阅读说明：本技术 近钻头无线短传恒电流发射方法及装置 (Near-bit wireless short-transmission constant current transmitting method and device ) 是由 孙云涛 陈文轩 底青云 郑健 张文秀 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种近钻头无线恒电流近距离传输方法及装置,属于近钻头随钻测井技术领域。该装置包括发射部和接收部,射部将信号调制处理后无线短传至接收部,发射部根据设定的额定发射恒电流值,将发射信号射入地层,并对发射信号的额定发射恒电流值进行动态监测和调节,获得稳定的发射功率。本发明提供了一种近钻头无线恒电流近距离传输的方法和装置,避免随钻过程中在钻遇不同电阻率地层情况下的发射功耗问题,结构简单,易于实现。可有效避免发射功耗过大引起电路损坏。(The invention discloses a near-bit wireless constant-current short-distance transmission method and device, and belongs to the technical field of near-bit logging while drilling. The device comprises an emitting part and a receiving part, wherein the emitting part modulates and transmits signals to the receiving part in a wireless short mode, the emitting part emits the emitted signals into the stratum according to a set rated emission constant current value, dynamic monitoring and adjustment are carried out on the rated emission constant current value of the emitted signals, and stable emission power is obtained. The invention provides a near-bit wireless constant-current short-distance transmission method and device, which can avoid the problem of transmitting power consumption when drilling in formations with different resistivity in the process of drilling, and have the advantages of simple structure and easy realization. The circuit damage caused by overlarge transmitting power consumption can be effectively avoided.)

近钻头无线短传恒电流发射方法及装置

技术领域

本发明属于近钻头随钻测井技术领域，具体涉及一种近钻头无线短传恒电流发射方法及装置。

背景技术

现阶段，近钻头随钻测井技术发展较快，与常规随钻测井比较，近钻头测井仪器的传感器探头距离钻头更近，更能及时获取钻开地层信息，更准确标示钻井轨迹，降低钻井作业风险，提高作业效率。一般来说，近钻头随钻测井仪器由以下三部分组成：近钻头测量短节、近钻头短距离传输装置和随钻测量系统(MWD)，如图1所示。其中近钻头测量短节靠近钻头布置，内部安装有加速度计、磁传感器等，用来测量钻进的轨迹信息。有些系统还会安装伽马探头和电阻率测量短节，用来及时测量钻遇地层地质信息。近钻头短距离传输装置由发射体和接收体组成，中间跨接螺杆。实现将近钻头测量短节的信息传送至随钻测量系统MWD的功能。由于螺杆的结构特点，一般情况下其不具有电连接性能(不能使用贯穿线实现发射和接收装置的有线通讯)，除非改造螺杆结构，使用预埋在螺杆中的贯穿线实现有线通讯。见专利号CN201120323832.9，但这种结构有其使用的局限性，基本被摒弃。近钻头短传的发展方向是无线传输方式。中国石油勘探开发研究院钻井工艺研究所采用电磁方式实现，其方法是载有发射天线的无线电磁短传信号发生器将所述的近钻头测量短节采集到的数据进行调制，生成电磁信号，并将该电磁信号发射输出，载有接收天线的无线电磁短传接收器接收被发射输出的电磁信号，并对接收到的电磁信号进行解调，将解调后的数据传给MWD测量系统。见专利号CN100410488C。第三部分随钻测量系统MWD主要由探管、电池和泥浆脉冲发生器组成。近钻头短距离传输装置将借助于泥浆脉冲发生器将收到的近钻头测量信息发送到地面系统，用于现场工程师的实时监控。

在无线短传方面，除了采用无线电磁方式进行传输外，还有采用电极方式进行传输。采用电极方式进行传输的原理是：通过在发射体和接收体***两个GAP绝缘层将发射体、螺杆和接收体分割成电气隔离的三段。通过发射体发射电流的方式，在接收体检测GAP两端的弱信号实现无线短传。这种方式实现简单，机械加工方便，被普遍采用。

