一种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出系统的制作方法
【专利摘要】一种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出系统，属于石油钻井、开采或者地矿勘探【技术领域】。电源单元连接无线电磁波发射单元，无线电磁波发射单元连接电流检测单元和电压检测单元，电流检测单元连接功率计算单元和发射天线，电压检测单元连接功率计算单元，功率计算单元连接电流控制单元和电压控制单元，电流控制单元和电压控制单元连接电源单元；本发明不仅可以实现无线电磁波电能的高效发射，同时可以最大限度地抑制不同电阻率地层和不同电阻率钻井介质对无线电磁波信号的衰减，实现电源系统能以较大输出能力驱动无线电磁波发射器，从而在地面接收系统中获得较好的接收效果。
【专利说明】一种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出系统，属于石油钻井、开采或者地矿勘探【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在石油钻井工程或者地矿勘探中、在定向钻井或水平钻井、欠平衡井中经常需要使用无线电磁波地质导向工具。目前国内、国外比较成熟的无线电磁波地质导向工具在现场都有广泛应用。在随钻仪器中放置地质导向单元，仪器以钻铤为电极向地层发射无线电磁波信号，用于向地面接收设备发送地质参数和钻头位置等随钻参数。这些产品无论是使用电池供电还是井下发电机系统供电，都无一例外的会受到不同地层电阻率和钻井介质电阻率的影响，在某些地层电阻率特别低或者地层电阻率特别高的环境下，由于无线电磁波信号过度衰减，那么电磁波传送到地面的信号就会十分微弱，当信号强度低于地面接收系统要求的最小值的时候，地面接收系统就无法正确识别无线电磁波信号，导致数据解调的失败。如果在随钻测量的电磁波地质导向工具中采用自适应功率输出系统，就可以非常好的避免这种影响。
[0003]对于无线电磁波地质导向工具，申请号为3，967，201的美国发明专利，发明名称:Wireless subterranean signaling method。还有申请号为 7，477，162 的美国发明专利，发明名称:ffireless electromagnetic telemetry system and method for bottom holeassembly都只是工具结构上提出了应该怎样在地层中发射低频无线电磁波才能建立电磁信道，并没有具体描述如何从电路的角度去实现和克服不同地层和不同钻井介质情况下，无线电磁波的衰减对地面接收的结果造成的不利影响。
[0004]现有普遍使用的无线电磁波随钻测量工具，也都只是依靠电池的最大自然放电电流来供电的，没有考虑到采用井下发电系统实现大功率供电时，如何避免不同地层电阻率可能影响的电流过载或超轻载的现象。例如，当地层电阻率或者钻井介质的电阻率非常低的时候，如果不采取控制措施，就会导致发射电流急剧增加，电源出现过载，而地面接收到的无线电磁波信号却极其微弱的情况。
[0005]相反，如果地层电阻率或者钻井介质的电阻率非常高的时候，由于电源电压有限，导致输出电流非常小，地面接收信号也是非常微弱，甚至完全检测不到无线电磁波信号。
【发明内容】
[0006]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出系统。
[0007]本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种用于随钻测量的电磁波地质导向工具在不同电阻率地层和使用不同电阻率钻井介质的情况下采用自适应功率输出系统，不仅可以实现电能的高效利用，同时可以加强地面检测系统对无线电磁波数据的接收强度，可以极好抑制不同电阻率地层和不同电阻率工作介质对无线电磁波信号的衰减。
[0008]为了实现上述目的本发明采取的技术方案是:
[0009]一种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出系统，电源单元连接无线电磁波发射单元,无线电磁波发射单元连接电流检测单元和电压检测单元，电流检测单元连接功率计算单元和发射天线，电压检测单元连接功率计算单元，功率计算单元连接电流控制单元和电压控制单元，电流控制单元和电压控制单元连接电源单元；
[0010]所述的电流检测单元置于无线电磁波发射系统和发射天线之间，用于检测无线电磁波发射系统的发射电流；
