阅读说明：本技术 一种双谐振型近钻头信号短传系统 (Double-resonance near-bit signal short transmission system ) 是由 陈庆 江涛 刘昶 胡皓然 杨思谛 余沐阳 李红斌 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种双谐振型近钻头信号短传系统,包括：钻头、螺杆总成、第一谐振耦合短节、第二谐振耦合短节以及自适应调频单元；第一谐振耦合短节一端与螺杆总成一端连接；第一谐振耦合短节另一端与钻头连接；第一谐振耦合短节包括第一轴向磁场谐振耦合线圈；第二谐振耦合短节的一端与螺杆总成另一端连接；第二谐振耦合短节包括第二轴向磁场谐振耦合线圈；自适应调频单元通过调节第一、第二轴向磁场谐振耦合线圈的工作频率,以将采集到的钻头处的信息从第一轴向磁场谐振耦合线圈,穿过螺杆总成,通过磁场谐振耦合至第二轴向磁场谐振耦合线圈,实现跨过螺杆总成的非接触式短传。本发明通过双边磁场谐振,增强发射和接收磁场的强度,提高传输效率。(The invention discloses a double-resonance type near-bit signal short transmission system, which comprises: the self-adaptive frequency modulation device comprises a drill bit, a screw assembly, a first resonant coupling short section, a second resonant coupling short section and a self-adaptive frequency modulation unit; one end of the first resonant coupling short section is connected with one end of the screw assembly; the other end of the first resonant coupling short section is connected with a drill bit; the first resonant coupling nipple comprises a first axial magnetic field resonant coupling coil; one end of the second resonant coupling short section is connected with the other end of the screw assembly; the second resonant coupling short section comprises a second axial magnetic field resonant coupling coil; the self-adaptive frequency modulation unit adjusts the working frequency of the first axial magnetic field resonance coupling coil and the second axial magnetic field resonance coupling coil to enable the collected information at the drill bit to pass through the screw assembly from the first axial magnetic field resonance coupling coil and be coupled to the second axial magnetic field resonance coupling coil through magnetic field resonance, and non-contact short transmission crossing the screw assembly is achieved. The invention enhances the strength of the transmitting and receiving magnetic fields and improves the transmission efficiency through bilateral magnetic field resonance.)

一种双谐振型近钻头信号短传系统

技术领域

本发明属于油气井、矿山、地质勘探等行业中的近钻头测量无线短传技术领域，更具体地，涉及一种双谐振型近钻头信号短传系统。

背景技术

石油行业钻井作业时，需要及时得到地层及钻具位置的温度、压强、地质等参数即时信息。测井仪器由多组传感器构成，目前通常安装在距离钻头10m-35m处的螺旋钻杆末端。传感器采集的数据并非钻头处的精确和实时数据，各传感器获得的数据较钻头处的当前信息有所滞后。为了更精确及时地掌握地层信息、了解井眼地轨迹和地层信息变化并及时调整钻井工作，需要将测量传感仪器尽可能安装在靠近钻头的位置。测量传感仪器近钻头安装时，井下环境恶劣，传统的有线传输方式不可能实现，则需要一套无线传输系统跨过10m-35m旋转螺杆总成实现信号高质量无线传输。

目前近钻头无线传输技术有声波传输和电磁波传输。无线声波传方式的结构设计复杂，且声波在复杂地质环境的反射干扰严重；磁无线传输使用较多，且以采用赫兹级超低频电磁波传输和电场耦合方式为主。目前在近钻头信号无线传输中存在以下问题有：

在中国专利CN201110319158.1中提出一种井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统及方法，该方案采取电场耦合的方式，其局限性在于，发射器基本处于工作串的最前端，发射器向地层发送的电磁波经螺杆、钻杆和地层形成回路，发射到地层中电磁波能量强度的稳定性难以保证，钻头与地层的接触状态将直接影响接收器拾取信号的强度，无法实现信号传输。