但是在实际的研制过程中，申请人发现采用电极方式的无线短传在不同的地层及泥浆电阻率情况下，功耗差别很大。钻遇地层(钻头钻进的过程中钻开的钻头附近)的电阻率(受泥浆电阻率和地层电阻率联合影响)动态范围可以在0.1欧姆.米到200欧姆.米的范围内变化。因此发射电路如果不进行有效的功率输出控制，仪器在钻进的过程中一旦遇到低阻(低电阻率)地层，相当于发射GAP两端接近短路，发射的功耗会很大，极易造成仪器发射电路烧毁。例如，申请人实测在1欧姆.米的泥浆环境下，发射电极两端的实际等效电阻在10欧姆左右，而在37欧姆.米(清水)的泥浆环境下，发射电极两端的实际等效电阻为200欧姆。因此在两种环境下，如果发射电路以恒定的电压发射，那在低阻情况下的功耗是高阻情况的功耗的20倍。随着泥浆电阻率的降低，这个差值会更大，极容易造成发射电路烧毁。因此主要提出一种恒电流的近钻头发射方法及装置。可以根据实际钻遇地层情况进行调节，从而避免发射电路因功耗过大而烧毁。

采用电极方式进行近钻头无线短传的方法中，目前尚无采用恒电流发射技术。而非恒电流方式的缺点已在前文说明。因此需要提供一种采用恒电流的发射方式进行近钻头无线短传的方法和装置。

发明内容

为了实现以上目的，本发明提供了一种近钻头无线恒电流近距离传输的方法和装置，避免随钻过程中在钻遇不同电阻率地层情况下的发射功耗问题，结构简单，易于实现。可有效避免发射功耗过大引起电路损坏。

根据本发明的第一方面，提供一种近钻头无线恒电流近距离传输系统，所述装置包括发射部和接收部，所述发射部将信号调制处理后无线短传至所述接收部，其特征在于，所述发射部根据设定的额定发射恒电流值，将发射信号射入地层，并对发射信号的额定发射恒电流值进行动态监测和调节，获得稳定的发射功率。

