，后者以地层为传输介质，二者具有各自不同的特点，相互补充成为目前无线随钻测量的主要工具。另，按照随钻测量距离钻头位置还包括近钻头测量技术，近钻头测量与无线随钻测量系统结合，将近钻头方位伽马、方位电阻率、井斜等参数传输至地面，在地质导向应用中（特别是薄层油气开发中）意义重大。为叙述方便，下文中将泥浆压力脉冲随钻测量系统简称为MWD，电磁波随钻测量系统简称为EM-MWD。下面分别介绍上述三种测量技术的优缺点。 

MWD在以泥浆为钻井介质条件下可稳定工作，已成为国内发展最快、应用最广的无线随钻测量技术。但是由于其对介质要求较高，在介质发生变化（例如，可压缩性增强、漏失井堵漏等）的情况下其应用受到限制；同时MWD传输速率低、动力设备易损、使用成本较高。 

EM-MWD受钻井介质影响较小，在泡沫钻井以及易漏失井中克服了MWD的局限性，同时具有传输速率高、易实现双向通信等优点。但EM-MWD受地层电阻率影响较大，高阻、高导地层均影响其传输深度。 

通常的随钻测量一般都是在螺杆以后进行，距离钻头较远，由于测量点偏离钻头较远，实时导向过程容易偏离设计轨道，特别在薄层油气资源的开发中尤其不便。近钻头测量技术使得随钻测量更接近钻头位置，在实时导向中更容易控制钻头在储层中的行进轨迹。 

目前，国内只有MWD大规模开发和应用，随着电磁波随钻测量系统的成功研制，国内某些公司或企业开展的近钻头测量技术已经取得很大进展。但是，相关技术中MWD对钻井介质要求较高且传输速率低，EM-MWD传输速率高但受地层电阻率影响较大，对此，尚未提出有效的解决方案。 

实用新型内容

本实用新型提供了一种无线随钻测量系统，以至少解决相关技术中，MWD对钻井介质要求较高且传输速率低，EM-MWD传输速率高但受地层电阻率影响较大的问题。 

根据本实用新型，提供了一种无线随钻测量系统，包括井下仪器和地面系统，其中，井下仪器包括：电磁波随钻测量装置，用于利用电磁波进行随钻测量；钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于利用钻井液的压力进行随钻测量；发收机，连接至电磁波随钻测量装置和钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于根据来自地面系统的信号控制井下仪器工作模式的转换，其中，上述工作模式包括：电磁波传输模式、钻井液压力脉冲模式；地面系统兼容电磁波传输模式和钻井液压力脉冲模式的解调与解码，用于对电磁波传输模式下产生的信号和/或钻井液压力脉冲模式下产生的信号进行数字信号处理。 

优选地，井下仪器还包括：近钻头测量装置，位于螺杆以下贴近钻头的位置，连接至电磁波随钻测量装置和钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于进行近钻头数据的采集，并将近钻头数据发送给电磁波随钻测量装置和/或钻井液压力脉冲随钻测量装置。 

优选地，近钻头测量装置包括：近钻头传感器组，用于采集近钻头数据；无线短传发射模块，连接至近钻头传感器组，用于向电磁波随钻测量装置和/或钻井液压力脉冲随钻测量装置发送近钻头数据。 

优选地，近钻头传感器组包括以下至少之一：方位电阻率传感器、方位伽马传感器、井斜传感器。 

优选地，井下仪器还包括：无线短传接收模块，连接至电磁波随钻测量装置和钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于接收来自近钻头测量装置的近钻头数据，并将近钻头数据传输给电磁波随钻测量装置和/或钻井液压力脉冲随钻测量装置；传感器组，连接至电磁波随钻测量装置和钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于感知电磁波传输模式或钻井液压力脉冲模式下的信号，并将信号发送至电磁波随钻测量装置或钻井液压力脉冲随钻测量装置。 

优选地，上述传感器组包括以下至少之一：定向仪短节、伽马短节、压力测量短节。 

优选地，电磁波随钻测量装置包括绝缘天线、发射机短节和绝缘短节，其中，发射机短节，设置为根据实际需要功率可选，用于对来自传感器组的信号进行编码调制处理，并通过绝缘天线向地面系统发射处理后的信号；绝缘短节，采用上悬挂方式或下座键方式，当采用下座键方式时，绝缘短节的两端分别连接簧片式弓形扶正器，通过簧片式弓形扶正器将发射机的输出馈送到绝缘天线两极。 

优选地，钻井液压力脉冲随钻测量装置包括驱动电路和脉冲发生器，其中，驱动电路，用于对来自传感器组的信号进行移位编码，驱动脉冲发生器产生钻井液的压力变化。 

优选地，地面系统包括：天线，用于接收电磁波随钻测量装置传输的信号；井口传感器，用于感知钻井液的压力变化，并将压力变化转换为电脉冲信号；地面接口箱，连接至天线和井口传感器，用于对天线接收的信号和/或井口传感转换的电脉冲信号进行硬件信号处理和数字信号处理，地面接口箱兼容电磁波传输和钻井液压力脉冲两种工作模式的解调与解码。 

优选地，地面接口箱包括：嵌入式系统，用于对接收的数据进行数字信号处理，数字信号处理包括以下至少之一：放大、采集、数字滤波、解码；硬件处理电路，用于对接收的数据进行硬件信号处理，所述硬件信号处理包括以下至少之一：放大、采集、滤波。 

优选地，地面系统还包括：司钻显示器，连接至井口传感器和地面接口箱，用于从井口 传感器采集信息发送至地面接口箱，并以预定的形式显示信息，其中，采集的信息包括以下至少之一：立压、悬重、绞车、泵冲。 

