專利名稱:隨鉆電磁發(fā)射天線、井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),特別關(guān)于在石油、礦山、地質(zhì)勘探等隨鉆測量或非隨鉆測量鉆井儀器設(shè)備中測量數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù),具體地講關(guān)于一種隨鉆電磁發(fā)射天線、井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù):
當(dāng)前在石油、礦山、地質(zhì)勘探等鉆井工程中,為了能使鉆井軌跡更準(zhǔn)確地按照工程設(shè)計要求鉆進(jìn),以及更及時準(zhǔn)確地掌握地層信息,需要把定向傳感器和采集地質(zhì)信息的傳感器安裝在靠近鉆頭的位置。這些傳感器隨著鉆機(jī)的鉆進(jìn)在井下進(jìn)行測量,同時還要將傳感器采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛?,以使工程技術(shù)人員及時了解井筒的軌跡和地層信息的變化。
目前,鉆井工程中井下測量信息的傳輸一般有兩種方法,一種是“有線傳輸”;一種是“泥漿脈沖傳輸”。其中, “有線傳輸”,是用一根鎧裝單芯電纜下端連接測量儀器通過鉆柱的通道放入井下鉆鋌中,測量儀器獲得的數(shù)據(jù)由這根鎧裝單芯電纜傳輸?shù)降孛妗5@種方法不能在旋轉(zhuǎn)鉆井和井斜角大于45度的井中使用。因為電纜在鉆柱的通道內(nèi)如果鉆柱旋轉(zhuǎn)電纜會被絞斷;另外井斜角大于45度時,儀器靠自身重量下放到井底將很困難。
“泥漿脈沖傳輸”,是利用安裝在鉆鋌中的脈沖發(fā)生器,在鉆柱通道內(nèi)的泥漿中產(chǎn)生壓力波,以這種壓力波為載體將數(shù)據(jù)傳上來。這種遙測方法只能用在以普通泥漿為介質(zhì)的鉆井施工中,如果用在欠平衡鉆井中將無法傳輸井下數(shù)據(jù),因為在欠平衡鉆井中鉆井液(介質(zhì))是氣體或泡沫泥漿。氣體和泡沫泥漿是可壓縮的,在這種介質(zhì)中產(chǎn)生的壓力脈沖會嚴(yán)重變形導(dǎo)致接收傳感器不能正確地提取信號。
中國專利號為200410005527.X,公開號為CN 1657742A的發(fā)明專利申請,揭示了一種隨鉆測量的電磁遙測方法及系統(tǒng),現(xiàn)將其內(nèi)容合并于此。
美國專利號為US 4630243的發(fā)明專利申請,揭示了一種,現(xiàn)將其內(nèi)容合并于此。
在上述相關(guān)技術(shù)中,所揭示的井下發(fā)射天線都屬于電磁感應(yīng)式的發(fā)射天線,該電磁感應(yīng)式天線是將調(diào)制好的信號通過一線圈感應(yīng)到鉆柱上。這種天線的傳輸功率是 (P=(U02)/R=U2·(N0/N)2/R) 式中P天線發(fā)出的功率;U0偶極天線兩端的電壓;U信號源電壓;N0電磁感應(yīng)式天線次邊線匝,在這里次邊線匝就是鉆桿,相當(dāng)于一匝線圈;N原邊線圈,N是大于1的整數(shù);R地層電阻。
所以,上述天線的傳輸功率是P=(U2/N2)/R。因此,該傳輸功率受到原邊線圈的影響,N越大傳輸功率越小。
因此,在氣體鉆井和泡沫鉆井中要將井下傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳到地面就必須尋找新傳輸信道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)射天線,通過該天線可傳輸井下數(shù)據(jù),且傳輸功率高。
本發(fā)明的目的還在于提供一種井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),通過該系統(tǒng)可將井下數(shù)據(jù)傳輸至地面,不受鉆井和鉆井液的限制,傳輸功率高。
