隨鉆信號無線電磁傳輸系統技術方案

本發明專利技術提供一種隨鉆信號無線電磁傳輸系統，隨鉆信號無線電磁傳輸系統包括鉆桿、鉆鋌、鉆具、電磁信號發射模塊、中繼短接模塊、電磁信號接收模塊；電磁信號接收模塊包括環形金屬管、環形天線、接收電路，環形天線與接收電路設置在環形金屬管外側底部的環形凹槽內，環形金屬管套在地面鉆桿上；磁信號發射模塊設置在鉆鋌外側環形凹槽內，鉆鋌連接在鉆具與鉆桿之間；中繼短接模塊包括金屬鉆桿短接、兩組環形天線、中繼放大電路、電池；金屬鉆桿短接連接在上下兩段鉆桿之間；兩組環形天線、中繼放大電路、電池設置在金屬鉆桿短接外側環形凹槽內。本發明專利技術通過中繼的方式進行接力傳輸，傳輸距離不受限制，有更快的數據傳輸速率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及隨鉆傳輸技術。
技術介紹
隨鉆信號無線傳輸目前仍普遍采用泥漿脈沖傳輸的方式，但泥漿脈沖傳輸方式速度慢，通常只有幾Bit至十幾BH，實時性差，而且不能用于氣體鉆井等。因此泥漿脈沖傳輸方式已越來越不能滿足現代隨鉆測井的需求。另外目前采用的一種無線電磁傳輸方式是:利用鉆桿作為不對稱的偶極天線，從而將信號發射到地面，該方式也稱為EM-MWD系統，由于是利用鉆桿作為偶極天線，從而該系統需采用絕緣短接，使鉆桿成為偶極天線的上、下兩個臂。由于采用了完全的絕緣材料，因而會影響鉆桿的強度。另外，由于地層為有耗介質，在地層中傳輸較遠距離時，必須采用很低的頻率，從而其傳輸速度很低，與泥漿脈沖的傳輸速度相當。另外，其傳輸距離通常也不能太遠，如通常只能達到兩千米左右。為了提高傳輸速度，Novatek 公司在下提出了一種無線與有線相結合的方法，兩段鉆桿之間通過無線耦合器實現無線磁耦合傳輸，在鉆桿內部通過埋入傳輸線實現有線傳輸。此種方式能明顯提高傳輸速度，但此種方式的也存在很大的缺點:需要破壞原有鉆桿的結構，或重新設計鉆桿，并且鉆桿接頭之間的縫隙對其傳輸性能也影響很大。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是，在現有鉆桿的基礎上，不影響鉆桿強度且不受傳輸距離限制的隨鉆信號無線電磁快速傳輸系統。本專利技術為解決上述技術問題所采用的技術方案是，隨鉆信號無線電磁傳輸系統，其特征在于，包括鉆桿、鉆鋌、鉆具、電磁信號發射模塊、I個或I個以上的中繼短接模塊、電磁信號接收模塊；電磁信號接收模塊包括環形金屬管、環形天線、接收電路，環形天線與接收電路設置在環形金屬管外側底部的環形凹槽內，環形天線與接收電路通過傳輸線相連；環形金屬管套在地面鉆桿上，環形金屬管的內徑大于鉆桿外徑；環形凹槽內接收電路設置在環形天線之上，在接收電路外側與底部設置金屬保護層，接收電路封閉在金屬保護層與環形凹槽形成的空間內；環形天線與環形凹槽之間的空間使用絕緣介質填充；電磁信號發射模塊設置在鉆鋌外側環形凹槽內，鉆鋌連接在鉆具與鉆桿之間；電磁信號發射模塊包括環形天線、發射電路，環形凹槽內環形天線設置在發射電路之上，環形天線與發射電路通過傳輸線相連；在發射電路外側與頂部設置金屬保護層，發射電路封閉在金屬保護層與環形凹槽形成的空間內；環形天線與環形凹槽之間的空間使用絕緣介質填充；中繼短接模塊包括金屬鉆桿短接、2組環形天線、中繼放大電路、電池；金屬鉆桿短接連接在上下兩段鉆桿之間；2組環形天線、中繼放大電路、電池設置在金屬鉆桿短接外側環形凹槽內；環形凹槽內一組環形天線設置在中繼放大電路之上，另一組環形天線設置在中繼放大電路之下，環形凹槽內電池與中繼放大電路并行放置在2組環形天線之間，電池的輸出端與中繼放大電路的電源輸入端相連，2組環形天線分別通過傳輸線與中繼放大電路相連；在中繼放大電路與電池的外側、頂部以及底部設置金屬保護層，中繼放大電路與電池一同封閉在金屬保護層與環形凹槽形成的空間內；2組環形天線與環形凹槽之間的空間使用絕緣介質填充。本專利技術提供了的隨鉆信號無線電磁傳輸系統，通過在地面上外套的環形金屬管、金屬短接與鉆鋌上分別開挖環形凹槽，放入與環形凹槽匹配的環形天線，分別構成接收模塊，中繼短接模塊和發射模塊。