进一步的，所述发射部包括发射处理器部、MOSFET驱动部、反馈采集部、恒电流控制部以及发射电极，

所述发射处理器部用于对近钻头测量短节的测量信息进行二进制频率调制；生成恒定电压幅度信号，并控制恒电流控制部对额定发射恒电流值进行调节；

所述MOSFET驱动部用于将恒定电压幅度信号进行放大，经过MOSFET驱动后控制驱动电路；

所述反馈采集部用于实时监测发射电压值和发射电流值，并反馈发射电压值和发射电流值给发射处理器部以进行动态监测和调节；

所述恒电流控制部用于设定额定发射恒电流值，并根据发射处理器部获取的反馈信息调节额定发射恒电流值，并反馈发射处理器部；

所述发射电极与驱动电路输出端跨接，将发射恒电流射入地层。

进一步的，所述发射处理器部通过模拟输出口设定恒定模拟电压值，通过放大电路后，生成恒定电压幅度信号。

进一步的，所述恒电流控制部根据发射处理器部获取的反馈信息调节额定发射恒电流值具体包括：

当额定发射恒电流值在初始化时被设置为最大值时，则：

若电路中总电阻大于额定发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部降低额定发射恒电流值；

若电路中总电阻小于额定发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部保持额定发射恒电流值不变，

当额定发射恒电流值在初始化时被设置为最小值时，则：

若电路中总电阻大于额定发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部增大额定发射恒电流值；

若电路中总电阻小于额定发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部保持额定发射恒电流值不变。

进一步的，所述发射处理器部通过模数转换器接口ADC1和ADC2获得反馈采集部发送的发射电压值和发射电流值。

根据本发明的第二方面，提供一种近钻头无线恒电流近距离传输方法，所述方法采用根据以上任一方面所述的近钻头无线恒电流近距离传输系统进行近距离传输，所述方法包括：

步骤1：通过恒电流控制部设定额定发射恒电流值；

步骤2：通过发射处理器部对近钻头测量短节的测量信息进行二进制频率调制，并生成恒定电压幅度信号；

步骤3：通过MOSFET驱动部将恒定电压幅度信号进行放大，经过MOSFET驱动后控制驱动电路；

步骤4：通过反馈采集部实时监测发射电压值和发射电流值，并发送发射电压值和发射电流值给发射处理器部；

步骤5：通过恒电流控制部根据发射处理器部获取的反馈信息调节额定发射恒电流值，并反馈发射处理器部；

步骤6：所述发射处理器部根据恒电流控制部的反馈信息调节额定发射恒电流值。

进一步的，所述发射处理器部通过模拟输出口设定恒定模拟电压值，通过放大电路后，生成恒定电压幅度信号。

进一步的，所述恒电流控制部根据发射处理器部获取的反馈信息调节额定发射恒电流值具体包括：

当额定发射恒电流值在初始化时被设置为最大值时，则：

若电路中总电阻大于额定发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部降低额定发射恒电流值；

若电路中总电阻小于额定发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部保持额定发射恒电流值不变，

当额定发射恒电流值在初始化时被设置为最小值时，则：

若电路中总电阻大于额定发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部增大额定发射恒电流值；

若电路中总电阻小于额定发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部保持额定发射恒电流值不变。

进一步的，所述发射处理器部通过模数转换器接口ADC1和ADC2获得反馈采集部发送的发射电压值和发射电流值。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种近钻头无线恒电流近距离传输的方法和装置，通过恒电流控制部保证稳定功耗、延长工作时长，保证在不同的地层和泥浆电阻率环境下，发射电流的最大值不超过设定范围，实现不同地层和泥浆环境下的有效无线通讯。避免随钻过程中在钻遇不同电阻率地层情况下的发射功耗问题，结构简单，易于实现。可有效避免发射功耗过大引起电路损坏。本发明采用恒电流的发射方式在实际应用中具有很大的实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1示出近钻头随钻测井仪器的结构图；

图2示出根据本发明实施例的近钻头无线恒电流近距离传输系统发射部的结构图；

图3示出根据本发明实施例的近钻头无线恒电流近距离传输方法的流程图；

图4示出根据本发明实施例的恒电流控制部工作示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上。

和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本发明提供了一种近钻头无线短传恒电流发射装置。如图2所述，该装置包括：

发射处理器部，对测量短节的测量信息进行二进制频率调制(2FSK)，以及设定恒定模拟电压值，通过放大电路后，生成恒定电压幅度信号；

MOSFET驱动部，将调制信号放大，经过MOSFET驱动后控制驱动电路；

反馈采集部，实时监测发射电压和电流，反馈给发射处理器部，进行动态监测和调节；

恒电流控制部，通过发射处理器部获取的反馈信息调节发射电流值。具体地，通过发射处理器部的DAC输出不同的电压实现输出电流的连续可调。

发射电极，驱动输出跨接发射电极，将预先设定的恒电流射入地层。

本发明还提供了一种近钻头无线短传恒电流发射方法。如图3所示，该方法包括：

步骤101：通过恒电流控制部设定额定(第一)发射恒电流值。

步骤102：通过发射处理器部对近钻头测量短节的测量信息进行二进制频率调制，以及通过模拟输出口设定恒定模拟电压值，通过放大电路后，生成恒定电压幅度信号。发射处理器部通过模数转换器接口ADC1和ADC2获得反馈采集部发送的发射电压值和发射电流值。

步骤103：通过MOSFET驱动部将恒定电压幅度信号进行放大，经过MOSFET驱动后控制H桥驱动电路。

步骤104：通过反馈采集部实时监测发射电压值和发射电流值，并发送发射电压值和发射电流值给发射处理器部。

步骤105：通过恒电流控制部根据发射处理器部获取的反馈信息调节第一发射恒电流值，并反馈发射处理器部。

该恒电流控制部根据发射处理器部获取的反馈信息调节第一发射恒电流值具体包括：

当第一发射恒电流值在初始化时设置为最大值时(例如1.0A)，则：

若电路中总电阻大于第一发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部降低第一发射恒电流值为第二发射恒电流值；

若电路中总电阻小于第一发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部保持第一发射恒电流值不变。

当第一发射恒电流值在初始化时设置为最小值时(例如0.25A)，则：

若电路中总电阻大于第一发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部增大第一发射恒电流值为第二发射恒电流值；

