一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置及方法

1.本发明涉及油气田开发技术领域，特别涉及一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置及方法。


背景技术：

2.油气田开发过程中用于储层流体属性参数监测以及井下测控仪器设备的井地双向操作都依赖于井地双向通信信道的建立，譬如分层开采已广泛应用于现代油气田开发生产，无论是油气田的分层压裂还是后期分层注水助采以及采油采气的生产过程监控，都需要实时了解储层及井下设备的状态数据来为开发生产管理提供可靠实时的决策依据，这在改进油气采集工艺和油气井管理方面发挥着至关重要的作用。
3.目前，井下数据的无线上传技术主要有声波传输、电磁波传输等方式。基于电磁的无线测井技术，大多采用电流场型的信道传输原理来进行信号传输。如专利cn103061755a、cn105178948a、cn110111555a均是利用钻杆与大地构成等效回路来进行电磁信号的传输。但这种传输方式对地层的电参数(电导率、介电常数和磁导率)有很高的要求，容易受地质条件和地下流体的运移的影响。
4.而目前现有的井地无线电磁通信系统主要用于测井，主要有井下发射装置和接收装置，用绝缘短节将钻杆截断，构成绝缘偶极子发射天线，将发射装置的正端子、负端子分别接到绝缘短节的上端和下端，正端子上的激励电流将会沿着绝缘短节上端的金属钻杆向上流动，并随着钻杆的向上延伸电流会逐渐泄漏到地层中，在地面采用埋地电极来检测泄漏到地层中的泄漏电流，进而实现信号的传输。
5.现有的技术要依靠大地构成闭合回路完成信号的传输，该方法面临地层电参数(电导率、介电常数和磁导率)的变化（不同井，同一井不同采油周期）带来信号传输的不稳定，通常会出现由于地层水的流动导致某段时间通信异常以及a地区通信正常，而b地区由于地层参数不同而无法通信的现象，通用性不强。
6.现有的技术要依靠大地构成闭合回路完成信号的传输，由于电磁波在地层中的传输深度由电磁波在地层中的趋肤深度δ决定，而趋肤深度（ρ地层电导率，f工作频率），因此，为了更深的遥测深距离，通常采用极低频（0.1hz-10hz）的载波进行数据传输，这导致数据的传输速率慢、效率低。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置及方法，本技术为能够将处于各向异性复杂地层环境下的金属套管、金属油管及封隔器和高盐度的油套管环空地层水的狭小空间下的井下测控信号从井下通过无线电磁方式上传至地面以及地面控制指令无线下传至井下测控仪器设备的装置。
8.为了解决上述技术问题，本技术提供如下技术方案：一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置，包括设置在井下的套管以及设置在所述套管内由上至下依次连接的油管、扶正器ⅰ、短节ⅰ、封隔器、短节ⅱ、传感器集成短节以及扶正器ⅱ；所述扶正器ⅰ与扶正器ⅱ上下设置，所述扶正器ⅰ与扶正器ⅱ用于所述套管与油管电气连接；所述短节ⅰ与短节ⅱ之间通过电磁信号连通，所述短节ⅰ与短节ⅱ之间的信号的双向传递。
9.作为本技术的进一步方案，所述短节ⅰ与短节ⅱ均包括油管、金属保护外套以及设置在所述油管和金属保护外套之间的电池组、发射信号处理模块以及接收信号处理模块。
10.作为本技术的进一步方案，所述短节ⅱ还包括tm（transverse magnetic wave，横磁波）波发射天线，tm波发射天线由环形的软磁材料以及环绕在软磁材料之外的线圈组成。