在中国发明申请201910119623.3提出了一种井下近钻头无线短传系统及其控制方法，该方案同样采用经向电场耦合方式，需要经螺杆、钻杆和地层形成回路。采用电场耦合方式进行测量数据的传输时，需要将发射线圈，地层介质，接收线圈形成闭合回路。井下环境复杂多变，并不能保证发射装置与地层介质紧密接触，因此不能保证传输效率。

在专利CN201611168982.0提出了一种基于耦合通信的近钻头测井系统和方法，但是其需要大量的无线短传钻杆进行中继传输，经济效益差。

综上所述，目前的近钻头无线传输系统所使用的技术中，无线声波传方式的结构设计复杂，且声波在复杂地质环境的反射干扰严重；采用MHZ级别的电磁波传输时，钻头与地层接触状态会严重影响电磁波信号的强度，电磁信号有很大衰减，具有很大局限性。井下环境复杂多变，不能保证传输效率。现有技术很难实现螺杆钻具长10m-35m范围内的信号高质量无线传输。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决目前的近钻头无线传输系统所使用的技术中，无线声波传方式的结构设计复杂，且声波在复杂地质环境的反射干扰严重；采用经向电场耦合方式，需要经螺杆、钻杆和地层形成回路，信号有很大衰减。采用兆赫兹级别的高频电磁波进行传输，其近钻信号的稳定性又无法得以保证，且频率越高、信号在金属螺杆中衰减更快，信号无法准确传输。以及井下环境复杂多变，现有技术不能保证近钻信号高效率传输的技术问题。

为了解决上述问题，实现近钻信号高效传输，本发明提供一种双谐振型近钻头信号短传系统，信号传输以KHZ级别中频率磁场信号作为传输介质，属于近场理论磁场耦合无线传输。包括：钻头、螺杆总成、第一谐振耦合短节、第二谐振耦合短节以及自适应调频单元；

所述短传系统借助轴向耦合线圈，采用KHZ级别中频磁场耦合；携带钻头信息的磁场经过第一轴向磁场谐振耦合线圈、螺杆总成、第二轴向磁场谐振耦合线圈完成信号传输，传输过程不受地层情况影响；

所述短传系统采用自适应可调谐振驱动，以增强线圈磁场信号，可适应井下多种工况；

所述第一谐振耦合短节的一端与所述螺杆总成的一端连接；

所述第一谐振耦合短节的另一端与所述钻头连接；所述第一谐振耦合短节包括第一轴向磁场谐振耦合线圈；

所述第二谐振耦合短节的一端与所述螺杆总成的另一端连接；所述第二谐振耦合短节包括第二轴向磁场谐振耦合线圈；

所述自适应调频单元用于通过调节所述第一轴向磁场谐振耦合线圈和第二轴向磁场谐振耦合线圈的工作频率，以将采集到的钻头处的信息从第一轴向磁场谐振耦合线圈，穿过所述螺杆总成，通过磁场谐振耦合至所述第二轴向磁场谐振耦合线圈，实现跨过螺杆总成的非接触式短传。

可选地，所述自适应调频单元包括：第一驱动模块、第一信号调制模块、第一谐振补偿模块以及第二谐振补偿模块；所述第一驱动模块、第一信号调制模块、第一谐振补偿模块以及第二谐振补偿模块位于所述第一谐振耦合短节内部；

所述第一信号调制模块，对采集的钻头处的信息进行依次滤波、放大以及调制；将调制后的信号通过第一驱动模块产生对应的正弦信号，并经过第一谐振补偿模块传输至第一轴向磁场谐振耦合线圈；第一轴向磁场谐振耦合线圈发出磁场信号穿过所述螺杆总成，非接触式传输至所述第二谐振耦合短节。

具体地，第一谐振补偿模块为第一谐振耦合短节内的谐振发送补偿模块；第二谐振补偿模块为第一谐振耦合短节内的谐振接收补偿模块。

可选地，所述自适应调频单元还包括：第二信号解调模块、第三谐振补偿模块以及第四谐振补偿模块；第二信号解调模块、第三谐振补偿模块以及第四谐振补偿模块位于所述第二谐振耦合短节内部；

