随钻信号无线电磁传输系统技术方案

本发明专利技术提供一种随钻信号无线电磁传输系统，随钻信号无线电磁传输系统包括钻杆、钻铤、钻具、电磁信号发射模块、中继短接模块、电磁信号接收模块；电磁信号接收模块包括环形金属管、环形天线、接收电路，环形天线与接收电路设置在环形金属管外侧底部的环形凹槽内，环形金属管套在地面钻杆上；磁信号发射模块设置在钻铤外侧环形凹槽内，钻铤连接在钻具与钻杆之间；中继短接模块包括金属钻杆短接、两组环形天线、中继放大电路、电池；金属钻杆短接连接在上下两段钻杆之间；两组环形天线、中继放大电路、电池设置在金属钻杆短接外侧环形凹槽内。本发明专利技术通过中继的方式进行接力传输，传输距离不受限制，有更快的数据传输速率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及随钻传输技术。
技术介绍
随钻信号无线传输目前仍普遍采用泥浆脉冲传输的方式，但泥浆脉冲传输方式速度慢，通常只有几Bit至十几BH，实时性差，而且不能用于气体钻井等。因此泥浆脉冲传输方式已越来越不能满足现代随钻测井的需求。另外目前采用的一种无线电磁传输方式是:利用钻杆作为不对称的偶极天线，从而将信号发射到地面，该方式也称为EM-MWD系统，由于是利用钻杆作为偶极天线，从而该系统需采用绝缘短接，使钻杆成为偶极天线的上、下两个臂。由于采用了完全的绝缘材料，因而会影响钻杆的强度。另外，由于地层为有耗介质，在地层中传输较远距离时，必须采用很低的频率，从而其传输速度很低，与泥浆脉冲的传输速度相当。另外，其传输距离通常也不能太远，如通常只能达到两千米左右。为了提高传输速度，Novatek 公司在下提出了一种无线与有线相结合的方法，两段钻杆之间通过无线耦合器实现无线磁耦合传输，在钻杆内部通过埋入传输线实现有线传输。此种方式能明显提高传输速度，但此种方式的也存在很大的缺点:需要破坏原有钻杆的结构，或重新设计钻杆，并且钻杆接头之间的缝隙对其传输性能也影响很大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，在现有钻杆的基础上，不影响钻杆强度且不受传输距离限制的随钻信号无线电磁快速传输系统。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是，随钻信号无线电磁传输系统，其特征在于，包括钻杆、钻铤、钻具、电磁信号发射模块、I个或I个以上的中继短接模块、电磁信号接收模块；电磁信号接收模块包括环形金属管、环形天线、接收电路，环形天线与接收电路设置在环形金属管外侧底部的环形凹槽内，环形天线与接收电路通过传输线相连；环形金属管套在地面钻杆上，环形金属管的内径大于钻杆外径；环形凹槽内接收电路设置在环形天线之上，在接收电路外侧与底部设置金属保护层，接收电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充；电磁信号发射模块设置在钻铤外侧环形凹槽内，钻铤连接在钻具与钻杆之间；电磁信号发射模块包括环形天线、发射电路，环形凹槽内环形天线设置在发射电路之上，环形天线与发射电路通过传输线相连；在发射电路外侧与顶部设置金属保护层，发射电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充；中继短接模块包括金属钻杆短接、2组环形天线、中继放大电路、电池；金属钻杆短接连接在上下两段钻杆之间；2组环形天线、中继放大电路、电池设置在金属钻杆短接外侧环形凹槽内；环形凹槽内一组环形天线设置在中继放大电路之上，另一组环形天线设置在中继放大电路之下，环形凹槽内电池与中继放大电路并行放置在2组环形天线之间，电池的输出端与中继放大电路的电源输入端相连，2组环形天线分别通过传输线与中继放大电路相连；在中继放大电路与电池的外侧、顶部以及底部设置金属保护层，中继放大电路与电池一同封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；2组环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充。