11.作为本技术的进一步方案，所述短节ⅰ还包括tm波接收天线，tm波接收天线由高磁导率的磁芯以及线圈组成。
12.作为本技术的进一步方案，所述发射信号处理模块包括传感器模拟信号采集电路（a/d）、编码模块、调制模块、带通滤波电路模块、功率放大电路模块以及发射电流监测模块，所述发射信号处理模块用于产生调制信号，所述调制信号由第一微控制器进行传感器模拟信号采集（a/d）、编码以及调制得到,所述发射信号处理模块中的功率放大电路与tm波发射天线电气连接。
13.作为本技术的进一步方案，所述短节ⅰ和短节ⅱ上均设有绝缘材料制成用于进行封装的密封罩。
14.作为本技术的进一步方案，所述短节ⅱ、传感器集成短节以及油管通过螺纹接头相连接，传感器集成短节与短节ⅱ通过电缆传输传感器信号。
15.作为本技术的进一步方案，所述接收信号处理模块包括信号滤波电路、以及电压增益放大电路，其中，接收信号处理模块接收的信号由第二微控制器进行解调和解码。
16.作为本技术的进一步方案，所述油管、扶正器ⅰ、套管以及扶正器ⅱ构成了一个电流从油管流向扶正器，并回流至感应电动势的负极的等效回路。
17.作为本技术的进一步方案，一种套管井井地信号双向无线电磁传输方法，基于上述所述的套管井井地信号双向无线电磁传输装置，所述套管井井地信号双向无线电磁传输方法，包括以下步骤：步骤1）、井下数据上传时，上部短节ⅰ作为电磁信号接收短节，下部短节ⅱ作为电磁信号发射短节，当电磁发射短节的短节ⅱ中的tm波发射天线通过交变电流在磁芯中产生交变磁场，由于穿过发射天线磁芯的金属油套管和回路电极或封隔器构成导体回路而在回路中产生感应电流，则处于上述回路中的电磁信号接收短节的短节ⅰ上的磁芯对电流信号进行捕获而实现信号的上传；步骤2）、地面数据下传时，下部短节ⅱ作为电磁信号接收短节，上部短节ⅰ作为电磁信号发射短节，当电磁发射短节的短节ⅰ中的tm波发射天线通过交变电流在磁芯中产生交变磁场，交变磁场在电磁信号发射短节的短节ⅰ的油管上产生感应电动势，在电磁信号接收短节的短节ⅱ对电流信号进行捕获而完成信号下传，所述短节ⅰ与短节ⅱ之间的信号的双向传递。
18.与现有技术相比，本技术的有益效果是：
与现有井下无线电磁通信系统利用大地回路进行信号传输不同的是，本技术的套管井井地信号双向无线电磁传输装置，将油管与套管进行电气连接，利用油套管金属回路来传输电磁信号，由于金属电阻率远远小于地层电阻率，因此电流回路中的电流强度远远高于传统技术电流回路的电流强度。现有井下无线电磁通信系统在地层中的传输主要依靠泄漏到地层中的泄露电流的趋肤效应。因此本技术与现有技术相比，由于基于导体回路而不是依赖于电阻率时空变在的地层来实现信号回路，传输相同距离的情况下，接收信号幅度更大，载波频率更高，由于不依赖于地层，也就不会因为地质条件的不同而造成传输的不稳定。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本技术的套管井井地信号双向无线电磁传输装置的结构示意图。
21.图2为本技术的套管井井地信号双向无线电磁传输装置中短节ⅱ的正视剖面结构示意图；图3为本技术的套管井井地信号双向无线电磁传输装置中短节ⅰ的正视剖面结构示意图；图4为本技术中套管井井地信号双向无线电磁传输装置的俯视结构示意图。
22.图5为本技术中套管井井地信号双向无线电磁传输方法的原理示意图。
23.图中的附图标记说明：1-套管、2-油管、3-扶正器ⅰ、4-短节ⅰ、5-封隔器、6-短节ⅱ、7-传感器集成短节、8-电缆、9-扶正器ⅱ、10-短节ⅰ密封罩、11-电池组ⅱ、12-金属保护外套ⅱ、13-发射信号处理模块ⅱ、14-接收信号处理模块ⅱ、15-tm波发射/接收天线ⅱ、16-tm波接收/发射天线ⅰ、17-接收信号处理模块ⅰ、18-发射信号处理模块ⅰ、19-金属保护外套ⅰ、20-电池组ⅰ、21-短节ⅱ密封罩、22-第一抽头、23-第二抽头、24-第三抽头。
