专利名称：一种近钻头钻井信号传输系统、设备及方法
技术领域：
本发明涉及石油、天然气和煤层气等开采技术领域，具体地，涉及一种近钻头钻井信号传输系统、设备及方法。
背景技术：
在石油、天然气和煤层气等的定向钻井施工中，获得钻井轨迹参数对施工成功与否至关重要，随着目前钻井行业面临的地质环境越来越复杂，钻井轨迹的控制精度要求也日M提闻。
钻井过程中，钻井轨迹参数主要体现为钻头所在位置处井眼的井斜角、方位角等数据，目前一般采用随钻测量仪器(Measure While Drilling，简称MWD)测量钻井轨迹参数，但是由于定向钻井施工需要用到动力钻具，而随钻测量仪器与钻头分别设置在动力钻具(一般长约十几米)的两端，因此随钻测量仪器并不能直接获取钻头所在位置处井斜角、 方位角等数据。为了解决这一问题，目前常在动力钻具与钻头之间设置无磁钻铤，并在其中装置专门用于测量钻头所在位置井斜角和方位角等参数的钻井传感器，然后通过近钻头钻井信号传输系统将钻井传感器采集的数据传送给随钻测量仪，再由随钻测量仪将采集数据传输给地面接收器。
目前，近钻头信号传输系统常用的信号传输方式主要分为有线传输和无线传输两种，其中，有线传输方式需要在动力钻具上开槽埋设电缆以连接钻井传感器和随钻测量仪， 但这种传输方式会影响动力钻具的机械强度，并对动力钻具中各节钻柱之间的旋装精度有较高要求，实施成本很高；无线传输方式大多采用电磁波传输信号，即在无磁钻铤上缠绕线圈，将钻井传感器采集的数据调制后经过线圈发送电磁波信号，电磁波信号跨过动力钻具后由接收天线接收并传输给随钻测量仪器，最后随钻测量仪器通过解调电磁波信号获得钻井轨迹参数信息，该传输过程的数据传输速率一般为lObits/s，传输距离一般为10nT20m， 该传输过程容易受附近地层及钻井液(高矿化度地层产出液，具有较强电导率)的影响，导致电磁波信号传输信道不稳定、传输速率低且误码率较高。发明内容
本发明实施例的主要目的在于提供一种近钻头钻井信号传输系统、设备及方法， 以解决现有技术的近钻头信号传输系统实施成本高或信道不稳定、路径损耗大、传输速率低且误码率较高的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种近钻头钻井信号传输系统，包括钻井传感器、发射机、接收机和随钻测量仪器；其中，
钻井传感器，封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，用于测量钻井轨迹参数信息并发送给所述发射机；
发射机，封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，与所述钻井传感器连接，用于根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场；
接收机，设置于靠近随钻测量仪器的动力钻具端部，用于利用所述交变磁场产生感应电流信号，根据所述感应电流信号获取钻井轨迹参数信息并发送给所述随钻测量仪器；
随钻测量仪器，设置于动力钻具与地面之间，用于将所述钻井轨迹参数信息发送给地面接收器。
一种近钻头钻井信号传输设备，包括发射机和接收机；其中，
发射机，封装于设置在动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，与钻井传感器连接， 用于接收所述钻井传感器发送的钻井轨迹参数信息，并根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场；
接收机，设置于靠近随钻测量仪器的动力钻具端部，用于利用所述交变磁场产生感应电流信号，根据所述感应电流信号获取所述钻井轨迹参数信息，并将所述获取的钻井轨迹参数信息发送给随钻测量仪器。
优选的，所述发射机具体包括第一数据接口、信号调制装置、控制装置、电机和磁铁；其中，
第一数据接口，用于接收钻井传感器发送的钻井轨迹参数信息并发送给所述信号调制装置；
信号调制装置，连接所述第一数据接口，用于对所述钻井轨迹参数信息进行调制处理获得调制信号，并将所述调制信号发送给控制装置；
控制装置，连接所述信号调制装置，用于根据所述调制信号控制所述电机旋转；
电机，固定连接所述磁铁，用于驱动所述磁铁旋转；
磁铁,用于通过旋转产生交变磁场。
优选的，所述磁铁为永磁铁。
优选的，所述接收机具体包括线圈、放大器、滤波器、信号解调装置、第二数据接口 ；其中，
线圈，缠绕于所述动力钻具端部的钻柱外侧，用于根据所述交变磁场产生感应电流号;
放大器，连接所述线圈，用于对所述感应电流信号进行放大处理；
滤波器，连接所述放大器，用于对放大处理后的感应电流信号进行滤波处理；
信号解调装置，连接所述滤波器，用于对滤波处理后的感应电流信号进行解调制处理以获取钻井轨迹参数信息；