[0011 ] 所述的电流信号控制单元置于功率控制单元和输出电压电流可调整的电源单元之间，用于响应功率计算单元的指令；同时调整电源的输出电流，以满足功率计算单元的要求；
[0012]所述的电压检测单元置于无线电磁波发射系统和功率计算单元之间，用于检测无线电磁波发射系统的发射电压；可以通过高温电压互感器、或者分压电阻，分压电容、且不局限于以上方式，实现无线电磁波发射电压的检测；
[0013]所述的电压控制单元置于功率计算单元和输出电压电流可调整的电源之间，用于控制输出电压电流可调整的电源时时改变输出电压；改变电源输出电压的方式有多种方式、包括使用可调整的开关电源、直流斩波、直流分压、直流升压、直流降压、直流升降压多种电路拓扑结构；
[0014]所述电流检测单元可以将检测到的电流信号通过隔离或者不隔离、放大或者不放大、调制或者不调制的方式，输入到功率计算单元中，用于功率计算单元计算保持电源输出恒定功率的参考依据；
[0015]所述的电压控制单元可以将检测到的电压信号通过隔离或者不隔离、放大或者不放大、调制或者不调制的方式，输入到功率计算单元中，用于功率计算单元计算保持电源输出恒定功率的参考依据；
[0016]所述的功率计算单元依据电流检测单元提供的无线电磁波发射电流信号和电压检测单元提供的无线电磁波发射电压信号时时计算发射功率是否达到电源的额定功率；
[0017]所述的功率计算单元通过相应电压、电流参数计算了无线电磁波发射功率后，依照如下步骤指令给电压控制单元和电流控制单元:
[0018]如果无线电磁波发射电流没有达到电源的额定电流，则升高电源输出电流，以提高发射功率；
[0019]如果无线电磁波发射电流受地层电阻率或者钻井介质电阻率的影响不能继续增加时，功率计算单元就指令电压控制单元提高输出电压，以增加电源输出功率，直到达到电源的额定输出功率；
[0020]如果无线电磁波发射电流已经超过电源的额定电流，则降低电源输出电压，以保证电源安全，直到达到电源的额定输出功率；
[0021]如果无线电磁波发射电流没有达到额定电流，在不断升高电源输出电压后，在某个规定电压值下，仍然不能使电源达到额定输出功率，则设定此时电流为极限电压下的最大电流值，不再提高无线电磁波的发射电压。
[0022]本发明不仅可以实现无线电磁波电能的高效发射，同时可以最大限度地抑制不同电阻率地层和不同电阻率钻井介质对无线电磁波信号的衰减，实现电源系统能以较大输出能力驱动无线电磁波发射器，从而在地面接收系统中获得较好的接收效果。同时，各部分的电子原件均采用高温、超高温等级，完全适合于钻井工程中随钻测量工具的工作要求、排除了因不同电阻率地层或者不同电阻率钻井介质影响井下发电系统工作在较低效率或者电流过载的缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中:
[0024]图1为本发明的结构示意图。
[0025]图2为本发明的结构示意图。
[0026]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
【具体实施方式】
[0027]显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
[0028]实施例1:如图1、图2所示，
[0029]—种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出系统，包括:输出电压电流可调整的电源单元1、无线电磁波发射单元2、电流检测单元3、电压检测单元4、功率计算单元5、电流控制单元6、电压控制单元7 ；
[0030]所述的电流检测单元3置于无线电磁波发射系统2和发射天线8之间，用于检测无线电磁波发射系统的发射电流；具体使用的材料是适合井下高温工作环境的金属、或者合金、或者其他用于检测电流的高温、超高温电子元器件或材料；
[0031 ] 所述的电流信号控制单元6置于功率控制单元5和输出电压电流可调整的电源单元I之间，用于响应功率计算单元的指令；同时调整电源的输出电流，以满足功率计算单元的要求；
[0032]所述的电压检测单元4置于无线电磁波发射系统2和功率计算单元5之间，用于检测无线电磁波发射系统的发射电压；可以通过高温电压互感器、或者分压电阻，分压电容等、且不局限于以上方式，实现无线电磁波发射电压的检测；
[0033]所述的电压控制单元7置于功率计算单元5和输出电压电流可调整的电源之间，用于控制输出电压电流可调整的电源时时改变输出电压；改变电源输出电压的方式有多种方式、包括使用可调整的开关电源、直流斩波、直流分压、直流升压、直流降压、直流升降压等多种电路拓扑结构；
