CN106869907B - 基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主要属于随钻测量领域，具体涉及基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，将跨螺杆连接的发射体和接收体置于盛有溶液的容器中，发射体和接收体通过铜丝连接，构成电场信号的回路，发射体与发射电路连接实现信号发射，接收体与接收电路相连实现信号接收，通过测量溶液不同电阻率情况下发射信号与接收信号的幅度关系实现发射最优功率和接收增益的标定。本发明可完全替代井场环境下标定，在实验室即可实现基于电场理论的近钻头无线短传系统的研发和测试工作，环境搭建简单，仿真的无线信道稳定，电阻率环境修改方便，可以遍历所有电阻率环境的井筒环境，加快无线短传系统的研发周期，降低研发成本。
Description
技术领域
本发明主要属于随钻测量领域，具体涉及基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法。
背景技术
随钻测井和钻井作业中，近钻头测量可以实时获得钻头的当前位置信息，从而刻画出实时的钻进轨迹信息，以便于地面操作工程师实时调整钻井速度和方向，按照设定的井眼轨迹完成钻井作业。近钻头测量的传感器安装于钻头和螺杆之间，由于螺杆的特殊结构（完全是机械机构，不具备穿线等电气连接，除非改造螺杆结构），近钻头测量单元与MWD系统不具有电气连接。因此只能通过无线的方式将近钻头测量短节的测量数据实时传送到螺杆上面的MWD系统，之后再通过泥浆脉冲发生器传输到地面。
无线短传系统使用发射体和接收体形成的电场实现无线短传功能。发射体的正极和负极之间插入绝缘体，实现发射体两部分的电气隔离。接收体安装于距离发射体10米处，跨过螺杆，接收体的正负极之间同样插入绝缘体，实现发射体两部分的电气隔离。发射体正极发射的电信号经过地层和井筒泥浆信道后，在接收体的正负极之间形成电势差，之后通过螺杆构成的回路，回到发射体的负极。由于地层环境和泥浆电阻率的不同，在接收体的正负极之间形成的电势差的动态范围很大，研发过程中，需要结合环境对不同的钻遇地层的电阻率情况的发射功率和接收增益进行标定。但是无线短传借助于井筒泥浆环境下的闭环电场，实现无线信号传输，井场井筒环境恶劣，实际井场实验操作不方便，费时费力同时测试研发成本高，不能够实现系统的不同钻遇环境下的测试，给研发带来很大的难度。
发明内容
针对上述问题，本发明在地面仿真实际井筒环境，标定在不同的钻遇地层的电阻率情况（在0.2欧姆米到200欧姆米的地层电阻率范围内）的发射功率和接收增益，完善调制和解调方法，提高无线短传系统的可靠性和稳定性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，所述方法用来标定基于电场理论的近钻头无线短传系统，所述系统包括发射体和接收体，发射体和接受体跨螺杆连接，所述标定方法为将跨螺杆连接的发射体和接收体置于盛有溶液的容器中，所述溶液的电阻率值能够调节，发射体和接收体通过金属丝连接，构成电场信号的回路，发射体与发射电路连接实现信号发射，接收体与接收电路相连实现信号接收，通过测量溶液不同电阻率情况下发射信号与接收信号的幅度关系实现发射最优功率和接收增益的标定；
所述发射体和接收体浸没在溶液中；
进一步地，所述溶液的电阻率值能够在0.2欧姆米到200欧姆米内调节。
进一步地，金属丝为铜丝。
进一步地，所述容器的材质为绝缘材料，避免电场信号通过容器壁传播。
进一步地，所述发射体包括发射正极和发射负极，所述接收体包括接收正极和接收负极；
发射正极和发射负极之间插入绝缘体，实现发射体两部分的电气隔离；
接收正极和接收负极之间插入绝缘体，实现接收体两部分的电气隔离；
发射正极和发射负极分别通过导线一和导线二与发射电路连接，接收正极和接收负极分别通过导线三和导线四与接收电路相连，接收电路测量导线三和导线四之间的电势差实现信号的接收；
接收电路测量导线三和导线四之间的电势差实现信号接收。
进一步地，导线的长度小于10厘米，从而保证发射电路到发射体的电阻及接收体到接收电路的电阻尽量小。
进一步地，所述溶液为氯化钠水溶液，通过调节氯化钠的浓度来调节溶液电阻率。
进一步地，所述铜丝的直径在1厘米以上，所述铜丝的长度不大于螺杆长度，从而保证信号回路的电阻尽量小。
进一步地，所述容器的材质为PVC或玻璃。
本发明的有益技术效果：
本发明的近钻头无线短传地面测试环境下标定方法，可以完全替代井场环境下标定，在实验室即可实现基于电场理论的近钻头无线短传系统的研发和测试工作，环境搭建简单，仿真的无线信道稳定，电阻率环境修改方便，可以遍历所有电阻率环境的井筒环境，可以加快无线短传系统的研发周期，降低研发成本。
附图说明
图1、本发明标定方法搭建的地面环境装置示意图；
图2、本发明标定方法搭建的地面环境电路示意图；
图3、溶液电阻率1.61欧姆米接收信号的示意图；
图4、溶液电阻率0.5欧姆米时接收信号的示意图；
图5、不同溶液电阻率时接收信号的示意图。