若电路中总电阻小于第一发射恒电流值所需放电电阻，则恒电流控制部保持第一发射恒电流值不变。

步骤106：所述发射处理器部根据恒电流控制部反馈的调节后的发射恒电流值调节发射恒电流。

在本申请技术方案中，恒电流控制部是保证稳定功耗、延长工作时长的关键。不同的地层和泥浆，其电阻率不同，其范围在0.1欧姆.米到200欧姆.米之间。实时监测发射电流、加载到地层的发射电压，保证在不同的地层和泥浆电阻率环境下，发射电流的最大值不超过设定范围，实现不同地层和泥浆环境下的有效无线通讯。避免发射电路因负载过低而烧毁。

如图4所示，发射处理器部通过模拟输出口设定恒定模拟电压值，通过放大电路后，生成恒定电压幅度信号。恒定电压幅度信号连接PMOS功率管的集电极端，实现通过供电电压到H桥电压的恒电流输出放电回路。恒电流放电回路包括功率电阻Rs、H桥开路电阻Ron及发射电极两端的负载R。如果RL＝Rs+Ron+R的总电阻大于恒电流要求的放电电阻，则放电回路工作于小于设定恒流的情况。如果RL小于恒电流要求的放电电阻，则放电回路工作于设定的恒流。这样就保证了在地层电阻率较低的情况下，不会烧毁发射电路。同时系统具有反馈电流和电压的测量回路。可以实时监测放电回路的电流和H桥高压的电压值。处理器部通过这两个测量值可以获取当前发射电极两端的等效电阻R，从而可以反演出当前钻遇地层的视电阻率。反馈电压和反馈电流可以通过处理器部的模数转换器接口ADC1和ADC2简单获得。

在实际应用中，选择的供电电压和设定的恒定电流直接影响到系统的工作时长(因为近钻头测量短节基本都用电池供电)和接收系统的信噪比(发射功率不同、地层电阻率不同直接影响接收信号的幅度和信噪比)。因此应根据实际情况进行设定。目前这种方法及装置已应用在发明人发明的近钻头电极式无线短传系统中。

实施例1

目前已经实现的系统中，供电电压11V，发射处理器部设定发射电流最大为500mA，系统通过处理器部的DAC(模拟数模转换器输出口)设定加载到PMOS的集电极电压为10V。选择功率电阻为Rs＝2Ω，因此如果在RL小于22欧姆的情况下，系统加载到H桥高压端的电流最大为500mA((11V-10V)/2Ω)。由于放电回路电流为500mA，加载到Rs功率电阻上的功耗为0.5*0.5*2＝0.5W，因此Rs需要选用大功率电阻以适应电流为500mA以上的情况。

实施例2

通过改造目前的系统可以获得更高的发射电流，，供电电压22V，发射处理器部设定发射电流最大为2A，系统通过处理器部的DAC(模拟数模转换器输出口)设定加载到PMOS的集电极电压为18V。选择功率电阻为Rs＝2Ω，因此如果在RL小于11欧姆的情况下，系统加载到H桥高压端的电流最大为2A((22V-18V)/2Ω)。由于放电回路电流为2A，加载到Rs功率电阻上的功耗为2*2*2＝8W，因此Rs需要选用大功率电阻以适应电流为2A以上的情况。

实施例3

在钻遇地层电阻率较高的情况下，供电电压11V，发射处理器部设定发射电流最大为0.5A，系统通过处理器部的DAC(模拟数模转换器输出口)设定加载到PMOS的集电极电压为10V。选择功率电阻为Rs＝2Ω，因此如果在RL小于22欧姆的情况下，系统加载到H桥高压端的电流最大为2A((22V-18V)/2Ω)。但是如果当前发射电极两端的等效电阻R较大，放电回路总负载RL大于22欧姆，则此时放电回路工作于11V/RL的电流情况下，此时的回路电流小于500mA。

本发明能够实现近钻头测量短节的恒电流发射功能，具有较强的实用性。本发明的目的是为了解决实际钻遇地层不同的情况下，电极式发射功率的问题，以避免在低阻地层(地层电阻率越低，发射电极的两端等效电阻越小)的情况下，发射功率不受控制增大，直至烧毁电路的问题。