一种基于耦合通信的近钻头测井系统和方法与流程

本发明属于油气田勘探和开发技术领域，具体涉及一种基于耦合通信的近钻头测井系统和方法。

背景技术：

在油气田的勘探、开发过程中，需要对钻井进行测量，了解和监测地质状况，提高开发效益。对于进入开发中后期的油田来说，为了进一步提高开发效益，迫切需要开发复杂小断块油田，尤其是薄层水平油田，这样的油田在钻井过程中，具有油层薄、靶区范围小、中靶要求高、井眼轨迹控制难度大等特点。不论是普通测井，还是开发难度高的油田，对钻井技术的要求都越来越高。

在钻进技术中，随钻测井(Logging While Drilling,LWD)是一种将测井仪器放在钻头上、边钻井边获取地层资料的技术，不仅对任何状况的井，特别是水平井都可以进行测量，所获得的资料最接近地层的原始状态，而且可利用测得的钻井参数和地层参数及时调整钻头轨迹，使之沿目的层方向钻进。

现有技术中，随钻测井(Logging While Drilling,LWD)系统所指的常规LWD系统，由于钻头钻进过程中环境恶劣、温度很高、压力极大、振动强烈等原因，一般安装的测量仪器离钻头较远，提供的地质参数与工程参数信息滞后，导致了轨迹控制预测难度加大，严重影响井身轨迹控制精度。而近钻头测井技术，将测量仪器向前移动靠近钻头，在靠近钻头的位置安装了更多用于数据采集的传感器，这样能更及时、更准确的获得井下采集信息，大大提高了控制参数的实时性和地质导向的准确性。

但是对于近钻头测井技术而言，如何进行数据传输，则是一个需要解决的问题。现有技术中，近钻头测井技术通过在钻头上同时安装传输线的方式进行数据传输，虽然可保证数据传输的实时性，但由于钻头部位是旋转机械，极易导致传输线的缠绕和磨损，无法有效的保证数据传输的稳定性和寿命。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是现有技术中近钻头测井系统中的传输问题，基于此，本发明提供一种基于耦合通信近钻头测井系统和方法，实现对地质参数的高精度、实时测量传输，提高地质导向的准确性。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于耦合通信的近钻头测井系统，所述系统包括钻头、脉冲器、马达、脉冲器、无线短传钻杆、无线透壁耦合器、近钻头传感器；其中，

所述钻头用于钻井；

所述马达用于提供钻头旋转动力；

所述近钻头传感器用于钻井过程中地质信号的测量；

所述无线透壁耦合器与所述近钻头传感器相连，用于将近钻头传感器所测量的地质信号由常规钻杆内部传输至常规钻杆外部；

所述无线短传钻杆同时与无线透壁耦合器和脉冲器相连，用于将无线透壁耦合器传输至钻杆外部套管的地质信号传输至脉冲器；

所述脉冲器用于将接收的地质信号传输至地面。

上述方案中，所述近钻头传感器位于紧靠钻头的位置。

上述方案中，所述无线短传钻杆内部布置用于过程信号传递回路的电缆，相临短传钻杆之间并没有电缆连接。

上述方案中，所述无线短传钻杆包括：耦合短传钻杆和万向节；其中，所述耦合短传钻杆之间通过万向节进行连接，并与万向节之间通过耦合作用进行通信。

上述方案中，所述无线短传钻杆通过电容耦合短传或电感耦合短传方式进行短距离的信号传输。

上述方案中，所述无线短传钻杆的数量根据传输信号的距离来确定。

上述方案中，所述无线短传钻杆的数量大于30根。

上述方案中，所述常规钻杆内部为旋转结构，常规钻杆外部为套管。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于耦合通信的近钻头测井方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S11，马达为钻头提供旋转动力，带动钻头进行钻井操作；

