一种基于电容耦合的智能钻杆系统技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及监测和控制
，特别涉及一种基于电容耦合的智能钻杆系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示意性示出本专利技术基于电容耦合的智能钻杆系统的结构图；图2示出了本专利技术基于电容耦合的智能钻杆系统的接头内部结构图；图3示出了本专利技术实施例基于电容耦合的智能钻杆系统的等效电路图；图4示出了本专利技术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示出了本专利技术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示出了本专利技术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示出了本专利技术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示出了本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。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所示本专利技术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，本专利技术智能钻杆系统钻杆级数可远大于20根钻杆单元。如图2所示本专利技术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专利技术不做具体限定，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专利技术也不做具体限制。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，本专利技术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，结合实施例对本专利技术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，本实施例中给出本专利技术基于电容耦合的智能钻杆系统的等效电路模型，如图3所示本专利技术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Vn。以每根钻杆单元为例，钻杆单元的极板电容用C表本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙东奎，刘峰，
申请(专利权)人：北京嘉禾石油技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11