本發(fā)明涉及油氣勘探鉆井工程的隨鉆測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置及其數(shù)據(jù)傳輸測量方法。

背景技術(shù)：

隨著石油和天然氣勘探開發(fā)的不斷進(jìn)行，剩余的常規(guī)油氣藏已經(jīng)越來越少，非常規(guī)油氣藏、復(fù)雜油氣藏的開發(fā)日益增多。在這些非常規(guī)油氣藏和復(fù)雜油氣藏中定向井的施工應(yīng)用也越來越普遍。在這些定向井施工中，獲取近鉆頭的井眼軌跡參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)對施工成功與否至關(guān)重要。

為了獲得近鉆頭的井眼軌跡參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)，一方面需要借助近鉆頭的測量短節(jié)，對近鉆頭的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量；另一方面需要一套短傳系統(tǒng)，用來完成近鉆頭測量短節(jié)與泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。這是因?yàn)榻@頭測量短節(jié)與泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)之間通常被動(dòng)力鉆具隔開，而常規(guī)的動(dòng)力鉆具中很難設(shè)置傳輸線，因此需要一套短傳系統(tǒng)，跨越動(dòng)力鉆具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

目前現(xiàn)有的近鉆頭傳輸系統(tǒng)包括以下兩類：

一類是有線方式，例如專利文獻(xiàn)cn101881155所公開的，這一類方法比較容易理解，就是對常規(guī)的動(dòng)力鉆具進(jìn)行開槽埋設(shè)電纜，將數(shù)據(jù)傳輸線從動(dòng)力鉆具的中間穿過。這類方式由于動(dòng)力鉆具的加工成本、機(jī)械強(qiáng)度等因素，應(yīng)用范圍一直受到限制。

另一類是無線方式，無線方式又包括：聲波傳輸、電磁波傳輸以及磁場變換等方式。但是由于近鉆頭劇烈震動(dòng)的原因，聲波傳輸方式，例如專利文獻(xiàn)cn202900265所公開的，會(huì)受到嚴(yán)重的干擾，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。電磁波傳輸方式，例如專利文獻(xiàn)cn201110319158.1所公開的，會(huì)受到附近地層以及鉆井液的影響，傳輸信道不穩(wěn)定，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，才有可能有效應(yīng)用。而磁場變換方式，例如專利文獻(xiàn)cn201210458259.1所公開的，涉及復(fù)雜的電機(jī)和磁鐵控制，而且因?yàn)榻@頭后方有限的空間其安裝可行性也受到很大限制。

此外，傳統(tǒng)的隨鉆測量儀器通常設(shè)置在動(dòng)力鉆具的上方，距離鉆頭10米甚至更遠(yuǎn)的距離，隨鉆測量儀器的測量數(shù)據(jù)同樣距離鉆頭10米甚至更遠(yuǎn)的距離。因此這些數(shù)據(jù)有一定的滯后性，不能實(shí)時(shí)或及時(shí)反應(yīng)正在鉆進(jìn)地層的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置，以及利用該裝置向地面?zhèn)鬏斀@頭測量數(shù)據(jù)和測量地層電阻率的方法。

本發(fā)明提供的近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置，其特征在于，包括：

近鉆頭測量模塊，其用于測量鉆進(jìn)過程中的相關(guān)參數(shù)，并將測量數(shù)據(jù)傳給發(fā)射控制電路模塊；

所述發(fā)射控制電路模塊，其用于對所述近鉆頭測量模塊傳來的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并將編碼信號傳給發(fā)射耦合模塊；

所述發(fā)射耦合模塊，其與近鉆頭鉆鋌短節(jié)、動(dòng)力鉆具、動(dòng)力鉆具上鉆鋌短節(jié)、接收耦合模塊一起形成一個(gè)兩級變壓器耦合電路，所述兩級變壓器耦合電路將所述發(fā)射耦合模塊接收到的編碼信號以變壓耦合的方式傳給所述接收耦合模塊；

