一种双谐振型近钻头信号短传系统技术方案

本发明专利技术公开一种双谐振型近钻头信号短传系统，包括：钻头、螺杆总成、第一谐振耦合短节、第二谐振耦合短节以及自适应调频单元；第一谐振耦合短节一端与螺杆总成一端连接；第一谐振耦合短节另一端与钻头连接；第一谐振耦合短节包括第一轴向磁场谐振耦合线圈；第二谐振耦合短节的一端与螺杆总成另一端连接；第二谐振耦合短节包括第二轴向磁场谐振耦合线圈；自适应调频单元通过调节第一、第二轴向磁场谐振耦合线圈的工作频率，以将采集到的钻头处的信息从第一轴向磁场谐振耦合线圈，穿过螺杆总成，通过磁场谐振耦合至第二轴向磁场谐振耦合线圈，实现跨过螺杆总成的非接触式短传。本发明专利技术通过双边磁场谐振，增强发射和接收磁场的强度，提高传输效率。

【技术实现步骤摘要】
一种双谐振型近钻头信号短传系统
本专利技术属于油气井、矿山、地质勘探等行业中的近钻头测量无线短传
，更具体地，涉及一种双谐振型近钻头信号短传系统。
技术介绍
石油行业钻井作业时，需要及时得到地层及钻具位置的温度、压强、地质等参数即时信息。测井仪器由多组传感器构成，目前通常安装在距离钻头10m-35m处的螺旋钻杆末端。传感器采集的数据并非钻头处的精确和实时数据，各传感器获得的数据较钻头处的当前信息有所滞后。为了更精确及时地掌握地层信息、了解井眼地轨迹和地层信息变化并及时调整钻井工作，需要将测量传感仪器尽可能安装在靠近钻头的位置。测量传感仪器近钻头安装时，井下环境恶劣，传统的有线传输方式不可能实现，则需要一套无线传输系统跨过10m-35m旋转螺杆总成实现信号高质量无线传输。目前近钻头无线传输技术有声波传输和电磁波传输。无线声波传方式的结构设计复杂，且声波在复杂地质环境的反射干扰严重；磁无线传输使用较多，且以采用赫兹级超低频电磁波传输和电场耦合方式为主。目前在近钻头信号无线传输中存在以下问题有：在中国专利CN201110319158.1中提出一种井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统及方法，该方案采取电场耦合的方式，其局限性在于，发射器基本处于工作串的最前端，发射器向地层发送的电磁波经螺杆、钻杆和地层形成回路，发射到地层中电磁波能量强度的稳定性难以保证，钻头与地层的接触状态将直接影响接收器拾取信号的强度，无法实现信号传输。在中国专利技术申请201910119623.3提出了一种井下近钻头无线短传系统及其控制方法，该方案同样采用经向电场耦合方式，需要经螺杆、钻杆和地层形成回路。采用电场耦合方式进行测量数据的传输时，需要将发射线圈，地层介质，接收线圈形成闭合回路。井下环境复杂多变，并不能保证发射装置与地层介质紧密接触，因此不能保证传输效率。在专利CN201611168982.0提出了一种基于耦合通信的近钻头测井系统和方法，但是其需要大量的无线短传钻杆进行中继传输，经济效益差。综上所述，目前的近钻头无线传输系统所使用的技术中，无线声波传方式的结构设计复杂，且声波在复杂地质环境的反射干扰严重；采用MHZ级别的电磁波传输时，钻头与地层接触状态会严重影响电磁波信号的强度，电磁信号有很大衰减，具有很大局限性。井下环境复杂多变，不能保证传输效率。现有技术很难实现螺杆钻具长10m-35m范围内的信号高质量无线传输。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于解决目前的近钻头无线传输系统所使用的技术中，无线声波传方式的结构设计复杂，且声波在复杂地质环境的反射干扰严重；采用经向电场耦合方式，需要经螺杆、钻杆和地层形成回路，信号有很大衰减。采用兆赫兹级别的高频电磁波进行传输，其近钻信号的稳定性又无法得以保证，且频率越高、信号在金属螺杆中衰减更快，信号无法准确传输。以及井下环境复杂多变，现有技术不能保证近钻信号高效率传输的技术问题。为了解决上述问题，实现近钻信号高效传输，本专利技术提供一种双谐振型近钻头信号短传系统，信号传输以KHZ级别中频率磁场信号作为传输介质，属于近场理论磁场耦合无线传输。包括：钻头、螺杆总成、第一谐振耦合短节、第二谐振耦合短节以及自适应调频单元；所述短传系统借助轴向耦合线圈，采用KHZ级别中频磁场耦合；携带钻头信息的磁场经过第一轴向磁场谐振耦合线圈、螺杆总成、第二轴向磁场谐振耦合线圈完成信号传输，传输过程不受地层情况影响；所述短传系统采用自适应可调谐振驱动，以增强线圈磁场信号，可适应井下多种工况；所述第一谐振耦合短节的一端与所述螺杆总成的一端连接；所述第一谐振耦合短节的另一端与所述钻头连接；所述第一谐振耦合短节包括第一轴向磁场谐振耦合线圈；所述第二谐振耦合短节的一端与所述螺杆总成的另一端连接；所述第二谐振耦合短节包括第二轴向磁场谐振耦合线圈；所述自适应调频单元用于通过调节所述第一轴向磁场谐振耦合线圈和第二轴向磁场谐振耦合线圈的工作频率，以将采集到的钻头处的信息从第一轴向磁场谐振耦合线圈，穿过所述螺杆总成，通过磁场谐振耦合至所述第二轴向磁场谐振耦合线圈，实现跨过螺杆总成的非接触式短传。