第二数据接口，分别连接所述信号解调装置和随钻测量仪器，用于将所述获取的钻井轨迹参数信息发送给所述随钻测量仪器。
—种近钻头钻井信号传输方法包括
发射机接收钻井传感器发送的钻井轨迹参数信息，并根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场，所述发射机封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部；
接收机利用所述交变磁场产生感应电流信号，根据所述感应电流信号获取钻井轨迹参数信息并发送给随钻测量仪器，所述接收机设置于靠近随钻测量仪器的动力钻具端部。
优选的，根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场，具体包括
对所述钻井轨迹参数信息进行调制处理，获得调制信号；
根据所述调制信号，控制磁铁旋转以产生交变磁场。
优选的，对所述钻井轨迹参数信息进行调制处理，具体为对所述钻井轨迹参数信息进行二相相移键控2PSK调制处理。
优选的，控制磁铁旋转以产生交变磁场，具体为
控制所述磁铁旋转的方向；和/或，
控制所述磁铁旋转的速度；和/或，
控制所述磁铁开始或停止旋转。
借助于上述技术方案，本发明基于电磁感应原理，由靠近钻头的发射机根据调制后的钻井轨迹参数产生交变磁场，利用动力钻具的钻柱汇聚所述交变磁场的磁力线，由靠近随钻测量仪器的接收机根据交变磁场产生感应电流信号，并根据感应电流信号获取钻井轨迹参数信息，相比于现有技术中采用电缆传输信号的方式，本发明实施例不需要在动力钻具上开槽埋设电缆，不会影响动力钻具的机械强度，相比于现有技术中采用电磁波传输信号的方式，本发明实施例的传输过程不会受附近地层及钻井液的影响，传输信道稳定、传输距离长、传输速率高且误码率低。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图I是本发明实施例一提供的近钻头钻井信号传输系统的结构示意图2是本发明实施例二提供的近钻头钻井信号传输设备的结构示意图3是本发明实施例二提供的发射机的结构示意图4是本发明实施例二提供的接收机的结构示意图5是本发明实施例二提供的交变磁场磁力线分布示意图6是本发明实施例三提供的近钻头钻井信号传输方法流程图7是本发明实施例三提供的根据钻井轨迹参数信息产生交变磁场的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要指出的是，本发明实施例中所说的钻井轨迹参数信息是指钻头所在位置处井眼的井斜角、方位角等数据信息。
鉴于现有的近钻头信号传输系统具有实施成本高、信道不稳定、路径损耗大、传输速率低且误码率较高等缺陷，本发明实施例提供了一种近钻头钻井信号传输系统、设备及方法，用以实现通过传输信道稳定、无多路径损耗、传输速率高且误码率低的传输方式将钻井传感器采集的钻井轨迹参数信息发送给随钻测量仪器的目的。以下结合附图对本发明进行详细说明。
实施例一
本实施例提供一种近钻头钻井信号传输系统，如图I所示，该近钻头钻井信号传输系统包括钻井传感器11、发射机12、接收机13和随钻测量仪器14 ;其中，
钻井传感器11，封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，用于测量钻井轨迹参数信息并发送给所述发射机12 ；
发射机12，封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，与所述钻井传感器11连接，用于根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场；
接收机13，设置于靠近随钻测量仪器14的动力钻具端部，用于利用所述交变磁场产生感应电流信号，根据所述感应电流信号获取钻井轨迹参数信息并发送给所述随钻测量仪器14 ；
随钻测量仪器14，设置于动力钻具与地面之间，用于将所述钻井轨迹参数信息发送给地面接收器。
具体的，如图I所示，钻井传感器11和发射机12被封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，即靠近钻头设置；接收机13设置于动力钻具的端部，且靠近随钻测量仪器 14设置；本实施例将发射机12和接收机13分别设置于动力钻具的两端，并利用发射机12 产生交变磁场，利用动力钻具的钻柱(具有高磁导率)汇聚所述交变磁场的磁力线，以及利用接收机13产生感应电流信号的方式将钻井传感器11采集的钻井轨迹参数信息传输给随钻测量仪器14。
