智能导钻井地电磁传输地面发射系统及方法

本发明属于石油钻井，尤其涉及智能导钻井地电磁传输地面发射系统及方法。

背景技术：

1、井地传输(也称随钻测量)实现了井下数据上传与地面钻井命令下传，在智能导钻系统中至关重要。随钻测量按信号传输方式可分为电缆随钻测量、中心通缆随钻测量、声波随钻测量、泥浆脉冲随钻测量和电磁随钻测量(electromagnetic measurement whiledrilling em-mwd)，其中电缆和中心通缆方式为有线随钻测量，声波、泥浆脉冲和电磁方式为无线随钻测量。由于有线随钻测量影响钻杆起下钻效率，易磨损容易损坏，不适用于钻井工程。声波方式利用沿钻杆传播的声波传输信号，不受钻井液和地层影响，但衰减很快，传输距离有线，需要配备多个中继器，不适用于深井中。泥浆波采用泥浆压力波传输信号，该技术相对成熟，在钻井领域有广泛应用，但在空气、泡沫等压缩性钻井介质中无法有效使用，且在漏失地层钻井中不能正常工作。em-mwd应用低频电磁信号通过钻杆和地层完成信号传输也不受钻井介质影响，适用于常规钻井，漏失井况和气体钻井等各类钻井施工，相比泥浆脉冲，结构简单，没有活动部件，具有更加广阔的应用前景。井架电极激励方式通过电缆连接钻机(与井下连通)和埋在地下几米到几十米的电极，从而在钻杆与电极之间形成回路，这种方式由于井架、钻机和钻杆是电气连接的，为了钻井安全，地面激励源电压不能太大，发射功率很小，往地下传播的电磁能量较小；邻井套管激励方式是在邻井深部的套管某个位置放置绝缘短节，然后将激励源通过电缆接到绝缘短节两端的套管上，这种施工方式虽然信号较强，但施工难度大，成本高，不利于工程应用。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了智能导钻井地电磁传输地面发射系统及方法，钻井作业平台(井架)与发射系统不需要电气连接，能够发射更高的功率而不影响作业安全性，发射更高电流后，深井钻杆不同位置获得更强的信号。

2、一方面为实现上述目的，本发明提供了智能导钻井地电磁传输地面发射系统，包括：井场发电装置、地面发射装置和电流传输地面电极，所述井场发电装置、所述地面发射装置和所述电流传输地面电极依次连接；

3、所述井场发电装置，用于给所述地面发射装置供电；

4、所述地面发射装置，用于通过变压器将产生的电流波形发送给所述电流传输地面电极；

5、所述电流传输地面电极，用于将电流波形通过钻杆与地层发送给井下接收机，完成导钻井地电磁传输地面发射。

6、可选的，所述井场发电装置包括井场柴油发电机，所述井场柴油发电机包括u端、v端和w端，所述u端、所述v端和所述w端分别与所述地面发射装置连接。

7、可选的，所述地面发射装置分别与所述井场发电装置和所述电流传输地面电极连接，所述地面发射装置包括直流母线模块、逆变模块和控制模块，所述直流母线模块与所述u端、所述v端、所述w端以及所述逆变模块连接，所述逆变模块与所述控制模块和所述电流传输地面电极连接。

8、可选的，所述直流母线模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、电感和电容；

9、所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接，并与所述u端连接；

10、所述第三二极管的阴极与所述第四二极管的阳极连接，并与所述v端连接；

11、所述第五二极管的阴极与所述第六二极的管阳极连接，并与所述w端连接；

12、所述第一二极管的阳极、所述第三二极管的阳极和所述第五二极管的阳极分别与所述电感连接；

13、所述电感与所述电容的阳极连接，构成直流母线的正极；

14、所述第二二极管的阴极、所述第四二极管的阴极、所述第六二极管的阴极与所述电容的阴极连接，构成直流母线的负极。

15、可选的，所述逆变模块包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、电流传感器和变压器；

16、所述第一绝缘栅双极型晶体管、所述第二绝缘栅双极型晶体管、所述第三绝缘栅双极型晶体管、所述第四绝缘栅双极型晶体管连接并构成h型逆变桥；

17、所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述直流母线的正极连接；

18、所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极和所述第四绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述直流母线的负极连接；

