[发明专利]用于随钻测量数据传输的智能钻杆电磁参数设计方法

说明书

本发明公开了用于随钻测量数据传输的智能钻杆电磁参数设计方法，通过布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配连接进行智能钻杆的电磁参数设计；在电磁耦合接头的原边线圈并联上由电阻和电容组成的阻抗补偿元件，使耦合线圈输入阻抗与该补偿元件阻抗相并联的阻抗值与布线杆体传输线的特征阻抗值相等，实现布线杆体传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配，在给定设计频率、传输线的单位长度电容、传输线的单位长度电感，电磁耦合线圈直径，环状高频磁芯的内环直径，环状高频磁芯的外环直径，线圈导线的直径，导线的电导率等参数条件下，通过电路分析与数学分析确定出智能钻杆电磁参数的设计规则。本发明的有益效果是可实现电遥测钻柱的高频信号传输，并获得较高的数据传输速率。

技术领域

本发明属于井下随钻测量技术领域，涉及一种油气钻井过程中的随钻测量/随钻测井数据传输装置的电磁参数设计方法，特别涉及一种用于随钻测量/随钻测井数据传输的智能钻杆电磁参数设计方法。

背景技术

井下随钻测量(MWD)技术是一种在钻井过程中实时测量及传输井下信息的现代钻井辅助技术。随钻测量技术最初仅用于钻井工程参数(钻井液压力、井筒温度、井斜角、方位角、钻压、钻头扭矩、钻头震动等)的实时测量与传输，目前发展到与测井技术相结合，将钻井工程参数与地层参数(地层电阻率、岩石孔隙度、岩石自然伽玛射线等)一并进行实时测量与传输，并称之为随钻测井(LWD)技术，因此随钻测井技术也可称为现代随钻测量技术。钻井过程中，钻井液由地表通过钻柱被泵入井下，从钻头水眼喷出用于钻头的润滑和冷却并通过井壁与钻柱的环型空间向上返出井口，MWD/LWD工具安装在钻头上部的钻铤内，见图1。在MWD/LWD工具中，安装在近钻头钻柱中的传感器获得测量数据并通过井下信息遥测系统传输到地面，信息遥测通过智能钻杆形成的电遥测钻柱来传输井下MWD/LWD数据。智能钻杆是一种在钻杆内壁镶嵌有铠装数据电缆的特殊钻杆，数据电缆为同轴电缆，智能钻杆的长度接近10米，其中杆体长度近9米，杆体两端分别为螺旋状的公、母接头，用于钻杆串联形成钻柱，钻杆中空用于钻井液的流通，钻杆的公、母接头内布置有环状高频磁芯，磁芯内部刻槽用于放置导线形成单匝线圈，钻杆中的电缆导线在钻杆两端分别嵌入磁芯槽内形成闭合回路，用于传输高频电压信号；当钻杆串联形成钻柱时，两两相邻钻杆端部的线圈位置非常接近从而形成一对电磁耦合线圈，当其中一个线圈流过高频电流时，电流产生的交变磁场会大部分进入另一线圈内部，在其中感应出交变电压并在与钻杆中的电缆导线形成的闭合回路中产生电流，从而将信号从一个钻杆传递到相邻钻杆再继续接传形成电磁信号的传输通道。由于电遥测钻柱的各个智能钻杆之间没有电接触，所以智能钻杆可像普通钻杆一样通过接单根形成钻柱用于钻井操作。目前的研究表明，电遥测钻柱井下信息遥测系统的数据传输速率可以达到2Mbit/s，远高于钻井液压力脉冲(传输速率20bit/s)及地层电磁波(传输速率15bit/s)信息遥测系统的数据传输速率，但由于信号传输过程中的衰减严重，需要每传输300米左右通过中继放大器对信号进行放大后再继续传输，对于3000多米常规井深的钻井过程，则需要配置十几个中继放大器，由此造成电遥测钻柱井下信息遥测系统成本的提高及信号传输可靠性的降低。智能钻杆可以看做由布线的杆体及两端单匝线圈形成的电磁接头组成，当钻杆串联时，相邻钻杆的接头通过螺扣连接形成可传输电磁信号的电磁耦合器或电磁耦合接头。当在杆体中的数据电缆中输入几兆赫兹——十几兆赫兹的高频电压信号时，电缆导线中的信号波长与钻杆长度处于同一个数量级，此时数据电缆应看做具有分布电磁参数的传输线，电缆中的电压信号传输杆体长度的距离会产生较大的相位变化(相移)，在传输线的特性阻抗与电磁耦合接头的线圈阻抗不一致(阻抗不匹配)情况下会引起信号在线圈端的反射，因此电缆导线上的信号电压为入射信号与反射信号的电压相量之和。该相移如果利用得好可以对信号电压起增强作用；如果利用得不好，可能造成信号电压的大幅度下降，并可能使信道的频率特性变差，包括信道的电压传输系数减小及带宽变窄，影响数据的传输速率及传输距离。目前的相关研究均没有考虑高频信号通过智能钻杆杆体电缆导线时相移产生的影响，也没有考虑信号传输线与电磁耦合接头的阻抗匹配问题，其结果是杆体电缆导线电磁参数及耦合接头电磁参数设计的不合适，往往造成高频下传输距离不够需要增加多个中继放大器，或采用较低频率信号进行传输来获得减少中继放大器的效果，使得数据的传输速率降低。有关智能钻杆的结构和电磁信号传输的研究，SPE79885、SPE92477、SPE99134、SPE110939等多篇文献介绍了Nevotek和GrantPrideco公司的Interpipe智能钻杆结构及现场试验数据，但未涉及智能钻杆的电磁参数设计；石崇东等在“智能钻柱设计方案及其应用”(石油钻探技术2004)中给出了与上述SPE文献类似的智能钻杆结构以及另一种采用直接电接触来传输电信号及电力的智能钻杆结构；朱柯斌等在“基于电缆—无线耦合的随钻测井信号传输新方法及其数值模拟研究”(物理学报2013)中针对Nevotek公司的智能钻杆结构采用电磁场数值模拟方法研究了矩形传输线的插入损耗与反射损耗及电磁耦合接头的耦合系数；孙浩玉在“智能钻杆磁感应传输技术及其信道特性分析”(中国石油大学学报2013)中采用实验方法研究了电磁耦合接头的电压传输特性及电遥测钻柱信道的电压传输系数的频率特性；李作会等在“磁感应传输钻杆耦合器设计及仿真研究”(中外能源2016)中采用电磁仿真及实验方法研究了电磁耦合接头的耦合电压频率特性及耦合间隙对耦合电压的影响；刘亚军等在“甚低频磁感应波智能钻杆信号传输系统性能分析”(西安石油大学学报2017)采用电路分析方法研究了基于智能钻杆的电遥测钻柱的甚低频(20KHz)信号传输的误码率。上述研究仅局限在智能钻杆结构、电磁耦合接头的电磁特性分析、传输线的传输损耗分析、低频信号长距离传输的可行性分析等，并没有涉及到智能钻杆的电磁参数设计，尤其是可以使高带宽的高频信号传输距离远大于目前中继距离的智能钻杆的电磁参数设计。因此，如何在高频情况下建立传输线与电磁耦合接头的匹配电路模型及信号电压传输的数学模型，如何基于信号能量的最大传输实现智能钻杆的电磁参数设计以大幅度延长中继距离，现有技术均无法提供有效的解决方法和解决途径。