优选地，地面系统还包括：计算机，连接至地面接口箱，用于利用模块化的软件控制无线随钻测量系统；记录仪，连接至计算机，用于记录无线随钻测量系统的测量结果。 

优选地，当电磁波随钻测量装置采用下座键方式时，仪器串顶部串接带打捞头的簧片式弓形扶正器接头，该带打捞头的簧片式弓形扶正器接头位于绝缘短节上部，发射机短节位于绝缘短节下部，该发射机短节的下部串接簧片式弓形扶正器接头，电池短节采用专用扶正器接头，其余短节采用通用扶正器接头；当钻井液压力脉冲随钻测量装置采用下座键方式时，仪器串顶部串接带打捞头的扶正器接头，电池短节采用专用扶正器接头，其余短节采用通用扶正器接头。 

优选地，井下仪器还包括：电池模块，用于为电磁波随钻测量装置、钻井液压力脉冲随钻测量装置和近钻头测量装置供电，电池模块具备电池电能自动检测记录功能，扶正器接头设置有害气体泄放装置。 

通过本实用新型，实现了不同传输模式的测井组合，可以同时选择电磁波传输模式和钻井液压力脉冲模式下井作业，还可以根据需求进行电磁波随钻测量或者钻井液压力脉冲随钻测量。二者之间很好的兼容性便于现场施工，采用同样的传感器、同样的供电方式，只需要取舍某些单元即可，诠释了系统构成的灵活性和兼容性，具有较强的适用性。 

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中： 

图1是根据本实用新型实施例的无线随钻测量系统的结构框图； 

图2是根据本实用新型优选实施例的无线随钻测量系统的结构框图； 

图3是根据本实用新型实施例的无线随钻测量方法的流程图； 

图4是根据本实用新型优选实施例的无线随钻测量系统的构成原理框图； 

图5是根据本实用新型优选实施例的井下仪器的原理框图； 

图6是根据本实用新型优选实施例的地面系统的原理框图； 

图7是根据本实用新型优选实施例的地面系统的计算机软件构成图； 

图8是根据相关技术的电磁波随钻测量系统的结构示意图； 

图9是根据本实用新型优选实施例的无线随钻测量系统（电磁波传输模式）的结构示意图； 

图10是根据本实用新型优选实施例的无线随钻测量系统（钻井液压力脉冲模式）的结构 示意图； 

图13是根据本实用新型优选实施例的电磁波传输模式PPM解码的示意图； 

图14是根据本实用新型优选实施例的钻井液压力脉冲模式的解码原理图； 

图15是根据本实用新型优选实施例的消除泵冲干扰的方法原理示意图。 

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。 

相关技术中，MWD与EM-MWD各有优缺点，MWD对钻井介质要求较高且传输速率低，EM-MWD传输速率高但受地层电阻率影响较大。为此，本实用新型实施例提供了一种无线随钻测量系统，图1是根据本实用新型实施例的无线随钻测量系统的结构框图，如图1所示，该系统包括：井下仪器12和地面系统14。 

其中，井下仪器12包括：电磁波随钻测量装置122，用于利用电磁波进行随钻测量；钻井液压力脉冲随钻测量装置124，用于利用钻井液的压力进行随钻测量；发收机126，连接至电磁波随钻测量装置122和钻井液压力脉冲随钻测量装置124，用于根据来自地面系统14的信号控制井下仪器工作模式的转换，其中，上述工作模式包括：电磁波传输模式、钻井液压力脉冲模式；地面系统14兼容电磁波传输模式和钻井液压力脉冲模式的解调与解码，用于对电磁波传输模式下产生的信号和/或钻井液压力脉冲模式下产生的信号进行数字信号处理。 

通过上述实施例的无线随钻测量系统，实现了不同传输模式的测井组合，可以同时选择电磁波传输模式和钻井液压力脉冲模式下井作业，还可以根据需求进行电磁波随钻测量或者钻井液压力脉冲随钻测量。二者之间很好的兼容性便于现场施工，采用同样的传感器、同样的供电方式，只需要取舍某些单元即可，诠释了系统构成的灵活性和兼容性，对钻井介质、地层、钻井工艺等具有较强的适用性。 

考虑到有时需要近钻头测量，在一个优选实施方式中，如图2所示，井下仪器12还包括：近钻头测量装置128，位于螺杆以下贴近钻头的位置，连接至电磁波随钻测量装置122和钻井液压力脉冲随钻测量装置124，用于进行近钻头数据的采集，并将近钻头数据发送给电磁波随钻测量装置122和/或钻井液压力脉冲随钻测量装置124。 

在一个优选实施方式中，近钻头测量装置128包括：近钻头传感器组，用于采集近钻头数据；无线短传发射模块，连接至近钻头传感器组，用于向电磁波随钻测量装置和/或钻井液压力脉冲随钻测量装置发送近钻头数据。上述近钻头传感器组包括以下至少之一：方位电阻率传感器、方位伽马传感器、井斜传感器，分别采集方位电阻率、方位伽马、井斜等参数。 

对于电磁波随钻测量装置122和钻井液压力脉冲随钻测量装置124（例如，可以采用常用的泥浆压力脉冲随钻测量），除了完成各自功能的部件之外，二者还具有一些公用部件，例如传感器、电池等。在一个优选实施方式中，井下仪器12还包括：无线短传接收模块，连接至电磁波随钻测量装置122和钻井液压力脉冲随钻测量装置124，用于接收来自近钻头测量装置 128的近钻头数据，并将近钻头数据传输给电磁波随钻测量装置122和/或钻井液压力脉冲随钻测量装置124；传感器组，连接至电磁波随钻测量装置122和钻井液压力脉冲随钻测量装置124，用于感知电磁波传输模式或钻井液压力脉冲模式下的信号，并将信号发送至电磁波随钻测量装置122或钻井液压力脉冲随钻测量装置124。 