19、所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极和所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极接通并与所述变压器的原边一端连接；

20、所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极和所述第四绝缘栅双极型晶体管的集电极接通并与所述变压器的原边的另一端连接；

21、所述变压器的原边的两端之间设置有所述电流传感器；

22、所述变压器的副边的两个输出端与所述电流传输地面电极连接。

23、可选的，所述控制模块包括波形发生器、控制器和驱动器，所述电流传感器获取的发射电流与所述波形发生器进行对比形成误差信号，所述误差信号输入所述控制器获取四个驱动信号，所述四个驱动信号通过所述驱动器形成四个绝缘栅双极型晶体管一一对应的控制信号并接入各个绝缘栅双极型晶体管的门极控制端。

24、可选的，所述控制器的内部包括第一比较器、第二比较器和rs触发器，所述误差信号分别输入所述第一比较器的负极和所述第二比较器的正极，所述第一比较器的正极接入直流电压-v，所述第二比较器的负极接入直流电压+v，所述第一比较器的输出端与所述触发器的r端连接，所述第二比较器的输出端与所述触发器的s端连接，所述触发器的q端和/q端输出所述四个驱动信号，所述驱动信号输入所述驱动器中，形成控制信号控制四个绝缘栅双极型晶体管。

25、另一方面为实现上述目的，本发明还提供了智能导钻井地电磁传输地面发射方法，包括以下步骤：

26、通过柴油发电机为地面发射装置提供电源；

27、通过电源所述地面发射装置产生电流波形；

28、所述地面发射装置的两端与两个地面电极连接，通过所述两个地面电极将所述电流波形传输给井下接收机，完成导钻井地电磁传输地面发射。

29、本发明技术效果：本发明公开了智能导钻井地电磁传输地面发射系统及方法，在深井钻杆不同位置具有更强的电流密度，信号更强，本发明与作业井架没有电气连接，可以发射更高的功率而不影响作业安全性，发射更高电流后，深井钻杆不同位置获得更强的信号，本发明具有很明显的优势。

技术特征：

1.智能导钻井地电磁传输地面发射系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的智能导钻井地电磁传输地面发射系统，其特征在于，

3.如权利要求2所述的智能导钻井地电磁传输地面发射系统，其特征在于，

4.如权利要求3所述的智能导钻井地电磁传输地面发射系统，其特征在于，

5.如权利要求4所述的智能导钻井地电磁传输地面发射系统，其特征在于，

6.如权利要求5所述的智能导钻井地电磁传输地面发射系统，其特征在于，

7.如权利要求6所述的智能导钻井地电磁传输地面发射系统，其特征在于，

8.如权利要求1-7任一项所述的智能导钻井地电磁传输地面发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了智能导钻井地电磁传输地面发射系统及方法，包括：井场发电装置、地面发射装置和电流传输地面电极，所述井场发电装置、所述地面发射装置和所述电流传输地面电极依次连接；所述井场发电装置，用于给所述地面发射装置供电；所述地面发射装置，用于通过变压器将产生的电流波形发送给所述电流传输地面电极；所述电流传输地面电极，用于将电流波形通过钻杆与地层发送给井下接收机，完成导钻井地电磁传输地面发射。本发明的钻井作业平台(井架)与发射系统不需要电气连接，能够发射更高的功率而不影响作业安全性，发射更大电流后，深井钻头附近的接收机可获得更强的信号。

技术研发人员：真齐辉,底青云,王煜亮,杨全民
受保护的技术使用者：中国科学院地质与地球物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13