CN212837780U - 一种近钻头电磁波无线随钻测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种近钻头电磁波无线随钻测量装置及系统，属于石油钻井技术领域。该近钻头电磁波无线随钻测量装置，包括绝缘钻铤，在绝缘钻铤的内部沿其中心轴线设置第一空腔，在第一空腔内设有测量模块、发射模块、第一导电环、第二导电环以及绝缘短节；发射模块包括第一发射极和第二发射极；第一导电环与第一发射极连接，并与螺杆导通；第二导电环与第二发射极连接，并与钻头导通；绝缘短节设置在第一导电环与第二导电环之间以使第一导电环与第二导电环之间绝缘。该近钻头电磁波无线随钻测量装置，使近钻头测量数据直接通过两条天线到达地面接收器，有利于将近钻头测量数据直接、实时、有效、可靠地通过电磁波传输到地面接收器，节约了成本。

Description

一种近钻头电磁波无线随钻测量装置及系统

技术领域

本申请涉及一种近钻头电磁波无线随钻测量装置及系统，属于石油钻井技术领域。

背景技术

近钻头随钻测量系统的各参数传感器都安装在靠近钻头的位置，能够对伽马、电阻率、井斜、方位角等工程参数、地质参数进行测量。近钻头随钻测量技术的工作原理是将近钻头传感器采集到的数据传输给信号发射机，信号发射机安装在螺杆钻具下方，对测量结果进行编码、调制后生成电磁信号，通过发射天线将数据输出，信号接收机安装在螺杆钻具上方，接收天线接收到电磁信号后经前置放大、滤波、解调解码后，将还原后的测量数据传输给上端的MWD，由MWD利用泥浆脉冲或者电磁传输等方式将数据发送至地面接收机，实现了近钻头测量参数向地面发送的全过程。

传统的泥浆脉冲随钻测量系统，通过遥传、FSK等技术将近钻头测量数据发送给MWD，再通过脉冲器上传至地面解码，实现过程比较复杂；而且通过FSK实现近钻头数据传输的测量系统，其测量数据并非是钻头的真实姿态数据，且其组装方式比较复杂，难以形成批量生产；而现有的近钻头电磁波随钻技术，需要在近钻头短节上安装发射天线，对近钻头短节的强度影响较大，且安装在螺杆和钻头之间的近钻头短节的整体长度较长，会影响造斜率。

如果能制备一种组装简单，且能直接、实时、有效地将近钻头数据传输到地面以实现监测的近钻头电磁波无线随钻测量系统，将有利于石油工业的发展。

实用新型内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种近钻头电磁波无线随钻测量装置及系统，该近钻头电磁波无线随钻测量装置在螺杆和钻头之间设置绝缘钻铤，并在绝缘钻铤内设置绝缘短节，通过绝缘短节将发射机的两个发射极之间进行绝缘，第一发射极、第一导电环、螺杆、钻杆形成第一天线，第二发射极、第二导电环、钻头以及地层形成第二天线，使近钻头测量数据直接通过两条天线到达地面接收器，有利于近钻头测量数据直接、实时、有效、可靠地通过电磁波传输到地面接收器，有利于节省通过设置中间传输环节所带来的成本。

根据本申请的一个方面，提供了一种近钻头电磁波无线随钻测量装置。

该近钻头电磁波无线随钻测量装置，包括绝缘钻铤，所述绝缘钻铤包括与螺杆连接的第一端以及与钻头连接的第二端，在所述绝缘钻铤的内部沿其中心轴线设置第一空腔，在所述第一空腔内设有测量模块、发射模块、第一导电环、第二导电环以及绝缘短节；

所述测量模块用于近钻头数据的采集；

所述发射模块包括第一发射极和第二发射极，用于接收所述测量模块发送的近钻头数据，并通过第一发射极和第二发射极向外传输所述近钻头数据；

所述第一导电环与所述第一发射极连接，并与所述螺杆导通；

所述第二导电环与所述第二发射极连接，并与所述钻头导通；

所述绝缘短节设置在所述第一导电环与所述第二导电环之间以使所述第一导电环与所述第二导电环之间绝缘。

所述第一发射极、第一导电环、螺杆、钻杆形成第一天线；所述第二发射极、第二导电环、钻头以及地层形成第二天线。

优选的，在所述第一空腔内设有抗压管，所述抗压管的一端延伸至所述螺杆的内部，所述抗压管内设有第二空腔，所述测量模块、所述发射模块以及所述绝缘短节均设置在所述第二空腔内，所述第一导电环、所述第二导电环与所述抗压管均通过螺纹连接。

