氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法
2023-07-06 13:57:16
專利名稱：氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法
技術領域：
本發明屬於油氣開採領域中用於氣體鑽井隨鑽測試數據的傳輸方法。
技術背景利用氣體鑽井在近幾年得到了大量的推廣與應用，其在大幅度提高機械鑽 速、減少對油氣層的汙染和及時發現油氣層方面有突出的貢獻，但其也有很多 問題，適用範圍較窄，最突出的問題為地層出水引起井壁垮塌、井下燃爆和井 眼軌跡控制。井下燃爆問題和地層出水可以通過專利申請號為200610021853.9、名稱為 "一種氣體鑽井井下狀態的連續監測方法"發明專利申請公開的方法監測，但 申請公開的方法是在地面間接監測，不能直接測試井下狀態。高鑽壓使用牙輪鑽頭提高機械鑽速，井斜控制和測量是比較突出的問題， 尤其是氣體鑽定向井、水平井的隨鑽測量，其數據傳輸是關鍵問題。在泥漿井中的隨鑽測量是利用泥漿脈衝傳輸信號，此技術已很成熟，是不 能應用到氣體鑽井中，代替它的是電磁波脈衝信號傳輸技術(EMMWD — Electromagnetic Measurement While Drilling )。 EMMWD是利用超低頻電磁波 直接穿過地層到達地面接收器，如果井深較深、地層阻抗較小，超低頻電磁波 在穿越地層的過程中被衰減，不能到達地面被有效接收，信號傳輸距離一般為 700m 3200m，使用天線延長技術和中繼技術可以達到實際應用的傳輸距離， 但其難度較大，數據傳輸速率較低，不能實時傳輸成像測井信息。另外，井下存儲式隨鑽測量儀器不能實時傳輸數據，利用聲波傳輸技術， 難與解決鑽井震動噪聲問題。 發明內容本發明的目的是解決現有氣體鑽井中地下隨鑽測試數據不能實時傳輸的 問題，提供一種可應用於氣體鑽井隨鑽測試數據傳輸的無線方法，發射功率更 小，具有裝配結構及空間更小的供電系統，實現高速實時地傳輸地下測試數據 到地面進行處理。本發明的目的通過下述技術方案來實現氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法包括如下步驟a.在鑽頭上方安裝傳感器、模數轉換器、無線網橋和發射天線；b. 將傳感器採集的信號經模數轉換器轉換為數位訊號，然後送入無線網橋；c. 無線網橋通過發射天線將上述數位訊號以微波方式耦合到鑽具內；d. 經步驟c耦合的微波信號沿鑽具被傳輸到地面，由地面無線網橋接收;e. 由地面無線網橋將信號傳輸給計算機，由計算機對信號進行處理。 所述傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器、粉塵含水量傳感器和電子羅盤。壓力傳感器測試井底壓力，判斷井眼淨化情況；溫度傳感器測試鑽具環空氣體 溫度，如果井下發生了燃爆，環空氣體溫度會急劇增高，以此判斷燃爆程度， 並決策是否停氣滅火；粉塵含水量傳感器測試地層出水情況；電子羅盤測量井 眼傾角、方位角和工具面角，實現定向井軌跡實時測量或控制。所述無線網橋和地面無線網橋為雙頻無線網橋，其頻率分別為2.4GHz、 5.8GHz，其工作頻率由計算機根據鑽具內徑確定。所述鑽具內部設置有無線網絡中繼器，以在微波信號衰減到不能有效接收 時，被中繼轉發，繼續有效傳輸。所述鑽具內的單流閥片換成微波信號可以通過的非金屬閥片。所述非金屬閥片為陶瓷或尼龍製成的閥片。所述步驟d中，微波信號被傳輸到地面方鑽杆，由方鑽杆內的無線網絡中 繼器轉發給地面無線網橋。所述鑽具內每1000米安裝1個無線網絡中繼器。所述傳感器、模數轉換器、無線網橋和發射天線裝配在井下無磁鑽挺短接 內，井下無磁鑽挺短接內還設置有給上述部件供電的電池供電系統。本發明採用上述方法，在鑽頭上方安裝傳感器採集信號，並通過模數轉換 器、無線網橋和發射天線將採集的信號轉換為數位訊號再轉換為微波信號，利 用鑽具作為波導定向傳輸到地面的無線網橋接收後傳給計算機進行處理；將無 線微波信號耦合在鑽具內進行傳輸， 一方面解決了現有無線器件無定向傳輸造 成傳輸距離較短的問題，另一方面可以利用現有的無線傳輸部件，具有如下有 益效果(1) 不用泥漿波傳輸信號，可以實現氣體鑽井條件下隨鑽測試數據的實時 傳輸；(2) 信號傳輸設備可以借鑑成熟的無線網絡技術(WL認)，與EMMWD相比， 發射功率由100W級減小到mW級，可以使用更小型的電池供電；(3) 可以實現54Mbps的高速雙向通信速率；(4) 能夠實現井下設備的控制和數據採集。