优选地，上述传感器组包括以下至少之一：定向仪短节、伽马短节、压力测量短节。 

下面分别描述电磁波随钻测量装置122和钻井液压力脉冲随钻测量装置124的主要构成。 

（1）电磁波随钻测量装置 

电磁波随钻测量装置122包括绝缘天线、发射机短节和绝缘短节，其中，发射机，设置为根据实际需要功率可选，用于对来自传感器组（电磁波随钻测量装置122和钻井液压力脉冲随钻测量装置124的公用部件）的信号进行编码调制处理，并通过绝缘天线向地面系统发射处理后的信号；绝缘短节，采用上悬挂方式或下座键方式，当采用下座键方式时，绝缘短节的两端分别连接簧片式弓形扶正器，通过簧片式弓形扶正器将发射机的输出馈送到绝缘天线两极。 

其中，发射机设置为几种功率可选，根据实际需求选择发射机输出功率，可以大大节约电池能耗，提高实际连续工作时间。 

（2）钻井液压力脉冲随钻测量装置 

钻井液压力脉冲随钻测量装置124包括驱动电路和脉冲发生器，其中，驱动电路，用于对来自传感器组的信号进行移位编码，驱动脉冲发生器产生钻井液的压力变化。 

当电磁波随钻测量装置122采用下座键方式时，仪器串顶部串接带打捞头的簧片式弓形扶正器接头，该带打捞头的簧片式弓形扶正器接头位于绝缘短节上部，发射机短节位于绝缘短节下部，该发射机短节的下部串接簧片式弓形扶正器接头，电池短节采用专用扶正器接头，其余短节采用通用扶正器接头；当钻井液压力脉冲随钻测量装置124采用下座键方式时，仪器串顶部串接带打捞头的扶正器接头，电池短节采用专用扶正器接头，其余短节采用通用扶正器接头。可打捞降低了施工风险。 

优选地，井下仪器12还包括：电池模块，用于为电磁波随钻测量装置122、钻井液压力脉冲随钻测量装置124和近钻头测量装置128供电，电池模块具备电池电能自动检测记录功能，扶正器接头设置有害气体泄放装置。实际应用中，从井底起出仪器时，要在井口打开泻放孔螺钉，释放有害气体。 

如图2所示，地面系统14包括：天线142，用于接收电磁波随钻测量装置122传输的信号；井口传感器144，用于感知钻井液的压力变化，并将压力变化转换为电脉冲信号；地面接口箱146，连接至天线142和井口传感器144，用于对天线142接收的信号和/或井口传感144转换的电脉冲信号进行硬件信号处理和数字信号处理，地面接口箱146兼容电磁波传输和钻井液压力脉冲两种工作模式的解调与解码。 

优选地，地面接口箱146包括嵌入式系统，由嵌入式系统对接收的数据进行数字信号处理，数字信号处理包括以下至少之一：放大、采集、数字滤波、解码；硬件处理电路，用于 对接收的数据进行硬件信号处理，硬件信号处理包括以下至少之一：放大、采集、滤波。 

在一个优选实施方式中，地面系统14还包括：司钻显示器，连接至井口传感器和地面接口箱，用于从井口传感器采集信息发送至地面接口箱，并以预定的形式显示信息，其中，采集的信息包括以下至少之一：立压、悬重、绞车、泵冲。 

计算机，连接至地面接口箱，用于利用模块化的软件控制无线随钻测量系统；记录仪，连接至计算机，用于记录无线随钻测量系统的测量结果。 

实际上，上述系统是对现有的MWD、EM-MWD以及近钻头测量技术的结合（也可以称其为无线随钻测量混合系统），实现无线随钻测量系统整体概念设计。在对其中的一些部件进行优化的基础上，充分考虑了三者之间的兼容性，能够为用户提供成套的无线随钻测量系统，从而为油气资源开发提供全方位、更周到、更有效的技术服务。 

本实用新型实施例还提供了一种无线随钻测量方法，该方法基于上述无线随钻测量系统实现随钻测量。图3是根据本实用新型实施例的无线随钻测量方法的流程图。如图3所示，包括如下的步骤S302至步骤S304。 

步骤S302，确定进行随钻测量的工作模式，其中，上述工作模式包括：电磁波传输模式、钻井液压力脉冲模式。 

步骤S304，根据确定的工作模式进行随钻测量。 

在步骤S304中，如果工作模式是电磁波传输模式，电磁波随钻测量装置中的发射机对来自传感器组的信号进行编码调制处理，并通过绝缘天线向地面系统发射处理后的信号，地面系统中的地面接口箱通过天线接收信号，并对信号进行处理以恢复数据；如果工作模式是钻井液压力脉冲模式，钻井液压力脉冲随钻测量装置中的驱动电路对来自传感器组的信号进行移位编码，驱动脉冲发生器产生钻井液的压力变化，地面系统中的井口传感器感知钻井液的压力变化，并将压力变化转换为电脉冲信号，地面接口箱对电脉冲信号进行处理以恢复数据。 

当需要近钻头测量时，基于设置有近钻头测量装置128的系统，上述方法还可以包括：位于螺杆上部的无线短传接收模块通过向近钻头测量装置中的无线短传发射模块发送指令，指示近钻头测量装置进行近钻头数据的采集；近钻头测量装置中的近钻头传感器组采集的信息经无线短传发射模块进行数据编码、载波调制、驱动后，以电磁波形式向地层发射，无线短传接收模块接收该电磁信号并对电磁信号进行解码和数据恢复，通过总线将数据发送至发射机或驱动电路。 