优选的，设置从螺杆到钻头的方向为从上至下的方向，所述第一导电环设置在所述螺杆的内部且位于所述抗压管的外部，所述第一导电环与所述螺杆的下接头连接；所述第二导电环设置在所述第一空腔内且位于所述抗压管的外部，所述第二导电环与所述绝缘钻铤的下部连接。

优选的，所述抗压管的材质为金属材质。

优选的，所述抗压管的材质为铍青铜或钛合金中的一种。

优选的，沿所述第一端至所述第二端的方向，在所述第二空腔内依次设有所述测量模块、所述发射模块和所述绝缘短节，在所述发射模块和所述绝缘短节之间设有电路短节，所述电路短节用于对所述测量模块采集的近钻头数据进行调制、放大。

优选的，在所述电路短节与所述绝缘短节之间设有轴向缓冲器。

优选的，在所述第二空腔内还设有电池短节，所述电池短节用于给所述测量模块、所述发射模块以及所述电路短节供电。

优选的，在所述抗压管的两端设有密封堵。

优选的，所述测量模块包括MEMS加速度计和磁通门传感器。

优选的，所述发射模块为EM发射机。

优选的，所述绝缘钻铤的数量至少为两个，且所述绝缘钻铤之间相互绝缘。

优选的，所述绝缘短节上设有公接头，所述绝缘短节与所述抗压管之间通过所述公接头连接。

根据本申请的又一个方面，提供了一种近钻头电磁波无线随钻测量系统。

该近钻头电磁波无线随钻测量系统，包括井下仪器和地面设备；

所述井下仪器依次包括：钻杆、螺杆、上述的近钻头电磁波无线随钻测量装置、钻头；

其中，所述第一发射极、第一导电环、螺杆、钻杆以及封井器形成第一天线；

所述第二发射极、第二导电环、钻头以及地层形成第二天线。

优选的，所述地面设备包括第一地面天线、第二地面天线、地面放大电路、地面无线发射电路、发射天线、接收天线、无线接收器、数据处理仪；

所述第一地面天线与所述封井器导通，用于接收所述第一天线发射的信号；所述第二地面天线与地面导通，用于接收所述第二天线发射的信号；所述第一地面天线和所述第二地面天线均与所述地面放大电路连接；

所述地面放大电路用于接收及解调所述第一地面天线和所述第二地面天线发射的信号。

优选的，所述地面放大电路、所述地面无线发射电路以及所述发射天线安装在同一个防爆盒中。

本申请能产生的有益效果包括但不限于：

1.本申请所提供的近钻头电磁波无线随钻测量装置，在螺杆和钻头之间设置绝缘钻铤，并在绝缘钻铤内设置绝缘短节，通过绝缘短节将发射机的两个发射极之间进行绝缘，第一发射极、第一导电环、螺杆以及钻杆形成第一天线，第二发射极、第二导电环、钻头以及地层形成第二天线，使近钻头测量数据直接通过两条天线到达地面接收器，有利于将近钻头测量数据直接、实时、有效、可靠地通过电磁波传输到地面接收器，由于节省了中间传输环节，有利于节约成本。

2.本申请所提供的近钻头电磁波无线随钻测量装置，将测量模块设置在绝缘钻铤的中间空腔位置处，有利于保证近钻头测量数据的真实性；通过设置抗压管，有利于保护装置内部的模块免受外界泥浆压力的冲蚀和破坏；通过设置第一导电环和第二导电环，有利于形成两条天线，且第一导电环和第二导电环对抗压管有扶正作用；通过设置轴向缓冲器，有利于缓冲井下仪器钻井过程中产生的震动，防止电路短节损坏，保证钻井进度，提高装置的可靠性。

3.本申请所提供的近钻头电磁波无线随钻测量系统，将近钻头测量数据通过两条天线传输到地面接收器，并经信号放大、解调和处理，有利于近钻头测量数据直接、实时、有效、可靠地通过电磁波传输到地面接收器，节约了成本。