圖1是本發明所採用裝置的結構示意圖；圖中標號l是壓力傳感器，2是溫度傳感器，3是粉塵含水量傳感器，4 是電子羅盤，5是模數轉換器，6是無線網橋，7是發射天線，8是過單流閥的 無線網絡中繼器及天線，9是方鑽杆處的無線網絡中繼器及天線，IO是地面無 線網橋及天線，ll是計算機，12是電池供電系統。
具體實施方式
下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步的說明。 如圖1所示，氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法所採用的裝置包括設置 在鑽頭上方的井下無磁鑽挺短接、設置在鑽具內單流閥處的無線網絡中繼器及 天線8、設置在方鑽杆處的無線網絡中繼器及天線9、地面無線網橋及天線IO和計算機ll。井下無磁鑽挺短接內設置有壓力傳感器1、溫度傳感器2、粉塵含水量傳 感器3、電子羅盤4、模數轉換器5、無線網橋6、發射天線7和給上述部件供 電的電池供電系統12。壓力傳感器1測試井底壓力，判斷井眼淨化情況；溫度傳感器2測試鑽具 環空氣體溫度，如果井下發生了燃爆，環空氣體溫度會急劇增高，以此判斷燃 爆程度，並決策是否停氣滅火；粉塵含水量傳感器3測試地層出水情況；電子 羅盤4測量井眼傾角、方位角和工具面角，實現定向井軌跡實時測量或控制。 發射天線7發出的微波信號可以被地面無線網橋及天線10的天線所接收 並轉發，即地面無線網橋及天線10與發射天線7發出的微波信號相匹配。上述無線網橋及地面無線網橋都是雙頻無線網橋，其頻率分別為2. 4GHz、 5.8GHz，其工作頻率由計算機根據鑽具內徑確定。採用上述裝置的氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法步驟如下-a.在鑽頭上方安裝集成有壓力傳感器l、溫度傳感器2、粉塵含水量傳感 器3、電子羅盤4、模數轉換器5、無線網橋6、發射天線7和電池供 電系統12的井下無磁鑽挺短接；並將鑽具內的單流閥片換成微波信號 可以通過的非金屬閥片，如陶瓷或尼龍製成的閥片；鑽具內每1000米 安裝1個過單流閥的無線網絡中繼器及天線8;地面方鑽杆處設置無線
網絡中繼器及天線9;地面上設置地面無線網橋及天線10及計算機11; b.將上述各傳感器採集的信號經模數轉換器5轉換為數位訊號，然後送 入無線網橋6;C.無線網橋6通過發射天線7將上述數位訊號以微波方式耦合到鑽具內；d. 經步驟C耦合的微波信號沿鑽具傳輸，經過具有非金屬閥片的單流閥被無線網絡中繼器及天線8轉發到地面方鑽杆處的無線網絡中繼器及 天線9，再由無線網絡中繼器及天線9轉發到地面無線網橋及天線10 接收；e. 由地面無線網橋將信號傳輸給計算機ll,由計算機對信號進行處理。 微波信號在傳輸過程中，先要通過內徑較小的鑽挺部分，約100 300米，再傳到內徑較大的鑽杆部分，最後傳到內徑較小的方鑽杆部分。根據波導理論，微波信號的傳輸能力及傳輸距離與鑽具內徑有關，因此，根據鑽具內徑大小，應採用不同的微波頻率。本實施例採用雙頻無線網橋，可以方便地通過地面計算機11設置成2. 4GHz (802. llb/g)或是5. 8GHz (802. lla)模式。在整個微波信號傳輸過程中每1000米使用了 1個無線網絡中繼器及天線8，每個無線網絡中繼器及天線8可以使用雙系統自動組網，減少鏈式網絡系統故障率。在整個鏈式網絡通訊系統中，使用中繼較多，但由於無線網絡中繼器設備小、天線小、功耗小、成本低以及無線網絡設備管理技術成熟，因此不會因為中繼設備多而影響本方法的應用。
