一种井下电磁无线通讯系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种井下电磁无线通讯系统及方法，涉及地下资源勘探和开发技术领域。系统包括井下工具、随钻测井仪器、钻头、随钻测量系统、分别设置在井下工具两端的第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置均包括电磁天线线圈结构、无线发射单元结构、无线接收单元结构和通用信号接口；所述电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流以及通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构之间通过电磁信号跨过井下工具进行电磁无线数据通讯。本发明专利技术可实现适用于不同介电性质的井下复杂环境的短距离数据传输。

A downhole electromagnetic radio communication system and method

The invention provides a downhole electromagnetic wireless communication system and method, and relates to the technical field of underground resources exploration and development. The system comprises a downhole tool, a logging while drilling tool, a drill bit, a measuring while drilling system, a first radio electromagnetic communication device and a second radio electromagnetic communication device respectively arranged at both ends of the downhole tool; the first radio electromagnetic communication device and the second radio electromagnetic communication device both comprise an electromagnetic antenna coil structure and a wireless transmission. The electromagnetic antenna coil structure can generate an axial alternating current along the drill pipe through an electric antenna and an alternating current loop around the drill pipe through a magnetic antenna; the electromagnetic antenna wire of the first radio electromagnetic communication device and the second radio electromagnetic communication device Electromagnetic wireless data communication between the loop structures through electromagnetic signals across the downhole tools. The invention can realize short-range data transmission in downhole complex environment suitable for different dielectric properties.

【技术实现步骤摘要】
一种井下电磁无线通讯系统及方法
本专利技术涉及地下资源勘探和开发
，尤其涉及一种井下电磁无线通讯系统及方法，应用于井下数十米范围的短距离数据传输。
技术介绍
在油气勘探与开发过程中，随钻测井和数据实时传输技术的应用有利于及时准确评价储层含油情况，预测和分析油井产状，快速优化油气开采方案，提高钻井成功率及采收率。然而，井下随钻测井数据的实时传输技术需要克服跨越难以埋设线缆的井下工具进行数据通讯的难题，搭建跨越数十米范围内的短距离数据无线传输通道，保证数据通讯的准确性和时效性。目前，井下数据短距离无线传输方式主要包括声波无线传输及电磁波无线传输两种。其中声波无线传输技术中发射及接收换能器的机械结构设计复杂，受干扰信号影响严重，数据滤波难度大，有效数据提取困难，没有广泛推广应用。电磁波无线传输技术相对于声波传输技术而言，应用范围较广，但无线电磁天线设计、发射信号的调制、信号滤波、解调等技术仍是研究难点。而目前井下短距离的电磁无线传输技术根据信号传输原理不同分为电天线传输技术和磁天线传输技术。基于电天线传输技术设计的电磁无线通讯系统工作原理是通过沿钻杆的轴向交变电流激励电磁场进行信号传输，适用于电导率较高的钻井环境，而在电导率较低的钻井环境，电磁无线传输通道无法建立。基于磁天线传输技术设计的电磁无线通讯系统通过绕钻杆的交变电流环激励沿钻杆方向的电磁场进行信号传输，适用于电导率较低的钻井环境，而在电导率较高的钻井环境中，信号衰减加剧，信号传输距离严重受限。目前井下短距离电磁无线通讯技术仅采用单一的电磁场传输方式，设计出基于电天线传输技术的电磁无线传输系统或基于磁天线传输技术的电磁无线通讯系统。可见，无论上述两种系统的应用都存在不可避免的局限性，不能完全适用于不同介电性质的井下复杂环境。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供一种井下电磁无线通讯系统及方法，以实现适用于不同介电性质的井下复杂环境的短距离数据传输。