附图说明

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

图1为本申请实施例涉及的近钻头电磁波无线随钻测量装置的结构示意图；

图2为本申请实施例涉及的近钻头电磁波无线随钻测量系统的电路组成框图。

部件和附图标记列表：

1、绝缘钻铤；2、螺杆；3、第一空腔；4、测量模块；5、发射模块；6、第一导电环；7、第二导电环；8、绝缘短节；9、抗压管；10、电路短节；11、轴向缓冲器；12、电池短节；13、密封堵。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心轴”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本申请的实施例公开了一种近钻头电磁波无线随钻测量装置，如图1所示，该近钻头电磁波无线随钻测量装置，包括绝缘钻铤1，绝缘钻铤1的一端与螺杆2的一端连接，绝缘钻铤1的另一端与钻头连接，在绝缘钻铤1的内部沿其中心轴线设置第一空腔3，在第一空腔内3设有测量模块4、发射模块5、第一导电环6、第二导电环7以及绝缘短节8；其中，发射模块5包括第一发射极和第二发射极；第一导电环6与第一发射极连接，且第一导环6与螺杆2导通；第二导电环7与第二发射极连接，且第二导电环7与钻头导通；第一发射极、第一导电环6、螺杆2以及钻杆形成第一天线；第二发射极、第二导电环7、钻头以及地层形成第二天线；测量模块4用于近钻头数据的采集，并将采集的近钻头数据传输给发射模块5，发射模块5通过第一天线和第二天线向地面传输包含有近钻头数据的信号；钻头及螺杆2的材质均为金属材质，钻头与螺杆2之间通过绝缘钻铤1绝缘，由于发射模块5的两个发射极、第一导电环6以及第二导电环7均设置在第一空腔3内，为了实现通过第一天线和第二天线传输信号，将绝缘短节8设置在第一导电环6与第二导电环7之间以使第一导电环6与第二导电环7之间绝缘。本实施例提供的近钻头电磁波无线随钻测量装置，使近钻头测量数据直接通过两条天线到达地面接收器，有利于将近钻头测量数据直接、实时、有效、可靠地通过电磁波传输到地面接收器，由于节省了中间传输环节，有利于节约成本。

作为一种实施方式，为了对测量模块4、发射模块5以及绝缘短节8进行抗压保护，在绝缘钻铤1的第一空腔3内设有抗压管9，与绝缘钻铤1连接的螺杆2的内部是中空结构，抗压管9的一端延伸至螺杆2内部，抗压管9内设有第二空腔，测量模块4、发射模块5以及绝缘短节8均设置在抗压管9的第二空腔内。设置从螺杆2到钻头的方向为从上至下的方向，第一导电环6设置在螺杆2内的下部、且设置在抗压管9的外部，第一导电环6与螺杆2的下接头连接，且第一导电环6与抗压管9通过螺纹连接；第二导电环7设置在绝缘钻铤1的第一空腔3内、设置在抗压管9的外部，第二导电环7与绝缘钻铤1的下部连接，第二导电环7与抗压管9通过螺纹连接。其中，抗压管9的材质为金属材质。优选的，抗压管9的材质为铍青铜或钛合金中的一种。沿螺杆2至钻头的方向，在抗压管9的第二空腔内依次设置测量模块4、发射模块5和绝缘短节8，在发射模块5和绝缘短节8之间设置电路短节10，电路短节10用于对测量模块4采集的近钻头数据进行调制、放大。为了缓冲在钻井过程中产生的震动，防止电路短节10损坏，保证钻井进度，提高钻井的可靠性，在电路短节10与绝缘短节8之间设置轴向缓冲器11。为了给测量模块4、发射模块5以及电路短节10供电，在第二空腔内设置电池短节12，电池短节12位于螺杆2内。为了保护设置在抗压管9内的各元件不受外界泥浆压力冲蚀和破坏，在抗压管9的两端设置密封堵13。优选的，测量模块4包括MEMS加速度计和磁通门传感器，用于测量井斜、方位和工具面，发射模块5为EM发射机。优选的，绝缘钻铤2的数量至少为两个，且相邻两个绝缘钻铤2通过工艺加工成相互绝缘的。绝缘短节8上设有公接头，绝缘短节8与抗压管9之间通过公接头连接。

如图2所示,本申请的实施例还公开了一种近钻头电磁波无线随钻测量系统，包括井下仪器和地面设备；

井下仪器依次包括：钻杆、螺杆2、上述的近钻头电磁波无线随钻测量装置、钻头；

地面设备包括第一地面天线、第二地面天线、地面放大电路、地面无线发射电路、发射天线、接收天线、无线接收器、数据处理仪；地面放大电路、地面无线发射电路以及发射天线安装在同一个防爆盒中；