需要说明的是，基于上述无线随钻测量系统的详细的无线随钻测量方法可以根据上述对该方法的描述以及无线随钻测量系统的结构得知，此处不再赘述。 

为了使本实用新型的技术方案和实现方法更加清楚，下面将结合优选的实施例对其实现过程进行详细描述。 

图4是根据本实用新型优选实施例的无线随钻测量系统的构成原理框图。如图4所示，该无线随钻测量系统由井下仪器和地面系统两大部分组成。井下仪器主要由EM-MWD单元、MWD单元、近钻头测量单元、传感器单元以及电池组等构成。地面系统主要由工业计算机、 地面接口箱、记录仪、地面天线、井口传感器以及司钻显示器等构成。地面系统兼容两种工作方式信号的解调和解码。 

本优选实施例中，井下仪器的工作原理如下： 

井下仪器采用标准串行总线（RS-485），最多可以挂接32个终端设备，通过分配不同的地址进行识别。井下仪器工作受控于定向仪短节，通过振动开关状态或自动工作协议启动每一帧数据的发送。当采用电磁波随钻模式时，经发射机进行编码、调制、功率放大，通过绝缘天线发射，经地层和钻柱向地面传输，地面接口箱通过天线接收信号，进行放大、采集、滤波、解码恢复数据，送往计算机，进行曲线、数据显示和记录。当采用钻井液压力脉冲工作模式时，定向仪短节将数据通过总线送往脉冲发生器驱动电路进行移位编码，串行移位脉冲控制驱动储能器件的充放电，放电脉冲驱动脉冲发生器电磁阀或步进电机等以改变钻井液通道流量，从而产生钻井液通道压力变化，井口传感器感知压力变化恢复成为电脉冲信号，地面接口箱进行采集、滤波和解码恢复数据。需要说明的是，发收机在静态情况下，可以接收地面发射的信号，控制井下仪器工作模式的转换。 

当需要近钻头测量时，近钻头测量工具置于螺杆以下贴近钻头的位置，近钻头传感器测量参数经无线短传发射模块进行数据编码、载波调制、驱动后以电磁波形式向地层发射，无线短传接收模块置于螺杆上部，接收信号进行解码和数据恢复，并通过总线将数据送往发射机或脉冲驱动电路。置于螺杆上部的无线短传接收模块可以通过向无线短传发射模块发送指令，进行近钻头数据的采集。 

本优选实施例充分考虑其与系统的兼容性和电器接口的设计，井下仪器的原理框图如图5所示，井下仪器主要由以下部分构成： 

（1）EM-MWD单元：包括绝缘天线、发射机短节、绝缘短节。 

其中，绝缘天线实现系列化，Φ178mm/Φ165mm/Φ121mm/Φ202mm四种外径尺寸，其满足的强度要求可以参照下面的表1。绝缘电阻在干燥情况下大于20kΩ。 

绝缘短节可以有两种安装方式，一种是上悬挂方式，一种是下座键方式。上悬挂时，绝缘短节通过上部固定安装在绝缘天线内构成天线总成，仪器串悬挂在悬挂短节内。悬挂短节和绝缘天线之间通过单芯连接器连接，发射机馈电经绝缘天线上部固定和仪器悬挂处向天线两极馈电。下座键时的绝缘短节向绝缘天线的馈电采用簧片式弓形扶正器，绝缘短节两端分别连接簧片式弓形扶正器，通过这种扶正器将发射机输出馈送到绝缘天线两极。其绝缘短节结构形式可以直接采用绝缘材料实现绝缘，上端簧片式弓形扶正器上部设计打捞头，绝缘材料强度能满足打捞时的拉力即可。另，干燥情况下绝缘电阻大于1MΩ。 

发射机功率可设为8W、4W、1W三种可选，可根据实际需要选择，例如，当井的深度很浅或者地层电磁波衰减很小时可采用1W功率；较深或衰减较大时采用4W；深度大或者衰减很大时最好采用8W。如此根据实际需求选择发射机输出功率，可以大大节约电池能耗，提高井下仪器连续工作时间。 

（2）MWD单元包括脉冲发生器、驱动电路。 

脉冲发生器及其驱动电路可以选择通用型正脉冲发生器，其结构简单、便于维护、市场 占有率较高，技术成熟；也可以选择负脉冲脉冲发生器或连续波脉冲发生器。 

（3）公用单元包括传感器、电池组等。传感器包括定向仪短节、自然伽马短节/方位伽马短节、压力测量短节（环空压力短节）等。 

电池组在功能设计方面，设置有电池电能自动监测记录功能；采用单串电池组供电；一次下井两串电池（可以称之为A、B），每次下井，A主动工作，检测电池电能耗尽自动切换到B，此过程不可逆；电池组还可以并联使用，以应对大功率工作时使用。 

电池组在安全设计方面，输出电流小于额定电流，瞬间大电流时，不能大于其最大允许电流值；扶正器接头有害气体泻放设计，从井底起出仪器时，要在井口打开泻放孔螺钉，释放有害气体。 

（4）近钻头测量单元包括：无线短传接收模块、无线短传发射模块、方位伽马传感器、方位电阻率传感器、井斜传感器以及电池组等构成。 

（5）辅助单元包括：带打捞头的簧片式弓形扶正器接头、簧片式弓形扶正器接头、下座键组件、悬挂短节（钻铤接头）和悬挂接头、扶正器接头和带打捞头的扶正器等。 

其中，上悬挂组件包括悬挂短节（钻铤接头）、悬挂接头等，主要是指EM-MWD模式，悬挂接头与绝缘天线内置绝缘短节间采用单芯插头座连接方式连接，方便现场对接。 

下座键组件包括引鞋接头、座键短节。设计保障二者对接后，只有拉力大于一定拉力时才可拉出座键接头，防止脱键。 

带打捞头的簧片式弓形扶正器置于仪器串顶部与绝缘短节相连，同时作为EM-MWD天线正极的馈电；簧片式弓形扶正器置于绝缘短节以下发射机下部作为绝缘天线负极的馈电，设计保障尽量大的接触面，尽量减小与钻铤或天线间的接触电阻，接触面积、簧片材料和弹性强弱是决定接触电阻的主要因素。兼顾各种因素保障接触电阻小于0.1Ω。带打捞头的簧片式弓形扶正器与绝缘短节连接通过螺纹直接连接。需要说明的是，打捞头按照随钻通用标准设计即可。带打捞头的簧片式弓形扶正器置于仪器串最顶端，起到扶正和打捞和馈电作用。 