權利要求
1、氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法，其特徵在於，包括如下步驟a. 在鑽頭上方安裝傳感器、模數轉換器、無線網橋和發射天線；b. 將傳感器採集的信號經模數轉換器轉換為數位訊號，然後送入無線網橋；c. 無線網橋通過發射天線將上述數位訊號以微波方式耦合到鑽具內；d. 經步驟c耦合的微波信號沿鑽具傳輸到地面，由地面無線網橋接收；e. 由地面無線網橋將信號傳輸給計算機，由計算機對信號進行處理。
2、 如權利要求1所述氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法，其特徵在於，所述傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器、粉塵含水量傳感器和電子羅盤。
3、 如權利要求1所述氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法，其特徵在於， 所述無線網橋和地面無線網橋為雙頻無線網橋，其頻率分別為2. 4GHz、5. 8GHz， 其工作頻率由計算機根據鑽具內徑確定。
4、 如權利要求1所述氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法，其特徵在於， 所述鑽具內部設置有無線網絡中繼器，以在微波信號衰減到不能有效接收時， 被中繼轉發，繼續有效傳輸。
5、 如權利要求1所述氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法，其特徵在於， 所述鑽具內的單流閥片換成微波信號可以通過的非金屬閥片。
6、 如權利要求5所述氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法，其特徵在於， 所述非金屬閥片為陶瓷或尼龍製成的閥片。
7、 如權利要求1所述氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法，其特徵在於， 所述步驟d中，微波信號被傳輸到地面方鑽杆，由方鑽杆內的無線網絡中繼器 轉發給地面無線網橋。
8、 如權利要求4所述氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法，其特徵在於， 所述鑽具內每1000米安裝1個無線網絡中繼器。
9、 如權利要求1所述氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法，其特徵在於， 所述傳感器、模數轉換器、無線網橋和發射天線裝配在井下無磁鑽挺短接內， 井下無磁鑽挺短接內還設置有給上述部件供電的電池供電系統。
全文摘要
氣體鑽井隨鑽地下數據無線傳輸方法，屬於油氣開採領域中用於氣體鑽井隨鑽測試數據的傳輸方法，目的是解決現有氣體鑽井中地下隨鑽測試數據不能實時傳輸的問題，包括如下步驟在鑽頭上方安裝傳感器、模數轉換器、無線網橋和發射天線；將傳感器採集的信號經模數轉換器轉換為數位訊號，然後送入無線網橋；無線網橋通過發射天線將上述數位訊號以微波方式耦合到鑽具內；經上述耦合的微波信號沿鑽具被傳輸到地面，由地面無線網橋接收；由地面無線網橋將信號傳輸給計算機，由計算機對信號進行處理；鑽具內部設置有無線網絡中繼器；鑽具內的單流閥片換成微波信號可以通過的非金屬閥片；微波信號被傳輸到地面方鑽杆內的無線網絡中繼器轉發給地面無線網橋。
文檔編號E21B47/12GK101392642SQ20081004643
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月31日 優先權日2008年10月31日
發明者靜 周, 孟曉峰, 孟英峰, 李永傑, 陳一健 申請人:西南石油大學