气体钻井随钻地下数据无线传输装置.pdf

气体钻井随钻地下数据无线传输装置，属于油气开采领域中用于气体钻井随钻测试数据的传输装置，目的是解决现有气体钻井中地下随钻测试数据的传输装置不能实时传输数据的问题，包括设置在钻头上方的井下无磁钻挺短接、设置在钻具内单流阀处的无线网络中继器及天线、设置在方钻杆处的无线网络中继器及天线、地面无线网桥及天线和计算机；井下无磁钻挺短接内设置有压力传感器、温度传感器、粉尘含水量传感器、电子罗盘、模数转换器、无线网桥、发射天线和给上述部件供电的电池供电系统；模数转换器与上述各传感器、无线网桥电连接，发射天线与无线网桥电连接，地面无线网桥及天线与发射天线发出的微波信号相匹配，地面无线网桥与计算机电连接。

1、  气体钻井随钻地下数据无线传输装置，包括采集信号的传感器及处理信号的计算机，其特征在于，还包括与传感器电连接的模数转换器、与模数转换器电连接的无线网桥、与无线网桥电连接的发射天线，发射天线设置在钻具内，其发射的微波信号耦合在钻具内进行传输，地面上设置与发射天线发出的微波信号相匹配的地面无线网桥，地面无线网桥与计算机电连接。

2、  如权利要求1所述气体钻井随钻地下数据无线传输装置，其特征在于，所述传感器包括压力传感器、温度传感器、粉尘含水量传感器和电子罗盘。

3、  如权利要求1所述气体钻井随钻地下数据无线传输装置，其特征在于，所述无线网桥和地面无线网桥为双频无线网桥，其频率分别为2.4GHz、5.8GHz，其工作频率由计算机根据钻具内径确定。

4、  如权利要求1所述气体钻井随钻地下数据无线传输装置，其特征在于，所述无线传输装置还包括设置在钻具内部的无线网络中继器及天线。

5、  如权利要求1所述气体钻井随钻地下数据无线传输装置，其特征在于，所述无线传输装置还包括设置在方钻杆内的无线网络中继器及天线。

6、  如权利要求4所述气体钻井随钻地下数据无线传输装置，其特征在于，所述钻具内每1000米安装1个无线网络中继器及天线。

7、  如权利要求1所述气体钻井随钻地下数据无线传输装置，其特征在于，所述传感器、模数转换器、无线网桥和发射天线集成装配在井下无磁钻挺短接内，井下无磁钻挺短接内还设置有给上述部件供电的电池供电系统。

