一种随钻测量的电磁遥测方法及系统 【技术领域】
本发明涉及用于石油，矿山，地质勘探等随钻测量或非随钻测量钻井仪器设备中用电磁遥测传输井下数据的技术，具体的讲是一种随钻测量的电磁遥测方法及系统。
背景技术
当前在石油，矿山，地质勘探等钻井工程中为了能使钻井轨迹更准确的按照工程设计要求钻进，以及更及时准确的掌握地层信息，就需要把定向传感器和采集地质信息的传感器安装在靠近钻头的位置。这些传感器随着钻机的钻进在井下进行测量，在这同时传感器采集到的数据还要实时传输到地面，以便使工程技术人员及时了解井筒的轨迹和地层信息的变化。而这传输井下测量信息的过程通常称为“遥测”。
钻井工程中遥测井下测量信息一般有两种方法，一种是“有线遥测方法”；一种是“泥浆脉冲遥测方法”；“有线遥测方法”就是用一根铠装单芯电缆下端连接测量仪器通过钻柱的通道放入井下钻铤中，测量仪器获得的数据由这根铠装单芯电缆传输到地面。但这种方法不能在旋转钻井和井斜角大于45度地井中使用。因为电缆在钻柱的通道内如果钻柱旋转电缆会被绞断，另外井斜角大于45度时，仪器靠自身重量下放到井底将很困难。
关于“泥浆脉冲遥测方法”，它是利用安装在钻铤中的脉冲发生器，在钻柱通道内的泥浆中产生压力波，以这种压力波为载体将数据传上来。这种遥测方法只能用在以普通泥浆为介质的钻井施工中，如果用在欠平衡钻井中将无法传输井下数据，因为在欠平衡钻井中钻井液(介质)是气体或泡沫泥浆。气体和泡沫泥浆是可压缩的，在这种介质中产生的压力脉冲会严重变形导致接收传感器不能正确地提取信号。于是在钻井工程中，欲使钻井轨迹更准确的按照工程设计要求钻进，以及更及时准确的掌握地层信息，就需要把定向传感器和采集地质信息的传感器安装在靠近钻头的位置进行随钻测量，在这同时还要把测量数据实时地传输到地面。而如何解决将井下测量数据实时地传输到地面的问题是一关键性问题。
【发明内容】
本发明的内容在于，提供一种随钻测量的电磁遥测方法及系统，用以克服现有遥测技术中存在的问题。广泛用于以各种介质为钻井液的特殊工艺井(如定向钻井，水平钻井，欠平衡钻井等)或常规钻井中进行随钻测量。使得在钻井工程中，钻井轨迹更准确的按照工程设计要求钻进，以及更及时准确的掌握地层信息，同时把测量数据实时地准确地传输到地面。
本发明的技术方案为：一种随钻测量的电磁遥测方法，其中包括：
将井下传感器测得的数据转换为电磁信号后输出；
利用钻柱和地层作为媒质将所述的电磁信号传输到地面；
接收所述的媒质中的电磁信号并对接收到的电信号进行处理。
所述的将井下传感器测得的数据转换为电磁信号后输出是指：采用传感器对井筒轨迹和钻头所在地层位置的地质参数进行测量，并对测得的数据进行载频调制、功率放大的处理，将处理后的信号发射输出。
所述的利用钻柱和地层作为媒质将所述的电磁信号传输到地面是指：所述的电磁信号穿过由钻柱7、地层29构成的电磁信道传输到地面。
所述的接收所述的媒质中的电磁信号并对接收到的电磁信号进行处理是指：采用电流传感器、电磁波传感器对从所述的媒质中传来的电信磁号进行接收，并对接收到的电磁信号进行前置放大、信号监测切换、带通滤波、自动增益控制、解调、信号检波、数字滤波的处理，然后进行将数据输出到显示器上。
本发明所述的方法包括以下具体步骤：
首先由数据接口按照约定的通讯规则接收来自传感器短节9的数据，然后进行载频调制、功率放大的处理，将处理后的信号经发射器输出，且发射输出的信号为电流及载频电磁波；
所述的电流通过由钻柱7、钻头10、地层29、地面接收装置4、信号电缆3、接地电极5构成的载频电流回路进行传输；
