CN116357304B - 智能导钻井地电磁传输地面发射***及方法 - Google Patents

智能导钻井地电磁传输地面发射***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了智能导钻井地电磁传输地面发射***及方法，包括：井场发电装置、地面发射装置和电流传输地面电极，所述井场发电装置、所述地面发射装置和所述电流传输地面电极依次连接；所述井场发电装置，用于给所述地面发射装置供电；所述地面发射装置，用于通过变压器将产生的电流波形发送给所述电流传输地面电极；所述电流传输地面电极，用于将电流波形通过钻杆与地层发送给井下接收机，完成导钻井地电磁传输地面发射。本发明的钻井作业平台(井架)与发射***不需要电气连接，能够发射更高的功率而不影响作业安全性，发射更大电流后，深井钻头附近的接收机可获得更强的信号。

Description

智能导钻井地电磁传输地面发射***及方法
技术领域
本发明属于石油钻井技术领域，尤其涉及智能导钻井地电磁传输地面发射***及方法。
背景技术
井地传输(也称随钻测量)实现了井下数据上传与地面钻井命令下传，在智能导钻***中至关重要。随钻测量按信号传输方式可分为电缆随钻测量、中心通缆随钻测量、声波随钻测量、泥浆脉冲随钻测量和电磁随钻测量(electromagnetic measurement whiledrilling EM-MWD)，其中电缆和中心通缆方式为有线随钻测量，声波、泥浆脉冲和电磁方式为无线随钻测量。由于有线随钻测量影响钻杆起下钻效率，易磨损容易损坏，不适用于钻井工程。声波方式利用沿钻杆传播的声波传输信号，不受钻井液和地层影响，但衰减很快，传输距离有线，需要配备多个中继器，不适用于深井中。泥浆波采用泥浆压力波传输信号，该技术相对成熟，在钻井领域有广泛应用，但在空气、泡沫等压缩性钻井介质中无法有效使用，且在漏失地层钻井中不能正常工作。EM-MWD应用低频电磁信号通过钻杆和地层完成信号传输也不受钻井介质影响，适用于常规钻井，漏失井况和气体钻井等各类钻井施工，相比泥浆脉冲，结构简单，没有活动部件，具有更加广阔的应用前景。井架电极激励方式通过电缆连接钻机(与井下连通)和埋在地下几米到几十米的电极，从而在钻杆与电极之间形成回路，这种方式由于井架、钻机和钻杆是电气连接的，为了钻井安全，地面激励源电压不能太大，发射功率很小，往地下传播的电磁能量较小；邻井套管激励方式是在邻井深部的套管某个位置放置绝缘短节，然后将激励源通过电缆接到绝缘短节两端的套管上，这种施工方式虽然信号较强，但施工难度大，成本高，不利于工程应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了智能导钻井地电磁传输地面发射***及方法，钻井作业平台(井架)与发射***不需要电气连接，能够发射更高的功率而不影响作业安全性，发射更高电流后，深井钻杆不同位置获得更强的信号。
一方面为实现上述目的，本发明提供了智能导钻井地电磁传输地面发射***，包括：井场发电装置、地面发射装置和电流传输地面电极，所述井场发电装置、所述地面发射装置和所述电流传输地面电极依次连接；
所述井场发电装置，用于给所述地面发射装置供电；
所述地面发射装置，用于通过变压器将产生的电流波形发送给所述电流传输地面电极；
所述电流传输地面电极，用于将电流波形通过钻杆与地层发送给井下接收机，完成导钻井地电磁传输地面发射。
可选的，所述井场发电装置包括井场柴油发电机，所述井场柴油发电机包括U端、V端和W端，所述U端、所述V端和所述W端分别与所述地面发射装置连接。
可选的，所述地面发射装置分别与所述井场发电装置和所述电流传输地面电极连接，所述地面发射装置包括直流母线模块、逆变模块和控制模块，所述直流母线模块与所述U端、所述V端、所述W端以及所述逆变模块连接，所述逆变模块与所述控制模块和所述电流传输地面电极连接。
可选的，所述直流母线模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、电感和电容；
所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接，并与所述U端连接；
所述第三二极管的阴极与所述第四二极管的阳极连接，并与所述V端连接；
所述第五二极管的阴极与所述第六二极的管阳极连接，并与所述W端连接；