接收處理電路模塊，其用于對所述接收耦合模塊接收到的編碼信號進(jìn)行解碼，并將解碼后的測量數(shù)據(jù)傳給隨鉆測量系統(tǒng)；

所述隨鉆測量系統(tǒng)，其用于將所述接收處理電路模塊傳來的測量數(shù)據(jù)傳給地面。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，上述接收處理電路模塊還用于根據(jù)所述兩級變壓器耦合電路中的電壓、電流信號的幅值計(jì)算地層電阻率。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，上述發(fā)射控制電路模塊可以包括依次連接的數(shù)據(jù)接收單元、編碼微處理器單元、電流放大單元、匹配發(fā)送單元，分別用于對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、編碼、放大、匹配。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，上述發(fā)射耦合模塊套設(shè)在所述近鉆頭鉆鋌短節(jié)外側(cè)，包括第一環(huán)形鐵氧體和繞制在所述第一環(huán)形鐵氧體的第一線圈，其中所述第一線圈的兩端連接所述發(fā)射控制電路模塊的輸出端；上述接收耦合模塊套設(shè)在所述動(dòng)力鉆具上鉆鋌短節(jié)外側(cè)，包括第二環(huán)形鐵氧體和繞制在所述第二環(huán)形鐵氧體的第二線圈，其中所述第二線圈的兩端連接所述接收處理電路模塊的輸入端。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，上述接收處理電路模塊可以包括依次連接的接收匹配 單元、增益放大控制單元、帶通濾波單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、微控制器單元、輸出單元，分別用于對編碼信號進(jìn)行接收、放大、濾波、轉(zhuǎn)換、解碼，然后輸出解碼后的測量數(shù)據(jù)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，上述發(fā)射控制電路模塊和接收處理電路模塊可以采用調(diào)頻、調(diào)幅或調(diào)相的方式進(jìn)行編碼和解碼。

此外，本發(fā)明還提供一種利用上述近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測量的方法，包括以下步驟：

s100，通過近鉆頭測量模塊測量鉆進(jìn)過程中的相關(guān)參數(shù)，并將測量數(shù)據(jù)傳給發(fā)射控制電路模塊；

s200，通過發(fā)射控制電路模塊對近鉆頭測量模塊傳來的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并將編碼信號傳給發(fā)射耦合模塊；

s300，通過發(fā)射耦合模塊、近鉆頭鉆鋌短節(jié)、動(dòng)力鉆具、動(dòng)力鉆具上鉆鋌短節(jié)、接收耦合模塊所形成兩級變壓器耦合電路，將發(fā)射耦合模塊接收到的編碼信號以變壓耦合的方式傳給接收耦合模塊；

s400，通過接收處理電路模塊對接收耦合模塊接收到的編碼信號進(jìn)行解碼，并將解碼后的測量數(shù)據(jù)傳給隨鉆測量系統(tǒng)；

s500，通過隨鉆測量系統(tǒng)將接收處理電路模塊傳來的測量數(shù)據(jù)傳給地面。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，上述數(shù)據(jù)傳輸測量方法還可以包括以下步驟：

s600，通過接收處理電路模塊，根據(jù)兩級變壓器耦合電路中的電壓、電流信號的幅值計(jì)算地層電阻率。

數(shù)據(jù)傳輸測量的方法，上述編碼和解碼可以采用調(diào)頻、調(diào)幅或調(diào)相的方式進(jìn)行。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可以具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明的近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置可以設(shè)置在距離鉆頭只有1米左右的位置處，相比與傳統(tǒng)裝置能夠更好地及時(shí)反應(yīng)鉆進(jìn)地層的情況，并具有性能穩(wěn)定，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地減少因?yàn)閯×艺饎?dòng)、鉆井液變化等引起的噪聲和環(huán)境變化對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

2、與傳統(tǒng)的有線傳輸方式相比，本發(fā)明的近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置成本更低，而且能夠方便地集成到各種近鉆頭測量系統(tǒng)上，例如近鉆頭伽馬成像短節(jié)等。