步骤S12，位于钻头后部的近钻头传感器测量钻井过程中的地质信号，并将所述地质信号传输给与传感器相连的无线透壁耦合器；

步骤S13，无线透壁耦合器将地质信号从钻杆内部传输至钻杆外部；

步骤S14，无线短传钻杆接收到传输到钻杆外部的地质信号，并通过无线短传的方式将所述地质信号传输至脉冲器；

步骤S15，所述脉冲器将所述地质信号传输至地面。

上述方案中，所述无线短传的方式，包括电容耦合短传方式和电感耦合短传方式。

本发明的上述技术方案具有如下效果：

上述方案，通过电容耦合或电感耦合的无线短传技术，将每一根无线短传钻杆独立构成LC串联回路，在信息传输过程中有效地防止了因高频电磁波的衰减而降低线圈间的耦合系数，造成的无法远距离传输的问题，改变了传统的有线传输方式，并提供一种基于耦合通信的井下近钻头测量无线短传技术，可以实现对地质参数的高精度、实时测量传输，提高了地质导向的准确性。

附图说明

图1为本发明第一实施例的基于耦合通信的近钻头测井系统框架示意图；

图2为本发明第二实施例的基于耦合通信的近钻头测井系统结构示意图；

图3为本发明第二实施例的无线透壁耦合器的结构示意图主视图；

图4为本发明第二实施例的无线透壁耦合器的结构示意图俯视图；

图5为本发明第二实施例的无线短传钻杆的结构示意图；

图6为本发明第二实施例的电容耦合短传钻杆万向节接头结构示意图；

图7为本发明第二实施例的电容耦合短传钻杆的等效电路图；

图8为本发明第二实施例的电感耦合短传钻杆万向节接头结构示意图；

图9为本发明第二实施例的电感耦合短传钻杆的等效电路图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图具体描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

第一实施例

本实施例具体阐述一种基于耦合通信的近钻头测井系统。图1所示为所述近钻头测井系统框架示意图。

如图1所示，所述基于耦合通信的近钻头测井系统包括：脉冲器101、马达102、无线短传钻杆103、无线透壁耦合器104、近钻头传感器105以及钻头106。其中，

所述钻头106用于钻井。

所述马达102用于提供钻头旋转动力。

所述近钻头传感器105用于钻井过程中地质信号的测量，所述近钻头传感器105紧靠钻头106，以提高测井可靠性。

所述无线透壁耦合器104与所述近钻头传感器105相连，用于将近钻头传感器105所测量的地质信号由常规钻杆内部传输至常规钻杆外部；优选的，所述常规钻杆内部为旋转结构，常规钻杆外部为套管，具体过程可以为将所测量的地质信号由钻杆内部的旋转结构传输至钻杆外部的套管。

所述无线短传钻杆103同时与无线透壁耦合器104和脉冲器101相连，用于将无线透壁耦合器104传输至钻杆外部套管的地质信号传输至脉冲器101；无线短传钻杆103内部布置用于过程信号传递回路的电缆，相临短传钻杆之间并没有电缆连接。无线短传钻杆103的数量由具体信号传输之间的距离所确定。进一步地，本发明中的无线短传钻杆103单元级数可远大于30根钻杆单元。

优选的，无线短传钻杆103可通过两种方式进行短距离的信号传输，即电容耦合短传方式和电感耦合短传方式。

所述脉冲器101用于将接收的地质信号传输至地面，优选的，所述脉冲器通过泥浆脉冲或无线通信的方式将地质信号传输至地面。

本实施例所提供的基于耦合通信的近钻头测井系统，通过电容耦合或电感耦合的无线短传技术，每一根无线短传钻杆独立构成LC串联回路，在信息传输过程中有效地防止了因高频电磁波的衰减而降低线圈间的耦合系数，造成的无法远距离传输的问题，改变了传统的有线传输方式，并提供一种基于耦合通信的井下近钻头测量无线短传技术，可以实现对地质参数的高精度、实时测量传输，提高了地质导向的准确性。

第二实施例

本实施例进一步具体的阐述了基于耦合通信的近钻头测井系统。图2为本实施例的基于耦合通信的近钻头测井系统结构示意图。如图2所示，本实施例的所述近钻头测井系统包括：

常规钻杆201，脉冲器202，马达203，无线短传钻杆204，无线透壁耦合器205，近钻头测井传感器206，钻头207。

图3是本实施例无线透壁耦合器205的结构示意图主视图；图4为本实施例的无线透壁耦合器的结构示意图俯视图。如图3和图4所示，钻杆内部的旋转钻杆302上有一个发射天线304，该发射天线304位于旋转体的表面，由4个或多个(偶数)线圈均匀分布而构成，且相邻两个线圈的电流方向相反，所有A线圈的电流方向相同，所有B线圈的电流方向相同，且A与B的方向相反。固定套管301的外壁上有接收天线303，该接收天线303由三个环形线圈组成，且三者保持特定的位置关系，确保接收到的信号为平稳输出信号。