所述第二轴向磁场谐振耦合线圈感应到穿过螺杆总成的共振频率下的磁场信号；第二轴向磁场谐振耦合线圈与第三谐振补偿模块和第四谐振补偿模块构成谐振回路，其共振频率与第一轴向磁场谐振耦合线圈的共振频率相同，以增强磁场间的耦合强度；第二信号解调模块从第二轴向磁场谐振耦合线圈感应到的磁场信号中解析出钻头处的信息。

具体地，第三谐振补偿模块为第二谐振耦合短节内的谐振发送补偿模块；第四谐振补偿模块为第二谐振耦合短节内的谐振接收补偿模块。

可选地，所述第一谐振补偿模块、第二谐振补偿模块、第三谐振补偿模块以及第四谐振补偿模块组成谐振匹配电路；

所述第一谐振耦合短节发射信号时，谐振匹配电路使第一轴向磁场谐振耦合线圈工作在谐振信号发射状态；第二谐振耦合短节接收信号时，谐振匹配电路使第二轴向磁场谐振耦合线圈工作在谐振信号接收状态；

所述第二谐振耦合短节发射信号时，谐振匹配电路使第二轴向磁场谐振耦合线圈工作在谐振信号发射状态；第一谐振耦合短节接收信号时，谐振匹配电路使第一轴向磁场谐振耦合线圈工作在谐振信号接收状态；通过双谐振，增强感应磁场强度，提高传输效率；

工作时第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节均通过所述谐振匹配电路驱动和接收信号，分时复用且能双向通信。

可选地，所述螺杆总成的长度为10m-35m。

可选地，所述自适应调频单元，通过分时复用方式预发一段复合波形，找到最佳频率匹配，以根据井下工况完成工作频率自适应调整。

可选地，所述第一轴向磁场谐振耦合线圈和第二轴向磁场谐振耦合线圈在所述谐振匹配电路的配合下，通交流电激发轴向变化的磁力线，磁力线跨过可旋转的螺杆总成实现第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节之间的无线传输。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)、本发明采用双谐振耦合实现信号无线传输，结构简单。采用谐振型的磁场耦合方式，有效避了电场耦合方式下，因为工况复杂及钻头和地层基础等情况所带来的传输失败问题。通过双边磁场谐振，增强发射和接收磁场的强度，提高传输效率；线圈工作频率没有达到电磁波的范围，在磁场范围内传输，基于磁场耦合的无线传输系统不会受到地质和井底液等介质的影响；

(2)、本发明通过线圈工作频率自适应调频单元，调制和解调磁场信号实现第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节的无线通信，能够根据井下工况完成工作频率自适应调整；

(3)、本发明通过谐振的方式增加磁场耦合的强度，无线传输距离较远，能兼容螺杆钻具长度在10m-35m范围的井下近钻头信号无线传输；

(4)、本发明与现有的测井系统兼容，用近场理论下磁场谐振耦合的方式，经济效益高，应用广泛，拆装方便。

(5)本发明的短传系统借助轴向耦合线圈，采用KHZ级别中频磁场耦合；携带钻头信息的磁场经过发射线圈、螺杆总成、接收线圈完成信号传输，传输过程不受地层情况影响；本发明的短传系统采用可调谐振驱动，以增强线圈磁场信号，可适应井下多种工况。