為了防止電路對環形天線的干擾，對電路周圍采用金屬保護層進行封閉。本專利技術系統克服了現有采用不對稱偶極天線發射信號，必須使用絕緣短接的缺點，也克服了破壞原有鉆桿結構的缺點。另外，中繼的方式進行接力傳輸，所以傳輸距離不受限制。另外，本專利技術因為采用了更為合理的天線形式，使用中繼傳輸保證傳輸質量，所以頻帶更寬，因此傳輸速度更快相比已有的泥漿脈沖傳輸方式以及EM —MWD系統更快。特別地，為了提高無線數據的傳輸距離，在發射、接收和中繼短接模塊中分別加入了屏蔽導向的金屬結構，從而增強了天線的方向性和增益:在電磁信號發射模塊中，在環形凹槽中環形天線外側設置金屬屏蔽層，該環形天線天通過其頂部的絕緣介質發射電磁信號；在電磁信號接收模塊中，在環形凹槽中環形天線外側設置金屬屏蔽層，該環形天線天通過其低部的絕緣介質接收電磁信號；在中繼短接模塊中，在環形凹槽中中繼放大電路之上的環形天線的外側設置金屬屏蔽層，該環形天線天通過其頂部的絕緣介質發射電磁信號；在環形凹槽中中繼放大電路之下的環形天線的外側設置金屬屏蔽層，該環形天線天通過其底部的絕緣介質接收電磁信號。本專利技術的有益效果是，在無需絕緣短接，在利用現有鉆桿的情況下進行無線電磁傳輸，通過設置中繼短接模塊增大傳輸距離，進一步的，通過設置金屬屏蔽層提高天線的方向性和增益。附圖說明圖1是本專利技術隨鉆信號無線傳輸系統示意圖。圖2是為實施例發射模塊的縱剖面示意圖。圖3是為實施例接收模塊的縱剖面示意圖。圖4是為實施例中繼短接的縱剖面示意圖。圖5是本專利技術傳輸系統在不同電導率的地層中時的衰減隨頻率的關系:圖5(a)為地層電導率為0.01S/m時的衰減隨頻率的關系；圖5(13)為地層電導率為0.lS/m時的衰減隨頻率的關系；圖5(c)為地層電導率為1.0S/m時的衰減隨頻率的關系。圖6是兩種不同的傳輸結構:圖6(a)在天線周圍沒有屏蔽結構；圖6 (b)在天線周圍有屏蔽結構，在發射天線的底部和外側以及接收天線的頂部和外側增加了金屬屏蔽結構。具體實施方式本專利技術隨鉆信號無線電磁傳輸系統，如圖1所示，傳輸系統設置在鉆井上，鉆井包括鉆桿11、鉆具12、鉆鋌13，兩段鉆桿11間可以直接相連，可以通過金屬鉆桿短接15相連，鉆桿11與鉆具12之間通過鉆鋌13連接。傳輸系統包括鉆桿11、鉆鋌13、鉆具12、電磁信號發射模塊21、中繼短接模塊23、電磁信號接收模塊22。接收模塊22包括環形金屬管14。環形金屬管14外套在露出地面鉆桿11上，環形金屬管14的內徑大于鉆桿11外徑。發射模塊21設置在鉆鋌21外側環形凹槽內。中繼短接模塊23包括金屬鉆桿短接15。當在需要對電磁信號傳輸設置中繼中，即在相應位置的兩段鉆桿11之間設置中繼短接模塊，即，通過金屬鉆桿短接15連接上下兩段鉆桿。發射模塊21將井下傳感器和隨鉆測井儀測得的信號傳給發射出去，再通過中繼短接模塊23對其進行中繼放大繼續向上傳輸，最后通過地面接收模塊22進行接收。同樣，反向也可實現地面控制信號向井下的傳輸，此時地面的接收模塊22用作向井下發射信號，中繼短接模塊23同樣起中繼放大的作用，使信號繼續向下傳輸，此時的發射模塊21用作接收信號。發射模塊21如圖2所示，包括發射天線、發射電路211、電池218。發射天線為由環形的軟磁材料214以及環繞在軟磁材料之外的線圈215組成的環形天線。電池218與發射電路211相連。發射電路211與發射天線通過傳輸線213相連。發射電路211包括信號調制電路，功率率放大電路。井下傳感器和隨鉆測井儀測得的信號通過傳輸線213傳給發射電路211，發射電路211對其進行調制和功率放大后，再通過傳輸線213傳給發射天線。發射天線和發射電路211都放置于鉆鋌13的環形凹槽內。發射天線設置在發射電路211與電池218之上，發射電路211與電池218并行放置。在發射電路211與電池218的外側與頂部設置耐磨高強度的金屬材料216形成L形金屬保護層，發射電路封閉在金屬保護層與環形凹槽形成的空間內；在線圈215外側本文檔來自技高網...