在本实施例中，所述钻杆201为实际钻井过程中使用的常规钻杆；钻头207位于测井/钻井装置的最前端；近钻头测井传感器206位于前端钻头207的后边，大大提高了测量参数的准确性；测井传感器206的参数首先通过无线透壁耦合器205，将信号从钻杆内旋转体302上，通过发射天线304传输至钻杆外部套管301上，通过接收天线303实现信号接收，即实现将测井信号转移到不旋转的套管上，在套管间通过无线短传钻杆204实现数据的无线传输；马达203位于脉冲器202和无线短传钻杆204之间，为钻头旋转提供体动力；脉冲器202位于常规钻杆201与马达203之间，实现将无线信号转换成脉冲信号，传输至地面。

图5是本实施例的无线短传钻杆204的结构示意图。如图5所示，所述无线短传钻杆204包括：耦合短传钻杆401，万向节402，中继短传钻杆403。其中，所述耦合短传钻杆401通过万向节402连接，具有高度的灵活性，可以使钻头以较小的曲率半径快速旋转较大的角度，实现方向的快速调整。在一些实施例中，根据距离需要，无线短传钻杆204可以通过增加中继短传钻杆403实现调整。这里的中继短传钻杆403是指增加的耦合短传钻杆。耦合短传钻杆401之间的通信，通过万向节402之间的耦合作用实现，本实施例中，耦合短传钻杆401有两种具体的实现方式，即：电容耦合短传钻杆和电感耦合短传钻杆。下面对本实施例中的两种优选的耦合短传钻杆分别进行说明。

第一种，电容耦合短传钻杆。

图6为本实施例中电容耦合短传钻杆万向节接头结构示意图，图7为本实施例中电容耦合短传钻杆的等效电路图。

如图6所示，相邻钻杆单元相互抵接的端部设置成环形片状结构503，环形片状结构503由绝缘材料制成，绝缘材料可选择有机绝缘材料，也可以选择无机绝缘材料，对于绝缘材料的选择本发明不做具体限定，应当为本领域技术人员所能想到的所有绝缘材料。环形片状结构中间开有孔洞，所述孔洞用于钻杆单元内部流通通道内液体的流动。环形片状结构端面形成一个电容极板502，本实施例中以薄金属片作为电容极板材料，同样地，对于电容极板材料的选择本发明也不做具体限制。相互抵接的电容极板形成极板电容，每个钻杆单元内部所述电缆501与端面的电容极板502搭接(例如以焊接的方式连接电缆与电容极板)。

在本优选方式中的电容耦合短传钻杆401上，为所述耦合短传钻杆401增加电感，电感与极板电容构成LC串联回路，耦合短传钻杆401的内部连接线501与耦合短传钻杆401金属外壁之间形成泄漏电容。

在一些实施例中，作业时每一个耦合短传钻杆401都形成一个LC串联谐振电路。

下面结合附图7对本实施例提供的电容耦合无线短传钻杆的信号传输过程做具体的说明。

如图7所示，前端信号收集器收集到的激励信号电压V₀经过多级钻杆(本实施例中钻杆级数为n级)传输至系统接收端，信号接收器接收到信号电压V_n。

以每根钻杆单元(这里)为例，钻杆单元的极板电容用C表示，继电器电感用L表示，钻杆单元内电缆电阻用R₀表示，钻杆单元内部连接线与钻杆单元金属壁之间的泄漏电容用C₀表示，等效电路中用V₀表示激励信号电压。本实施例中，基于电容耦合的智能钻杆系统在传输单元末端设置终端匹配电阻，用以防止传输单元截断引起的信号反射，等效电路中终端匹配阻抗用Z表示。

给予智能钻杆系统第一级钻杆单元的激励信号电压V₀，在第一级钻杆单元回路的末端产生电压V₁，回路中产生电流I₀，智能钻杆系统第二级钻杆单元产生初始电压V₁，回路中产生电流I₁。第一级钻杆单元与第二级钻杆单元前后之间电压产生递推关系为：

电流产生递推关系为：

I₁＝I₀-jωC₀V₁ (2)