所述第一二极管的阳极、所述第三二极管的阳极和所述第五二极管的阳极分别与所述电感连接；
所述电感与所述电容的阳极连接，构成直流母线的正极；
所述第二二极管的阴极、所述第四二极管的阴极、所述第六二极管的阴极与所述电容的阴极连接，构成直流母线的负极。
可选的，所述逆变模块包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、电流传感器和变压器；
所述第一绝缘栅双极型晶体管、所述第二绝缘栅双极型晶体管、所述第三绝缘栅双极型晶体管、所述第四绝缘栅双极型晶体管连接并构成H型逆变桥；
所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述直流母线的正极连接；
所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极和所述第四绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述直流母线的负极连接；
所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极和所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极接通并与所述变压器的原边一端连接；
所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极和所述第四绝缘栅双极型晶体管的集电极接通并与所述变压器的原边的另一端连接；
所述变压器的原边的两端之间设置有所述电流传感器；
所述变压器的副边的两个输出端与所述电流传输地面电极连接。
可选的，所述控制模块包括波形发生器、控制器和驱动器，所述电流传感器获取的发射电流与所述波形发生器进行对比形成误差信号，所述误差信号输入所述控制器获取四个驱动信号，所述四个驱动信号通过所述驱动器形成四个绝缘栅双极型晶体管一一对应的控制信号并接入各个绝缘栅双极型晶体管的门极控制端。
可选的，所述控制器的内部包括第一比较器、第二比较器和RS触发器，所述误差信号分别输入所述第一比较器的负极和所述第二比较器的正极，所述第一比较器的正极接入直流电压-V，所述第二比较器的负极接入直流电压+V，所述第一比较器的输出端与所述触发器的R端连接，所述第二比较器的输出端与所述触发器的S端连接，所述触发器的Q端和/Q端输出所述四个驱动信号，所述驱动信号输入所述驱动器中，形成控制信号控制四个绝缘栅双极型晶体管。
另一方面为实现上述目的，本发明还提供了智能导钻井地电磁传输地面发射方法，包括以下步骤：
通过柴油发电机为地面发射装置提供电源；
通过电源所述地面发射装置产生电流波形；
所述地面发射装置的两端与两个地面电极连接，通过所述两个地面电极将所述电流波形传输给井下接收机，完成导钻井地电磁传输地面发射。
本发明技术效果：本发明公开了智能导钻井地电磁传输地面发射***及方法，在深井钻杆不同位置具有更强的电流密度，信号更强，本发明与作业井架没有电气连接，可以发射更高的功率而不影响作业安全性，发射更高电流后，深井钻杆不同位置获得更强的信号，本发明具有很明显的优势。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例智能导钻井地电磁传输地面发射***的结构示意图；
图2为本发明实施例控制器内部结构示意图；
图3为本发明实施例智能导钻井地电磁传输地面发射方法的流程示意图；
图4为本发明实施例发射信号实施流程图；
图5为本发明实施例计算模型设计示意图；
图6为本发明实施例井架电极方式的电流空间分布情况示意图；
图7为本发明实施例本发明方式的电流空间分布情况示意图；
图8为本发明实施例本发明方式与传统方式钻杆上的电流密度分布图；
图9为本发明实施例本发明方式与传统方式钻杆上的电场强度分布图；
图10为本发明实施例控制电流波形与输出电流波形实施效果。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1所示，本实施例中提供智能导钻井地电磁传输地面发射***，包括：
井场发电装置、地面发射装置和电流传输地面电极，井场发电装置、地面发射装置和电流传输地面电极依次连接；井场发电装置，用于给地面发射装置供电；地面发射装置，用于通过变压器将产生的电流波形发送给电流传输装置；电流传输地面电极，用于将电流波形通过钻杆和地层发送给井下接收机，完成导钻井地电磁传输地面发射。