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描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，地面环境下的系统搭建结构如图1所示，整个系统的发射体和接收体放置于水槽中，水槽长10米（与跨接的螺杆长度相同），宽40cm，高40cm。水槽中灌入2/3容量的盐水溶液，盐水的浓度可通过加入的氯化钠晶体质量决定，从而调节盐水溶液的电阻率值。水槽的材质必须为绝缘材料，PVC或者玻璃材质，这样可以避免电场信号通过水槽壁传播。发射体和接收体完全浸入盐水溶液中，都是由正极部分、负极部分和绝缘体三部分组成，整体为直径20厘米至30厘米的圆柱体，发射负极和接收负极通过长铜丝连接，构成电场信号的回路。铜丝直径要求在1厘米以上，从而保证信号回路的电阻尽量小。
发射体的正极和负极通过两根短粗的导线与发射电路连接，实际测量发射电路到发射体的正负极部分电阻小于0.1欧姆。接收体的正极和负极也需通过两根短粗的导线与接收电路相连。接收电路测量两导线之间的电势差，从而实现信号的接收。导线选择美标24号线，长度小于10厘米。
地面标定环境的等效电路如图2所示，其中 Rt、Rr为外接导线引入的电阻，应该尽量减小其值，实际中应小于0.1欧姆，可忽略不计。Rn为发射电路的电场近端回路电阻，其阻值与水槽中盐水溶液的电阻率成正比。Rf为发射电路的电场远端回路电阻，其阻值与水槽中盐水溶液的电阻率成正比。并且，Rf相比较于Rn要大得多。同时，随着水槽中盐水的电阻率减小，Rf/Rn的比值会成指数降低，就就会造成发射电路的电场能量大部分通过Rn近端回路，只有少部分的能量会通过Rf远端回路。
采用上述方法对溶液不同电阻率情况下进行标定：
水槽盐水电阻率1.61欧姆米，发射信号为32个周期的幅度为2V的1KHz正弦信号，通过水槽的发射体发出后，接收体的微弱信号经过10万倍的放大滤波后得到的信号如图3所示。通过本地面测试环境，可以验证在地层电阻率为1.6欧姆米的情况下，发射和接收信号的幅度关系，从而确定发射最优功率和接收增益。
水槽盐水电阻率0.9欧姆米，发射信号为32个周期的幅度为2V的1KHz正弦信号，通过水槽的发射体发出后，接收体的微弱信号经过10万倍的放大滤波后得到的信号如图4所示。通过本地面测试环境，可以验证在地层电阻率为1.6欧姆米的情况下，发射和接收信号的幅度关系，从而确定发射最优功率和接收增益。
水槽盐水电阻率四种，0.5-1.61欧姆米，发射信号为32个周期的幅度为2V的1KHz正弦信号，通过水槽的发射体发出后，接收体的微弱信号经过10万倍的放大滤波后得到的信号。将四种环境下的接收信号做对比，如图5所示。
通过本地面测试环境下标定方法，可以验证在地层不同电阻率的情况下，发射和接收信号的幅度关系，从而确定发射最优功率和接收增益。
Claims (9)
1.基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，所述方法用来标定基于电场理论的近钻头无线短传系统，所述系统包括发射体和接收体，发射体和接收体跨螺杆连接，其特征在于，
所述标定方法为将跨螺杆连接的发射体和接收体置于盛有溶液的容器中，所述溶液的电阻率值能够调节，发射体和接收体通过金属丝连接，构成电场信号的回路，发射体与发射电路连接实现信号发射，接收体与接收电路相连实现信号接收，通过测量溶液不同电阻率情况下发射信号与接收信号的幅度关系实现发射最优功率和接收增益的标定；
所述发射体和接收体浸没在溶液中。
2.如权利要求1所述基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，其特征在于，所述发射体包括发射正极和发射负极，所述接收体包括接收正极和接收负极；
发射正极和发射负极之间插入绝缘体，实现发射体两部分的电气隔离；
接收正极和接收负极之间插入绝缘体，实现接收体两部分的电气隔离；
发射正极和发射负极分别通过导线一和导线二与发射电路连接，接收正极和接收负极分别通过导线三和导线四与接收电路相连，接收电路测量导线三和导线四之间的电势差实现信号的接收。
3.如权利要求2所述基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，其特征在于，导线的长度小于10厘米,从而保证发射电路到发射体的电阻及接收体到接收电路的电阻尽量小。
4.如权利要求1所述基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，其特征在于，溶液的电阻率值能够在0.2欧姆米到200欧姆米内调节。
5.如权利要求1所述基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，其特征在于，所述容器的材质为绝缘材料，避免电场信号通过容器壁传播。
6.如权利要求1所述基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，其特征在于，所述金属丝为铜丝。
7.如权利要求1-6任一所述基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，其特征在于，所述溶液为氯化钠水溶液，通过调节氯化钠的浓度来调节溶液电阻率。
8.如权利要求6所述基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，其特征在于，所述铜丝的直径在1厘米以上，所述铜丝的长度不大于螺杆长度，从而保证信号回路的电阻尽量小。
9.如权利要求1-6任一所述基于电场理论的近钻头无线短传地面环境下标定方法，其特征在于，所述容器的材质为PVC或玻璃。
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