可选地，所述自适应调频单元包括：第一驱动模块、第一信号调制模块、第一谐振补偿模块以及第二谐振补偿模块；所述第一驱动模块、第一信号调制模块、第一谐振补偿模块以及第二谐振补偿模块位于所述第一谐振耦合短节内部；所述第一信号调制模块，对采集的钻头处的信息进行依次滤波、放大以及调制；将调制后的信号通过第一驱动模块产生对应的正弦信号，并经过第一谐振补偿模块传输至第一轴向磁场谐振耦合线圈；第一轴向磁场谐振耦合线圈发出磁场信号穿过所述螺杆总成，非接触式传输至所述第二谐振耦合短节。具体地，第一谐振补偿模块为第一谐振耦合短节内的谐振发送补偿模块；第二谐振补偿模块为第一谐振耦合短节内的谐振接收补偿模块。可选地，所述自适应调频单元还包括：第二信号解调模块、第三谐振补偿模块以及第四谐振补偿模块；第二信号解调模块、第三谐振补偿模块以及第四谐振补偿模块位于所述第二谐振耦合短节内部；所述第二轴向磁场谐振耦合线圈感应到穿过螺杆总成的共振频率下的磁场信号；第二轴向磁场谐振耦合线圈与第三谐振补偿模块和第四谐振补偿模块构成谐振回路，其共振频率与第一轴向磁场谐振耦合线圈的共振频率相同，以增强磁场间的耦合强度；第二信号解调模块从第二轴向磁场谐振耦合线圈感应到的磁场信号中解析出钻头处的信息。具体地，第三谐振补偿模块为第二谐振耦合短节内的谐振发送补偿模块；第四谐振补偿模块为第二谐振耦合短节内的谐振接收补偿模块。可选地，所述第一谐振补偿模块、第二谐振补偿模块、第三谐振补偿模块以及第四谐振补偿模块组成谐振匹配电路；所述第一谐振耦合短节发射信号时，谐振匹配电路使第一轴向磁场谐振耦合线圈工作在谐振信号发射状态；第二谐振耦合短节接收信号时，谐振匹配电路使第二轴向磁场谐振耦合线圈工作在谐振信号接收状态；所述第二谐振耦合短节发射信号时，谐振匹配电路使第二轴向磁场谐振耦合线圈工作在谐振信号发射状态；第一谐振耦合短节接收信号时，谐振匹配电路使第一轴向磁场谐振耦合线圈工作在谐振信号接收状态；通过双谐振，增强感应磁场强度，提高传输效率；工作时第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节均通过所述谐振匹配电路驱动和接收信号，分时复用且能双向通信。可选地，所述螺杆总成的长度为10m-35m。可选地，所述自适应调频单元，通过分时复用方式预发一段复合波形，找到最佳频率匹配，以根据井下工况完成工作频率自适应调整。可选地，所述第一轴向磁场谐振耦合线圈和第二轴向磁场谐振耦合线圈在所述谐振匹配电路的配合下，通交流电激发轴向变化的磁力线，磁力线跨过可旋转的螺杆总成实现第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节之间的无线传输。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)、本专利技术采用双谐振耦合实现信号无线传输，结构简单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双谐振型近钻头信号短传系统，其特征在于，包括：钻头、螺杆总成、第一谐振耦合短节、第二谐振耦合短节以及自适应调频单元；/n所述第一谐振耦合短节的一端与所述螺杆总成的一端连接；/n所述第一谐振耦合短节的另一端与所述钻头连接；所述第一谐振耦合短节包括第一轴向磁场谐振耦合线圈；/n所述第二谐振耦合短节的一端与所述螺杆总成的另一端连接；所述第二谐振耦合短节包括第二轴向磁场谐振耦合线圈；/n所述自适应调频单元用于通过调节所述第一轴向磁场谐振耦合线圈和第二轴向磁场谐振耦合线圈的工作频率，以将采集到的钻头处的信息从第一轴向磁场谐振耦合线圈，穿过所述螺杆总成，通过磁场谐振耦合至所述第二轴向磁场谐振耦合线圈，实现跨过螺杆总成的非接触式短传；/n所述短传系统借助轴向耦合线圈，采用KHZ级别中频磁场耦合；携带钻头信息的磁场经过第一轴向磁场谐振耦合线圈、螺杆总成、第二轴向磁场谐振耦合线圈完成信号传输，传输过程不受地层情况影响；所述短传系统采用可调谐振驱动，以增强线圈磁场信号，可适应井下多种工况。/n

