一种基于电容耦合的智能钻杆系统.pdf

本发明提供了一种基于电容耦合的智能钻杆系统，所述智能钻杆系统包括前端信号收集器、调节器、继电器、信号接收器、钻杆单元和接头，所述钻杆单元内部布置用于信号传递的电缆；所述智能钻杆系统相邻钻杆单元相互抵接的端部内置于所述接头内，所述相邻钻杆单元相互抵接的端部之间留有空隙；所述相邻钻杆单元相互抵接的端部设置环形片状结构，所述环形片状结构端面形成一个电容极板，相互抵接的电容极板形成极板电容；每个钻杆单元内部所述电缆与端面的电容极板搭接。

1.一种基于电容耦合的智能钻杆系统，所述智能钻杆系统包括前端信号收集器、调节
器、继电器、信号接收器、钻杆单元和接头，其特征在于，所述钻杆单元内部布置用于信号传
递的电缆；
所述智能钻杆系统相邻钻杆单元相互抵接的端部内置于所述接头内，所述相邻钻杆单
元相互抵接的端部之间留有空隙；
所述相邻钻杆单元相互抵接的端部设置环形片状结构，所述环形片状结构端面形成一
个电容极板，相互抵接的电容极板形成极板电容；每个钻杆单元内部所述电缆与端面的电
容极板搭接。
2.根据权利要去1所述的智能钻杆系统，其特征在于，所述环形片状结构中间开有孔
洞，所述孔洞用于钻杆单元内部液体的流动。
3.根据权利要求1或2所述的智能钻杆单元系统，其特征在于，所述环形片状结构由绝
缘材料制成。
4.根据权利要求1所述的智能钻杆系统，其特征在于，所述继电器设置在所述钻杆单元
上，为所述钻杆单元增加电感；所述继电器与所述极板电容构成LC串联回路。
5.根据权利要求1所述的智能钻杆系统，其特征在于，所述钻杆单元的内部连接线与钻
杆单元金属外壁之间设置泄漏电容。
6.根据权利要求1所述的智能钻杆系统，其特征在于，在所述的智能钻杆系统接收端设
置终端匹配阻抗。
7.根据权利要求1所述的智能钻杆系统，其特征在于，用于信号传递的电缆为铠装电
缆。

一种基于电容耦合的智能钻杆系统

技术领域

本发明涉及监测和控制技术领域，特别涉及一种基于电容耦合的智能钻杆系统。

背景技术

在石油开采时，无论是钻井的防斜打快，还是定向井和水平井的钻井过程中，都需
要及时了解孔内钻井状态和地层信息。随钻测量系统能在钻井过程中自动连续测量井底附
近的有关参数并传输至地面，进行计算机实时显示、存储、处理和打印，为下一步施工设计
提供依据，是连续监测钻井轨迹、及时纠偏必不可少的工具。随钻测量系统分为有线和无
线，由于有线测量系统的电缆往往会影响正常钻井过程，因此无线随钻测量系统是目前发
展的方向。常用的无线传输包括泥浆脉冲与电磁波随钻测量系统，其中泥浆脉冲传输方式
主要依靠泥浆压力变化形成压力脉冲来实现信号传输，该方法信号传输速率非常慢，实现
起来机械结构比较复杂，且随着泥浆对钻杆等的冲蚀，会引起较大误差，严重影响系统的可
靠性。20世纪90年代，国外一些学者开始进行电磁波随钻测量系统的研究，并取得了一定的
成果，我国在电磁波随钻测量系统方面的研究开展的相对比较早，但一直到近几年才取得
实质性的进展。到目前为止，国内研制出了电磁波随钻测量系统，但这些系统大都为单向信
号传输，且需要非常大的发射功率，同时系统受地层参数影响严重，当发生降雨等使地层参
数发生变化的情况时，系统性能将受到严重的考验。

考虑到钻杆为有线连接提供了良好的布线空间，利用钻杆进行信息传输的智能钻
杆技术正得到广泛研究。现有智能钻杆的研究大都是在钻杆连接头位置安装线圈，通过线
圈间的互感作用实现信号传输的。同时，由于钻杆内部泥浆、钻井液的影响，会严重加剧高
频电磁波的衰减而降低线圈间的耦合系数，无法实现远距离的传输。此外现有研究模型大
都直接忽略了传输线的内阻，然而在几千米传输过程中传输线的内阻已经不能忽略。