[0034]所述电流检测单元3可以将检测到的电流信号通过隔离或者不隔离、放大或者不放大、调制或者不调制的方式，输入到功率计算单元5中，用于功率计算单元计算保持电源输出恒定功率的参考依据；
[0035]所述的电压控制单元7可以将检测到的电压信号通过隔离或者不隔离、放大或者不放大、调制或者不调制的方式，输入到功率计算单元5中，用于功率计算单元计算保持电源输出恒定功率的参考依据；
[0036]所述的功率计算单元5依据电流检测单元3提供的无线电磁波发射电流信号和电压检测单元4提供的无线电磁波发射电压信号时时计算发射功率是否达到电源的额定功率；
[0037]所述的功率计算单元5通过相应电压、电流参数计算了无线电磁波发射功率后，依照如下步骤指令给电压控制单元7和电流控制单元6:
[0038]如果无线电磁波发射电流没有达到电源的额定电流，则升高电源输出电流，以提高发射功率；
[0039]如果无线电磁波发射电流受地层电阻率或者钻井介质电阻率的影响不能继续增加时，功率计算单元就指令电压控制单元7提高输出电压，以增加电源输出功率，直到达到电源的额定输出功率；
[0040]如果无线电磁波发射电流已经超过电源的额定电流，则降低电源输出电压，以保证电源安全，直到达到电源的额定输出功率；
[0041]如果无线电磁波发射电流没有达到额定电流，在不断升高电源输出电压后，在某个规定电压值下，仍然不能使电源达到额定输出功率，则设定此时电流为极限电压下的最大电流值，不再提高无线电磁波的发射电压；
[0042]通过以上调整方式，不仅可以最大程度降低井下不同电阻率地层和不同电阻率工作介质对无线电磁波衰减的影响，同时发挥电源系统的最大工作效率，以保证地面接收系统可以收到最强的无线电磁波信号。
[0043]实施例2:如图1、图2所不,一种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出装置，输出电压电流可调整的电源单元I连接无线电磁波发射单元2，无线电磁波发射单元2连接电流检测单元3和电压检测单元4,电流检测单元3连接功率计算单元5和发射天线
8,电压检测单元4连接功率计算单元5,功率计算单元5连接电流控制单元6和电压控制单元7,电流控制单元6和电压控制单元7连接电源单元I。
[0044]所述的电流检测单元3置于无线电磁波发射单元2和发射天线8之间，用于检测无线电磁波发射系统的发射电流；具体使用的材料是适合井下高温工作环境的金属、或者合金、或者其他用于检测电流的高温、超高温电子元器件或材料；
[0045]所述的电流信号控制单元6置于功率控制单元5和输出电压电流可调整的电源单元I之间，用于响应功率计算单元的指令；同时调整电源的输出电流，以满足功率计算单元的要求；
[0046]所述的电压检测单元4置于无线电磁波发射单元2和功率计算单元5之间，用于检测无线电磁波发射系统的发射电压；可以通过高温电压互感器、或者分压电阻，分压电容等、且不局限于以上方式，实现无线电磁波发射电压的检测；
[0047]所述的电压控制单元7置于功率计算单元5和输出电压电流可调整的电源之间，用于控制输出电压电流可调整的电源时时改变输出电压；改变电源输出电压的方式有多种方式、包括使用可调整的开关电源、直流斩波、直流分压、直流升压、直流降压、直流升降压等多种电路拓扑结构；
[0048]所述电流检测单元3可以将检测到的电流信号通过隔离或者不隔离、放大或者不放大、调制或者不调制的方式，输入到功率计算单元5中，用于功率计算单元计算保持电源输出恒定功率的参考依据；
[0049]所述的电压控制单元7可以将检测到的电压信号通过隔离或者不隔离、放大或者不放大、调制或者不调制的方式，输入到功率计算单元5中，用于功率计算单元计算保持电源输出恒定功率的参考依据；
[0050]所述的功率计算单元4依据电流检测单元3提供的无线电磁波发射电流信号和电压检测单元4提供的无线电磁波发射电压信号时时计算发射功率是否达到电源的额定功率；
[0051]所述的功率计算单元5通过相应电压、电流参数计算无线电磁波发射功率后，依照如下步骤指令给电压控制单元7和电流控制单元6:
[0052]功率计算单元5判断是否达到电源额定功率，达到电源额定功率，连接电源单元I ;若未达到电源额定功率:
[0053]步骤I ;判断电压是否达到限定值，达到限定值，则修改极限电压下电流值；未达到限定值，则连接电流控制单元6 ；
[0054]步骤2 ;对于电流未达到额定值，则提高电压，连接电压控制单元7 ;对于电流超过额定值，则降低电压，连接电压控制单元7。
[0055]以恒定功率发射无线电磁波是时时的；
