专利名称：用于随钻测量的电流场接收天线装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于石油、矿山和地质勘探等随钻测量或随钻探井装置，特别涉及用于随钻测量的电流场接收天线装置。
背景技术：
很多井下测试、测量工具都需要信号的传输与接收。例如各种地质参数测量设备、石油钻井井下状态监测设备等，要将信号从探测点发送到控制中心。以及将来可能用到的电子、电气设备为了完成相关工作内容，需要将信号从地下或井下等传输到地面控制中心。
目前国内随钻测量技术，如专利号200720069519.0的“一种钻井现场的无线通讯装置”和专利号200520089143.0的“井场钻井参数无线数据传输系统”，均提出了无线信号的传输与接收的问题，在专利号200620031576.5的“电磁波通道式无线随钻测量装置”中提出了电流场式接收天线的基本连接方式，但是对于接收天线的具体构造及实现方法都没有深入的研究。
现有的随钻测量方法包括井下拍照，有线传输与接收，泥浆脉冲压力波的传输与接收等。
但是上述信号接收的方式都存在很多缺点或限制例如探测点拍照实时性不好；有线信号传输信号可靠，速度快，但是反复起下钻会导致极大增加工作强度，降低钻进效率；泥浆脉冲压力波可是实现随钻测量，但是速度慢，实时性差，而且不能用于气体钻井等。
发明内容
本实用新型的目的就是提供一种基于电流场传递信号的新型电磁信号接收天线。
本实用新型的目的通过以下技术方案实现，一种用于随钻测量的装置，连接在钻井平台和控制中心之间，该电流场接收天线装置至少包括一初级线圈，一次级线圈，一高灵敏度磁芯和一高强度保护外套；所述初级线圈和所述次级线圈缠绕在所述高灵敏度磁芯上；所述初级线圈的一端作为输入端连接至钻井平台，另一端接地；所述次级线圈的一端作为输出端连接至控制中心的输入端，另一端接地；所述高强度保护外套将所述初级线圈，次级线圈和高灵敏度磁芯包围起来设置。
其中，所述次级线圈的输出端连接控制中心的前置放大器的输入端，另一端连接前置放大器的地线。
其中，所述高灵敏度磁芯由软磁材料制成。
其中，所述高灵敏度磁芯的选用材料包括钴基非晶合金、低剩磁纳米晶铁芯或铁镍基非晶铁芯或坡莫合金。
其中，所述高灵敏度磁芯由钴基非晶CF84制成。
其中，所述高灵敏度磁芯是环形的。
其中，所述高强度保护外套由具有良好弹性的化学材料浇注制成。
本实用新型的有益效果是克服了现有技术的不足，如克服了拍照方式的实时性差的缺点；克服了有线方式频繁起下钻的缺点，提高了安全性和钻进速度；克服了泥浆脉冲不能够用于气体钻井等方面的缺点。可以同时为随钻测量和井下勘探的无线测量提供地面接收，这种电流场接收天线易于加工，结构简单，接收信号灵敏度高。
图1是根据本实用新型的用于随钻测量的电流场接收天线的工作原理图。
图2是根据本实用新型的用于随钻测量的电流场接收天线的结构图。
图3是根据本实用新型的用于随钻测量的电流场接收天线的电路模型。
图4是钴基非晶CF84纵向磁场退火曲线。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清晰易懂，
以下结合附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本实用新型的限定。
请参考图1和图2，图1是根据本实用新型的用于随钻测量的电流场接收天线的工作原理图，图2是根据本实用新型的用于随钻测量的电流场接收天线的结构图。根据本实用新型的用于随钻测量的电流场接收天线主要由初级线圈207，次级线圈208，高灵敏度磁芯202，高强度保护外套201组成。