3、本發(fā)明的近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置可以先將近鉆頭測量數(shù)據(jù)傳輸給動(dòng)力鉆具上方傳統(tǒng)的隨鉆測量系統(tǒng)，再由傳統(tǒng)的隨鉆測量系統(tǒng)將近鉆頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬷笇?dǎo)定向和地質(zhì)導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

4、本發(fā)明的近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置同時(shí)還具備測量隨鉆地層電阻率的功能，掌握地質(zhì)情況更加方便快捷。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例共同用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1示出本發(fā)明的近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置的應(yīng)用示意圖；

圖2示出本發(fā)明實(shí)施例的近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3示出本發(fā)明實(shí)施例的近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置的發(fā)射控制電路模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4示出本發(fā)明實(shí)施例的近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置的等效電路圖；

圖5示出本發(fā)明實(shí)施例的近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置的接收處理電路模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。

如圖1所示，是本發(fā)明提供的近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置的應(yīng)用示意圖。從圖1中可以看出，該裝置設(shè)置于鉆柱130靠近鉆頭120的一端，主要包括以下部件：

近鉆頭鉆鋌短節(jié)10、近鉆頭測量模塊20、發(fā)射控制電路模塊30、發(fā)射耦合模塊40、動(dòng)力鉆具50、接收耦合模塊60、接收處理電路模塊70、隨鉆測量系統(tǒng)80、動(dòng)力鉆具上鉆鋌短節(jié)90。

圖2顯示了上述近鉆頭的數(shù)據(jù)傳輸測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，封裝在各 鉆鋌短節(jié)內(nèi)部的模塊未示出，包括：近鉆頭測量模塊20、發(fā)射控制電路模塊30、接收處理電路模塊70、隨鉆測量系統(tǒng)80。

下面詳細(xì)地介紹該裝置的各個(gè)部件及其工作原理：

近鉆頭測量模塊20，安裝在近鉆頭鉆鋌短節(jié)10內(nèi)部，用于測量鉆進(jìn)過程中電阻率、伽馬等地質(zhì)參數(shù)或者井斜、方位、工具面等定向參數(shù)，并通過有線方式與發(fā)射電路控制模塊30相連，將測量數(shù)據(jù)傳輸給發(fā)射電路控制模塊30。

發(fā)射電路控制模塊30，也安裝在近鉆頭鉆鋌短節(jié)10內(nèi)部。發(fā)射控制電路模塊30的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括：數(shù)據(jù)接收單元31、編碼微處理器單元32、電流放大單元33、匹配發(fā)送單元34。發(fā)射控制電路模塊30的作用是對從近鉆頭測量模塊20傳來的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后進(jìn)行放大和匹配，最后傳輸給發(fā)射耦合模塊40。

發(fā)射耦合模塊40，安裝在近鉆頭鉆鋌短節(jié)10外側(cè)開設(shè)的環(huán)形凹槽11內(nèi)，確切地說套設(shè)在近鉆頭鉆鋌短節(jié)10外側(cè)。發(fā)射耦合模塊40主要由環(huán)形鐵氧體41和繞制在環(huán)形鐵氧體的線圈42組成。其中，線圈42的兩端接收從發(fā)射電路控制模塊30傳來的信號。

近鉆頭鉆鋌短節(jié)10、動(dòng)力鉆具50、動(dòng)力鉆具上鉆鋌短節(jié)90三個(gè)部件依次相連，相當(dāng)于一根很粗的導(dǎo)線。這根導(dǎo)線穿過發(fā)射耦合模塊的環(huán)形鐵氧體41和繞制在環(huán)形鐵氧體41上的線圈42，構(gòu)成了一個(gè)n1:1的變壓器tr1，其中n1是繞制在環(huán)形鐵氧體41的線圈42的匝數(shù)，1就是這根等效的導(dǎo)線。由于變壓器對交流信號有轉(zhuǎn)換效應(yīng)，因此從發(fā)射電路控制模塊30傳來的信號通過n1:1變壓器tr1轉(zhuǎn)換到由近鉆頭鉆鋌短節(jié)10、動(dòng)力鉆具50、動(dòng)力鉆具上鉆鋌短節(jié)90連接在一起所形成的等效導(dǎo)線上，并因此在由這根等效導(dǎo)線與鉆頭附近地層110所構(gòu)成的回路中產(chǎn)生交流電流is(如圖4所示)。