本实施例提供的近钻头钻井信号传输系统的信号传输速率可达到20bits/s，传输距离可达到20m，完全满足跨过动力钻具，将钻井传感器11采集的钻井轨迹参数信息传输给随钻测量仪器14的目的。相比于现有技术中采用电缆传输信号的近钻头钻井信号传输系统，本实施例不需要在动力钻具上开槽埋设电缆，不会影响动力钻具的机械强度，相比于现有技术中采用电磁波传输信号的近钻头钻井信号传输系统，本实施例不会受附近地层及钻井液的影响，传输信道稳定、无多路径损耗、传输速率高且误码率低。
实施例二
本实施例提供一种近钻头钻井信号传输设备，如图2所示，该设备包括发射机21 和接收机22 ;其中，
发射机21，封装于设置在动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，与钻井传感器连接，用于接收所述钻井传感器发送的钻井轨迹参数信息，并根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场；
接收机22，设置于靠近随钻测量仪器的动力钻具端部，用于利用所述交变磁场产生感应电流信号，根据所述感应电流信号获取所述钻井轨迹参数信息，并将所述获取的钻井轨迹参数信息发送给随钻测量仪器。
具体的，本实施例将发射机21封装于无磁钻铤内部，以避免动力钻具及钻头所产生的磁场对本实施例中产生的交变磁场造成不良影响，发射机21与同样设置于无磁钻铤内部的钻井传感器相连接，用于接收钻井传感器采集的钻井轨迹参数信息，并根据钻井轨7迹参数信息产生交变磁场，因此，所产生的交变磁场本身的磁力线分布变化情况即表征了钻井轨迹参数信息；
本实施例将接收机22设置于靠近随钻测量仪器的动力钻具端部，即设置于动力钻具两端中靠近随钻测量仪器的一端，用于根据发射机21产生的交变磁场产生感应电流信号，由于所 述交变磁场本身的磁力线分布变化情况表征了钻井轨迹参数信息，基于电磁感应原理产生的感应电流信号也表征了钻井轨迹参数信息，因此接收机22可根据所述感应电流信号获取钻井轨迹参数信息并发送给随钻测量仪器。
优选的，如图3所示，所述发射机21具体包括第一数据接口 211、信号调制装置 212、控制装置213、电机214和磁铁215 ;其中，
第一数据接口 211，用于接收钻井传感器发送的钻井轨迹参数信息并发送给所述信号调制装置212 ；
信号调制装置212，连接所述第一数据接口 211，用于对所述钻井轨迹参数信息进行调制处理获得调制信号，并将所述调制信号发送给所述控制装置213 ；
控制装置213，连接所述信号调制装置212，用于根据所述调制信号控制所述电机 214旋转；
电机214，固定连接所述磁铁215，用于驱动所述磁铁215旋转；
磁铁215,用于通过旋转产生交变磁场。
具体的，根据信息调制处理的需要，可设置所述磁铁215为一个或多个，以产生一个或多个交变磁场去表征钻井轨迹参数信息；实际实施时，虽然采用的磁铁215数目越多， 所传递的信息越精确，速率也越高，但考虑到井下高温工作环境中不应让信息调制装置因数据处理过程复杂而产生较多的热量，因此需合理设置磁铁215的数目，既达到一定的信息传输精度、传输速度，又保证信息调制装置产生的热量较少。
优选的，本实施例中使用的磁铁215为永磁铁215。
具体的，由于井下的磁场情况复杂，干扰较多，为了确保本实施例中接收机22能够感受到磁场强度较强的交变磁场，同时避免使用电磁铁215带来的耗电及生热等不良效应，本实施例中米用永磁铁215产生交变磁场。
优选的，如图4所示，所述接收机22具体包括线圈221、放大器222、滤波器223、 信号解调装置224、第二数据接口 225 ;其中，
线圈221，缠绕于所述动力钻具端部的钻柱外侧，用于根据所述交变磁场产生感应电流信号；
放大器222，连接所述线圈221，用于对所述感应电流信号进行放大处理；
滤波器223，连接所述放大器222，用于对放大处理后的感应电流信号进行滤波处理；
信号解调装置224，连接所述滤波器223，用于对滤波处理后的感应电流信号进行解调制处理以获取钻井轨迹参数信息；
第二数据接口 225，分别连接所述信号解调装置224和随钻测量仪器，用于将所述获取的钻井轨迹参数信息发送给所述随钻测量仪器。
具体的，图5所不为交变磁场的磁力线分布不意图，钻柱为铁磁性物质,具有闻磁导率，对发射机21所产生的交变磁场的磁感应线具有汇聚作用；动力钻具由多个钻柱连接组成，本实施例将线圈221缠绕于动力钻具端部的钻柱外侧，且靠近随钻测量仪器设置，线圈221所包围面积内的磁通量会跟随交变磁场的变化而变化，也就能够产生随着交变磁场变化的感应电动势以及感应电流信号，该感应电流信号表征了交变磁场的变化情况，也就表征了钻井轨迹参数信息；
由于井下环境存在多种磁场(如地磁场、动力钻具或钻头工作过程中产生的磁场等)，各种磁场产生的磁力线都有可能引起线圈221发生电磁感应，进而产生干扰信号，本实施例中设置滤波器223将滤除这些干扰信号，以获得能够真实反映交变磁场变化情况的感应电流信号；