具体实施方式
24.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.请参阅图1所示，本技术提供的一种实施例：一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置，包括设置在井下的套管1以及设置在所述套管1内由上至下依次连接的油管2、扶正器ⅰ3、短节ⅰ4、封隔器5、短节ⅱ6、传感器集成短节7以及扶正器ⅱ9；所述扶正器ⅰ3与扶正器ⅱ9上下设置，所述扶正器ⅰ3与扶正器ⅱ9用于所述套管1与油管2电气连接；所述短节ⅰ4与短节ⅱ6之间通过电磁信号连通，所述短节ⅰ4与短节ⅱ6之间的信号的双向传递，所述短节ⅰ4与短节ⅱ6均包括油管2、金属保护外套以
及设置在所述油管2和金属保护外套之间的电池组、发射信号处理模块、接收信号处理模块以及tm波发射天线。
26.在本技术的实施例中所述tm波发射天线由环形的软磁材料以及环绕在软磁材料之外的线圈组成。
27.所述tm波接收天线由高磁导率的磁芯以及线圈组成。
28.其中，所述发射信号处理模块包括传感器模拟信号采集电路（a/d）、编码模块、调制模块、带通滤波电路模块、功率放大电路模块以及发射电流监测模块，所述发射信号处理模块用于产生调制信号，所述调制信号由第一微控制器进行传感器模拟信号采集（a/d）、编码以及调制得到,所述发射信号处理模块中的功率放大电路与tm波发射天线电气连接。
29.在本技术的实施例中所述短节ⅰ4和短节ⅱ6上均设有绝缘材料制成用于进行封装的密封罩。
30.所述短节ⅱ6、传感器集成短节7以及油管2通过螺纹接头相连接，传感器集成短节7与短节ⅱ6通过电缆8传输传感器信号。
31.所述接收信号处理模块包括信号滤波电路、以及电压增益放大电路，其中，接收信号处理模块接收的信号由第二微控制器进行解调和解码。
32.所述油管2、扶正器ⅰ3、套管1以及扶正器ⅱ9构成了一个电流从油管2流向扶正器，并回流至感应电动势的负极的等效回路。
33.具体的，参见图1所示，在安装时，设置在井下的套管1在套管1内由上至下依次连接有油管2、扶正器ⅰ3、短节ⅰ4、封隔器5、短节ⅱ6、传感器集成短节7、扶正器ⅱ9等，其中扶正器ⅰ3和扶正器ⅱ9上下两个扶正器不仅仅取扶正的作用，还起到将套管1与油管2电气连接的作用。
34.在本技术的一个实施例中，当井下数据上传时，上部短节ⅰ4作为电磁信号接收短节，短节ⅱ6作为电磁信号发射短节；当井上数据下传时，短节ⅰ4作为电磁信号发射短节，短节ⅱ6作为电磁信号接收短节。
35.具体的，当井下数据上传时，如图2所示，作为电磁信号发射短节的短节ⅱ6包括油管2和金属保护外套ⅱ12，以及在油管2和金属保护外套12之间的电池组ⅱ11、发射信号处理模块ⅱ13、接收信号处理模块ⅱ14（接收时使用）、tm波发射/接收天线ⅱ15。所述tm波发射/接收天线ⅱ15由环形的软磁材料以及环绕在软磁材料之外的线圈组成；所述发射信号处理模块ⅱ13包括传感器模拟信号采集电路（a/d）、编码模块、调制模块、带通滤波电路模块、功率放大电路模块、发射电流监测模块。其中模拟信号的采集、编码、调制由第一微控制器(单片机、fpga或dsp等）来完成，编码采用格雷码编码\差错控制编码，调制方式采用bfsk/bpsk。