电池专用扶正器接头（带卸放有害气体孔）设计，通过在扶正器接头开螺孔，专用螺钉，直径保证不小于1cm，配套专用螺钉拧卸工具。 

需要说明的是，只有在EM-MWD下座键模式时，上部扶正器采用带打捞头的簧片式弓形扶正器，发射机上的扶正器接头串接簧片式弓形扶正器，电池短节采用专用扶正器接头，其余短节采用通用扶正器接头。在MWD下座建模式时，顶部采用带打捞头的扶正器接头，电池短节采用专用扶正器接头，其余短节均采用通用扶正器接头。 

本优选实施例中，地面系统的工作原理如下： 

地面接口箱兼容钻井液压力脉冲、电磁波传输两种工作方式。当处于电磁波传输模式时，地面接口箱接收来自井筒和参考电极之间电位差信号，放大、滤波、采集、数字信号处理、解调解码和数据恢复，依此完成对电磁波传输随钻信号的地面接收。当处于钻井液压力脉冲工作模式时，井口传感器通过司钻显示器获取压力变化信号，经线缆向地面接口箱传输，地面接口箱通过信号处理，包括放大、滤波、解调解码恢复数据，由此完成钻井液压力脉冲模 式信号的接收。地面接口箱与计算机通过USB口或其它通信方式进行数据交换。司钻显示器通过总线与地面接口箱交换数据。司钻显示器既作为井口数据、图形、文字实时显示工具，又作为井口传感器信号采集中心。司钻显示器采集的信息包括：立压、悬重、绞车、泵冲等，根据需要将相关数据向地面接口箱传送。 

当定录一体时，压力传感器信号和深度信息由录井仪直接提供，需考虑数据接口的设计，如通过WITS（Wellsite Information Transfer Specification）、网络或其它总线等直接获得。系统传感器信息较多，可以提供钻井信息服务。 

图6是根据本实用新型优选实施例的地面系统的原理框图，如图6所示，地面接口箱内置嵌入式系统，安装数字信号处理、解码软件等；设置有深度、井口传感器信息处理模块，并经过现场总线向主机提供传感器信息；设置有双向通信模块；地面接口箱通过通用串行总线（Universal Serial Bus，简称为USB）或局域网（Local Area Network，简称为LAN）与主机进行数据通信；通过控制器局域网（Controller Area Network，简称为CAN）总线与司钻显示器进行数据通信；放大器增益、模式切换、功能控制等实现程控化。 

司钻显示器作为井口传感器采集中心，兼具数据信息、图形显示功能。绞车、悬重、立压传感器等与司钻显示器通过线缆或无线网络进行数据采集，最终通过司钻显示器线缆传输至地面接口箱进行处理，立压信息输入到嵌入式系统，进行钻井液压力脉冲解码，其它信息进入深度处理模块。 

终端设备如工业计算机、记录仪、显示器等。工业计算机内置工程应用软件，软件总体设计要求模块化、菜单式结构，并开发了地质导向软件。其软件构成图如图7所示，包括如下功能：人机对话视窗操作界面；自动深度跟踪；井眼轨迹描述功能；实时曲线数据显示；实时工具面图显示；地质导向；资料的处理、记录和存档等。 

通过本优选实施例可知，上述无线随钻测量系统诠释了系统构成的灵活性和兼容性，并不一定要该系统一次下井，实际工程上可以按照需求，决定井下工具采用钻井液脉冲随钻还是电磁波随钻，二者之间很好的兼容性便于现场施工，采用同样的传感器、同样的供电方式，只需要取舍某些单元即可。同时系统向下兼容近钻头测量和电磁随钻通信接力，具有更强的适用性。 

图4所示的优选的无线随钻测量系统的指标如下： 

A、测量范围和精度如下：井斜：0～180°±0.2°；方位：0～360±1.0°；工具面：0～360±1.5°；伽玛：0～500API±7%；压力：0～105MPa±0.5%FS； 

B、最大工作温度：125℃/150℃； 

C、最大环境压力：105MPa； 

D、仪器外径：Φ48mm； 

E、绝缘天线强度（如表1所示）： 

表1  绝缘天线强度指标表 

F、抗振：20g rms30～300Hz（随机）；30g50～300Hz（正弦）；抗冲击：1000g/0.5ms； 

G、连续工作时间大于200h； 

H、电磁随钻地层适应范围:2Ω·m～1000Ω·m； 

I、钻井液压力脉冲随钻对钻井液要求（以泥浆为例）：泥浆排量10～55升/秒；泥浆信号强度0.5MPa～2.0MPa；泥浆粘度≤140s(漏斗粘度)；泥浆含沙＜1%；泥浆密度≤1.7克/立方厘米。 

下面结合优选实施例介绍上述无线随钻测量系统的结构工艺设计。本实用新型实施例所述的无线随钻测量系统在工艺设计上具有如下特点：打捞头的设计、下座键组件设计、弓形扶正器接头设计等。 

