[发明专利]一种电磁随钻测量系统的井下信号发射装置及其发射方法

说明书

技术领域

本发明属于油田、矿山等行业的测量仪器，尤其涉及一种实现无线随钻测 量的信号发射机。

背景技术

在钻井工程中，随钻测量(MWD)是井眼轨道监测与控制中的一项核心技术。 目前，国内外的随钻测量系统普遍采用钻井液脉冲来传送测量数据，这种随钻 测量技术在液体钻井液中能够稳定、可靠地工作，在钻井工程中被广泛应用并 发挥了重要作用。然而，对于气体及各种充气钻井液，由于流体可压缩性强， 钻井液脉冲信号很弱甚至不能产生有效的脉冲信号，因此钻井液脉冲MWD将无 法正常工作。

电磁随钻测量(EM-MWD)是20世纪80年代进入工业化应用的一项新技术， 具有信号传输速度高、不需要循环钻井液便可传送数据、测量时间短、成本低 等特点。特别是，EM-MWD系统基本上不受钻井液介质的影响，不仅适用于常规 钻井液中的随钻测量，而且还适用于在气体、泡沫、雾化、空气、充气等钻井 液中使用，可以解决钻井液脉冲MWD系统难以逾越的随钻测量难题。

井下信号发射装置是电磁随钻测量系统的关键部分，目前使用的发射装置 由数据通信接口电路、调制器、载波信号发生器、功率放大器、发射线圈组成。 通信接口接收来自测量短节的随钻测量数据，通过载波信号发生器和调制器进 行载波调制，调制信号经功率放大器放大后送入发射线圈发射出去，经地层传 输到地面。根据电磁信号在地层中的传播规律，要使地面接收机正确地收到信 号，发射机必须采用极低频率，因此对于采用线圈发射方式来说，既使采用高 磁导率磁芯，要形成足够的信号强度也需要很大的线圈匝数，很难满足井眼尺 寸的要求。电磁信号在传输过程中，传输性能会受到地层电阻率的严重影响， 而不同地区以及同一地区不同地层的电阻率是不同的。加之钻杆之间的接触电 阻随着钻柱的振动也发生变化。因此，固定的发射装置与传输介质的阻抗匹配 对不同电磁环境的适应性差，从而影响测量深度。此外，调制器与载波信号发 生器是由硬件电路实现的，使用单一的编码、调制方式和发射频率，根据现场 电磁环境的要求实现在线维护比较困难。这些因素是影响电磁随钻测量系统推 广应用的技术瓶颈。

如CN 1657742A专利中存在以下技术问题：1.线圈发射信号发射线圈是由 导磁材料做成的环状体，在环状体上绕有线圈，安装在井下发射装置短节内， 在发射线圈外装有一个用陶瓷材料或高温环氧树脂做成的绝缘环。要形成足够 强度的磁流需要有大量的线圈匝数，而匝数则受井眼尺寸的限制。同时线圈的 欧姆损耗也将对源电流施以严重限制。2.发射电路由传感器数据接口、载频发 生器、FSK调制器、功率放大器等功能块电路组成。通过传感器接口实现与测量 短节的通信，通过硬件电路实现无线传输的各种功能，因此维护、升级不方便， 在线调整通信功能困难。3.采用FSK调制方式。4.发射装置与传输介质的阻抗 匹配固定，对不同电磁环境的适应性差，从而影响测量深度。

又如CN 1603576A的专利申请中存在1.线圈发射信号无线发射元件由螺线 管线圈和套于该线圈内的铁氧体磁芯组成，装入绝缘壳体内。要形成足够强度 的磁流需要有大量的线圈匝数，而匝数则受井眼尺寸的限制。同时线圈的欧姆 损耗也将对源电流施以严重限制。2.发射电路由微处理器、DSP处理器、D/A 转换器、功率放大器、谐振电路组成。通过微处理器与各测量传感器通信，无 线传输功能由专用DSP处理器和D/A转换器结合软件编程实现，数据调制采用 二进制幅移键控(ASK)方式，载波频率为1～33kHz。3.通过LC串联谐振电路 驱动螺线管线圈发射信号，发射装置与传输介质的阻抗匹配固定，对不同电磁 环境的适应性差，从而影响测量深度。

以及CN 2900781Y的专利中，存在1.发射电路由调制器、放大器组成。 通过硬件电路实现无线传输的各种功能，因此维护、升级不方便，在线调整通 信功能困难。2.放大处理后的信号直接通过信号发射极发射，发射装置与传输 介质的阻抗匹配固定，对不同电磁环境的适应性差，从而影响测量深度。

发明内容

根据上述存在的技术问题，本发明提供一种井下信号发射装置，通过无线 电技术实现电磁随钻测量系统的发射装置功能；通过多样化阻抗变换器或多抽 头阻抗变换器实现对不同地层的阻抗匹配，保持发射装置的最佳效率，从而增 强电磁随钻测量系统对不同电磁环境的适应能力，提高测量深度。