所述的载频电磁波通过由地层29、地面接收装置4构成的载频电磁波通道进行传输；
采用电流传感器和电磁波传感器对从所述的载频电流回路和载频电磁波通道中传来的载频电流和电磁波进行接收，并对接收到的电磁信号进行前置放大、信号监测切换、带通滤波、自动增益控制、解调、信号检波、数字滤波的处理，然后进行数据分析及包括显示在内的数据输出。
本发明还提供了一种随钻测量的电磁遥测系统，包括：钻柱7、传感器短节9，还包括：井下发射装置8，地面接收装置4，以及由所述钻柱7和地层29构成的电磁信道；其中：
所述的传感器短节将测得的井下数据传送给所述的井下发射装置；所述的井下发射装置将井下数据转换为电磁信号后发射输出到所述的电磁信道；所述的地面接收装置接收所述的电磁信道中的电磁信号并对接收到的电磁信号进行处理。
所述的井下发射装置包括：
发射电路和发射电极；其中：
所述的发射电路由传感器数据接口、FSK调制器、载频信号发生器、功率放大器构成；所述的发射电极为发射线圈；
所述的传感器数据接口按照约定的通讯规则接收来自传感器短节的数据；由所述的载频发生器产生载频信号；所述的FSK调制器按照FSK调制方式调制载频信号；调制后的载频信号送入所述的功率放大器进行放大；经功率放大的信号送入信号发射线圈，由发射线圈在钻柱上感应出载频电流或电压。
所述的地面接收装置包括：电流传感器、电磁波传感器、前置放大器、信号检测开关、带通滤波器、自动增益控制器、FSK解调器、信号检波器、数字滤波器、数据处理装置及数据显示装置；其中：
所述的电流传感器接收流过钻柱和地层的传导电流，而所述的电磁波传感器接收穿过地层的电磁波；所述的电流传感器和电磁波传感器将接收到的微弱信号分别送给前置放大器放大，然后再送到信号检测开关，经过比较后将较强的一路信号送到带通滤波器；信号经过带通滤波后去掉带宽之外的噪声信号使信号得到初步的整理；滤波后的信号送给自动增益控制器；信号经过FSK解调器，再经过检波后恢复出数据信号；再经过数字滤波对数据进一步整形；数字滤波后的数据经过相关处理送到显示屏显示。
所述的电流传感器和电磁波传感器构成传感器组21。
所述的井下发射装置的机械组合特征是：发射电路16和发射线圈14安装在井下发射装置短节8内，它们由电缆15连接，在发射线圈14外装有一个用陶瓷材料或高温环氧树脂做成的绝缘环13；另外在发射装置短节的两端是根据石油工业标准制做的锥形螺纹，上部分螺纹12连接钻柱7，下部分螺纹25连接传感器及仪器短节9。
所述的发射电路16包括：传感器数据接口，载频发生器，FSK调制器，功率放大器等各功能块电路组成。
所述的井下发射装置短节8通过锥形螺纹25与传感器短节9连接后，传感器短节9所发送的数据要经过电缆插头24与井下发射装置短节8的数据输入电缆17连接；连接电缆由电缆护环23和电缆护环28保护。
所述的地面接收装置与钻柱及接地极电连接的特征是：由所述的地面接收装置4引出电缆3一端连接接地电极5，另一端接井筒套管2以及井台或井架上某一点。
所述的发射电极是指发射线圈14，发射线圈14是一由导磁材料做成的环状体，在环状体上绕有线圈。
本发明的有益效果在于，通过提供一种随钻测量的电磁遥测方法及系统，用以克服现有遥测技术中存在的问题。使之广泛用于以各种介质为钻井液的特殊工艺井(如定向钻井，水平钻井，欠平衡钻井等)或常规钻井中进行随钻测量。使得在钻井工程中，钻井轨迹更准确的按照工程设计要求钻进，以及更及时准确的掌握地层信息，同时把测量数据实时地准确地传输到地面。