因此，需要一种能有效地防止因高频电磁波的衰减而降低线圈间的耦合系数，造
成无法远距离传输的基于电容耦合的智能钻杆系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电容耦合的智能钻杆系统，所述智能钻杆系统包
括前端信号收集器、调节器、继电器、信号接收器、钻杆单元和接头，所述钻杆单元内部布置
用于信号传递的电缆；

所述智能钻杆系统相邻钻杆单元相互抵接的端部内置于所述接头内，所述相邻钻
杆单元相互抵接的端部之间留有空隙；

所述相邻钻杆单元相互抵接的端部设置环形片状结构，所述环形片状结构端面形
成一个电容极板，相互抵接的电容极板形成极板电容；每个钻杆单元内部所述电缆与端面
的电容极板搭接。

优选地，所述环形片状结构中间开有孔洞，所述孔洞用于钻杆单元内部液体的流
动。

优选地，所述环形片状结构由绝缘材料制成。

优选地，所述继电器设置在所述钻杆单元上，为所述钻杆单元增加电感；所述继电
器与所述极板电容构成LC串联回路。

优选地，所述钻杆单元的内部连接线与钻杆单元金属外壁之间设置泄漏电容。

优选地，在所述的智能钻杆系统接收端设置终端匹配阻抗。

优选地，用于信号传递的电缆为铠装电缆。

本发明提供的一种基于电容耦合的智能钻杆系统通过钻杆单元端部之间形成极
板电容，极板电容与钻杆单元上内设置的继电器构成LC串联回路，在信息传输过程中有效
第防止了止因高频电磁波的衰减而降低线圈间的耦合系数，造成的无法远距离传输的问
题。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当
用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下
描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明基于电容耦合的智能钻杆系统的结构图；

图2示出了本发明基于电容耦合的智能钻杆系统的接头内部结构图；

图3示出了本发明实施例基于电容耦合的智能钻杆系统的等效电路图；

图4示出了本发明实施例基于电容耦合的智能钻杆系统有效带宽内不同通信频率
下的衰减系数；

图5示出了本发明实施例基于电容耦合的智能钻杆系统有效带宽内不同通信频率
下的传播常数；

图6示出了本发明实施例基于电容耦合的智能钻杆系统有效带宽内不同通信频率
下的群速度；

图7示出了本发明实施例基于电容耦合的智能钻杆系统有效带宽内不同通信频率
下的终端匹配电阻；

图8示出了本发明实施例基于电容耦合的智能钻杆系统有效带宽内不同通信频率
下的终端匹配电感。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方
法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来
对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同
或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本实施例具体阐述一种基于电容耦合的智能钻杆系统以及其实现远距离信号传
递的过程。

如图1所示本发明基于电容耦合的智能钻杆系统的结构图100，所述的智能钻杆系
统包括前端信号收集器103、调节器104、继电器105、信号接收器106、钻杆单元101和接头
102，在一些实施例，钻杆单元101的数量由具体信号传输之间的距离所确定。进一步地，本
发明智能钻杆系统钻杆级数可远大于20根钻杆单元。如图2所示本发明基于电容耦合的智
能钻杆系统的接头102内部结构图200，在钻杆单元内部布置用于信号传递的电缆203，电缆
采用铠装电缆，能够很好的防止电缆在使用以及安装过程中的损坏，电缆布置于钻杆单元
内腔与液体流通通道之间。

智能钻杆系统相邻钻杆单元相互抵接的端部内置于接头内，相邻钻杆单元相互抵
接的端部之间留有空隙。

相邻钻杆单元相互抵接的端部设置环形片状结构201，环形片状结构201由绝缘材
料制成，绝缘材料可选择有机绝缘材料，也可以选择无机绝缘材料，对于绝缘材料的选择本
发明不做具体限定，应当为本领域技术人员所能想到的所有绝缘材料。环形片状结构中间
开有孔洞，所述孔洞用于钻杆单元内部流通通道204内液体的流动。

环形片状结构端面形成一个电容极板202，本实施例中以薄金属片作为电容极板
材料，同样地，对于电容极板材料的选择本发明也不做具体限制。相互抵接的电容极板形成
极板电容，每个钻杆单元内部所述电缆203与端面的电容极板202搭接(例如焊接的方式连
接电缆与电容极板)。

