CN107130956A - 一种近钻头的数据传输测量装置及其数据传输测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近钻头的数据传输测量装置及其数据传输测量方法。该装置包含近钻头钻铤短节、近钻头测量模块、发射控制电路模块、发射耦合模块、动力钻具、接收耦合模块、接收处理电路模块、随钻测量***、动力钻具上钻铤短节。其中，发射耦合模块和近钻头钻铤短节、动力钻具、动力钻具上钻铤短节以及接收耦合模块形成一个两级变压器耦合电路，完成发射到接收的数据传输，最后再经过接收处理电路模块解码，传输到随钻测量***，进而传输到地面指导定向和地质导向。同时，该装置还可以通过计算传输信号的幅值来确定随钻地层电阻率。
Description
技术领域
本发明涉及油气勘探钻井工程的随钻测量技术领域，尤其涉及一种近钻头的数据传输测量装置及其数据传输测量方法。
背景技术
随着石油和天然气勘探开发的不断进行，剩余的常规油气藏已经越来越少，非常规油气藏、复杂油气藏的开发日益增多。在这些非常规油气藏和复杂油气藏中定向井的施工应用也越来越普遍。在这些定向井施工中，获取近钻头的井眼轨迹参数和地质参数对施工成功与否至关重要。
为了获得近钻头的井眼轨迹参数和地质参数，一方面需要借助近钻头的测量短节，对近钻头的相关参数进行测量；另一方面需要一套短传***，用来完成近钻头测量短节与泥浆脉冲传输***之间的数据传输。这是因为近钻头测量短节与泥浆脉冲传输***之间通常被动力钻具隔开，而常规的动力钻具中很难设置传输线，因此需要一套短传***，跨越动力钻具实现数据传输。
目前现有的近钻头传输***包括以下两类：
一类是有线方式，例如专利文献CN101881155所公开的，这一类方法比较容易理解，就是对常规的动力钻具进行开槽埋设电缆，将数据传输线从动力钻具的中间穿过。这类方式由于动力钻具的加工成本、机械强度等因素，应用范围一直受到限制。
另一类是无线方式，无线方式又包括：声波传输、电磁波传输以及磁场变换等方式。但是由于近钻头剧烈震动的原因，声波传输方式，例如专利文献CN202900265所公开的，会受到严重的干扰，***的稳定性较差。电磁波传输方式，例如专利文献CN201110319158.1所公开的，会受到附近地层以及钻井液的影响，传输信道不稳定，因此需要进一步改进和优化，才有可能有效应用。而磁场变换方式，例如专利文献CN201210458259.1所公开的，涉及复杂的电机和磁铁控制，而且因为近钻头后方有限的空间其安装可行性也受到很大限制。
此外，传统的随钻测量仪器通常设置在动力钻具的上方，距离钻头10米甚至更远的距离，随钻测量仪器的测量数据同样距离钻头10米甚至更远的距离。因此这些数据有一定的滞后性，不能实时或及时反应正在钻进地层的情况。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种近钻头的数据传输测量装置，以及利用该装置向地面传输近钻头测量数据和测量地层电阻率的方法。
本发明提供的近钻头的数据传输测量装置，其特征在于，包括：
近钻头测量模块，其用于测量钻进过程中的相关参数，并将测量数据传给发射控制电路模块；
所述发射控制电路模块，其用于对所述近钻头测量模块传来的测量数据进行编码，并将编码信号传给发射耦合模块；
所述发射耦合模块，其与近钻头钻铤短节、动力钻具、动力钻具上钻铤短节、接收耦合模块一起形成一个两级变压器耦合电路，所述两级变压器耦合电路将所述发射耦合模块接收到的编码信号以变压耦合的方式传给所述接收耦合模块；
接收处理电路模块，其用于对所述接收耦合模块接收到的编码信号进行解码，并将解码后的测量数据传给随钻测量***；
所述随钻测量***，其用于将所述接收处理电路模块传来的测量数据传给地面。
根据本发明的实施例，上述接收处理电路模块还用于根据所述两级变压器耦合电路中的电压、电流信号的幅值计算地层电阻率。