【附图说明】
图1为本发明随钻测量的电磁遥测系统的示意图；
图2为本发明所述发射装置短节的结构示意图；
图3为本发明随钻测量的电磁遥测系统的原理框图；
图4为本发明所述发射装置短节与传感器及仪器短节的连接示意图。
【具体实施方式】
现结合(图1)和(图2)来描述“电磁遥测进行随钻测量”的方法。这一方法的主要核心是以电流及电磁波为载体，以钻柱和地层为媒质将井下的数据传输到地面。根据经典的电磁场理论，地层在不同的条件下表现出不同的电介质特性，用数学式表达就是
媒质表现为电介质(绝缘)
媒质表现为半电介质(半绝缘)
媒质表现为导电体
其中：
σ-电导率；
ε-介电常数；
ω-媒质中电磁场的角频率；
一般情况下地层多表现为半电介质(半绝缘)的性质，就象一电阻，因此井下发射器8，钻柱7，电缆3，地面接收器4，接地电极5，地层29，钻头10及传感器和仪器短节9的外壳就构成一串联的闭合回路(见图1)。因此井下发射器8发出的载频电流6将在这闭合回路中流动，把调制在载频电流上的井下数据传到地面由地面接收器接收。
如果地层电阻很大这时回路中的载频电流6将会变得很小，此时井下发射器8，钻柱7，钻头10及传感器和仪器短节9就构成一不等臂长的电偶极子向地层辐射出电磁波，而穿过地层29的电磁波将会为地面接收器4中的TM波传感器接收。
本发明提供的一种用于随钻测量的电磁遥测方法及系统(见图1)，由井下发射器8，钻柱7，地层29，地面接收装置4，信号电缆3，接地电极5组成的电磁遥测传输系统。由井下发射器8发出某一频率的电流6及电磁波11(也称为载频电流或载频电磁波)，通过钻柱7和地层29构成的电磁信道传输到地面，再由地面接收装置(4)接收，从而完成井下数据实时通讯。
井下发射器8的特征是：发射的(见图1)载频电流6或载频电磁波11是由(见图2)发射电路16和发射线圈14产生的。依此方法产生的载频电流(6)或载频电磁波(11)(TM波)穿过钻柱，钻头，地层到达地面。
所述载频电流或载频电磁波产生的方法，井下信号传输到地面的信道特征是(见图1)：
①钻柱7，钻头10，地层29，地面接收装置4，信号电缆3，接地电极5构成了载频电流回路；
②地层29，地面接收装置4构成了载频电磁波(TM波)通道。
接收信号的方法由地面接收装置来完成，在地面接收装置中有电流接收传感器及电磁波(TM波)接收传感器。
实现电磁遥测方法系统构成的特征是：见(图3)原理框图，这个系统主要由两部分组成：井下发射器18；地面接收装置22。
井下发射器18构成原理的特征是(见图3)：井下发射器18由传感器数据接口，载频发生器，FSK调制，功率放大，信号发射器及发射电极(天线)19组成。
地面接收装置22构成原理的特征是：(见图3)，地面接收装置22由传感器组21，前置放大，信号检测切换开关，带通滤波，自动增益控制，FSK解调，信号检波，数字滤波，数据处理及数据显示等组成。
传感器组21的组成特征是(见图3)：传感器组21由电流接收传感器及电磁波(TM波)接收传感器组成。
井下发射器的机械组合特征是(见图2)：发射电路16和发射线圈14安装在井下发射器短节8内，它们由电缆15连接，在发射线圈14外装有一个用陶瓷材料或高温环氧树脂做成的绝缘环13；另外在发射器短节的两端是根据石油工业标准制做的锥形螺纹，上部分螺纹12连接钻柱7，下部分螺纹25(见图4)连接传感器及仪器短节9。
所述的井下发射器的机械组合(见图3)，其发射电路16的特征是(见图2)：发射电路16由传感器数据接口，载频发生器，FSK调制，功率放大等各功能块电路组成。