继电器设置在钻杆单元上，为所述钻杆单元增加电感，继电器与极板电容构成LC
串联回路，在钻杆单元的内部连接线与钻杆单元金属外壁之间设置泄漏电容。

在一些实施例中，作业时每一个钻杆单元都形成一个LC串联电路，前端信号收集
器检测到的井内状态和底层信息通过电缆向前传播，在每一个钻杆形成的LC串联电路中将
信号传至下一个LC串联电路直至传递到系统接收端信号接收器，地面工作人员根据接收到
的信号判断井下状态以及底层信息。在另一些具体实施例中，基于电容耦合的智能钻杆系
统还可以用于监测测城市地下管道、管道泄漏监测以及输油输气管道监测，应当理解，本发
明基于电容耦合的智能钻杆系统并不限于以上监测的范围。

在下文中，结合实施例对本发明提供的智能钻杆系统实现远距离信号传输过程做
具体的说明。

为了更加清楚的说明，本实施例中给出本发明基于电容耦合的智能钻杆系统的等
效电路模型，如图3所示本发明基于电容耦合的智能钻杆系统的等效电路图，前端信号收集
器收集到的激励信号电压V₀经过多级钻杆(本实施例中钻杆级数为n级)传输至系统接收
端，信号接收器接收到信号电压V_n。

以每根钻杆单元为例，钻杆单元的极板电容用C表示，继电器电感用L表示，钻杆单
元内电缆电阻用R₀表示，钻杆单元内部连接线与钻杆单元金属壁之间的泄漏电容用C₀表示，
等效电路中用V₀表示激励信号电压。本实施例中，基于电容耦合的智能钻杆系统在传输单
元末端设置终端匹配电阻，用以防止传输单元截断引起的信号反射，等效电路中终端匹配
阻抗用Z表示。

给予智能钻杆系统第一级钻杆单元的激励信号电压V₀，在第一级钻杆单元回路的
末端产生电压V₁，回路中产生电流I₀，智能钻杆系统第二级钻杆单元产生初始电压V₁，回路
中产生电流I₁。第一级钻杆单元与第二级钻杆单元前后之间电压产生递推关系
电流产生递推关系I₁＝I₀-jωC₀V₁。

类似地，在第n-1级钻杆单元与第n级钻杆单元前后之间电压产生递推关系
电流产生递推关系I_n＝I_n-1-jωC₀V_n。

实施例中n级钻杆单元之间电压递推关系整理得到电压传递通式：

$V_n=(2+\frac{C_0}{C}-{\mathrm{\ω}}^2{C}_{0}L+{\mathrm{j\ωC}}_0{R}_0)V_{n-1}-V_{n-2}.---\left(1\right)$

智能钻杆系统带宽

本实施中，选择钻杆单元不同参数确定智能钻杆系统带宽的上下界特征频率，其
中，选取C₀＝153pF，C＝0.067nF，L＝1000uH，R₀＝0.17Ω。在另一些实施例中，钻杆单元参数
的选择根据现场的作业实际情况确定，本实施例中选取的钻杆单元参数应当认为是示例性
的。

基于电容耦合的智能钻杆系统的传输方程为：

v_n＝v₀e^-jknde^-nαd，n＝1,2,3.... (2)

公式(2)中，n为钻杆单元级数，k为系统传播常数，α为衰减系数。本实施例中，钻杆
单元长度选择d＝10m，不考虑系统传输过程中的衰减(在下文实施例中将详细阐释本发明
基于电容耦合的智能钻杆系统衰减系数)。

将公式(2)带入到公式(1)中得到：借助欧拉公
式复数实部相等得到：由于-1≤cos(kd)≤1，则得到智能钻杆系统
有效通信频率的范围为：

$\sqrt{\frac{1}{CL}}\≤\mathrm{\ω}\≤\sqrt{\frac{4}{C_{0}L}+\frac{1}{CL}}$

本实施例示例性的选取C₀＝153pF，C＝0.067nF，L＝1000uH，R₀＝0.17Ω，得到智能
钻杆系统带宽频率的上下边界特征频率，其中得到系统带宽上边界特征频率
系统带宽下边界特征频率本实施例中
利用本发明基于电容耦合的智能钻杆系统的较低通信频率实现远距离信号传输。