36.所述电磁信号发射短节的短节ⅱ6在上方用耐高温、高压、腐蚀的绝缘材料（如peek、pps或pi等）制成的短节ⅰ密封罩10进行封装。电磁信号发射短节的短节ⅱ6、传感器集成短节7、油管2通过螺纹接头连接到一起，发射信号处理模块ⅱ13中的功率放大电路与tm波发射/接收天线ⅱ15电气连接，同时发射电流监测模块对发射功率进行实时监控，传感器集成短节7与电磁信号发射短节的短节ⅱ6通过电缆8传输传感器信号，所述传感器集成短节7中的传感器包括压力、流量、温度等传感器。
37.如图3所示，作为电磁信号接收短节的短节ⅰ4包括油管2和金属保护外套ⅰ19，以及
在油管2和金属保护外套ⅰ19之间的接收信号处理模块ⅰ17、电池组ⅰ20、tm波接收/发射天线ⅰ16，其中，接收信号处理模块ⅰ17在发射时使用也作为发射信号处理模块使用，tm波接收/发射天线ⅰ16作为tm波接收天线使用。所述tm波接收/发射天线ⅰ16由高磁导率的磁芯以及线圈组成；所述接收信号处理模块ⅰ17包括信号滤波电路、以及电压增益放大电路、信号解调、解码，其中信号的解调、解码由第二微控制器(单片机、fpga或dsp等）完成。电磁信号接收短节的短节ⅰ4在下方用耐高温、高压、耐腐蚀的绝缘材料制成的短节ⅱ密封罩21进行封装，电磁信号接收短节的短节ⅰ4、油管2通过螺纹接头连接到一起，接收信号处理模块ⅰ17与tm波接收/发射天线ⅰ16用有线连接。
38.为实现信号的双向传递，每个短节同时包含了发射和接收模块，发射和接收天线公用，但发射天线与接收天线的线圈匝数不同，为了满足发射功率的调控，因此本技术对两个短节中的天线结构做了改进，如图4所示，每个磁芯上会有多个抽头来提供不同匝数的发射线圈选择，它们之间通过继电器通过程序控制切换。如信号接收时需要多匝数线圈，则接第一抽头22和第二抽头23；如信号发射时需要少匝数线圈，则接第二抽头23和第三抽头24。
39.井下数据上传时，当电磁发射短节的短节ⅱ6中的tm波发射/接收天线ⅱ15作为tm波发射天线通过交变电流在磁芯中产生交变磁场，交变磁场在电磁信号发射短节的短节ⅱ6的油管2上产生感应电动势，如图1所示，由于油管2、扶正器ⅰ3、套管1、扶正器ⅱ9构成了一个等效回路，因此电流会从油管2流向扶正器ⅰ3、再通过套管1流向扶正器ⅱ9，最终回流至感应电动势的负极。在电磁信号接收短节对电流信号进行捕获，最终实现信号的传输。
40.请参阅图1-图4和图5所示，本技术提供的另一种实施例：参见图5所示，图5中虚线表示无线通讯。一种套管井井地信号双向无线电磁传输方法，基于上述实施例的套管井井地信号双向无线电磁传输装置，所述套管井井地信号双向无线电磁传输方法，包括以下步骤：步骤1）、井下数据上传时，上部短节ⅰ4作为电磁信号接收短节，下部短节ⅱ6作为电磁信号发射短节，当电磁发射短节的短节ⅱ6中的tm波发射天线通过交变电流在磁芯中产生交变磁场，交变磁场在电磁信号发射短节的短节ⅱ6的油管2上产生感应电动势，由于穿过发射天线磁芯的金属油套管和回路电极或封隔器5构成导体回路而在回路中产生感应电流，则处于上述回路中的电磁信号接收短节的短节ⅰ4上的磁芯可以对电流信号进行捕获而实现信号的上传；步骤2）、地面数据下传时，下部短节ⅱ6作为电磁信号接收短节，上部短节ⅰ4作为电磁信号发射短节，当电磁发射短节的短节ⅰ4中的tm波发射天线通过交变电流在磁芯中产生交变磁场，交变磁场在电磁信号发射短节的短节ⅰ4的油管2上产生感应电动势，在电磁信号接收短节的短节ⅱ6对电流信号进行捕获而完成信号下传，所述短节ⅰ4与短节ⅱ6之间的信号的双向传递。
41.其中，井下数据上传实施例：（1）传感器集成短节7中传感器的模拟信号通过电缆8与电磁信号发射短节的短节ⅱ6中的发射信号处理模块ⅱ13连接，第一微控制器负责将模拟信号通过a/d转换为数字信号，为降低信号传输中产生的误码，对数字信号进行编码，将编码后的数字信号进行调制。