本發(fā)明的目的還在于提供一種井下數(shù)據(jù)傳輸方法,通過該方法可將井下數(shù)據(jù)傳輸至地面,而不受鉆井類型和鉆井液的限制,傳輸功率高。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供一種發(fā)射天線,該發(fā)射天線包括偶極子,所述偶極子包括中空的短節(jié),以及與所述短節(jié)連接的上接頭和下接頭,所述上接頭和下接頭為所述偶極子的兩極。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明還提高一種井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括 井下發(fā)射單元,所述井下發(fā)射單元用于采集井下數(shù)據(jù)并將所述井下數(shù)據(jù)調(diào)制為電磁信號,并將該電磁信號進(jìn)行傳送; 發(fā)射天線,所述發(fā)射天線與所述井下發(fā)射單元連接,設(shè)置于鉆機(jī)的上鉆鋌和下鉆鋌之間,用于接收所述井下發(fā)射單元傳送的電磁信號,并將該電磁信號通過由上鉆鋌、與所述上鉆鋌連接的鉆柱、下鉆鋌、與所述下鉆鋌連接的鉆頭、地層構(gòu)成的傳導(dǎo)回路進(jìn)行傳送; 檢測單元,該檢測單元用于通過所述傳導(dǎo)回路接收所述發(fā)射天線傳送的電磁信號。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明還提供一種井下數(shù)據(jù)傳輸方法,該方法包括 井下發(fā)射單元采集井下數(shù)據(jù)并將所述井下數(shù)據(jù)調(diào)制為電磁信號; 將所述電磁信號傳送至設(shè)置于鉆機(jī)的上鉆鋌和下鉆鋌之間的發(fā)射天線; 所述發(fā)射天線接收所述電磁信號,并通過由上鉆鋌、與所述上鉆鋌連接的鉆柱、下鉆鋌、與所述下鉆鋌連接的鉆頭、地層構(gòu)成的傳導(dǎo)回路將所述電磁信號至檢測單元。
本發(fā)明的有益效果在于,在發(fā)射天線的基礎(chǔ)上建立井下數(shù)據(jù)傳輸信道,將井下數(shù)據(jù)傳輸至地面,不受鉆井和鉆井液的限制,傳輸功率高。
此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解,構(gòu)成本申請的一部分,并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中 圖1是本發(fā)明實施例的發(fā)射天線剖面圖; 圖2是本發(fā)明實施例的發(fā)射天線立體剖視圖; 圖3是本發(fā)明井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)示意圖。
具體實施例方式 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白,下面結(jié)合實施方式和附圖,對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此,本發(fā)明的示意性實施方式及其說明用于解釋本發(fā)明,但并不作為對本發(fā)明的限定。
以下參照附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明。
實施例1 本發(fā)明提供一種發(fā)射天線,該發(fā)射天線包括偶極子,該偶極子包括中空的短節(jié),以及與該短節(jié)連接的上接頭和下接頭,該上接頭和下接頭作為該偶極子的兩極。
由上述實施方式可知,可通過該發(fā)射天線偶極子的兩極接收信號,并將接收到的信號進(jìn)行傳送,尤其可廣泛應(yīng)用于以各種介質(zhì)為鉆井液的特殊工藝井,如定向鉆井、水平鉆井和欠平衡鉆井等,或者應(yīng)用于常規(guī)鉆井中進(jìn)行隨鉆測量的數(shù)據(jù)傳輸中。
其中,短節(jié)的個數(shù)可為一個、2個或多個,并且短節(jié)之間絕緣連接。
本實施方式中,優(yōu)選該短節(jié)為2個該短節(jié)之間用帶有絕緣層的螺扣連接。
在本實施方式中,該發(fā)射天線還包括絕緣層,該絕緣層設(shè)置與該偶極子外壁以及該偶極子內(nèi)壁的上接頭、下接頭和短節(jié)之間的連接縫處。
該短節(jié)之間、短節(jié)與該上接頭和下接頭之間采用螺紋連接。該偶極子外壁和該偶極子內(nèi)壁的連接處設(shè)置有絕緣層。
其中,短節(jié)由鈦合金制成。該上接頭和下接頭用鋼制成,但不限于上述材料,還可根據(jù)需要采用其它的材料。
以下結(jié)合附圖1、2對短節(jié)為2個的發(fā)射天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。