本专利技术提供了的随钻信号无线电磁传输系统，通过在地面上外套的环形金属管、金属短接与钻铤上分别开挖环形凹槽，放入与环形凹槽匹配的环形天线，分别构成接收模块，中继短接模块和发射模块。为了防止电路对环形天线的干扰，对电路周围采用金属保护层进行封闭。本专利技术系统克服了现有采用不对称偶极天线发射信号，必须使用绝缘短接的缺点，也克服了破坏原有钻杆结构的缺点。另外，中继的方式进行接力传输，所以传输距离不受限制。另外，本专利技术因为采用了更为合理的天线形式，使用中继传输保证传输质量，所以频带更宽，因此传输速度更快相比已有的泥浆脉冲传输方式以及EM —MWD系统更快。特别地，为了提高无线数据的传输距离，在发射、接收和中继短接模块中分别加入了屏蔽导向的金属结构，从而增强了天线的方向性和增益:在电磁信号发射模块中，在环形凹槽中环形天线外侧设置金属屏蔽层，该环形天线天通过其顶部的绝缘介质发射电磁信号；在电磁信号接收模块中，在环形凹槽中环形天线外侧设置金属屏蔽层，该环形天线天通过其低部的绝缘介质接收电磁信号；在中继短接模块中，在环形凹槽中中继放大电路之上的环形天线的外侧设置金属屏蔽层，该环形天线天通过其顶部的绝缘介质发射电磁信号；在环形凹槽中中继放大电路之下的环形天线的外侧设置金属屏蔽层，该环形天线天通过其底部的绝缘介质接收电磁信号。本专利技术的有益效果是，在无需绝缘短接，在利用现有钻杆的情况下进行无线电磁传输，通过设置中继短接模块增大传输距离，进一步的，通过设置金属屏蔽层提高天线的方向性和增益。附图说明图1是本专利技术随钻信号无线传输系统示意图。图2是为实施例发射模块的纵剖面示意图。图3是为实施例接收模块的纵剖面示意图。图4是为实施例中继短接的纵剖面示意图。图5是本专利技术传输系统在不同电导率的地层中时的衰减随频率的关系:图5(a)为地层电导率为0.01S/m时的衰减随频率的关系；图5(13)为地层电导率为0.lS/m时的衰减随频率的关系；图5(c)为地层电导率为1.0S/m时的衰减随频率的关系。图6是两种不同的传输结构:图6(a)在天线周围没有屏蔽结构；图6 (b)在天线周围有屏蔽结构，在发射天线的底部和外侧以及接收天线的顶部和外侧增加了金属屏蔽结构。具体实施方式本专利技术随钻信号无线电磁传输系统，如图1所示，传输系统设置在钻井上，钻井包括钻杆11、钻具12、钻铤13，两段钻杆11间可以直接相连，可以通过金属钻杆短接15相连，钻杆11与钻具12之间通过钻铤13连接。传输系统包括钻杆11、钻铤13、钻具12、电磁信号发射模块21、中继短接模块23、电磁信号接收模块22。接收模块22包括环形金属管14。环形金属管14外套在露出地面钻杆11上，环形金属管14的内径大于钻杆11外径。发射模块21设置在钻铤21外侧环形凹槽内。中继短接模块23包括金属钻杆短接15。当在需要对电磁信号传输设置中继中，即在相应位置的两段钻杆11之间设置中继短接模块，即，通过金属钻杆短接15连接上下两段钻杆。发射模块21将井下传感器和随钻测井仪测得的信号传给发射出去，再通过中继短接模块23对其进行中继放大继续向上传输，最后通过地面接收模块22进行接收。同样，反向也可实现地面控制信号向井下的传输，此时地面的接收模块22用作向井下发射信号，中继短接模块23同样起中继放大的作用，使信号继续向下传输，此时的发射模块21用作接收信号。发射模块21如图2所示，包括发射天线、发射电路211、电池218。发射天线为由环形的软磁材料214以及环绕在软磁材料之外的线圈215组成的环形天线。电池218与发射电路211相连。发射电路211与发射天线通过传输线213相连。发射电路211包括信号调制电路，功率率放大电路。井下传感器和随钻测井仪测得的信号通过传输线213传给发射电路211，发射电路211对其进行调制和功率放大后，再通过传输线213传给发射天线。发射天线和发射电路211都放置于钻铤13的环形凹槽内。发射天线设置在发射电路211与电池218之上，发射电路211与电池218并行放置。在发射电路211与电池218的外侧与顶部设置耐磨高强度的金属材料216形成L形金属保护层，发射电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；在线圈215外侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