无线随钻测量系统带有下座键的安装方式，虽然可以实现仪器的可打捞性，但同时内部探管与外部钻具长度的匹配问题尤为重要，特别是对于电磁波传输方式，绝缘天线与绝缘短节的位置要求基本对应，这样给实际施工带来了一些麻烦，内部测量仪器短节就需要串接系列长度的贯通线短节来调整长度，以满足仪器的安装位置要求。 

相关技术中，电磁波随钻测量系统（例如，SEMWD-2000电磁波随钻测量系统）采用的是上悬挂的结构形式，其结构形式如图8所示，绝缘天线803下部通过钻铤接头802连接无磁钻铤801，绝缘短节804下部连接座键接头805，座键接头805与发射机短节806相连，发射机短节806下部连接电池短节807，电池短节807之后连接有定向探管短节809、伽马短节810和密封堵头811。其优点为仪器馈电连接可靠，特别是仪器在水平测井段不存在脱键的可能性，使得仪器工作更可靠。缺点是钻井发生事故后仪器不可打捞，增加了仪器使用的潜在风险。 

本实用新型的无线随钻测量系统（电磁波传输模式）的下座键结构形式如图9所示，无线随钻测量系统采用电磁波传输方式时，其馈电方式采用簧片式弓形扶正器来实现，上部弓形扶正器（即上扶正器905）与绝缘天线903的上端实现电气连接，下部弓形扶正器（即下扶正器908）与绝缘天线903的下端实现电气连接，簧片安装后的直径尺寸及弹力要选择适当，既要保证电气连接良好，又要方便仪器下放安装。绝缘天线903的上部连接上钻铤接头904，下部连接无磁钻铤902，无磁钻铤902下部连接座键短节901，上扶正器905连接至绝缘体906（即绝缘短节），绝缘体906下部连接发射机短节907，发射机短节907下部连接下扶正器908，下扶正器908下部连接电池短节909，电池短节909之后连接有定向仪短节910、伽马短节911、压力短节912和引鞋部件913。 

本实用新型的无线随钻测量系统（钻井液压力脉冲模式）的下座键结构形式如图10所示，在电磁波传输模式的基础上，增加脉冲信号发生器（短节）1008，去掉绝缘天线、绝缘短节以及弓形扶正器接头，下部座键接头1001和探管（即定向探管短节1004）、电池（即电池短节1005）均不变，即可实现仪器的连接和测井。定向探管短节1004上部连接打捞头1003，电池短节1005之后连接有伽马短节1006、井斜短节1007、脉冲信号发生器1008和引鞋短节1009。钻井液压力脉冲模式也可采用上部悬挂形式，但是需要选择适应的脉冲发生器即可。 

下面结合本实用新型优选实施例介绍无线随钻测量系统的数据通信和数据传输协议。 

1、关于地址分配 

对所有测试和测量设备均分配地址，作为识别系统中各单元的标志。具体定义可以参照表2，需要说明的是，表2所示的定义方式仅是一个优选实施例，本实用新型并不限于该方式，也可以采用其它可行的方式。 

表2  系统各单元地址分配表 

单元	地址字（XXH）	备注
			工业计算机	00H
发射机	01H
			定向仪	02H
随钻伽马仪	03H
			压力仪	04H
方位伽马	05H
			无线短传接收器	06H
电磁波电阻率	07H
					保留备用
		保留备用
					保留备用
		保留备用
					保留备用
			深度模块	0EH
司钻显示器	0FH

2、关于通信命令 

系统数据通信命令标准格式如表3所示。 

表3  系统通信命令标准格式表 

目标地址	命令字	源地址	数据帧	尾码
					XXH(TB8=1)	XXH	XXH	数据	FFH(TB8=1)

系统命令集如表4所示。 

表4  系统命令集表 

命令属性	命令字	备注
			取数	C0H
发数	C1H
			回复1	C2H	发射机(脉冲发生器)接收完一帧数据
回复2	C3H	发射机(脉冲发生器)发射完一帧信号
			存储器读数	C4H	存储器数据读取
存储器数据	C5H	存储器数据
			时钟读取	C6H
时钟数据	C7H
			时钟设置	C8H
	C9H
				CAH
	CBH
				CCH
	CDH
				CEH
初始化命令	CFH	所有井下仪器下井前的初始化设置

3、关于系统传输协议 

系统传输数据帧格式如表5所示，方式字定义如表6所示。其中，S为帧同步头，作为数据帧识别；F为方式字，代表数据帧的特性；0～Data_（N-1）代表实际传输帧有效数据集；R为帧尾。 

表5  数据传输帧格式表 

同步头	方式字	数据集	尾码
				S	F（XH）	0～Data(N-1)	R

表6  方式字定义表 

F	数据帧
		0H	磁工具面
1H	重力工具面
		2H	静态全测量数据
3H	井斜+方位
		4H	磁工具面+伽马
5H	重力工具面+伽马
		6H	磁工具面+伽马+压力
7H	重力工具面+伽马+压力
		8H
9H
		AH
BH
		DH
EH
		FH

下面举例说明上述数据帧格式，传输工具面时数据帧如表7所示，静态全测量数据帧如表8所示。 

表7  工具面数据帧表 

同步头	方式字	数据帧	尾码
				S	4b（0H or01H）	12b	R

表8  静态全测量数据帧表 

同步头

方式字

工具面

井斜

磁场和

方位

重力和

温度

电压

尾码

S

4b（2H）

12b

12b

12b

12b

12b

12b

4b

R

4、关于信道编码及解码 

A、信道编码原理 

对于电磁波随钻模式，载波为3.125Hz/5Hz/6.25Hz/10Hz/12.5Hz/15Hz可选；调制方式为脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，简称为PPM）或差分移相健控（Differential Phase Shift Keying，简称为DPSK）。PPM编码格式如表9所示，DPSK编码格式如表10所示。 