如圖1所示,該發(fā)射天線包括偶極子100,該偶極子100包括中空的短節(jié),以及與該短節(jié)連接的上接頭103和下接頭104,該上接頭103和下接頭104作為該偶極子的兩極。
在本實施方式中,該上接頭103和下接頭104為鋼接頭,短節(jié)101、102由鈦合金制成。
在本實施方式中,短節(jié)101和102之間為絕緣連接,且采用螺紋連接。短節(jié)101和上接頭103之間、短節(jié)102與下接頭104之間也采用螺紋連接。
例如,下接頭104的左端是母螺扣,右端是公螺扣,該下接頭104的公螺扣與短節(jié)102的母螺扣連接,短節(jié)102右端的公螺扣與短節(jié)101的母螺扣連接,短節(jié)101右端的公螺扣與上接頭103左端的母螺扣連接,上述短節(jié)101、102、以及上接頭103、下接頭104之間一旦連接好后將不再拆卸。
但本發(fā)明中,上述各個部分之間的連接不限于上述方式,也可采用其它方式進(jìn)行連接。
其中,短節(jié)101和102之間絕緣連接,在本實施方式中,短節(jié)101和102兩端的螺扣可先用“微弧氧化”的電化學(xué)方法處理形成0.03~0.1mm的氧化層,該氧化層具有絕緣特性,因此,該短節(jié)101和102的螺扣連接后可使兩短節(jié)101和102相互絕緣。
這樣,當(dāng)將上接頭103和下接頭104接好后,上接頭103和下接頭104就形成了該天線的兩電極,上述整個組合體也就形成了“赫茲偶極子”,即該偶極子天線。
此外,當(dāng)將上述天線用于井下數(shù)據(jù)傳輸時,為了防止井下高壓泥漿滲漏到連接螺扣縫中或井壁、巖屑刮磨短節(jié)101和102之間的氧化層,該天線還可包括絕緣層105、106,該絕緣層105和106覆蓋在偶極子的內(nèi)壁和外壁的螺紋連接接縫處,其中,該絕緣層105和106的材料可采用陶瓷或樹脂材料,但不限于此種材料,還可根據(jù)需要采用其它材料。
如圖2所示,該天線的兩極可與井下發(fā)射單元107連接,用于接收該井下發(fā)射單元107傳送的電磁信號,并將該電磁信號發(fā)射出去。其中,井下發(fā)射單元107用于采集井下數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)調(diào)制成電磁信號后傳送至天線。
例如,可在制作好的天線上安裝井下發(fā)射單元,如電磁發(fā)射器107,在電磁發(fā)射器107上的兩電極盤108、109分別緊密地貼靠在下接頭104和上接頭103上。
實施例2 實施例1的發(fā)射天線可用于任何數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r,在本實施例中,以上述發(fā)射天線與井下隨鉆測量相結(jié)合為例進(jìn)行說明。
如圖3所示,將實施例1的發(fā)射天線301與鉆機(jī)的上鉆鋌302和下鉆鋌303連接,此時,就可將井下電磁發(fā)射單元107發(fā)射的電磁信號施加到該上鉆鋌302和與該上鉆鋌302相連接的鉆柱(未示出)、以及該下鉆鋌303和與該下鉆鋌303連接的鉆頭(未示出),這樣在井下實施例1的發(fā)射天線結(jié)合井下上鉆鋌302、鉆柱、下鉆鋌303和鉆頭就形成一個赫茲偶極子天線,這種偶極子天線可在隨鉆的條件下建立起傳輸井下數(shù)據(jù)的信道。
在本實施例中,可通過該發(fā)射天線接收井下發(fā)射單元傳輸?shù)碾姶判盘?,將該電磁信號進(jìn)行傳送,其中,該發(fā)射天線的傳輸功率是P1=U2/R。與相關(guān)技術(shù)相比,P1/P=N2>1,可見本發(fā)明的天線傳輸功率要大于相關(guān)技術(shù)中的天線傳輸功率。另外,該發(fā)射天線可廣泛應(yīng)用于以各種介質(zhì)為鉆井液的特殊工藝井,如定向鉆井、水平鉆井和千平衡鉆井等,或者應(yīng)用于常規(guī)鉆井中進(jìn)行隨鉆測量的數(shù)據(jù)傳輸中。