其中，井场发电装置包括井场柴油发电机，井场柴油发电机包括U端、V端和W端，U端、V端和W端分别与地面发射装置连接。地面发射装置分别与井场发电装置和电流传输装置连接，地面发射装置包括直流母线模块、逆变模块和控制模块，直流母线模块与U端、V端、W端以及逆变模块连接，逆变模块与控制模块和变压器连接，变压器与电流传输地面电极连接。
直流母线模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、电感和电容；第一二极管的阴极与第二二极管的阳极连接，并与U端连接；第三二极管的阴极与第四二极管的阳极连接，并与V端连接；第五二极管的阴极与第六二极的管阳极连接，并与W端连接；第一二极管的阳极、第三二极管的阳极和第五二极管的阳极分别与电感连接；电感与电容的阳极连接，构成直流母线的正极；第二二极管的阴极、第四二极管的阴极、第六二极管的阴极与电容的阴极连接，构成直流母线的负极。具体包括：二极管D1阴极与二极管D2的阳极连接，并接到井场柴油发电机输出U端；二极管D3阴极与二极管D4的阳极连接，并接到井场柴油发电机输出V端；二极管D5阴极与二极管D6的阳极连接，并接到井场柴油发电机输出W端；二极管D1、D3、D5的阳极连接在一起并接入电感L，电感另一端连接电容C的阳极构成直流母线的正极；二极管D2、D4、D6的阴极连接在一起并接入电容C阴极构成直流母线的负极。
逆变模块包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、电流传感器和变压器；第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管连接并构成H型逆变桥；第一绝缘栅双极型晶体管的集电极和第三绝缘栅双极型晶体管的集电极与直流母线的正极连接；第二绝缘栅双极型晶体管的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管的发射极与直流母线的负极连接；第一绝缘栅双极型晶体管的发射极和第二绝缘栅双极型晶体管的集电极接通并与变压器的原边一端连接；第三绝缘栅双极型晶体管的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管的集电极接通并与变压器的原边的另一端连接；变压器的原边的两端之间设置有电流传感器；变压器的副边的两个输出端与电流传输装置连接。具体包括：S1S2S3S4四个绝缘栅双极型晶体管IGBT构成H逆变桥，S1S3的集电极接通连接直流母线的正极，S2S4发射机接通连接直流母线的负极连接。S1发射极与S2集电极接通连接变压器T原边的一端，S3发射极与S4集电极接通连接变压器T原边的另一端。变压器副边两个输出端分别接到输出地面电极上。
控制模块包括波形发生器、控制器和驱动器，电流传感器获取的发射电流与波形发生器进行对比形成误差信号，误差信号输入控制器获取四个驱动信号，四个驱动信号通过驱动器形成四个绝缘栅双极型晶体管一一对应的控制信号并接入各个绝缘栅双极型晶体管的门极控制端。控制器的内部包括第一比较器、第二比较器和RS触发器，误差信号分别输入第一比较器的负极和第二比较器的正极，第一比较器的正极接入直流电压-V，第二比较器的负极接入直流电压+V，第一比较器的输出端与触发器的R端连接，第二比较器的输出端与触发器的S端连接，触发器的Q端和/Q端输出四个驱动信号，驱动信号输入所述驱动器中，形成控制信号控制四个绝缘栅双极型晶体管。通过电流传感器获得变压器原边的发射电流，发射电流与波形发生器进行对比形成误差信号e，误差信号送入到PWM控制器后产生四个驱动信号abcd，驱动信号abcd通过MOS驱动器形成S1S2S3S4的控制信号分别接入S1S2S3S4的门极控制端。其中PWM控制器内部结构如图2所示，将发送数据编码成需要发射的电流波形Iref-AC，将发射电流减去编码波形获得误差信号e，误差信号e分别送入比较器A1的负极性端和比较器A2的正极性端，A1的正极性端接直流电压-V，A2的负极性端接直流电压+V，设置V为0.1表示输出电流误差在±0.1A。比较器A1输出连接RS触发器的R端，比较器A2输出端连接RS触发器的S端。