根据本发明的实施例，上述发射控制电路模块可以包括依次连接的数据接收单元、编码微处理器单元、电流放大单元、匹配发送单元，分别用于对测量数据进行接收、编码、放大、匹配。
根据本发明的实施例，上述发射耦合模块套设在所述近钻头钻铤短节外侧，包括第一环形铁氧体和绕制在所述第一环形铁氧体的第一线圈，其中所述第一线圈的两端连接所述发射控制电路模块的输出端；上述接收耦合模块套设在所述动力钻具上钻铤短节外侧，包括第二环形铁氧体和绕制在所述第二环形铁氧体的第二线圈，其中所述第二线圈的两端连接所述接收处理电路模块的输入端。
根据本发明的实施例，上述接收处理电路模块可以包括依次连接的接收匹配单元、增益放大控制单元、带通滤波单元、模数转换单元、微控制器单元、输出单元，分别用于对编码信号进行接收、放大、滤波、转换、解码，然后输出解码后的测量数据。
根据本发明的实施例，上述发射控制电路模块和接收处理电路模块可以采用调频、调幅或调相的方式进行编码和解码。
此外，本发明还提供一种利用上述近钻头的数据传输测量装置进行数据传输测量的方法，包括以下步骤：
S100，通过近钻头测量模块测量钻进过程中的相关参数，并将测量数据传给发射控制电路模块；
S200，通过发射控制电路模块对近钻头测量模块传来的测量数据进行编码，并将编码信号传给发射耦合模块；
S300，通过发射耦合模块、近钻头钻铤短节、动力钻具、动力钻具上钻铤短节、接收耦合模块所形成两级变压器耦合电路，将发射耦合模块接收到的编码信号以变压耦合的方式传给接收耦合模块；
S400，通过接收处理电路模块对接收耦合模块接收到的编码信号进行解码，并将解码后的测量数据传给随钻测量***；
S500，通过随钻测量***将接收处理电路模块传来的测量数据传给地面。
根据本发明的实施例，上述数据传输测量方法还可以包括以下步骤：
S600，通过接收处理电路模块，根据两级变压器耦合电路中的电压、电流信号的幅值计算地层电阻率。
数据传输测量的方法，上述编码和解码可以采用调频、调幅或调相的方式进行。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
1、本发明的近钻头的数据传输测量装置可以设置在距离钻头只有1米左右的位置处，相比与传统装置能够更好地及时反应钻进地层的情况，并具有性能稳定，可靠性高的优点，能够有效地减少因为剧烈震动、钻井液变化等引起的噪声和环境变化对数据传输的影响。
2、与传统的有线传输方式相比，本发明的近钻头的数据传输测量装置成本更低，而且能够方便地集成到各种近钻头测量***上，例如近钻头伽马成像短节等。
3、本发明的近钻头的数据传输测量装置可以先将近钻头测量数据传输给动力钻具上方传统的随钻测量***，再由传统的随钻测量***将近钻头数据传输到地面指导定向和地质导向，实现实时数据的远距离传输。
4、本发明的近钻头的数据传输测量装置同时还具备测量随钻地层电阻率的功能，掌握地质情况更加方便快捷。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出本发明的近钻头的数据传输测量装置的应用示意图；
图2示出本发明实施例的近钻头的数据传输测量装置的结构示意图。
图3示出本发明实施例的近钻头的数据传输测量装置的发射控制电路模块的结构示意图；
图4示出本发明实施例的近钻头的数据传输测量装置的等效电路图；
图5示出本发明实施例的近钻头的数据传输测量装置的接收处理电路模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。
如图1所示，是本发明提供的近钻头的数据传输测量装置的应用示意图。从图1中可以看出，该装置设置于钻柱130靠近钻头120的一端，主要包括以下部件：
近钻头钻铤短节10、近钻头测量模块20、发射控制电路模块30、发射耦合模块40、动力钻具50、接收耦合模块60、接收处理电路模块70、随钻测量***80、动力钻具上钻铤短节90。