【技術保護點】
隨鉆信號無線電磁傳輸系統，其特征在于，包括鉆桿、鉆鋌、鉆具、電磁信號發射模塊、1個或1個以上的中繼短接模塊、電磁信號接收模塊；電磁信號接收模塊包括環形金屬管、環形天線、接收電路，環形天線與接收電路設置在環形金屬管外側底部的環形凹槽內，環形天線與接收電路通過傳輸線相連；環形金屬管套在地面鉆桿上，環形金屬管的內徑大于鉆桿外徑；環形凹槽內接收電路設置在環形天線之上，在接收電路外側與底部設置金屬保護層，接收電路封閉在金屬保護層與環形凹槽形成的空間內；環形天線與環形凹槽之間的空間使用絕緣介質填充；電磁信號發射模塊設置在鉆鋌外側環形凹槽內，鉆鋌連接在鉆具與鉆桿之間；電磁信號發射模塊包括環形天線、發射電路，環形凹槽內環形天線設置在發射電路之上，環形天線與發射電路通過傳輸線相連；在發射電路外側與頂部設置金屬保護層，發射電路封閉在金屬保護層與環形凹槽形成的空間內；環形天線與環形凹槽之間的空間使用絕緣介質填充；中繼短接模塊包括金屬鉆桿短接、2組環形天線、中繼放大電路、電池；金屬鉆桿短接連接在上下兩段鉆桿之間；2組環形天線、中繼放大電路、電池設置在金屬鉆桿短接外側環形凹槽內；環形凹槽內一組環形天線設置在中繼放大電路之上，另一組環形天線設置在中繼放大電路之下，環形凹槽內電池與中繼放大電路并行放置在2組環形天線之間，電池的輸出端與中繼放大電路的電源輸入端相連，2組環形天線分別通過傳輸線與中繼放大電路相連；在中繼放大電路與電池的外側、頂部以及底部設置金屬保護層，中繼放大電路與電池一同封閉在金屬保護層與環形凹槽形成的空間內；2組環形天線與環形凹槽之間的空間使用絕緣介質填充。...

【技術特征摘要】
1.鉆信號無線電磁傳輸系統，其特征在于，包括鉆桿、鉆鋌、鉆具、電磁信號發射模塊、I個或I個以上的中繼短接模塊、電磁信號接收模塊； 電磁信號接收模塊包括環形金屬管、環形天線、接收電路，環形天線與接收電路設置在環形金屬管外側底部的環形凹槽內，環形天線與接收電路通過傳輸線相連；環形金屬管套在地面鉆桿上，環形金屬管的內徑大于鉆桿外徑；環形凹槽內接收電路設置在環形天線之上，在接收電路外側與底部設置金屬保護層，接收電路封閉在金屬保護層與環形凹槽形成的空間內；環形天線與環形凹槽之間的空間使用絕緣介質填充； 電磁信號發射模塊設置在鉆鋌外側環形凹槽內，鉆鋌連接在鉆具與鉆桿之間；電磁信號發射模塊包括環形天線、發射電路，環形凹槽內環形天線設置在發射電路之上，環形天線與發射電路通過傳輸線相連；在發射電路外側與頂部設置金屬保護層，發射電路封閉在金屬保護層與環形凹槽形成的空間內；環形天線與環形凹槽之間的空間使用絕緣介質填充； 中繼短接模塊包括金屬鉆桿短接、2組環形天線、中繼放大電路、電池；金屬鉆桿短接連接在上下兩段鉆桿之間；2組環形天線、中繼放大電路、電池設置在金屬鉆桿短接外側環形凹槽內；環形凹槽內一組環形天線設置在中繼放大電路之上，另一組環形天線設置在中繼放大電路之下，環形凹槽內電池與中繼放大電路并行放置在2組環形天線之間，電池的輸出端與中繼放大電路的電源輸入端相連，2組環形天線分別通過傳輸線與中繼放大電路相連；在中繼放大電路與電池的外側、頂部以及底部設置金屬保護層，中繼放大電路與電池一同封閉在金屬保護層...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫向陽，聶在平，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：