类似地，在第n-1级钻杆单元与第n级钻杆单元前后之间电压产生递推关系：

电流产生递推关系

I_n＝I_n-1-jωC₀V_n (4)

实施例中n级钻杆单元之间电压递推关系整理得到电压传递通式：

第二种，电感耦合短传钻杆。

图8为本实施例中电感耦合短传钻杆万向节接头结构示意图，图9为本实施例中电感耦合短传钻杆的等效电路图。

如图8所示，相邻钻杆单元相互抵接的端部设置环形线圈702，两个线圈702之间通过互感耦合作用实现信号交互。钻杆单元401上，为所述钻杆单元增加电容，电容与线圈702构成LC串联回路，同一个钻杆单元的内部的两个线圈通过铠装双绞屏蔽线701连接。

在一些实施例中，作业时每一个钻杆单元401都形成一个LC串联谐振电路。

下面结合附图9对本实施例提供的电感耦合无线短传技术实现信号传输过程做具体的说明。

如图9所示，这里给出三根连续钻杆上磁感应回路的等效电路模型，其中L_i和C_i均表示回路的总自感和总加载电容。

基于基尔霍夫电压定律可得：

为避免因失谐而导致磁感应波无法正常传输，针对磁感应波导阵列里的每一级线圈，分别进行调谐，确保每一级的L_i和C_i均处于ω₀的谐振状态，即带入(6)式整理可得：

记磁感应波导传递因子μ_i-1＝M_i-1/M_i，系统的互感品质Q_i＝ωM_i/R_i，则系统中各个磁感应线圈节点内的电流可以用(8)式的通式进行表示。i为钻杆在磁感应波导结构中的编号。

将当前钻杆节点回路的电流与其前一根钻杆节点回路的电流之比，定义为磁感应波的透射系数，记为T，则有：

考虑无限长磁感应波导传播，各个磁感应钻杆节点的电流可由下式给出：

其中，I₀为初始线圈的电流强度，不随位置变化而改变。

本实施例所提供的基于耦合通信的近钻头测井系统，通过电容耦合或电感耦合的无线短传技术，每一根无线短传钻杆独立构成LC串联回路，在信息传输过程中有效地防止了因高频电磁波的衰减而降低线圈间的耦合系数，造成的无法远距离传输的问题，改变了传统的有线传输方式，并提供一种基于耦合通信的井下近钻头测量无线短传技术，可以实现对地质参数的高精度、实时测量传输，提高了地质导向的准确性。

第三实施例

本实施例提供了一种基于耦合通信的近钻头测井方法。所述方法包括如下步骤：

步骤S11，马达为钻头提供旋转动力，带动钻头进行钻井操作。

步骤S12，位于钻头后部的近钻头传感器测量钻井过程中的地质信号，并将所述地质信号传输给与传感器相连的无线透壁耦合器。

步骤S13，无线透壁耦合器将地质信号从钻杆内部传输至钻杆外部。

优选的，所述钻杆内部为旋转结构，钻杆外部为套管，具体过程可以为将所测量的地质信号由钻杆内部的旋转结构传输至钻杆外部的套管。

步骤S14，无线短传钻杆接收到传输到钻杆外部的地质信号，并通过无线短传的方式将所述地质信号传输至脉冲器。

步骤S15，所述脉冲器将所述地质信号传输至地面。

优选的，所述脉冲器通过泥浆脉冲或无线通信的方式将地质信号传输至地面。

优选的，所述步骤S14中，无线短传的方式，包括电容耦合短传方式和电感耦合短传方式。

其中，所述电容耦合短传方式通过如本发明第二实施例所述的电容耦合短传钻杆实现，具体的实现方式如图6和图7所示；所述电感耦合短传方式通过如本发明第二实施例所述的电感耦合短传钻杆实现，具体的实现方式如图8和图9所示。

本实施例所提供的基于耦合通信的近钻头测井方法，通过电容耦合或电感耦合的无线短传技术，每一根无线短传钻杆独立构成LC串联回路，在信息传输过程中有效地防止了因高频电磁波的衰减而降低线圈间的耦合系数，造成的无法远距离传输的问题，改变了传统的有线传输方式，并提供一种基于耦合通信的井下近钻头测量无线短传技术，可以实现对地质参数的高精度、实时测量传输，提高了地质导向的准确性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。