[发明专利]一种井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于石油、矿山、地质勘探等行业中的地质导向系统和随钻测量仪器领域，具体涉及一种井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统及方法，用于实现在井下近钻头处利用电磁波进行数据短距离无线传输。

背景技术

当前我国剩余油资源的品味越来越差，石油勘探开发难度步步加大，各油田所持有的薄油层、低压低渗透低产储层、难产储层、非均质储层愈来愈多。这些油藏地质状况复杂，钻井施工难度大，钻井作业时需要及时地得到地层及钻具位置的即时信息，才能及时对钻具设计做出必要的调整，使钻头最大化地在油气藏中最有价值的地带钻进。

地质导向钻井技术的出现解决了这一问题，该技术通过对实时采集的随钻测量数据和随钻地层评价测井数据进行分析研究，以人机对话方式来控制底部钻具组合，从而实现根据地层情况实时调整井眼轨迹，提高油层的钻遇率。

通常使用MWD(随钻测量系统)为地质导向系统提供所需数据，MWD中由多个传感器构成的测量短节对钻井过程中井下工程参数和地质参数进行测量，然后MWD将数据发送至地面以便技术人员进行分析。

传统的MWD仪器通常安装在距离钻头10-30米处，仪器测量到的参数实际上是仪器所处位置的参数，而据此参数所采取的控制是一种滞后控制。因此需要将测量短节安装在尽可能靠近钻头的位置，以便更准确及时地掌握地层信息。此时测量短节和MWD被螺杆钻具(泥浆马达)隔开，因此需要一套短程传输系统来完成测量短节到MWD之间的井下信息的传输。

目前现有的近钻头短传技术包括有线传输、声波传输和电磁波传输三种，其中有线方式是对螺杆钻具的机械结构进行改造，使电缆穿过螺杆钻具连接MWD和测量短节，通过电缆对数据进行传输，如专利号为US5456106和US5725061等公开的技术。这种方式的机械结构复杂，实现起来非常困难，因此并未得到广泛应用。

声波和电磁波都属于无线传输方式，螺杆钻具下方的发射机将传感器采集到的数据发射输出，螺杆钻具上方的接收机接收数据进行处理后传输给MWD，实现测量短节到MWD之间的数据传输。如专利号为US5924499的专利使用了无线声波短传技术，但这种传输方式的发射机和接收机的机构非常复杂，同时由于靠近钻头和螺杆钻具，信号受干扰大，数据处理困难繁琐。

电磁无线传输方式在随钻遥测中使用的比较多，自1942年的专利US2354887首先提出可使用电磁波将数据从井下传送到地面时起，几十年来，电磁波随钻测量技术已相对发展得比较成熟，在近钻头无线短传中也有使用。如专利US5160925使用线圈天线进行电磁信号的发射和接收，这种天线是一个软磁材料制成的环状体，环上绕有导线，导线线段与发射、接收机的电缆线相连。专利CN200410004275.9使用两端加装绝缘环的线圈天线实现了近钻头数据无线传输。但是，专利US 5160925和CN200410004275.9使用的天线，为了安装时能与钻铤本体尺寸吻合，多使用扣环或开口环，外面覆盖绝缘保护层，再用钢壳保护，因此结构都比较复杂。

专利US6057784首先将多个外绕线圈的铁氧体磁棒径向嵌入中心轴内，每个磁棒外都有绝缘保护层，然后磁棒和轴作为一个整体再外包绝缘保护层和钢壳，以此作为天线进行数据传输，该天线的结构也比较复杂。US2009/0153355A1提出了一种专门用于电磁MWD的近钻头无线电磁短传系统，该系统螺杆钻具上方只有一个天线，既作为短传系统的接收天线，又作为电磁MWD向地面传输数据的发射天线)在一定程度上简化了仪器结构，但是该专利只适用于电磁MWD系统。但该专利的天线安装在钻铤外缘，钻铤壁内开了几个空腔，用来安放短传接收机和电磁MWD用的集成电路，这样做第一会降低钻铤壁厚，而钻进时钻铤受到的扭矩、拉力比较大，容易造成钻铤损毁，其次集成电路一旦固化到钻铤空腔内后很难更换，该专利中已经将短传接收机和电磁MWD集中固化到空腔内了，导致该系统只适合于电磁MW。

综上所述，目前的近钻头无线电磁短传系统采用的天线大多结构比较复杂，这就导致加工难度大，成本相对较高，同时复杂零件更容易对电磁信号造成干扰，降低数据传输的准确性。