所述井下发射器短节8与传感器及仪器短节9机械连接与数据信号连接的特征是(见图4)：井下发射器短节8通过锥形螺纹25与传感器及仪器短节9连接后，传感器及仪器短节9所发送的数据要经过电缆插头24与井下发射器短节8的数据输入电缆17连接。连接电缆由电缆护环23、28保护，防止泥浆和岩屑的冲刷破坏。
所述的地面接收井下信号的方法，地面接收装置与钻柱，接地极电连接的特征是(见图1)：由地面接收装置引出电缆3一端连接接地电极5，另一端接井筒套管2以及井台或井架上某一点。
发射线圈14的特征在于：发射线圈14是一由导磁材料做成的环状体，在环状体上绕有线圈。
下面描述电磁遥测发射和接收的具体过程：
一、发射过程(见图3)：
由数据接口按照约定的通讯规则接收来自传感器和仪器短节的数据；
由载频发生器产生载频信号；
来自数据接口的数据按照调制方式调制载频信号；
调制后的载频信号送入功率放大器进行放大；
经功率放大的信号送入信号发射器(发射线圈)也称为发射电极，由发射线圈在钻柱上感应出载频电流或电压。
二、传输过程(见图1)：
如果地层电阻率不高，载频电流在井下发射器8，钻柱7，电缆3，地面接收器4，接地电极5，地层29，钻头10及传感器和仪器短节9的外壳就构成闭合回路中流动；
如果地层电阻率很高，钻柱中载频电流将变得很小，而由井下发射器8辐射出的载频电磁波在传输中起主要作用。
三、接收过程(见图3)：
在地面接收装置中有两个传感器一个是电流传感器，一个是电磁波传感器(TM波)传感器。它们的作用是：电流传感器可接收流过钻柱和地层的传导电流，而TM波传感器接收穿过地层的电磁波；
两个传感器将接收到的微弱信号分别送给前置放大器放大，然后再送到信号检测开关，经过比较后将较强的一路信号送到带通滤波；
信号经过带通滤波后去掉带宽之外的噪声信号使信号得到初步的整理；
滤波后的信号送给自动增益控制，使用自动增益控制的目的是为了防止信号过大造成信号的切顶失真；
信号经过FSK解调，再经过检波后恢复出数据信号；
在信号传输的过程中有可能受到与载频信号同频干扰，经过解调和检波后恢复出的数据信号有可能残缺不整，所以必须再经过数字滤波对数据进一步整形；
数字滤波后的数据经过相关处理送到显示屏显示。
本发明应用的实施例为：
1)(见图4)首先将发射短节8与传感器和仪器短节9通过丝口25连接好；然后将传感器和仪器短节的电缆与发射短节的电缆通过插头24连接好；然后再安装电缆护环23、28，将电缆和插头包住。
2)将发射短节8的上端与钻柱接好。
3)将钻头装在传感器和仪器短节9的下端，如需加装其它仪器或工具也装在传感器和仪器短节的下端然后再装钻头。
4)(见图1)待钻柱下放到井底后将电缆3连接井筒套管2以及井台或井架上某一点上。
5)(见图1)将接地电极(5)打入地下，接地电极距井架(1)的平台大约5-100米。
6)在接地电极周围灌注接地导电液或饱合盐水。
7)(见图1)将电缆(3)与地面接收装置及接地电极连接。
8)打开地面接收装置电源接收井下信号。
本发明的有益效果在于，通过提供一种随钻测量的电磁遥测方法及系统，用以克服现有遥测技术中存在的问题。使之广泛用于以各种介质为钻井液的特殊工艺井(如定向钻井，水平钻井，欠平衡钻井等)或常规钻井中进行随钻测量。使得在钻井工程中，钻井轨迹更准确的按照工程设计要求钻进，以及更及时准确的掌握地层信息，同时把测量数据实时地准确地传输到地面。
以上具体实施方式仅用于说明本发明而非用于限定本发明。