图2显示了上述近钻头的数据传输测量装置的结构示意图。其中，封装在各钻铤短节内部的模块未示出，包括：近钻头测量模块20、发射控制电路模块30、接收处理电路模块70、随钻测量***80。
下面详细地介绍该装置的各个部件及其工作原理：
近钻头测量模块20，安装在近钻头钻铤短节10内部，用于测量钻进过程中电阻率、伽马等地质参数或者井斜、方位、工具面等定向参数，并通过有线方式与发射电路控制模块30相连，将测量数据传输给发射电路控制模块30。
发射电路控制模块30，也安装在近钻头钻铤短节10内部。发射控制电路模块30的结构如图3所示，包括：数据接收单元31、编码微处理器单元32、电流放大单元33、匹配发送单元34。发射控制电路模块30的作用是对从近钻头测量模块20传来的测量数据进行编码，然后进行放大和匹配，最后传输给发射耦合模块40。
发射耦合模块40，安装在近钻头钻铤短节10外侧开设的环形凹槽11内，确切地说套设在近钻头钻铤短节10外侧。发射耦合模块40主要由环形铁氧体41和绕制在环形铁氧体的线圈42组成。其中，线圈42的两端接收从发射电路控制模块30传来的信号。
近钻头钻铤短节10、动力钻具50、动力钻具上钻铤短节90三个部件依次相连，相当于一根很粗的导线。这根导线穿过发射耦合模块的环形铁氧体41和绕制在环形铁氧体41上的线圈42，构成了一个n1:1的变压器TR1，其中n1是绕制在环形铁氧体41的线圈42的匝数，1就是这根等效的导线。由于变压器对交流信号有转换效应，因此从发射电路控制模块30传来的信号通过n1:1变压器TR1转换到由近钻头钻铤短节10、动力钻具50、动力钻具上钻铤短节90连接在一起所形成的等效导线上，并因此在由这根等效导线与钻头附近地层110所构成的回路中产生交流电流Is(如图4所示)。
接收耦合模块60，与发射耦合模块40类似，安装在动力钻具上钻铤短节90外侧开设的环形凹槽91内，确切地说套设在动力钻具上钻铤短节90外侧。接收耦合模块60主要由环形铁氧体61和绕制在环形铁氧体61上的的线圈62组成。
由近钻头钻铤短节10、动力钻具50、动力钻具上钻铤短节90连接在一起所形成的等效导线，穿过接收耦合模块60中的环形铁氧体61和绕制在环形铁氧体61上的线圈62，也构成一个1：n2的变压器TR2，其中n2是绕制在环形铁氧体61上的线圈62的匝数，1就是这根等效的导线。由上可知，通过n1:1变压器TR1的作用，从发射电路控制模块30传来的信号可以使得由等效导线与地层所构成的回路中产生交流电流Is，同理，通过1：n2变压器TR2的作用，交流电流Is可以使得在接收耦合模块60中的线圈62的两端产生相应的交流电压Uo(如图4所示)
接收处理电路模块70，安装在动力钻具上钻铤短节90内部。接收处理电路模块70的结构示意图如图5所示，包括：接收匹配单元71、增益放大控制单元72、带通滤波单元73、模数转换单元74、微控制器单元75、输出单元76。其中，接收匹配单元71与接收耦合模块60的线圈62的两端相连，接收线圈62两端的电压信号Uo并进行匹配，后续单元进行放大、滤波和解码，得到近钻头测量模块20测量的数据，最后通过输出单元76将这些测量数据传输给随钻测量***80。随钻测量***80将接收处理电路模块70传来的测量数据传输到地面，完成近钻头测量数据的远距离传输。
整个装置的等效电路如图4所示，相当于是一个两级的变压器变换电路，结合发射部分的编码和匹配放大，接收部分的放大、滤波和解码，最终将近钻头的测量信号传输给随钻测量***，进而传输到地面指导定向和地质导向。其中的编码和解码的方式可以采用调频、调幅、调相等方式，但不局限于这些方式。
接收处理电路模块接收信号并对其进行模数转换和采集存储。接收处理电路模块中的微控制器单元可以进一步对采集存储的交流信号的幅度进行计算。因此，利用上述装置还可以进一步根据两级变压器耦合回路中电压信号Uo、电流信号Is的幅度的大小推算出两级变压器耦合回路中对应的地层电阻率R1(参见图4所示的等效电路图)，即进行地层电阻率的测量。