附图说明

图1是本发明提供的双谐振型近钻头信号短传系统的示意图。

图2是本发明提供的自适应调频单元的组成示意图。

图3是本发明提供的第一谐振耦合短节的结构示意图。

图4是本发明提供的第二谐振耦合短节的结构示意图。

图5是本发明提供的近钻头信号短传的系统工作原理图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中包括：钻头1、第一线圈驱动调制解调模块2、第一轴向磁场谐振耦合线圈3、螺杆总成4、第二轴向磁场谐振耦合线圈5、第二线圈驱动调制解调模6、第一谐振耦合短节7、第二谐振耦合短节8、第一供电模块71、第一驱动模块72、第一控制模块73、第一信号调制模块74、第一信号解调模块75、第一谐振补偿模块76、第二谐振补偿模块77、第二供电模块81、第二驱动模块82、第二控制模块83、第二信号调制模块84、第二信号解调模块85、第三谐振补偿模块86以及第四谐振补偿模块87。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题与不足，提供了双谐振型近钻头信号短传系统，实现井下近钻头信号无线传输，其无线通信不会受到地层和井底液等介质的影响。采用基于磁场耦合的双谐振型分时复用双向通信系统及自适应调频单元，近钻头信号能够穿过可旋转的10m-35m长的螺杆，实现近钻头信号的无线传输。

为了实现上述目的，本发明的技术方案实现如下：

本发明的双谐振型近钻头信号短传系统：基于磁场耦合的双谐振型信号分时复用双向通信系统，包括第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节；线圈工作频率自适应调频单元；所述基于磁场耦合的双谐振型分时复用双向通信系统由近钻头测井传感仪器、分别安装在螺杆总成两端的第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节构成；工作时第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节均通过谐振电路驱动和接收信号，分时复用且能双向通信。所述线圈工作频率自适应调频单元，通过分时复用双向系统预发一段复合波形，找到最佳频率匹配，然后控制模块调整驱动频率，根据井下工况完成工作频率自适应调整。

所述第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节均安装有轴向磁场谐振耦合线圈、线圈驱动模块、信号调制与解调模块和控制模块；所述线圈在谐振匹配电路配合下，通交流电激发轴向变化的磁力线，磁力线跨过可旋转螺杆总成实现第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节之间的无线传输。轴向绕制线圈作为磁天线，基于磁场耦合的无线传输不会受到钻头、螺杆与地层接触状态影响。

所述的基于磁场耦合的双谐振型信号分时复用双向通信系统，第一谐振耦合短节发射信号时，谐振匹配电路使轴向耦合线圈工作在谐振信号发射状态；第二谐振耦合短节接收信号时，谐振匹配电路使轴向耦合线圈工作在谐振信号接收状态；第二谐振耦合短节发射信号时，谐振匹配电路使轴向耦合线圈工作在谐振信号发射状态。第一谐振耦合短节接收信号时，谐振匹配电路使轴向耦合线圈工作在谐振信号接收状态；通过双谐振，增强磁场强度，提高传输效率。

本发明的双谐振型近钻头信号短传系统：基于磁场耦合的双谐振型信号分时复用双向通信系统，包括第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节；线圈工作频率自适应调整系统；

所述基于磁场耦合的双谐振型分时复用双向通信系统由近钻头测井传感仪器、分别安装在螺杆总成两端的第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节构成；工作时第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节均通过谐振电路驱动和接收信号，分时复用且能双向通信。

所述线圈工作频率自适应调整单元，通过分时复用双向系统预发一段复合波形，找到最佳频率匹配，然后控制模块调整驱动频率，根据井下工况完成工作频率自适应调整。

如图1所示，本发明提供的双谐振型近钻头信号短传系统：包括钻头1、螺杆总成4、分别安装在螺杆总成两端的第一谐振耦合短节7和第二谐振耦合短节8、自适应调频单元；所述第一谐振耦合短节7位于螺杆总成4和钻头1之间；所述第一谐振耦合短节7安装有第一线圈驱动调制解调模块2、第一轴向磁场谐振耦合线圈3；第二谐振耦合短节8安装有第二轴向磁场谐振耦合线圈5、第二线圈驱动调制解调模6。第一轴向磁场谐振耦合线圈3和第二轴向磁场谐振耦合线圈5谐振匹配电路配合下，通交流电激发轴向变化的磁力线，磁力线跨过螺杆总成4实现第一谐振耦合短节7和第二谐振耦合短节8之间的无线传输；第一线圈驱动调制解调模块2，第二线圈驱动调制解调模6，谐振匹配电路和磁场轴向耦合线圈组成上述自适应调频单元。