實施例3 本發(fā)明還提供一種井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),如圖3所示,該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括井下發(fā)射單元、發(fā)射天線和檢測單元;其中, 該井下發(fā)射單元用于采集井下數(shù)據(jù)并將所述井下數(shù)據(jù)調(diào)制為電磁信號,并將該電磁信號進(jìn)行傳送;該發(fā)射天線與該井下發(fā)射單元連接,設(shè)置于鉆機(jī)的上鉆鋌和下鉆鋌之間,用于接收該井下發(fā)射單元傳送的電磁信號,并將該電磁信號通過由上鉆鋌、與該上鉆鋌連接的鉆柱、下鉆鋌、與該下鉆鋌連接的鉆頭、地層構(gòu)成的傳導(dǎo)回路進(jìn)行傳送;該檢測單元用于通過該傳導(dǎo)回路接收發(fā)射天線傳送的電磁信號。
由上述實施方式可知,在發(fā)射天線的基礎(chǔ)上,建立井下數(shù)據(jù)上傳信道的方法,用以克服現(xiàn)有井下傳輸信道技術(shù)中存在的問題。這種無線電磁發(fā)射天線以及以此為基礎(chǔ)建立的井下數(shù)據(jù)上傳信道可廣泛用于以各種介質(zhì)為鉆井液的特殊工藝井(如定向鉆井,水平鉆井,欠平衡鉆井等)或常規(guī)鉆井中進(jìn)行隨鉆測量。
在本實施方式中,如圖2所示,該井下發(fā)射單元,如電磁發(fā)射器設(shè)置于發(fā)射天線的中的腔室內(nèi),但不限于此種方式,該井下發(fā)射單元可設(shè)置于任何位置,可通過連線將該井下發(fā)射單元與發(fā)射天線的兩極連接。
采用上述系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的原理如下 電磁發(fā)射器采集井下數(shù)據(jù),并將該井下數(shù)據(jù)調(diào)制成電磁信號,并將該電磁信號施加到該發(fā)射天線301,該發(fā)射天線301的兩極接收該電磁信號,通過上鉆鋌302、與上鉆鋌302連接的鉆柱、下鉆鋌303和與該下鉆鋌303連接的鉆頭、以及地層304構(gòu)成傳導(dǎo)回路;其中,施加到發(fā)射天線301兩極上的信號電壓在回路中產(chǎn)生出信號電流1,信號電流1沿鉆柱向上傳播,具體地講該信號電流通過上鉆鋌302、鉆柱、地層304、鉆頭、下鉆鋌303構(gòu)成的回路傳播;同時沿鉆柱向上傳播的電流以及進(jìn)入地層304的電流還輻射出電磁波2,在地面通過檢測裝置305檢測經(jīng)過鉆柱向上傳播的電流,且通過接地電極306檢測輻射出的電磁波,這樣,就可獲取采集的井下數(shù)據(jù)。
實施例4 本發(fā)明還提供一種井下數(shù)據(jù)傳輸方法,該方法包括井下發(fā)射單元采集井下數(shù)據(jù)并將所述井下數(shù)據(jù)調(diào)制為電磁信號;將該電磁信號傳送至設(shè)置于鉆機(jī)的上鉆鋌和下鉆鋌之間的發(fā)射天線;該發(fā)射天線接收該電磁信號,并通過由上鉆鋌、與所述上鉆鋌連接的鉆柱、下鉆鋌、與所述下鉆鋌連接的鉆頭、地層構(gòu)成的傳導(dǎo)回路將所述電磁信號至檢測單元。
具體傳輸方式如實施例3所述,此處不再贅述。
由上述實施方式可知,本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于以各種介質(zhì)為鉆井液的特殊工藝井,如定向鉆井、水平鉆井和千平衡鉆井等,或者應(yīng)用于常規(guī)鉆井中進(jìn)行隨鉆測量,且傳輸功率高。
以上所述的具體實施方式
,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式
而已,并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)射天線,其特征在于,所述發(fā)射天線包括偶極子,所述偶極子包括中空的短節(jié),以及與所述短節(jié)連接的上接頭和下接頭,所述上接頭和下接頭為所述偶極子的兩極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射天線,其特征在于,所述短節(jié)為兩個或多個,所述兩個或多個短節(jié)之間絕緣連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)射天線,其特征在于,所述短節(jié)之間、短節(jié)與所述上接頭和所述下接頭之間為螺紋連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的發(fā)射天線,其特征在于,所述發(fā)射天線還包括絕緣層,所述絕緣層設(shè)置與所述偶極子外壁以及所述偶極子內(nèi)壁的連接處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射天線,其特征在于,所述短節(jié)由鈦合金制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射天線,其特征在于,所述上接頭和下接頭用鋼制成。