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种井下电磁无线通讯系统，包括井下工具、随钻测井仪器、钻头、随钻测量系统、分别设置在井下工具两端的第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置均包括电磁天线线圈结构、无线发射单元结构、无线接收单元结构和通用信号接口；所述电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流以及通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构之间通过电磁信号跨过井下工具进行电磁无线数据通讯。具体的，所述第一无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测井仪器连接，以接收随钻测井仪器测量的钻头的随钻测井数据；所述第二无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测量系统连接，以向随钻测量系统发送所述随钻测井数据；或者，所述第二无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测量系统连接，以接收随钻测量系统的井上数据；所述第一无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测井仪器连接，以向随钻测井仪器发送所述井上数据。具体的，所述电磁天线线圈结构轴向安装在一钻铤舱体的线圈槽内，所述电磁天线线圈结构外围设置有天线套；所述电磁天线线圈结构包括环形磁芯；在所述环形磁芯上采用螺绕环绕制方式绕有线圈，作为电天线，使得电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流；在所述环形磁芯上还采用螺线管式绕制方式绕有线圈，作为磁天线，使得电磁天线线圈结构能够通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；作为电天线的线圈两端接出作为电天线接口；作为磁天线的线圈两端接出作为磁天线接口。具体的，所述无线发射单元结构包括第一数控开关、第二数控开关、电天线发射信号调制电路、电天线发射功率调整电路、电天线载波频率选择电路、磁天线发射信号调制电路、磁天线发射功率调整电路和磁天线载波频率选择电路；所述第一数控开关的一端和第二数控开关的一端分别连接所述通用信号接口；所述第一数控开关的另一端、电天线发射信号调制电路、电天线发射功率调整电路和电天线载波频率选择电路依次串接，所述电天线载波频率选择电路连接所述电天线接口；所述第二数控开关的另一端、磁天线发射信号调制电路、磁天线发射功率调整电路和磁天线载波频率选择电路依次串接，所述磁天线载波频率选择电路连接所述磁天线接口；所述第一数控开关和第二数控开关根据预先设置的通断时长进行通断，所述通断时长根据数据中适用于电天线和磁天线不同特性的电磁信号的分时发送顺序预先设置；在第一数控开关接通时，数据中适用于电天线的电磁信号经过第一数控开关，经过电天线发射信号调制电路进行信号调制处理，再经过电天线发射功率调整电路进行功率调整处理，再经过电天线载波频率选择电路进行频率选择处理，输出到电天线接口；在第二数控开关接通时，数据中适用于磁天线的电磁信号经过第二数控开关，经过磁天线发射信号调制电路进行信号调制处理，再经过磁天线发射功率调整电路进行功率调整处理，再经过磁天线载波频率选择电路进行频率选择处理，输出到磁天线接口。另外，所述无线接收单元结构包括接收数据比对电路、电天线接收信号解调电路、电天线接收信号滤波电路、电天线信号增益调整电路、磁天线接收信号解调电路、磁天线接收信号滤波电路和磁天线信号增益调整电路；所述接收数据比对电路的输出端连接所述通用信号接口；所述接收数据比对电路的一输入端、电天线接收信号解调电路、电天线接收信号滤波电路和电天线信号增益调整电路依次串接，所述电天线信号增益调整电路连接所述电天线接口；所述接收数据比对电路的另一输入端、磁天线接收信号解调电路、磁天线接收信号滤波电路和磁天线信号增益调整电路依次串接，所述磁天线信号增益调整电路连接所述磁天线接口；数据中适用于电天线的电磁信号经过电天线信号增益调整电路进行增益调整处理，再经过电天线接收信号滤波电路进行滤波处理，再经过电天线接收信号解调电路进行解调处理，输出到接收数据比对电路；数据中适用于磁天线的电磁信号经过磁天线信号增益调整电路进行增益调整处理，再经过磁天线接收信号滤波电路进行滤波处理，再经过磁天线接收信号解调电路进行解调处理，输出到接收数据比对电路；接收数据比对电路对经过处理后的适用于电天线的电磁信号和适用于磁天线的电磁信号进行比对处理，形成正确数据，并传输至通用信号接口。具体的，所述通用信号接口包括控制器局域网络总线接口、串行外设接口、集成电路总线接口、RS232接口、RS485接口、RS422接口以及单总线接口中的一种或多种。具体的，所述第一无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测井仪器采用滑环结构、插针结构或导线直连方式连接；所述第二无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测量系统采用滑环结构、插针结构或导线直连方式连接。一种井下电磁无线通讯方法，应用于上述的井下电磁无线通讯系统；方法包括：第一无线电磁通讯装置通过通用信号接口接收随钻测井仪器测量的钻头的随钻测井数据；第一无线电磁通讯装置对随钻测井数据进行处理，并将处理后的随钻测井数据通过电磁天线线圈结构跨过井下工具传输至第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构；第二无线电磁通讯装置对处理后的随钻测井数据再次进行处理，并将再次处理后的随钻测井数据通过通用信号接口发送至随钻测量系统；第二无线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种井下电磁无线通讯系统，其特征在于，包括井下工具、随钻测井仪器、钻头、随钻测量系统、分别设置在井下工具两端的第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置均包括电磁天线线圈结构、无线发射单元结构、无线接收单元结构和通用信号接口；所述电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流以及通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构之间通过电磁信号跨过井下工具进行电磁无线数据通讯。