所述第一谐振耦合短节7可拆卸安装，一端通过上金属扣与螺杆总成4下方固定连接，另一端通过下金属扣与钻头1连接；所述第二谐振耦合短节8可拆卸安装，通过上金属扣安装在螺杆总成4上方；

所述第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节中的耦合线圈，轴向绕制，并均配有阻抗匹配电路，即对应的第一线圈驱动调制解调模块和第二线圈驱动调制解调模块，工作在同一谐振频率点；

所述自适应调频单元采用线圈工作频率自适应调整系统，通过调制和解调微弱磁场信号，实现井下数据信息无线传输，通过控制模块调整驱动频率，达到最佳匹配，完成频率自适应调整；

所述自适应调频单元中的信号解调模块解析出井下钻头压力、温度等数据信息按照通信协议通过其它传输方式上传到地面数据中心。

本发明的双谐振型近钻头信号短传系统具备轴向安装耦合线圈、线圈驱动模块、信号调制与解调模块、控制模块，在双磁耦合谐振机构上达到井下近钻头信号的无线传输，实现信号跨过10m-35m螺杆钻具实时、精确无线传输，其无线通信不会受到地层和井底液等介质的影响。

具体实施例

本实施将具体阐述所述双谐振型近钻头信号短传系统的具体实现技术过程及各子系统的组成部分。

具体地，如图2所示：所述第一谐振耦合短节7集成了井下传感器阵列、第一信号调制模块74、第一信号解调模块75、第一驱动模块72、第一控制模块73、第一轴向磁场谐振耦合线圈、保护电路模块、第一供电模块71、第一谐振补偿模块76以及第二谐振补偿模块77等，第一谐振耦合短节7近钻头1安装；第一信号调制模块74，对采集的钻头1处的压力、温度等数据信息进行滤波、放大、调制；将调制的信号通过第一驱动模块72产生对应的正弦信号，并经过第一谐振补偿模块76和第二谐振补偿模块77传输至第一轴向磁场谐振耦合线圈；第一轴向磁场谐振耦合线圈发出磁场信号穿过10m-35m螺杆总成4，非接触式传输至第二谐振耦合短节8。

如图2所示，所述第二谐振耦合短节8集成了第二信号调制模块84、第二信号解调模块85、第二驱动模块82、第二控制模块83、第二轴向磁场谐振耦合线圈、保护电路模块、第二供电模块81、第三谐振补偿模块86以及第四谐振补偿模块87等，安装在螺杆总成4上方；第二轴向磁场谐振耦合线圈感应到共振频率下的磁场信号；第二轴向磁场谐振耦合线圈与第三谐振补偿模块86和第四谐振补偿模块87构成谐振回路，其共振频率与第一轴向磁场谐振耦合线圈的共振频率相同；第二信号解调模块85从第二轴向磁场谐振耦合线圈感应到的磁场信号中解析出钻头处的压力、温度等数据信息。

所述自适应调频单元，在通过调制和解调微弱磁场信号实现井下数据信息无线传输时，所述第一谐振耦合短节的驱动电路预发一定频段的复合时域波形；所述第二谐振耦合短节接收、解调出与复合时域波形对应的数据序列；

所述第二谐振耦合短节的第二控制模块83，挑选出最优数据序列，并将数据信息通过信息反馈通道传输至第一谐振耦合短节。所述第一谐振耦合短节里的第一控制模块73调整驱动频率，达到最佳匹配，完成频率自适应调整。

进一步地，结合附图3，给出第一谐振耦合短节的工作实例：

所述第一谐振耦合短节里信号调制模块将传感器数据进行放大、滤波、AD转换，将近钻头的温度、压力等数据信息调制到驱动信号，驱动匹配有谐振补偿电路的耦合线圈上；

所述第一谐振耦合短节里的电源供电模块为其它模块供电。

其次，结合附图4，给出第二谐振耦合短节的工作实例：

所述第二谐振耦合短节的谐振接收感应共振频率下的磁场信号；所述接收线圈与谐振补偿电容构成谐振回路，其共振频率与发射线圈的共振频率相同；所述信号解调和功率放大器对接收到的数据信息进行放大、滤波、AD转换，并解调出近钻头的温度、压力等数据信息；按照通信协议将数据信息传输至地面数据中心；