接收耦合模塊60，與發(fā)射耦合模塊40類似，安裝在動(dòng)力鉆具上鉆鋌短節(jié)90外側(cè)開設(shè)的環(huán)形凹槽91內(nèi)，確切地說套設(shè)在動(dòng)力鉆具上鉆鋌短節(jié)90外側(cè)。接收耦合模塊60主要由環(huán)形鐵氧體61和繞制在環(huán)形鐵氧體61上的的線圈62組成。

由近鉆頭鉆鋌短節(jié)10、動(dòng)力鉆具50、動(dòng)力鉆具上鉆鋌短節(jié)90連接在一起所形成的等效導(dǎo)線，穿過接收耦合模塊60中的環(huán)形鐵氧體61和繞制在環(huán)形鐵氧體61上的線圈62，也構(gòu)成一個(gè)1：n2的變壓器tr2，其中n2是繞制在環(huán)形鐵氧體61上的線圈62的匝數(shù)，1就是這根等效的導(dǎo)線。由上可知，通過n1:1變壓器tr1 的作用，從發(fā)射電路控制模塊30傳來的信號可以使得由等效導(dǎo)線與地層所構(gòu)成的回路中產(chǎn)生交流電流is，同理，通過1：n2變壓器tr2的作用，交流電流is可以使得在接收耦合模塊60中的線圈62的兩端產(chǎn)生相應(yīng)的交流電壓uo(如圖4所示)

接收處理電路模塊70，安裝在動(dòng)力鉆具上鉆鋌短節(jié)90內(nèi)部。接收處理電路模塊70的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，包括：接收匹配單元71、增益放大控制單元72、帶通濾波單元73、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元74、微控制器單元75、輸出單元76。其中，接收匹配單元71與接收耦合模塊60的線圈62的兩端相連，接收線圈62兩端的電壓信號uo并進(jìn)行匹配，后續(xù)單元進(jìn)行放大、濾波和解碼，得到近鉆頭測量模塊20測量的數(shù)據(jù)，最后通過輸出單元76將這些測量數(shù)據(jù)傳輸給隨鉆測量系統(tǒng)80。隨鉆測量系統(tǒng)80將接收處理電路模塊70傳來的測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妫瓿山@頭測量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

整個(gè)裝置的等效電路如圖4所示，相當(dāng)于是一個(gè)兩級的變壓器變換電路，結(jié)合發(fā)射部分的編碼和匹配放大，接收部分的放大、濾波和解碼，最終將近鉆頭的測量信號傳輸給隨鉆測量系統(tǒng)，進(jìn)而傳輸?shù)降孛嬷笇?dǎo)定向和地質(zhì)導(dǎo)向。其中的編碼和解碼的方式可以采用調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相等方式，但不局限于這些方式。

接收處理電路模塊接收信號并對其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和采集存儲。接收處理電路模塊中的微控制器單元可以進(jìn)一步對采集存儲的交流信號的幅度進(jìn)行計(jì)算。因此，利用上述裝置還可以進(jìn)一步根據(jù)兩級變壓器耦合回路中電壓信號uo、電流信號is的幅度的大小推算出兩級變壓器耦合回路中對應(yīng)的地層電阻率r1(參見圖4所示的等效電路圖)，即進(jìn)行地層電阻率的測量。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施案例，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此。例如，近鉆頭測量模塊、發(fā)射控制電路模塊、接收處理電路模塊、隨鉆測量系統(tǒng)的安裝位置可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。只要能夠達(dá)到本發(fā)明的技術(shù)效果，任何熟悉本技術(shù)的技術(shù)人員在本發(fā)明所述的技術(shù)規(guī)范內(nèi)，對本發(fā)明的修改或替換，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。