气体钻井随钻地下数据无线传输装置
技术领域
本发明属于油气开采领域中用于气体钻井随钻测试数据的传输装置。
背景技术
利用气体钻井在近几年得到了大量的推广与应用，其在大幅度提高机械钻速、减少对油气层的污染和及时发现油气层方面有突出的贡献，但其也有很多问题，适用范围较窄，最突出的问题为地层出水引起井壁垮塌、井下燃爆和井眼轨迹控制。
井下燃爆问题和地层出水可以通过专利申请号为200610021853.9、名称为“一种气体钻井井下状态的连续监测方法”发明专利申请公开的方法监测，但申请公开的方法是在地面间接监测，不能直接测试井下状态。
高钻压使用牙轮钻头提高机械钻速，井斜控制和测量是比较突出的问题，尤其是气体钻定向井、水平井的随钻测量，其数据传输是关键问题。
在泥浆井中的随钻测量是利用泥浆脉冲传输信号，此技术已很成熟，是不能应用到气体钻井中，代替它的是电磁波脉冲信号传输技术(EMMWD—Electromagnetic Measurement While Drilling)。EMMWD是利用超低频电磁波直接穿过地层到达地面接收器，如果井深较深、地层阻抗较小，超低频电磁波在穿越地层的过程中被衰减，不能到达地面被有效接收，信号传输距离一般为700m～3200m，使用天线延长技术和中继技术可以达到实际应用的传输距离，但其难度较大，数据传输速率较低，不能实时传输成像测井信息。
另外，井下存储式随钻测量仪器不能实时传输数据，利用声波传输技术，难与解决钻井震动噪声问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有气体钻井中地下随钻测试数据的传输装置不能实时传输数据的问题，提供一种可应用于气体钻井随钻测试数据传输的无线传输装置，发射功率更小，具有装配结构及空间更小的供电系统，实现高速实时地传输地下测试数据到地面进行处理。
气体钻井随钻地下数据无线传输装置，包括采集信号的传感器及处理信号的计算机，还包括与传感器电连接的模数转换器、与模数转换器电连接的无线网桥、与无线网桥电连接的发射天线，发射天线设置在钻具内，其发射的微波信号耦合在钻具内进行传输，地面上设置与发射天线发出的微波信号相匹配的地面无线网桥，地面无线网桥与计算机电连接。
所述传感器包括压力传感器、温度传感器、粉尘含水量传感器和电子罗盘。压力传感器测试井底压力，判断井眼净化情况；温度传感器测试钻具环空气体温度，如果井下发生了燃爆，环空气体温度会急剧增高，以此判断燃爆程度，并决策是否停气灭火；粉尘含水量传感器测试地层出水情况；电子罗盘测量井眼倾角、方位角和工具面角，实现定向井轨迹实时测量或控制。
所述无线网桥和地面无线网桥为双频无线网桥，其频率分别为2.4GHz、5.8GHz，其工作频率由计算机根据钻具内径确定。
所述无线传输装置还包括设置在钻具内部的无线网络中继器及天线。
所述无线传输装置还包括设置在方钻杆内的无线网络中继器及天线。
所述钻具内每1000米安装1个无线网络中继器及天线。
所述传感器、模数转换器、无线网桥和发射天线集成装配在井下无磁钻挺短接内，井下无磁钻挺短接内还设置有给上述部件供电的电池供电系统。
本发明采用上述结构，可以把传感器安装在钻头上方以采集井下信号，并通过模数转换器、无线网桥和发射天线将采集的信号转换为数字信号再转换为微波信号，利用钻具作为波导定向传输到地面的无线网桥接收后传给计算机进行处理；将无线微波信号耦合在钻具内进行传输，一方面解决了现有无线器件无定向传输造成传输距离较短的问题，另一方面可以利用现有的无线传输部件，具有如下有益效果：
(1)不用泥浆波传输信号，可以实现气体钻井条件下随钻测试数据的实时传输；
(2)信号传输设备可以借鉴成熟的无线网络技术(WLAN)，与EMMWD相比，发射功率由100W级减小到mW级，可以使用更小型的电池供电；
(3)可以实现54Mbps的高速双向通信速率；
(4)能够实现井下设备的控制和数据采集。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中标号：1是压力传感器，2是温度传感器，3是粉尘含水量传感器，4是电子罗盘，5是模数转换器，6是无线网桥，7是发射天线，8是过单流阀的无线网络中继器及天线，9是方钻杆处的无线网络中继器及天线，10是地面无线网桥及天线，11是计算机，12是电池供电系统。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，气体钻井随钻地下数据无线传输装置包括设置在钻头上方的井下无磁钻挺短接、设置在钻具内单流阀处的无线网络中继器及天线8、设置在方钻杆处的无线网络中继器及天线9、地面无线网桥及天线10和计算机11。
井下无磁钻挺短接内设置有压力传感器1、温度传感器2、粉尘含水量传感器3、电子罗盘4、模数转换器5、无线网桥6、发射天线7和给上述部件供电的电池供电系统12。模数转换器5与上述各传感器电连接，无线网桥6与模数转换器5电连接，与无线网桥6电连接的发射天线设置在钻具内，其发射的微波信号耦合在钻具内进行传输，设置在地面的地面无线网桥及天线10与发射天线7发出的微波信号相匹配(即发射天线7发出的微波信号可以被地面无线网桥及天线10的天线所接收并转发)，地面无线网桥与计算机11电连接。
压力传感器1测试井底压力，判断井眼净化情况；温度传感器2测试钻具环空气体温度，如果井下发生了燃爆，环空气体温度会急剧增高，以此判断燃爆程度，并决策是否停气灭火；粉尘含水量传感器3测试地层出水情况；电子罗盘4测量井眼倾角、方位角和工具面角，实现定向井轨迹实时测量或控制。
上述无线网桥及地面无线网桥都是双频无线网桥，其频率分别为2.4GHz、5.8GHz，其工作频率由计算机根据钻具内径确定。
采用上述装置在气体钻井时将随钻井下数据无线传输到地面进行处理的方法步骤如下：
a.在钻头上方安装集成有压力传感器1、温度传感器2、粉尘含水量传感器3、电子罗盘4、模数转换器5、无线网桥6、发射天线7和电池供电系统12的井下无磁钻挺短接；并将钻具内的单流阀片换成微波信号可以通过的非金属阀片，如陶瓷或尼龙制成的阀片；钻具内每1000米安装1个过单流阀的无线网络中继器及天线8；地面方钻杆处设置无线网络中继器及天线9；地面上设置地面无线网桥及天线10及计算机11；
b.将上述各传感器采集的信号经模数转换器5转换为数字信号，然后送入无线网桥6；
c.无线网桥6通过发射天线7将上述数字信号以微波方式耦合到钻具内；
d.经步骤c耦合的微波信号沿钻具传输，经过具有非金属阀片的单流阀被无线网络中继器及天线8转发到地面方钻杆处的无线网络中继器及天线9，再由无线网络中继器及天线9转发到地面无线网桥及天线10接收；
e.由地面无线网桥将信号传输给计算机11，由计算机对信号进行处理。
微波信号在传输过程中，先要通过内径较小的钻挺部分，约100～300米，再传到内径较大的钻杆部分，最后传到内径较小的方钻杆部分。
根据波导理论，微波信号的传输能力及传输距离与钻具内径有关，因此，根据钻具内径大小，应采用不同的微波频率。
本实施例采用双频无线网桥，可以方便地通过地面计算机11设置成2.4GHz(802.11b/g)或是5.8GHz(802.11a)模式。在整个微波信号传输过程中每1000米使用了1个无线网络中继器及天线8，每个无线网络中继器及天线8可以使用双系统自动组网，减少链式网络系统故障率。
在整个链式网络通讯系统中，使用中继较多，但由于无线网络中继器设备小、天线小、功耗小、成本低以及无线网络设备管理技术成熟，因此不会因为中继设备多而影响本装置的应用。