本实施例中，采用信号解调装置224对滤波处理后的感应电流信号进行解调制处理，以获取钻井轨迹参数信息，本信号解调装置224所做的解调制处理应与发射机21中信号调制装置212所做的调制处理相对应，以获得与原始的钻井轨迹参数信息尽量相一致的信息。
实施例三
本实施例提供一种近钻头钻井信号传输方法，如图6所示，该方法包括
步骤S61，发射机接收钻井传感器发送的钻井轨迹参数信息，并根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场，所述发射机封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部；
步骤S62，接收机利用所述交变磁场产生感应电流信号，根据所述感应电流信号获取钻井轨迹参数信息并发送给随钻测量仪器，所述接收机设置于靠近随钻测量仪器的动力钻具端部。
本实施例基于电磁感应原理，由靠近钻头的发射机根据调制后的钻井轨迹参数产生交变磁场，利用动力钻具的钻柱汇聚所述交变磁场的磁力线，由靠近随钻测量仪器的接收机根据交变磁场产生感应电流信号，并根据感应电流信号获取钻井轨迹参数信息，相比于现有技术中采用电缆传输信号的方式，本发明实施例不需要在动力钻具上开槽埋设电缆，不会影响动力钻具的机械强度，相比于现有技术中采用电磁波传输信号的方式，本实施例的传输过程不会受附近地层及钻井液的影响，传输信道稳定、传输距离长、传输速率高且误码率低。
优选的，如图7所示，上述步骤S61中根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场， 具体包括
步骤S71，对所述钻井轨迹参数信息进行调制处理，获得调制信号；
步骤S72，根据所述调制信号，控制磁铁旋转以产生交变磁场。
具体的，对钻井轨迹参数信息进行调制处理后，能够获得表征了钻井轨迹参数信息且具有简单表现形式的调制信号，利用该调制信号控制磁铁旋转时，磁铁所产生的磁场交替变化，也就形成了交变磁场。
优选的，上述步骤S71中，对所述钻井轨迹参数信息进行调制处理，具体为对所述钻井轨迹参数信息进行二相相移键控(Binary Phase Shift Keying，简称2PSK)调制处理。
具体的，按照2PSK调制方式对所述钻井轨迹参数信息进行调制处理后，获得的调制信号为二元编码信息，即由“O”或“ I”组成的编码信息，这种调制处理算法简单，发射机的信号调制装置采用2PSK调制方式时不会因算法复杂而产生大量热量，有利于井下高温作业。
优选的，上述步骤S72中，控制磁铁旋转以产生交变磁场，具体为
控制所述磁铁旋转的方向；和/或，
控制所述磁铁旋转的速度；和/或，
控制所述磁铁开始或停止旋转。
具体的，本实施例既可以采用单独控制磁铁旋转方向、磁铁旋转速度、磁铁是否旋转等方式来产生交变磁场，也可以采用混合上述两种或三种方式来产生交变磁场，但考虑到井下高温环境作业，确保发射机的控制装置不会因控制过程复杂而产生较高的热量，实际实施时，应尽量采用简单的方式控制磁铁旋转；
例如，本实施例中可以采用2PSK调制方式对所述钻井轨迹参数信息进行调制处理，并采用控制磁铁的旋转方向来产生交变磁场，如当调制信号对应的编码信息为“O”时， 控制磁铁以每秒20转的速度按照顺时针方向旋转，当调制信号对应的编码信息为“I”时， 控制磁铁以每秒20转的速度按照逆时针方向旋转，则产生的交变磁场的频率为20Hz。
综上所述，本发明实施例提供的近钻头钻井信号传输系统、设备及方法具有以下有益效果
(I)不需要在动力钻具上开槽埋设电缆，不影响动力钻具的机械强度；
(2)信号传输过程不受附近地层及钻井液的影响，可以在高矿化度的钻井液中进行无线通信，传输信道稳定；
(3)传输速率可达到20bits/s，传输距离可达到20m，传输距离长、传输速率高且误码率低。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种近钻头钻井信号传输系统，其特征在于，所述近钻头钻井信号传输系统包括 钻井传感器、发射机、接收机和随钻测量仪器；其中，钻井传感器，封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，用于测量钻井轨迹参数信息并发送给所述发射机；发射机，封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，与所述钻井传感器连接，用于根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场；接收机，设置于靠近随钻测量仪器的动力钻具端部，用于利用所述交变磁场产生感应电流信号，根据所述感应电流信号获取钻井轨迹参数信息并发送给所述随钻测量仪器； 随钻测量仪器，设置于动力钻具与地面之间，用于将所述钻井轨迹参数信息发送给地面接收器。