[0056]所述无线电磁波发射功率不以地层电阻率变化和工作介质的电阻率变化而变化；无线电磁波发射系统的发射电压是通过电路系统自动计算并自动调整的；无线电磁波发射系统的发射电流是通过电路系统自动计算并自动调整的。
[0057]可应用于不同电阻率地层和不同电阻率的钻井介质。
[0058]可应用于不同电阻率的钻井介质包括钻井液、清水、空气、氮气等，且不局限于上述钻井介质。
[0059]通过以上调整方式，不仅可以最大程度降低井下不同电阻率地层和不同电阻率工作介质对无线电磁波衰减的影响，同时发挥电源系统的最大工作效率，以保证地面接收系统可以收到最强的无线电磁波信号。
[0060]如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出系统，电源单元连接无线电磁波发射单元，无线电磁波发射单元连接电流检测单元和电压检测单元，电流检测单元连接功率计算单元和发射天线，电压检测单元连接功率计算单元，功率计算单元连接电流控制单元和电压控制单元，电流控制单元和电压控制单元连接电源单元； 所述的电流检测单元置于无线电磁波发射系统和发射天线之间，用于检测无线电磁波发射系统的发射电流；所述的电流信号控制单元置于功率控制单元和输出电压电流可调整的电源单元之间，用于响应功率计算单元的指令；同时调整电源的输出电流，以满足功率计算单元的要求；所述的电压检测单元置于无线电磁波发射系统和功率计算单元之间，用于检测无线电磁波发射系统的发射电压；可以通过高温电压互感器、或者分压电阻，分压电容、且不局限于以上方式，实现无线电磁波发射电压的检测； 所述的电压控制单元置于功率计算单元和输出电压电流可调整的电源之间，用于控制输出电压电流可调整的电源时时改变输出电压；改变电源输出电压的方式有多种方式、包括使用可调整的开关电源、直流斩波、直流分压、直流升压、直流降压、直流升降压多种电路拓扑结构； 所述电流检测单元可以将检测到的电流信号通过隔离或者不隔离、放大或者不放大、调制或者不调制的方式，输入到功率计算单元中，用于功率计算单元计算保持电源输出恒定功率的参考依据； 所述的电压控制单元可以将检测到的电压信号通过隔离或者不隔离、放大或者不放大、调制或者不调制的方式，输入到功率计算单元中，用于功率计算单元计算保持电源输出恒定功率的参考依据； 所述的功率计算单元依据电流检测单元提供的无线电磁波发射电流信号和电压检测单元提供的无线电磁波发射电压信号时时计算发射功率是否达到电源的额定功率； 所述的功率计算单元通过相应电压、电流参数计算了无线电磁波发射功率后，依照如下步骤指令给电压控制单元和电流控制单元: 如果无线电磁波发射电流没有达到电源的额定电流，则升高电源输出电流，以提高发射功率； 如果无线电磁波发射电流受地层电阻率或者钻井介质电阻率的影响不能继续增加时，功率计算单元就指令电压控制单元提高输出电压，以增加电源输出功率，直到达到电源的额定输出功率； 如果无线电磁波发射电流已经超过电源的额定电流，则降低电源输出电压，以保证电源安全，直到达到电源的额定输出功率； 如果无线电磁波发射电流没有达到额定电流，在不断升高电源输出电压后，在某个规定电压值下，仍然不能使电源达到额定输出功率，则设定此时电流为极限电压下的最大电流值，不再提高无线电磁波的发射电压。
2.根据权利要求1所述的一种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出系统，其特征在于， 不同电阻率的地层和工作介质均以电源所能提供的最大额定功率向外发射无线电磁波； 以恒定功率发射无线电磁波是时时的； 所述无线电磁波发射功率不以地层电阻率变化和工作介质的电阻率变化而变化；无线电磁波发射系统的发射电压是通过电路系统自动计算并自动调整的；无线电磁波发射系统的发射电流是通过电路系统自动计算并自动调整的。
3.根据权利要求1所述的一种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出系统，其特征在于，可应用于不同电阻率地层和不同电阻率的钻井介质。
4.根据权利要求1所述的一种随钻测量电磁波地质导向工具的自适应功率输出系统，可应用于不同电阻率的钻井介质包括钻井液、清水、空气、氮气等，且不局限于上述钻井介质。
【文档编号】E21B47/13GK104213909SQ201310219338
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】张连成 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团钻井工程技术研究院