表9  PPM编码格式表 

同步头S	方式字F（4b）	D0（4b）		D（N-1）（4b）	尾码R
						W0+2T0+W0	（4T+3T*F）0W0	（4T+3T*D0）0+W0	…	（4T+3T*D（N-1））0+W0	＞3T0

PPM是脉冲位置编码方式，载波序列间隔的宽度代表数据大小（4b）。该系统标准的载波序列可为六个周期的载波信号；其同步头S可为两个间隔，即2T（T代表载波周期）载波序列；尾码为连续的两个载波序列（也可不需要）。表9中0表示无波形输出，W₀=6TW，即6个载波周期的波列，D₀～D_（N-1）表示N个4位二进制数据。 

数据表示方法可以如下：4T间隔代表0000B，数据每加1增加3T时延。 

数据的编码如下：将数据帧经数据编码后变成N个4b的二进制数据，然后去控制载波序列间隔时延的大小。地面接口箱经检波、整形，通过脉冲间隔时间计算实现解码。 

表10  DPSK编码格式表 

同步头S	方式字F	D0		D（N-1）	尾码R
						4“0”+1110010（巴克马）	（4b）	（12b）	…	(12b)	4“0”

DPSK为差分移相健控，相位的跳变代表“1”，不变即代表“0”（或者相位的跳变代表“0”，不变即代表“1”）。数据帧首先经数据编码成为二进制数据流，数据流经移位判决，控制载波相位的变化。 

系统选取的码元宽度如下：τ=4/f_C～2/f_C，其中，f_C为载波频率，τ代表码元宽度。码速率如下：R_C=f_C/4～f_C/2。 

DPSK调制时，数据帧的同步头S为前引导4个“0”+7位巴克码（1110010），数据帧的尾码为后托尾4个“0”。 

对于钻井液压力脉冲模式，可采用PPM基本编码方式，如表11所示。 

表11  钻井液脉冲基本编码格式表 

同步头S	方式字F（4b）	D0（4b）	(4b)	D（N-1）（4b）	尾码R
						TP+T0+TP+T0+TP	(2T+F*T)0+TP	(2T+D0*T)0+TP	…	（2T+D（N-1）*T）0+TP	＞2T0

[0149]  表11中T为脉冲宽度；TP表示脉宽为T的正脉冲；T0表示宽度为T的0；D₀～D_（N-1）表示N个4位二进制数据；脉冲位置决定数据的大小，也就是脉冲间隔大小决定数据大小。 

当然，也可以采用组合编码方式（通过控制脉冲在间隙之间的位置），下表是根据本实用新型优选实施例的脉冲间隙和位置组合编码示意图： 

位置	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
																		数据	P	S	S	P	S	S	S	S	S	S	P	S	S	S	S	S	S

图中P代表脉冲位置，S代表间隙。采用二进制编码方式6bits数据应该有64种可能的编码情况，采用组合编码方式在15个间隙内使用3个脉冲可以产生84种符合编码约定的情况，其中，部分数据在15个间隙的具体位置的情况如下表所示： 

编码数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
																0	×			×			×							--	--
1	×			×				×						--	--
																2	×			×					×					--	--
3	×			×						×				--	--
																4	×			×							×			--	--
5	×			×								×		--	--
																6	×			×									×	--	--
7	×				×			×						--	--
																8	×				×				×					--	--
9	×				×					×				--	--
																10	×				×						×			--	--
11	×				×							×		--	--
																12	×				×								×	--	--
13	×					×			×					--	--
																14	×					×				×				--	--
15	×					×					×			--	--
																16	×					×						×		--	--
17	×					×							×	--	--
																18	×						×			×				--	--
19	×						×				×			--	--
																20	×						×					×		--	--
21	×						×						×	--	--
																22	×							×			×			--	--
23	×							×				×		--	--
																24	×							×					×	--	--
25	×								×			×		--	--
																26	×								×				×	--	--
27	×									×			×	--	--
																28		×			×			×						--	--
29		×			×				×					--	--
																30		×			×					×				--	--
31		×			×						×			--	--
																32		×			×							×		--	--
33		×			×								×	--	--

[0154] 

34		×				×			×					--	--
																…

上表中，×表示取值，空和--表示组合间隙。 

组合编码方式具有如下优点：1）数据更新时间固定，而脉冲位置编码只能给一个区间；2）相同信息情况下，脉冲发生器动作次数减少。组合编码的缺点是编码解码相对较复杂。 

B、解码原理 

电磁波传输模式PPM解码如图13所示，首先经过一系列的硬件带通、抗混叠滤波以及有限长单位冲激响应滤波器（Finite Impulse Response，简称FIR）滤波，再进行包络检波，整形后形成规则的脉冲，解码是通过对脉冲间隔时间大小以及编码规则进行识别来恢复数据。图13中第一行为数字滤波后的波形，第二行为检波后波形，第三行为整形后的波形。 

电磁波传输模式DPSK解码采用差分相干解调原理。差分相干解调直接输出数据码元流，通过码元判决程序识别同步头以及数据流实现解码，此处不再赘述。 

钻井液压力脉冲模式PPM解码原理如图14所示，含有干扰的信号波形（来自立管压力传感器），经FIR滤波、小波变换等，进行脉冲整形，最终通过计算脉冲间隔时间大小和规律来恢复数据，图14中，第一行表示原始波形，第二行表示含噪信号，第三行表示对含噪信号进行滤波后的信号，第四行表示整形后的波形。当系统干扰中存在泵冲干扰时，需要进行此类干扰的抵消。图15是根据本实用新型优选实施例的消除泵冲干扰的方法原理示意图，泵冲干扰为周期性的脉冲序列，通过仪器静默时采集到的泵冲干扰序列，提取出周期性参考信号，按照图15所示的原理进行泵冲干扰抵消。 