2.一种近钻头钻井信号传输设备，其特征在于，所述近钻头钻井信号传输设备包括: 发射机和接收机；其中，发射机，封装于设置在动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，与钻井传感器连接，用于接收所述钻井传感器发送的钻井轨迹参数信息，并根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场；接收机，设置于靠近随钻测量仪器的动力钻具端部，用于利用所述交变磁场产生感应电流信号，根据所述感应电流信号获取所述钻井轨迹参数信息，并将所述获取的钻井轨迹参数信息发送给随钻测量仪器。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述发射机具体包括第一数据接口、信号调制装置、控制装置、电机和磁铁；其中，第一数据接口，用于接收钻井传感器发送的钻井轨迹参数信息并发送给所述信号调制装置；信号调制装置，连接所述第一数据接口，用于对所述钻井轨迹参数信息进行调制处理获得调制信号，并将所述调制信号发送给控制装置；控制装置，连接所述信号调制装置，用于根据所述调制信号控制所述电机旋转；电机，固定连接所述磁铁，用于驱动所述磁铁旋转；磁铁，用于通过旋转产生交变磁场。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述磁铁为永磁铁。
5.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述接收机具体包括线圈、放大器、滤波器、信号解调装置、第二数据接口 ；其中，线圈，缠绕于所述动力钻具端部的钻柱外侧，用于根据所述交变磁场产生感应电流信号;放大器，连接所述线圈，用于对所述感应电流信号进行放大处理；滤波器，连接所述放大器，用于对放大处理后的感应电流信号进行滤波处理；信号解调装置，连接所述滤波器，用于对滤波处理后的感应电流信号进行解调制处理以获取钻井轨迹参数信息；第二数据接口，分别连接所述信号解调装置和随钻测量仪器，用于将所述获取的钻井轨迹参数信息发送给所述随钻测量仪器。
6.一种近钻头钻井信号传输方法，其特征在于，所述近钻头钻井信号传输方法包括发射机接收钻井传感器发送的钻井轨迹参数信息，并根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场，所述发射机封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部；接收机利用所述交变磁场产生感应电流信号，根据所述感应电流信号获取钻井轨迹参数信息并发送给随钻测量仪器，所述接收机设置于靠近随钻测量仪器的动力钻具端部。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述钻井轨迹参数信息产生交变磁场， 具体包括对所述钻井轨迹参数信息进行调制处理，获得调制信号；根据所述调制信号，控制磁铁旋转以产生交变磁场。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，对所述钻井轨迹参数信息进行调制处理，具体为对所述钻井轨迹参数信息进行二相相移键控2PSK调制处理。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，控制磁铁旋转以产生交变磁场，具体为 控制所述磁铁旋转的方向；和/或，控制所述磁铁旋转的速度；和/或，控制所述磁铁开始或停止旋转。
全文摘要
本发明提供一种近钻头钻井信号传输系统、设备及方法，该系统包括钻井传感器，封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，用于测量钻井轨迹参数信息并发送给发射机；发射机，封装于动力钻具和钻头之间的无磁钻铤内部，与钻井传感器连接，用于根据钻井轨迹参数信息产生交变磁场；接收机，设置于靠近随钻测量仪器的动力钻具端部，用于利用交变磁场产生感应电流信号，根据感应电流信号获取钻井轨迹参数信息并发送给随钻测量仪器；随钻测量仪器，设置于动力钻具与地面之间，用于将钻井轨迹参数信息发送给地面接收器。本发明实现了通过传输信道稳定、传输速率高且误码率低的传输方式将钻井传感器采集的钻井轨迹参数信息发送给随钻测量仪器。
文档编号E21B47/13GK102937022SQ201210458259
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者双凯, 牛迪, 李伟根 申请人:中国石油大学(北京)