当一部分电流信号沿钻柱105向上传导时，将这部分电流导入电流场接收天线的信号接收端203，这种天线的结构是在一个具有高初始磁导率的环形磁芯上绕上线圈(该磁芯根据需要也可以是棒状等其他形状)，线圈共有两组，一组为初级线圈，一组为次级线圈，初级线圈的信号接收端203连接在钻井平台104上(因为钻柱与平台是金属连接，所以具有良好的导电性)，另一端连接在接地电极102上，接地电极是距离钻井平台数十米的大地。当有电流信号从钻柱105通过平台104、导线进入电流场接收天线的初级线圈203时，在电流信号的激励下，在磁环202中产生频率为f的交变磁场，而这交变的磁场在磁环202的次级线圈中感应出频率为f的交变电压，送入控制中心的前置放大输入端，以此方法来捕获从井下传来的微弱电流信号。
请参考图3和图4，图3是根据本实用新型的用于随钻测量的电流场接收天线的电路模型。图4是钴基非晶CF84纵向磁场退火曲线。下面将说明根据本实用新型的用于随钻测量的电流场接收天线的设计与计算。
电流场接收天线的设计与计算 1)等效电路的计算 设加在初级绕组的电流为I1，则初级感应电势为 E1＝I1×(Rm+jXm) 在次级绕组端接有前置放大电路，该电路输入阻抗可以认为无穷大，则电流场式接收天线可以按照空载运行来估算各参数。则次级绕组端输入前置放大电路的电压为 其中 E1—电流场式接收天线初级线圈感应电压； E2—电流场式接收天线次级线圈感应电压； N1—电流场式接收天线初级线圈匝数； N2—电流场式接收天线次级线圈匝数。
其中 U—输入电压； Rd1～Rdn—地层电阻； R1—绕组初级线圈内阻； X1—绕组初级线圈漏感； Rm—电流场式接收天线磁芯铁耗等效电阻； Xm—电流场式接收天线磁芯励磁电抗。
2)等效磁路的计算 设接收天线初级输入电流为I1，则在电流场接收天线的一次侧感应电势为 ① 其中 S—高灵敏度磁芯有效截面积； l—等效磁路长度； N1为一次侧线圈匝数； μ—磁芯的磁导率。
从公式中可以看出在磁芯形状一定的条件下，电流场式接收天线初级线圈中的感应电压只与磁性材料的磁导率、初级线圈匝数和励磁电流I1有关。而输入电流I1又由发射功率、特定的地质结构和电流场式接收天线的输入阻抗共同决定。其中电流场式接收天线的输入阻抗与大地电阻Rd是并联关系如图3所示。
在发射电压U和大地电阻Rd一定的情况下，电流场式接收天线的初级绕组输入电流I1决定于初级绕组的阻抗。由于R1《Rm、X1《Xm、所以影响电流场式接收天线输入电流I1的主要因素为Rm、Rd和Xm。其中Rm为磁芯等效铁耗电阻。
磁芯的等效铁耗根据不同的磁芯材料可以确定常数k和β的取值，从而确定铁耗电阻 Rm＝Pfe/I12② 励磁电抗Xm为 ③ 其中 Λ—磁芯等效磁导； Lm—电流场式接收天线初级励磁电感； A—磁芯有效截面积； l—有效磁路长度。
根据图3求得电流场接收天线初级绕组的输入电流，为 ④ 将I1代入公式①可求得 ⑤ 从公式⑤可以看出，要提高E1感应电压，则
越小越好。
但Rm为铁耗电阻，并不用来传递能量，所以目标就是增大Xm，但是过大的Xm会导致激磁电流过小，不能达到要求的磁场强度，磁芯不能有效传递信号，所以要谨慎选择匝数。
由公式③可以看出，增加Xm的方法有三个 增加绕组匝数，但同时会增加初级绕组的内阻R1和漏感X1； 选取高初始磁导率μ的磁性材料； 增大磁芯材料有效截面积与有效磁路长度的比值。
3)磁芯材料的选择由于流过电流场接收天线的电流十分微弱，所以在磁芯中产生的交变磁场也十分微弱，所以磁芯材料必须选用对弱电流非常敏感的软磁材料。若选用具有极高初始磁导率(μ)的磁性材料可以有效提高感应电压。可选钴基非晶合金、低剩磁纳米晶铁芯或铁镍基非晶铁芯等、坡莫合金等。