第一地面天线与封井器导通，用于接收第一天线发射的信号；第二地面天线与地面导通，用于接收第二天线发射的信号；第一地面天线和第二地面天线均与地面放大电路连接；

地面放大电路用于接收及解调第一地面天线和第二地面天线发射的信号。

钻柱及地层构成的电磁信道的工作原理是:将测量模块采集的数据通过电路短节调制成电压信号、再经功率放大后施加到发射模块的两个发射极上，两个发射极通过螺杆(以及钻柱)和钻头与地层构成传导回路，施加到两个发射极上的信号电压在回路中产生出信号电流，信号电流沿钻柱向上传播，同时沿钻柱向上传播的电流以及进入地层的电流辐射出电磁波，在地面通过地面放大器接收经钻柱向上传播的电流和辐射出的电磁波，并进行解调和信号处理，最终发送给数据处理仪和其它终端设备来监测井下仪器的姿态信息和地质参数。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种近钻头电磁波无线随钻测量装置，其特征在于，包括绝缘钻铤，所述绝缘钻铤包括与螺杆连接的第一端以及与钻头连接的第二端，在所述绝缘钻铤的内部沿其中心轴线设置第一空腔，在所述第一空腔内设有测量模块、发射模块、第一导电环、第二导电环以及绝缘短节；

所述测量模块用于近钻头数据的采集；

所述发射模块包括第一发射极和第二发射极，用于接收所述测量模块发送的近钻头数据，并通过第一发射极和第二发射极向外传输所述近钻头数据；

所述第一导电环与所述第一发射极连接，并与所述螺杆导通；

所述第二导电环与所述第二发射极连接，并与所述钻头导通；

所述绝缘短节设置在所述第一导电环与所述第二导电环之间以使所述第一导电环与所述第二导电环之间绝缘。

2.根据权利要求1所述的近钻头电磁波无线随钻测量装置，其特征在于，在所述第一空腔内设有抗压管，所述抗压管的一端延伸至所述螺杆的内部，所述抗压管内设有第二空腔，所述测量模块、所述发射模块以及所述绝缘短节均设置在所述第二空腔内，所述第一导电环、所述第二导电环与所述抗压管均通过螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的近钻头电磁波无线随钻测量装置，其特征在于，沿所述第一端至所述第二端的方向，在所述第二空腔内依次设有所述测量模块、所述发射模块和所述绝缘短节，在所述发射模块和所述绝缘短节之间设有电路短节，所述电路短节用于对所述测量模块采集的近钻头数据进行调制、放大。

4.根据权利要求3所述的近钻头电磁波无线随钻测量装置，其特征在于，在所述电路短节与所述绝缘短节之间设有轴向缓冲器。

5.根据权利要求3所述的近钻头电磁波无线随钻测量装置，其特征在于，在所述第二空腔内还设有电池短节，所述电池短节用于给所述测量模块、所述发射模块以及所述电路短节供电。

6.根据权利要求2所述的近钻头电磁波无线随钻测量装置，其特征在于，在所述抗压管的两端设有密封堵。

7.根据权利要求1所述的近钻头电磁波无线随钻测量装置，其特征在于，所述测量模块包括MEMS加速度计和磁通门传感器；所述发射模块为EM发射机。

8.根据权利要求1所述的近钻头电磁波无线随钻测量装置，其特征在于，所述绝缘钻铤的数量至少为两个，所述绝缘钻铤之间相互绝缘。

9.一种近钻头电磁波无线随钻测量系统，其特征在于，包括井下仪器和地面设备；

所述井下仪器依次包括：

钻杆、螺杆、权利要求1-7任一项所述的近钻头电磁波无线随钻测量装置、钻头；

其中，所述第一发射极、第一导电环、螺杆、钻杆以及封井器形成第一天线；

所述第二发射极、第二导电环、钻头以及地层形成第二天线。

10.根据权利要求9所述的近钻头电磁波无线随钻测量系统，其特征在于，所述地面设备包括第一地面天线、第二地面天线、地面放大电路、地面无线发射电路、发射天线、接收天线、无线接收器、数据处理仪；

所述第一地面天线与所述封井器导通，用于接收所述第一天线发射的信号；所述第二地面天线与地面导通，用于接收所述第二天线发射的信号；所述第一地面天线和所述第二地面天线均与所述地面放大电路连接；

所述地面放大电路用于接收及解调所述第一地面天线和所述第二地面天线发射的信号。

Images