随钻信号无线电磁传输系统，其特征在于，包括钻杆、钻铤、钻具、电磁信号发射模块、1个或1个以上的中继短接模块、电磁信号接收模块；电磁信号接收模块包括环形金属管、环形天线、接收电路，环形天线与接收电路设置在环形金属管外侧底部的环形凹槽内，环形天线与接收电路通过传输线相连；环形金属管套在地面钻杆上，环形金属管的内径大于钻杆外径；环形凹槽内接收电路设置在环形天线之上，在接收电路外侧与底部设置金属保护层，接收电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充；电磁信号发射模块设置在钻铤外侧环形凹槽内，钻铤连接在钻具与钻杆之间；电磁信号发射模块包括环形天线、发射电路，环形凹槽内环形天线设置在发射电路之上，环形天线与发射电路通过传输线相连；在发射电路外侧与顶部设置金属保护层，发射电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充；中继短接模块包括金属钻杆短接、2组环形天线、中继放大电路、电池；金属钻杆短接连接在上下两段钻杆之间；2组环形天线、中继放大电路、电池设置在金属钻杆短接外侧环形凹槽内；环形凹槽内一组环形天线设置在中继放大电路之上，另一组环形天线设置在中继放大电路之下，环形凹槽内电池与中继放大电路并行放置在2组环形天线之间，电池的输出端与中继放大电路的电源输入端相连，2组环形天线分别通过传输线与中继放大电路相连；在中继放大电路与电池的外侧、顶部以及底部设置金属保护层，中继放大电路与电池一同封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；2组环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充。...

【技术特征摘要】
1.钻信号无线电磁传输系统，其特征在于，包括钻杆、钻铤、钻具、电磁信号发射模块、I个或I个以上的中继短接模块、电磁信号接收模块； 电磁信号接收模块包括环形金属管、环形天线、接收电路，环形天线与接收电路设置在环形金属管外侧底部的环形凹槽内，环形天线与接收电路通过传输线相连；环形金属管套在地面钻杆上，环形金属管的内径大于钻杆外径；环形凹槽内接收电路设置在环形天线之上，在接收电路外侧与底部设置金属保护层，接收电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充； 电磁信号发射模块设置在钻铤外侧环形凹槽内，钻铤连接在钻具与钻杆之间；电磁信号发射模块包括环形天线、发射电路，环形凹槽内环形天线设置在发射电路之上，环形天线与发射电路通过传输线相连；在发射电路外侧与顶部设置金属保护层，发射电路封闭在金属保护层与环形凹槽形成的空间内；环形天线与环形凹槽之间的空间使用绝缘介质填充； 中继短接模块包括金属钻杆短接、2组环形天线、中继放大电路、电池；金属钻杆短接连接在上下两段钻杆之间；2组环形天线、中继放大电路、电池设置在金属钻杆短接外侧环形凹槽内；环形凹槽内一组环形天线设置在中继放大电路之上，另一组环形天线设置在中继放大电路之下，环形凹槽内电池与中继放大电路并行放置在2组环形天线之间，电池的输出端与中继放大电路的电源输入端相连，2组环形天线分别通过传输线与中继放大电路相连；在中继放大电路与电池的外侧、顶部以及底部设置金属保护层，中继放大电路与电池一同封闭在金属保护层...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙向阳，聂在平，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：