42.（2）将（1）中处理得到的已调信号经过带通滤波去噪、功率放大处理后连接至tm波发射/接收天线ⅱ15的tm波发射天线进行发送。
43.（3）由安培环路定理可得流经tm波发射/接收天线ⅱ15的tm波发射天线线圈中的交变电流会在磁芯中交变的磁场，由法拉第电磁感应定律，磁芯中交变的磁场会在油管2上产生感应电动势，由于扶正器ⅰ3和扶正器ⅱ9的存在，使得油管2与套管1构成一个等效回路，由欧姆定理可得回路中的交变电流，信号则是通过回路中的电流进行传输。
44.（4）当回路电流流经电磁信号接收短节的短节ⅰ4时，会在tm波接收/发射天线ⅰ16的tm波接收天线周围产生微弱的交变磁场，由法拉第电磁感应定律会在tm波接收/发射天线ⅰ16的tm波接收天线的线圈两端产生感应电动势（即接收信号）。
45.（5）将接收信号经过带通滤波电路进行去噪处理，再进行增益放大处理；再将信号送给第二微控制器进行解调和解码处理得到数字基带信号。
46.（6）将数字基带信号进行d/a转换得到传感器的模拟信号，实现对井下参数的实时监控。
47.因此，本技术的套管井井地信号双向无线电磁传输装置相对于现有技术而言，具有以下优点：（1）本技术在井下与井上分别将油管2与套管1进行电气连接，构成油管2与套管1的等效回路来传输信号，由于油套管的电阻率远远低于地层电阻率，因此本技术的回路电流更大，接收信号的幅度更大。
48.（2）本技术避免了利用地层来进行信号的传输，在进行较远距离的传输时，载波频率也能达到2khz以上。
49.（3）本技术采用油套管回路进行信号的传输，具有更好的稳定性。
50.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
51.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置，其特征在于，包括设置在井下的套管(1)以及设置在所述套管(1)内由上至下依次连接的油管(2)、扶正器ⅰ(3)、短节ⅰ(4)、封隔器(5)、短节ⅱ(6)、传感器集成短节(7)以及扶正器ⅱ(9)；所述扶正器ⅰ(3)与扶正器ⅱ(9)上下设置，所述扶正器ⅰ(3)与扶正器ⅱ(9)用于所述套管(1)与油管(2)电气连接；所述短节ⅰ(4)与短节ⅱ(6)之间通过电磁信号连通，所述短节ⅰ(4)与短节ⅱ(6)之间的信号的双向传递。2.根据权利要求1所述的一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置，其特征在于，所述短节ⅰ(4)与短节ⅱ(6)均包括油管(2)、金属保护外套以及设置在所述油管(2)和金属保护外套之间的电池组、发射信号处理模块以及接收信号处理模块。3.根据权利要求2所述的一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置，其特征在于，所述短节ⅱ(6)还包括tm波发射天线，tm波发射天线由环形的软磁材料以及环绕在软磁材料之外的线圈组成。4.根据权利要求2所述的一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置，其特征在于，所述短节ⅰ(4)还包括tm波接收天线，tm波接收天线由高磁导率的磁芯以及线圈组成。5.