【技术特征摘要】
1.一种井下电磁无线通讯系统，其特征在于，包括井下工具、随钻测井仪器、钻头、随钻测量系统、分别设置在井下工具两端的第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置均包括电磁天线线圈结构、无线发射单元结构、无线接收单元结构和通用信号接口；所述电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流以及通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；所述第一无线电磁通讯装置和第二无线电磁通讯装置的电磁天线线圈结构之间通过电磁信号跨过井下工具进行电磁无线数据通讯。2.根据权利要求1所述的井下电磁无线通讯系统，其特征在于，所述第一无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测井仪器连接，以接收随钻测井仪器测量的钻头的随钻测井数据；所述第二无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测量系统连接，以向随钻测量系统发送所述随钻测井数据；或者，所述第二无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测量系统连接，以接收随钻测量系统的井上数据；所述第一无线电磁通讯装置中的通用信号接口与所述随钻测井仪器连接，以向随钻测井仪器发送所述井上数据。3.根据权利要求1所述的井下电磁无线通讯系统，其特征在于，所述电磁天线线圈结构轴向安装在一钻铤舱体的线圈槽内，所述电磁天线线圈结构外围设置有天线套；所述电磁天线线圈结构包括环形磁芯；在所述环形磁芯上采用螺绕环绕制方式绕有线圈，作为电天线，使得电磁天线线圈结构能够通过电天线沿钻杆方向产生轴向交变电流；在所述环形磁芯上还采用螺线管式绕制方式绕有线圈，作为磁天线，使得电磁天线线圈结构能够通过磁天线产生绕钻杆的交变电流环；作为电天线的线圈两端接出作为电天线接口；作为磁天线的线圈两端接出作为磁天线接口。4.根据权利要求3所述的井下电磁无线通讯系统，其特征在于，所述无线发射单元结构包括第一数控开关、第二数控开关、电天线发射信号调制电路、电天线发射功率调整电路、电天线载波频率选择电路、磁天线发射信号调制电路、磁天线发射功率调整电路和磁天线载波频率选择电路；所述第一数控开关的一端和第二数控开关的一端分别连接所述通用信号接口；所述第一数控开关的另一端、电天线发射信号调制电路、电天线发射功率调整电路和电天线载波频率选择电路依次串接，所述电天线载波频率选择电路连接所述电天线接口；所述第二数控开关的另一端、磁天线发射信号调制电路、磁天线发射功率调整电路和磁天线载波频率选择电路依次串接，所述磁天线载波频率选择电路连接所述磁天线接口；所述第一数控开关和第二数控开关根据预先设置的通断时长进行通断，所述通断时长根据数据中适用于电天线和磁天线不同特性的电磁信号的分时发送顺序预先设置；在第一数控开关接通时，数据中适用于电天线的电磁信号经过第一数控开关，经过电天线发射信号调制电路进行信号调制处理，再经过电天线发射功率调整电路进行功率调整处理，再经过电天线载波频率选择电路进行频率选择处理，输出到电天线接口；在第二数控开关接通时，数据中适用于磁天线的电磁信号经过第二数控开关，经过磁天线发射信号调制电路进行信号调制处理，再经过磁天线发射功率调整电路进行功率调整处理，再经过磁天线载波频率选择电路进行频率选择处理，输出到磁天线接口。5.根据权利要求3所述的井下电磁无线通讯系统，其特征在于，所述无线接收单元结构包括接收数据比对电路、电天线接收信号解调电路、电天线接收信号滤波电路、电天线信号增益调整电路、磁天线接收信号解调电路、磁天线接收信号滤波电路和磁天线信号增益调整电路；所述接收数据比对电路的输出端连接所述通用信号接口；所述接收数据比对电路的一输入端、电天线接收信号解调电路、电天线接收信号滤波电路和电天线信号增益调整电路依次串接，所述电天线信号增益调整电路连接所述电天线接口；所述接收数据比对电路的另一输入端、磁天线接收信号解调电路、磁天线接收信号滤波电路和磁天线信号增益调整电路依次串接，所述磁天线信号增益调整电路连接所述磁天线接口；数据中适用于电天线的电磁信号经过电天线信号增益调整电路进行增益调整处理，再经过电天线接收信号滤波电路进行滤波处理，再经过电天线接收信号解调电路进行解调处理，输出到接收数据比对电路；数据中适用于磁天线的电磁信号经过磁天线信号增益调整电路进行增益调整处理，再经过磁天线接收信号滤波电路进行滤波处理，再经过磁天线接收信号解调电路进行解调处理，输出到接收数据比对电路；接收数据比对电路对经过处理后的适用于电天线的电磁信号和适用于磁天线的电磁信号进行比对处理，形成正确数据，并传输至通用信号接口。6.根据权利要求1所述的井下电磁无线通讯系统，其特征在于，所述通用信号接口包括控制器局域网络总线接口、串行外设接口、集成电路总线接口、RS232接口、RS485接口、RS422接口以及单总线接口中的一种或多种。7.根据权利要求2所述的井下电磁无线...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘兴明，黄衍福，赵博，史宏江，石倩，路胜杰，王晨，李铁军，路一平，张勇，李显义，高晔，韩昊辰，孙琦，王天娇，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京石油机械有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11