【技术特征摘要】
1.一种双谐振型近钻头信号短传系统，其特征在于，包括：钻头、螺杆总成、第一谐振耦合短节、第二谐振耦合短节以及自适应调频单元；
所述第一谐振耦合短节的一端与所述螺杆总成的一端连接；
所述第一谐振耦合短节的另一端与所述钻头连接；所述第一谐振耦合短节包括第一轴向磁场谐振耦合线圈；
所述第二谐振耦合短节的一端与所述螺杆总成的另一端连接；所述第二谐振耦合短节包括第二轴向磁场谐振耦合线圈；
所述自适应调频单元用于通过调节所述第一轴向磁场谐振耦合线圈和第二轴向磁场谐振耦合线圈的工作频率，以将采集到的钻头处的信息从第一轴向磁场谐振耦合线圈，穿过所述螺杆总成，通过磁场谐振耦合至所述第二轴向磁场谐振耦合线圈，实现跨过螺杆总成的非接触式短传；
所述短传系统借助轴向耦合线圈，采用KHZ级别中频磁场耦合；携带钻头信息的磁场经过第一轴向磁场谐振耦合线圈、螺杆总成、第二轴向磁场谐振耦合线圈完成信号传输，传输过程不受地层情况影响；所述短传系统采用可调谐振驱动，以增强线圈磁场信号，可适应井下多种工况。


2.根据权利要求1所述的双谐振型近钻头信号短传系统，其特征在于，所述自适应调频单元包括：第一驱动模块、第一信号调制模块、第一谐振补偿模块以及第二谐振补偿模块；所述第一驱动模块、第一信号调制模块、第一谐振补偿模块以及第二谐振补偿模块位于所述第一谐振耦合短节内部；
所述第一信号调制模块，对采集的钻头处的信息进行依次滤波、放大以及调制；将调制后的信号通过第一驱动模块产生对应的正弦信号，并经过第一谐振补偿模块传输至第一轴向磁场谐振耦合线圈；第一轴向磁场谐振耦合线圈发出磁场信号穿过所述螺杆总成，非接触式传输至所述第二谐振耦合短节。


3.根据权利要求2所述的双谐振型近钻头信号短传系统，其特征在于，所述自适应调频单元还包括：第二信号解调模块、第三谐振补偿模块以及第四谐振补偿模块；第二信号解调模块、第三谐振补偿模块以及第四谐振补偿...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，江涛，刘昶，胡皓然，杨思谛，余沐阳，李红斌，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42