根据权利要求2-4任一所述的一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置，其特征在于，所述发射信号处理模块包括传感器模拟信号采集电路、编码模块、调制模块、带通滤波电路模块、功率放大电路模块以及发射电流监测模块，所述发射信号处理模块用于产生调制信号，所述调制信号由第一微控制器进行传感器模拟信号采集、编码以及调制得到,所述发射信号处理模块中的功率放大电路与tm波发射天线电气连接。6.根据权利要求5所述的一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置，其特征在于，所述短节ⅰ(4)和短节ⅱ(6)上均设有绝缘材料制成用于进行封装的密封罩。7.根据权利要求6所述的一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置，其特征在于，所述短节ⅱ(6)、传感器集成短节(7)以及油管(2)通过螺纹接头相连接，传感器集成短节(7)与短节ⅱ(6)通过电缆(8)传输传感器信号。8.根据权利要求7所述的一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置，其特征在于，所述接收信号处理模块包括信号滤波电路、以及电压增益放大电路，其中，接收信号处理模块接收的信号由第二微控制器进行解调和解码。9.根据权利要求2所述的一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置，其特征在于，所述油管(2)、扶正器ⅰ(3)、套管(1)以及扶正器ⅱ(9)构成了一个电流从油管(2)流向扶正器，并回流至感应电动势的负极的等效回路。10.一种套管井井地信号双向无线电磁传输方法，其特征在于，基于如权利要求1-9任一所述的套管井井地信号双向无线电磁传输装置，所述套管井井地信号双向无线电磁传输方法，包括以下步骤：步骤1）、井下数据上传时，上部短节ⅰ(4)作为电磁信号接收短节，下部短节ⅱ(6)作为电磁信号发射短节，当电磁发射短节的短节ⅱ(6)中的tm波发射天线通过交变电流在磁芯中产生交变磁场，由于穿过发射天线磁芯的金属油套管和回路电极或封隔器构成导体回路而在回路中产生感应电流，则处于上述回路中的电磁信号接收短节的短节ⅰ(4) 上的磁芯对电流信号进行捕获而实现信号的上传；步骤2）、地面数据下传时，下部短节ⅱ(6)作为电磁信号接收短节，上部短节ⅰ(4)作为
电磁信号发射短节，当电磁发射短节的短节ⅰ(4)中的tm波发射天线通过交变电流在磁芯中产生交变磁场，交变磁场在电磁信号发射短节的短节ⅰ(4)的油管(2)上产生感应电动势，在电磁信号接收短节的短节ⅱ(6)对电流信号进行捕获而完成信号下传，所述短节ⅰ(4)与短节ⅱ(6)之间的信号的双向传递。

技术总结
本发明公开了一种套管井井地信号双向无线电磁传输装置及方法，属于油气田开发技术领域，井下数据上传时，上部短节Ⅰ作为电磁信号接收短节，下部短节Ⅱ作为电磁信号发射短节，当短节Ⅱ中的TM波发射天线通过交变电流在磁芯中产生交变磁场，则电磁信号接收短节的短节Ⅰ上的磁芯可以对上述电流信号进行捕获而实现信号的上传；同理，地面数据下传时，短节Ⅱ作为电磁信号接收短节，短节Ⅰ作为电磁信号发射短节，当短节Ⅰ中的TM波发射天线通过交变电流在磁芯中产生交变磁场，在短节Ⅱ对电流信号进行捕获而完成信号下传，短节Ⅰ与短节Ⅱ之间的信号的双向传递。与现有技术相比，传输相同距离的情况下，接收信号幅度更大，载波频率更高。载波频率更高。载波频率更高。


技术研发人员：李伟勤 刘建生 林磊 王万江
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2022.04.21
技术公布日：2022/5/25