最后，结合附图5，给出自适应调频单元的工作实例：

需要说明的是，附图5中，C₁表示串联谐振补偿电容，C_p和L_p构成滤波电路，R₁表示第一轴向磁场谐振耦合线圈的电阻，L₁表示第一轴向磁场谐振耦合线圈的电感，C₂表示并联谐振补偿电容，R₂表示第二轴向磁场谐振耦合线圈的电阻，L₂表示第二轴向磁场谐振耦合线圈的电感。本申请中，第一轴向磁场谐振耦合线圈又可以称为发射线圈，第二轴向磁场谐振耦合线圈又可以称为接收线圈。

所述第一谐振耦合短节的控制模块7向驱动模块71和信号调制模块74发出控制指令，产生一段复合时域波形驱动信号；通过第一谐振补偿模块76对第一轴向磁场谐振耦合线圈进行串联谐振匹配；所述第一谐振耦合短节的磁谐振线圈发出磁场信号；

所述第二谐振耦合短节的第三谐振补偿模块86对第二轴向磁场谐振耦合线圈进行并联谐振匹配；所述第二信号解调85解析出与复合时域波形驱动信号相匹配的数据序列对；所述第二控制模块83根据解析出的数据序列进行择优决策，并发出指令决策到第二驱动模块82和第二信号调制模块84；通过第四谐振补偿模块87对第二轴向磁场谐振耦合线圈进行串联谐振补偿匹配，将频率决策信息通过磁场信号发送到所述第一谐振耦合短节；

所述第一谐振耦合短节8的第二谐振补偿模块77对第一轴向磁场谐振耦合线圈进行并联补偿匹配，第一信号解调85将择优决策信息解析出来发送至第一控制模块83；所述第一控制模块83根据接收到的决策指令，选择最佳匹配频率进行工作。

所述信号调制模块，对采集的钻头处的压力、温度等数据信息进行滤波、放大、调制；所述驱动模块产生正弦信号，并经过谐振补偿电路传输至谐振轴向耦合线圈；所述第一谐振耦合短节根据选择的最佳工作频率进行调制驱动，谐振发射线圈发出磁场信号穿过10m-35m螺杆钻具、非接触式传输至第一谐振耦合短节。

所述集成了信号调制模块、信号解调模块、驱动模块、谐振耦合接收线圈、保护电路模块、电源供电等模块的第二谐振耦合短节的谐振接收线圈感应到最佳共振频率下的磁场信号；所述解调模块解析出钻头处的压力、温度等数据信息，然后按照通信协议和传输方式将数据信息传输至地面。

通过本发明系统，采用基于磁场耦合的双谐振型信号分时复用双向通信系统，线圈工作频率自适应调整系统；基于磁场耦合无线通信不会受到地层和井底液等介质的影响，钻头与地层的接触状态不会影响接收器拾取磁场信号的强度；采用双谐振系统，增强磁场发射和接收强度，采用自适应调频单元，够使近钻头传感数据跨过10m-35m的可旋转螺杆、完成高效准确传输。

本发明公开一种双谐振型近钻头信号短传系统；轴向耦合线圈在谐振匹配电路配合下，通交流电激发轴向变化的磁力线，磁力线跨过10m-35m的可旋转螺杆总成实现第一谐振耦合短节和第二谐振耦合短节之间的无线传输；所述线圈工作频率自适应调整系统，能够实现不同螺杆长度近钻头信号的实时测量与稳定无线传输。通过本发明系统，无线通信不会受到地层和井底液等介质的影响，钻头与地层的接触状态不会影响接收器拾取磁场信号的强度，能够使近钻头传感数据跨过10m-35m的可旋转螺杆、完成高效准确传输。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。