7.一種井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),其特征在于,所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括
井下發(fā)射單元,所述井下發(fā)射單元用于采集井下數(shù)據(jù)并將所述井下數(shù)據(jù)調(diào)制為電磁信號,并將該電磁信號進(jìn)行傳送;
發(fā)射天線,所述發(fā)射天線與所述井下發(fā)射單元連接,設(shè)置于鉆機(jī)的上鉆鋌和下鉆鋌之間,用于接收所述井下發(fā)射單元傳送的電磁信號,并將該電磁信號通過由上鉆鋌、與所述上鉆鋌連接的鉆柱、下鉆鋌、與所述下鉆鋌連接的鉆頭、地層構(gòu)成的傳導(dǎo)回路進(jìn)行傳送;
檢測單元,所述檢測單元用于通過所述傳導(dǎo)回路接收所述發(fā)射天線傳送的電磁信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng),其特征在于,所述偶極子包括中空的短節(jié),以及與所述短節(jié)連接的上接頭和下接頭,所述上接頭和下接頭為所述偶極子的兩極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng),其特征在于,所述短節(jié)為兩個或多個,所述兩個或多個短節(jié)之間絕緣連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng),其特征在于,所述短節(jié)之間、短節(jié)與所述上接頭和所述下接頭之間為螺紋連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的系統(tǒng),其特征在于,所述偶極子外壁、所述偶極子內(nèi)壁的連接處、所述偶極子內(nèi)壁和外壁的與所述上鉆鋌和下鉆鋌的連接處設(shè)置有絕緣層。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng),其特征在于,所述短節(jié)由鈦合金制成;所述上接頭和下接頭用鋼制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng),其特征在于,所述井下發(fā)射單元設(shè)置于所述短節(jié)的中空的腔室內(nèi)。
14.一種井下數(shù)據(jù)傳輸方法,其特征在于,所述方法包括
井下發(fā)射單元采集井下數(shù)據(jù)并將所述井下數(shù)據(jù)調(diào)制為電磁信號;
將所述電磁信號傳送至設(shè)置于鉆機(jī)的上鉆鋌和下鉆鋌之間的發(fā)射天線;
所述發(fā)射天線接收所述電磁信號,并通過由上鉆鋌、與所述上鉆鋌連接的鉆柱、下鉆鋌、與所述下鉆鋌連接的鉆頭、地層構(gòu)成的傳導(dǎo)回路將所述電磁信號至檢測單元。
全文摘要
本發(fā)明提供一種隨鉆電磁發(fā)射天線、井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和方法。該發(fā)射天線包括偶極子,所述偶極子包括中空的短節(jié),以及與所述短節(jié)連接的上接頭和下接頭,所述上接頭和下接頭為所述偶極子的兩極。通過該天線可傳輸井下數(shù)據(jù),且傳輸功率高;并且在發(fā)射天線的基礎(chǔ)上建立井下數(shù)據(jù)傳輸信道,將井下數(shù)據(jù)傳輸至地面,不受鉆井和鉆井液的限制,傳輸功率高。
文檔編號E21B47/12GK101291015SQ20081011463
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月11日
發(fā)明者林 李, 竇修榮, 張曉麗, 英 彭 申請人:中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院