RS触发器输出Q形成信号ab，RS触发器输出/Q形成信号cd，信号abcd通过MOS驱动器后形成逆变桥四个绝缘栅双极型晶体管的门极驱动信号S1S2S3S4。由于发射***通过变压器输出到电极，因此与柴油发电机是电器隔离的，加上套管绝缘套环的作用，发射机与钻机之间属于完全安全隔离，可实现1kW以上的大功率发射。本发明发射***采用井场柴油发电机，不存在***供电问题，输出变压器最高电压1000V，可实现高达20kW以上的大功率发射，远比现有发射***只有3-5W的发射功率大的多，确保了井下接收机可以获得足够强的地面下行信号。由于发射装置通过变压器输出实现与井场设备的电气隔离，施工更加安全。
如图3所示，本实施例中还提供了智能导钻井地电磁传输地面发射方法，包括以下步骤：
通过柴油发电机为地面发射装置提供电源；
通过电源地面发射装置产生电流波形；
地面发射装置的两端与两个地面电极连接，利用两个地面电极将电流波形传输给井下接收机，完成导钻井地电磁传输地面发射。
如图4所示，首先发射机确定需要发送的数据信息后，对数据进行编码，形成需要发射电流的波形Iref-AC。将发射电流减去编码波形获得误差信号e，误差信号e分别送入比较器A1的负极性端和比较器A2的正极性端，A1的正极性端接直流电压-V，A2的负极性端接直流电压+V，设置V为0.1表示输出电流误差在±0.1A。比较器A1输出连接RS触发器的R端，比较器A2输出端连接RS触发器的S端。RS触发器输出Q形成信号ab，RS触发器输出/Q形成信号cd，信号abcd通过MOS驱动器后形成逆变桥四个绝缘栅双极型晶体管的门极驱动信号S1S2S3S4。
在同一种地质环境下，开展与传统发射方法的对比实验，如图5-10所示。
井下接收到信号幅度为V＝J·S·d·ρ，其中J为钻杆安装接收电极位置的电流密度，S为钻杆横截面积，d为接收电极绝缘短结长度，通常小于0.5m，ρ为电极两端平均电阻率，由钻井液，地层电阻率等影响，因此在相同钻井条件下，接收信号强度与接收位置上的电流密度成正比，进而与接收位置上的电场强度成正比。设计仿真计算模型长5km，宽5km，空气层高1km，地层深2km，空气的电阻率为3×1013Ω·m，地层的电阻率为100Ω·m，井口在原点坐标(0,0,0)，垂直井段深1km，水平井段1km，如图5所示。首先计算井架电极的传统方式，将发射一端接到井口，另一端接到离井口50m的电极的情况。发射电流为1A，频率为10Hz，其电流空间分布情况如图6所示。可见，大部分电流集中在井口附近，深部电流减少。然后计算如图1本发明的传统方式，将发射一端接到离井口1m地面电极，另一端接到1km外的地面电极情况。发射电流分别为1A，20A，频率为10Hz，其电流空间分布情况如图7所示，相比传统方式，本发明技术在深部的电流密度更强，除了一部分从浅部回流外，大部分电流从深部钻杆回流，因此在同等发射电流条件下，本发明技术在增加深部信号强度方面具有明显的效果。为了更直观地给出上面的结论，分别分析两种方式沿钻杆位置的电场分布情况。传统方式与本发明激励方式下，沿钻杆上的电流密度分布如图8所示，沿钻杆上的电场强度分布如图9所示。可以看出，在同时发射1A的条件下，钻杆100m以浅的位置钻杆上电流密度分布几乎相同，随着深度的加深，传统井架电极方式快速下降，而本发明方式的电流密度与电场强度只有小幅下降，逐渐大于井架电极方式，具有明显优势。另外，由于本发明方式的发射功率是从井场柴油发电机取电，发射功率可达20kW以上，而井架电极方式通常只有几W，将本发明方式的发射电流加大到20A后，信号强度获得了大幅度提升。假设直流母线电压为500V，发射电流波形为正弦波，幅度为20A，频率为100Hz，那么控制输出波形如图10所示，从图10中可以看出，输出电流波形基本跟随控制电流波形的形态，达到了控制目的。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.智能导钻井地电磁传输地面发射***，其特征在于，包括：
井场发电装置、地面发射装置和电流传输地面电极，所述井场发电装置、所述地面发射装置和所述电流传输地面电极依次连接；
所述井场发电装置，用于给所述地面发射装置供电；所述井场发电装置包括井场柴油发电机，所述井场柴油发电机包括第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述第一输出端、所述第二输出端和所述第三输出端分别与所述地面发射装置连接；