综上所述，根据本实用新型上述实施例提供的无线随钻测量系统，实现了不同传输模式的测井组合，可以同时选择电磁波传输模式和钻井液压力脉冲模式下井作业，还可以根据需求进行电磁波随钻测量或者钻井液压力脉冲随钻测量。二者之间很好的兼容性便于现场施工，采用同样的传感器、同样的供电方式，只需要取舍某些单元即可，诠释了系统构成的灵活性和兼容性，具有较强的适用性。实现了MWD、EM-MWD、近钻头测量三种技术的有机结合，势必会在油气资源开发中发挥更大作用，同时产生巨大的社会效益和经济效益。 

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本实用新型的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本实用新型不限制于任何特定的硬件和软件结合。 

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (13)

1.一种无线随钻测量系统，包括井下仪器和地面系统，其特征在于， 

所述井下仪器包括： 

电磁波随钻测量装置，用于利用电磁波进行随钻测量； 

钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于利用钻井液的压力进行随钻测量； 

发收机，连接至所述电磁波随钻测量装置和所述钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于根据来自所述地面系统的信号控制所述井下仪器工作模式的转换，其中，所述工作模式包括：电磁波传输模式、钻井液压力脉冲模式； 

所述地面系统兼容所述电磁波传输模式和所述钻井液压力脉冲模式的解调与解码，用于对所述电磁波传输模式下产生的信号和/或所述钻井液压力脉冲模式下产生的信号进行数字信号处理。 

2.根据权利要求1所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述井下仪器还包括： 

近钻头测量装置，位于螺杆以下贴近钻头的位置，连接至所述电磁波随钻测量装置和所述钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于进行近钻头数据的采集，并将所述近钻头数据发送给所述电磁波随钻测量装置和/或所述钻井液压力脉冲随钻测量装置。 

3.根据权利要求2所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述近钻头测量装置包括： 

近钻头传感器组，用于采集所述近钻头数据； 

无线短传发射模块，连接至所述近钻头传感器组，用于向所述电磁波随钻测量装置和/或所述钻井液压力脉冲随钻测量装置发送所述近钻头数据。 

4.根据权利要求3所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述近钻头传感器组包括以下至少之一：方位电阻率传感器、方位伽马传感器、井斜传感器。 

5.根据权利要求2所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述井下仪器还包括： 

无线短传接收模块，连接至所述电磁波随钻测量装置和所述钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于接收来自所述近钻头测量装置的近钻头数据，并将所述近钻头数据传输给所述电磁波随钻测量装置和/或所述钻井液压力脉冲随钻测量装置； 

传感器组，连接至所述电磁波随钻测量装置和所述钻井液压力脉冲随钻测量装置，用于感知所述电磁波传输模式或所述钻井液压力脉冲模式下的信号，并将所述信号发送至所述电磁波随钻测量装置或所述钻井液压力脉冲随钻测量装置。 

6.根据权利要求5所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述传感器组包括以下至少之一：定向仪短节、伽马短节、压力测量短节。 

7.根据权利要求1所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述电磁波随钻测量装置包括绝缘天线、发射机短节和绝缘短节，其中， 

所述发射机短节，设置为根据实际需要功率可选，用于对来自传感器组的信号进行编码调制处理，并通过所述绝缘天线向所述地面系统发射处理后的信号； 

所述绝缘短节，采用上悬挂方式或下座键方式，当采用下座键方式时，所述绝缘短节的两端分别连接簧片式弓形扶正器，通过所述簧片式弓形扶正器将所述发射机的输出馈送到所述绝缘天线两极。 

8.根据权利要求1所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述钻井液压力脉冲随钻测量装置包括驱动电路和脉冲发生器，其中，所述驱动电路，用于对来自传感器组的信号进行移位编码，驱动所述脉冲发生器产生钻井液的压力变化。 

9.根据权利要求1所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述地面系统包括： 

天线，用于接收所述电磁波随钻测量装置传输的信号； 

井口传感器，用于感知所述钻井液的压力变化，并将所述压力变化转换为电脉冲信号； 

地面接口箱，连接至所述天线和所述井口传感器，用于对所述天线接收的信号和/或所述井口传感转换的电脉冲信号进行硬件信号处理和数字信号处理，所述地面接口箱兼容所述电磁波传输和所述钻井液压力脉冲两种工作模式的解调与解码。 

10.根据权利要求9所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述地面接口箱包括： 

嵌入式系统，用于对接收的数据进行数字信号处理，所述数字信号处理包括以下至少之一：放大、采集、数字滤波、解码； 

硬件处理电路，用于对接收的数据进行硬件信号处理，所述硬件信号处理包括以下至少之一：放大、采集、滤波。 

11.根据权利要求9所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述地面系统还包括： 

司钻显示器，连接至所述井口传感器和所述地面接口箱，用于从所述井口传感器采集信息发送至所述地面接口箱，并以预定的形式显示所述信息，其中，所述采集的信息包括以下至少之一：立压、悬重、绞车、泵冲。 

12.根据权利要求9所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述地面系统还包括： 

计算机，连接至所述地面接口箱，用于利用模块化的软件控制所述无线随钻测量系统； 

记录仪，连接至所述计算机，用于记录所述无线随钻测量系统的测量结果。 

13.根据权利要求1至12中任一项所述的无线随钻测量系统，其特征在于，所述井下仪器还包括： 

电池模块，用于为所述电磁波随钻测量装置、所述钻井液压力脉冲随钻测量装置和所述近钻头测量装置供电，所述电池模块具备电池电能自动检测记录功能，扶正器接头设置有害气体泄放装置。 

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