以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此。例如，近钻头测量模块、发射控制电路模块、接收处理电路模块、随钻测量***的安装位置可以根据需要进行调整。只要能够达到本发明的技术效果，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种近钻头的数据传输测量装置，其特征在于，包括：
近钻头测量模块，其用于测量钻进过程中的相关参数，并将测量数据传给发射控制电路模块；
所述发射控制电路模块，其用于对所述近钻头测量模块传来的测量数据进行编码，并将编码信号传给发射耦合模块；
所述发射耦合模块，其与近钻头钻铤短节、动力钻具、动力钻具上钻铤短节、接收耦合模块一起形成一个两级变压器耦合电路，所述两级变压器耦合电路将所述发射耦合模块接收到的编码信号以变压耦合的方式传给所述接收耦合模块；
接收处理电路模块，其用于对所述接收耦合模块接收到的编码信号进行解码，并将解码后的测量数据传给随钻测量***；
所述随钻测量***，其用于将所述接收处理电路模块传来的测量数据传给地面。
2.根据权利要求1所述的近钻头的数据传输测量装置，其特征在于：
所述接收处理电路模块，其还用于根据所述两级变压器耦合电路中的电压、电流信号的幅值计算地层电阻率。
3.根据权利要求1所述的近钻头的数据传输测量装置，其特征在于：
所述发射控制电路模块包括依次连接的数据接收单元、编码微处理器单元、电流放大单元、匹配发送单元，分别用于对测量数据进行接收、编码、放大、匹配。
4.根据权利要求1所述的近钻头的数据传输测量装置，其特征在于：
所述发射耦合模块套设在所述近钻头钻铤短节外侧，包括第一环形铁氧体和绕制在所述第一环形铁氧体的第一线圈，其中所述第一线圈的两端连接所述发射控制电路模块的输出端；
所述接收耦合模块套设在所述动力钻具上钻铤短节外侧，包括第二环形铁氧体和绕制在所述第二环形铁氧体的第二线圈，其中所述第二线圈的两端连接所述接收处理电路模块的输入端。
5.根据权利要求1所述的近钻头的数据传输测量装置，其特征在于：
所述接收处理电路模块包括依次连接的接收匹配单元、增益放大控制单元、带通滤波单元、模数转换单元、微控制器单元、输出单元，分别用于对编码信号进行接收、放大、滤波、转换、解码，然后输出解码后的测量数据。
6.根据权利要求1所述的近钻头的数据传输测量装置，其特征在于：
所述发射控制电路模块和接收处理电路模块采用调频、调幅或调相的方式进行编码和解码。
7.一种如权利要求1至6中任意一项所述的近钻头的数据传输测量装置的数据传输测量方法，包括以下步骤：
S100，通过近钻头测量模块测量钻进过程中的相关参数，并将测量数据传给发射控制电路模块；
S200，通过发射控制电路模块对近钻头测量模块传来的测量数据进行编码，并将编码信号传给发射耦合模块；
S300，通过发射耦合模块、近钻头钻铤短节、动力钻具、动力钻具上钻铤短节、接收耦合模块所形成两级变压器耦合电路，将发射耦合模块接收到的编码信号以变压耦合的方式传给接收耦合模块；
S400，通过接收处理电路模块对接收耦合模块接收到的编码信号进行解码，并将解码后的测量数据传给随钻测量***；
S500，通过随钻测量***将接收处理电路模块传来的测量数据传给地面。
8.根据权利要求7所述的数据传输测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S600，通过接收处理电路模块，根据两级变压器耦合电路中的电压、电流信号的幅值计算地层电阻率。
9.根据权利要求7或8所述的数据传输测量方法，其特征在于：
所述编码和解码采用调频、调幅或调相的方式进行。
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