所述地面发射装置，用于通过变压器将产生的电流波形发送给所述电流传输地面电极；所述地面发射装置分别与所述井场发电装置和所述电流传输地面电极连接，所述地面发射装置包括直流母线模块、逆变模块和控制模块，所述直流母线模块与所述第一输出端、所述第二输出端、所述第三输出端以及所述逆变模块连接，所述逆变模块与所述控制模块和所述电流传输地面电极连接；所述控制模块包括波形发生器、控制器和驱动器，所述逆变模块包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、电流传感器和变压器；所述逆变模块中的所述电流传感器获取的发射电流与所述波形发生器进行对比形成误差信号，所述误差信号输入所述控制器获取四个驱动信号，所述四个驱动信号通过所述驱动器形成四个绝缘栅双极型晶体管一一对应的控制信号并接入各个绝缘栅双极型晶体管的门极控制端；
所述电流传输地面电极，用于将电流波形通过钻杆与地层发送给井下接收机，完成导钻井地电磁传输地面发射。
2.如权利要求1所述的智能导钻井地电磁传输地面发射***，其特征在于，
所述直流母线模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、电感和电容；
所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接，并与所述第一输出端连接；
所述第三二极管的阴极与所述第四二极管的阳极连接，并与所述第二输出端连接；
所述第五二极管的阴极与所述第六二极的管阳极连接，并与所述第三输出端连接；
所述第一二极管的阳极、所述第三二极管的阳极和所述第五二极管的阳极分别与所述电感连接；
所述电感与所述电容的阳极连接，构成直流母线的正极；
所述第二二极管的阴极、所述第四二极管的阴极、所述第六二极管的阴极与所述电容的阴极连接，构成所述直流母线的负极。
3.如权利要求2所述的智能导钻井地电磁传输地面发射***，其特征在于，
所述第一绝缘栅双极型晶体管、所述第二绝缘栅双极型晶体管、所述第三绝缘栅双极型晶体管、所述第四绝缘栅双极型晶体管连接并构成H型逆变桥；
所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述直流母线的正极连接；
所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极和所述第四绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述直流母线的负极连接；
所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极和所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极接通并与所述变压器的原边一端连接；
所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极和所述第四绝缘栅双极型晶体管的集电极接通并与所述变压器的原边的另一端连接；
所述变压器的原边的两端之间设置有所述电流传感器；
所述变压器的副边的两个输出端与所述电流传输地面电极连接。
4.如权利要求1所述的智能导钻井地电磁传输地面发射***，其特征在于，
所述控制器的内部包括第一比较器、第二比较器和RS触发器，所述误差信号分别输入所述第一比较器的负极和所述第二比较器的正极，所述第一比较器的正极接入直流电压-V，所述第二比较器的负极接入直流电压+V，所述第一比较器的输出端与所述触发器的R端连接，所述第二比较器的输出端与所述触发器的S端连接，所述触发器的Q端和/Q端输出所述四个驱动信号，所述驱动信号输入所述驱动器中，形成控制信号控制四个绝缘栅双极型晶体管。
5.一种智能导钻井地电磁传输地面发射方法，其特征在于采用权利要求1-4任一所述的智能导钻井地电磁传输地面发射***，包括以下步骤：
通过柴油发电机为地面发射装置提供电源；
通过电源所述地面发射装置产生电流波形；
所述地面发射装置的两端与两个地面电极连接，通过所述两个地面电极将所述电流波形传输给井下接收机，完成导钻井地电磁传输地面发射。
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