这些磁性材料均具有高初始磁导率，低矫顽力，灵敏度高的优点。
4)以钴基非晶CF84纵向磁场退火为例。其磁化曲线如图4所示 矫顽力Hc<2A/m，从磁化曲线中可以看出，当磁场强度超过2A/m时，磁感应密度迅速上升，接近饱和磁感应密度。
取磁芯有效截面积A＝1.68cm2，磁路有效长度L＝21.77cm，则由公式③得 取N1＝50匝，则Xm＝4850欧。
与电流场式接收天线串联的地层电阻估算为30欧，发射电压U＝70V，忽略铁耗内阻Rm，代入公式④，求得激磁电流为 对应的磁场强度为 则实际电流肯定比这个初值要小。根据磁芯材料的铁耗参数可以推算出铁耗电阻的阻值必定小于代入公式④重新计算激磁电流 故而实际激磁电流在12.1mA—14.4mA之间。
依据最小电流12.1mA计算，对应的磁场强度可以正常工作。
此时在电流场式接收天线初级绕组上的励磁电压为 用这种方法形成的电流场接收天线主要有如下特点 1)可以在随钻条件下用钻井平台与大地建立实时接收通道，同步性好； 2)用途广泛，可以用于泥浆、空气、氮气、天然气等多种介质的信号接收系统中； 3)接收效率高，功耗小。
以上所述的具体描述，对发明的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，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，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1、一种用于随钻测量的电流场接收天线装置，连接在钻井平台和控制中心之间，其特征在于
该电流场接收天线装置至少包括一初级线圈，一次级线圈，一高灵敏度磁芯和一高强度保护外套；
所述初级线圈和所述次级线圈缠绕在所述高灵敏度磁芯上；
所述初级线圈的一端作为输入端连接至钻井平台，另一端接地；
所述次级线圈的一端作为输出端连接至控制中心的输入端，另一端接信号地；
所述高强度保护外套将所述初级线圈，次级线圈和高灵敏度磁芯包裹起来形成保护层。
2、根据权利要求1所述的用于随钻测量的电流场接收天线装置，其特征在于所述次级线圈的输出端连接控制中心的前置放大器的输入端，另一端连接前置放大器的地线。
3、根据权利要求1所述的用于随钻测量的电流场接收天线装置，其特征在于所述高灵敏度磁芯由软磁材料制成。
4、根据权利要求3所述的用于随钻测量的电流场接收天线装置，其特征在于所述高灵敏度磁芯的选用材料包括钴基非晶合金、低剩磁纳米晶铁芯或铁镍基非晶铁芯或坡莫合金。
5、根据权利要求1所述的用于随钻测量的电流场接收天线装置，其特征在于所述高灵敏度磁芯由钴基非晶CF84制成。
6、根据权利要求1所述的用于随钻测量的电流场接收天线装置，其特征在于所述高灵敏度磁芯是环形的。
7、根据权利要求1所述的用于随钻测量的电流场接收天线装置，其特征在于所述高强度保护外套由具有良好弹性的化学材料浇注制成。
专利摘要本实用新型涉及一种用于随钻测量的电流场接收天线装置，连接在钻井平台和控制中心之间，该装置包括初级线圈，次级线圈，高灵敏度磁芯和高强度保护外套；初级线圈和次级线圈缠绕在高灵敏度磁芯上；初级线圈的一端作为输入端连接钻井平台，另一端接地；次级线圈的一端作为输出端连接控制中心的输入端，另一端接信号地；高强度保护外套位于初级线圈，次级线圈和高灵敏度磁芯的外侧。本实用新型具有信号传输实时性好，提高了安全性和钻进速度的优点。
文档编号G01V3/18GK201232544SQ20082010850
公开日2009年5月6日 申请日期2008年6月11日 优先权日2008年6月11日
发明者林 李, 张连成 申请人:中国石油集团钻井工程技术研究院