智能钻杆系统衰减系数

将公式(2)带入到公式(1)中得到方程：

(e^jkde^αd)²-Xe^jkde^αd+1＝0 (3)

其中，求解方程(3)得到：

$e^{jkd}=\frac{X\±\sqrt{X^2-4}}{2e^{\mathrm{\α}d}}---\left(4\right)$

根据两复数实部和虚部都相等得到X²-4≤0，实施例中(4)式左侧e^jkd的模为1，(4)
式右侧的模为1。从而求解出智能钻杆系统不同通信频率下的衰减系数α。如图
4所示本发明实施例基于电容耦合的智能钻杆系统有效带宽内的衰减系数，本实施例智能
钻杆系统的有效带宽范围中间部分，衰减系数非常小且不同频率的衰减特性均衡，在频率
接近带宽上下界时，衰减系数急剧增加。本发明智能钻杆系统在有效带宽范围内，系统衰减
系数非常小从而确保了信号的远距离传输。

如图5所示本发明实施例基于电容耦合的智能钻杆系统有效带宽内不同通信频率
下的传播常数，在智能钻杆系统有效带宽内不同通信频率下的传播常数随着频率的增加而
增加。在一些实施例中，特定的频率以及衰减系数可以确定唯一的传播常识。

智能钻杆系统群速度

根据群速度定义本实施例中，智能钻杆系统群速度由
对等式两边k求导，得到本发明实施例智能钻杆系统群速度：

$v_g=\frac{jd(2+\frac{C_0}{C}-{\mathrm{\ω}}^2{C}_{0}L)-j2{\mathrm{de}}^{jkd}}{2C_{0}L\mathrm{\ω}}$

如图6所示本发明实施例基于电容耦合的智能钻杆系统有效带宽内不同通信频率
下的群速度。在有效带宽中间部分，随着频率向带宽上下边界的移动，群速度逐渐减小。本
实施例中，智能钻杆系统群速度控制在带宽内实现信号远距离传输，优选地，可以选择频率
ω为5MHz下的群速度。在一些实施例中，可以选择有效带宽范围内不同频率下对应的群速
度。在另一些实施例中，还可以合理选择通信系统带宽使群速度控制在有效带宽内。

智能钻杆系统终端匹配

本发明实施例中，在智能钻杆系统末端进行终端匹配，终端匹配阻抗用Z表示，根
据基尔霍夫电流定律得到：

$\frac{V_{n-1}-V_n}{R_0+j\mathrm{\ω}L+\frac{1}{j\mathrm{\ω}C}}=\frac{V_n}{Z}+V_n{\mathrm{j\ωC}}_0---\left(5\right)$

由本发明实施例智能钻杆系统传输方程(2)式得到V_n-1＝V_ne^jkd带入公式(5)中，其
中，令电阻R₀＝0，衰减系数α＝0，得到本发明实施例的终端匹配阻抗：

$Z=\frac{j\mathrm{\ω}L+\frac{1}{j\mathrm{\ω}C}}{e^{jkd}-{\mathrm{j\ωC}}_0(j\mathrm{\ω}L+\frac{1}{j\mathrm{\ω}C})-1}$

上述所述的终端匹配阻抗由电阻和电感串联实现，即Z＝R_m+jωL_m，其中R_m为匹配
电阻，L_m为匹配电感。实施例中在智能钻杆系统末端进行终端匹配，避免了信号传输至智能
钻杆末端由于钻杆单元的截断会出现信号反射的情况。

如图7所示本发明基于电容耦合的智能钻杆系统有效带宽内不同通信频率下的群
终端匹配电阻；图8所示本发明基于电容耦合的智能钻杆系统有效带宽内不同通信频率下
的群终端匹配电感。具体地，在智能钻杆系统有效带宽内不同频率下所需要的终端匹配电
阻和匹配电感不同。

优选地，在一些实施例中，在带宽中心频率对应所需的匹配电阻可以选择1.27K
Ω，匹配电感可选择200uH。

本发明所提供的一种基于电容耦合的智能钻杆系统在一些实施例中可以应用于
石油开采井下检测，在另一些实施例中可以用于城市管道的井下检测。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员
都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均
由权利要求所限定。