本发明提供了一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量控制方法及系统，所述测量控制方法通过由以钻杆为中心的n组接地电极架形成的天线阵列、具有相位检波器的地面信号发射接收装置、计算机、一端与钻杆相连另一端与n个接地电极一一相连的n根铜导线、井下信号发射接收装置及井下测量电源短节来实现，在信号上传和下传的过程中，通过天线阵列和相位检波器，消除地面天线阵中各接地电极接收信号之间的相互干扰以及井下信号接收装置所接收的多组天线信号之间的相位差。本发明通过在电磁波随钻测量系统中使用天线阵列，提高了信号的发射强度及接收灵敏度，进而有效提高双向电磁波随钻测量信号传输距离。
1.一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量方法，由以钻杆为中心的n组接地电极架形成的天线阵列、具有相位检波器的地面信号发射接收装置、计算机、一端与钻杆相连另一端与n个接地电极一一相连的n根铜导线、井下信号发射接收装置及井下测量电源短节来实现，其特征在于，包括以下步骤：S1、井下测量电源短节测量井下地质参数、钻井参数和井眼参数并将所述井下地质参数、钻井参数和井眼参数传递到井下信号发射接收装置；
S2、井下信号发射接收装置将所述地质参数、钻井参数和井眼参数的物理量分别转换为数字信号并将所述数字信号进行编码、压缩，以低频电磁波为载体发射出去；
S3、n组接地电极分别采集井下信号发射接收装置发射的信号，获得n组信号，传递到地面信号发射接收装置；
S4、地面信号发射接收装置将所述n组信号分别进行信号放大、模数转换、滤波和解调处理；
S5、地面信号发射接收装置内的相位检波器对经过放大、模数转换、滤波和解调处理后的n组信号进行处理：以1号电极为基准，2号、3号、……、n号电极与1号电极所得信号的相位差分别为 根据计算出的相位差对n组信号进行相位同步，将同步后的信号进行叠加处理对信号进行加强，得到井下上传的信号数据，最终在计算机上进行显示和处理。
2.根据权利要求1所述一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量方法，其特征在于，所述接地电极长度为0.1-10m，上端为圆柱状，直径为5-100mm，下端磨尖，磨尖部分长度为1-
5cm，所述接地电极的材质采用铜、304不锈钢、铝合金中的任一种，电阻率小于10-4Ω·m；所述接地电极设置时垂直插入地面，插入深度为0.05-10m，接地电极与钻杆之间的间距为10-
200m，接地电极之间的间距大于5m，接地电极数量为2-50个；所述相位检波器选用AD640、AD641、AD8302、AD8307、AD8310中的任一种；所用铜导线直径为1-50mm，电阻率小于10-6Ω·m。
3.一种基于天线阵列的双向电磁随钻控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11、井下信号发射接收装置发射相位差测试信号，n组接地电极分别对相位差测试信号进行采集，获得n组相位差测试信号并传递到地面信号发射接收装置；
S12、地面信号发射接收装置内的相位检波器获取并分析所述n组相位差测试信号，以1号电极为基准，2号、3号、……、n号电极与1号电极所得信号的相位差分别为从而获得n组相位差测试信号的相位差0、S13、地面信号发射接收装置将计算机需要发送的指令信号进行编码、压缩处理，让n个电极按编号顺序同时以0、 的相位以低频电磁波为载体发射编码、压缩处理后的计算机指令信号；
S14、井下信号发射接收装置采集所述n个电极同时发射的计算机指令信号进行叠加，对叠加后的信号进行放大、模数转换、滤波和解调处理，得到计算机下发的指令信号。
4.一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量系统，由以钻杆为中心的n组接地电极架形成的天线阵列、具有相位检波器的地面信号发射接收装置、计算机、一端与钻杆相连另一端与n个接地电极一一相连的n根铜导线、井下信号发射接收装置及井下测量电源短节来实现，其特征在于，包括以下模块：参数测量传递模块，用于使井下测量电源短节测量井下地质参数、钻井参数和井眼参数并将所述井下地质参数、钻井参数和井眼参数传递到井下信号发射接收装置；
信号转换发射模块，用于使井下信号发射接收装置将所述地质参数、钻井参数和井眼参数的物理量分别转换为数字信号并将所述数字信号进行编码、压缩，以低频电磁波为载体发射出去；
信号采集模块，用于使n组接地电极分别采集井下信号发射接收装置发射的信号，获得n组信号，传递到地面信号发射接收装置；
信号处理模块，用于使地面信号发射接收装置将所述n组信号分别进行信号放大、模数转换、滤波和解调处理；
信号相位同步叠加模块，用于使地面信号发射接收装置内的相位检波器对经过放大、模数转换、滤波和解调处理后的n组信号进行处理：以1号电极为基准，2号、3号、……、n号电极与1号电极所得信号的相位差分别为 根据计算出的相位差对n组信号进行相位同步，将同步后的信号进行叠加处理对信号进行加强，得到井下上传的信号数据，最终在计算机上进行显示和处理。
5.一种基于天线阵列的双向电磁随钻控制系统，其特征在于，包括以下模块：
相位差测试信号发射模块，用于使井下信号发射接收装置发射相位差测试信号，n组接地电极分别对相位差测试信号进行采集，获得n组相位差测试信号并传递到地面信号发射接收装置；
相位差测试信号相位差获取模块，用于使地面信号发射接收装置内的相位检波器获取并分析所述n组相位差测试信号，以1号电极为基准，2号、3号、……、n号电极与1号电极所得信号的相位差分别为 从而获得n组相位差测试信号的相位差0、
指令信号处理发射模块，用于使地面信号发射接收装置将计算机需要发送的指令信号进行编码、压缩处理，让n个电极按编号顺序同时以0、的相位以低频电磁波为载体发射编码、压缩处理后的计算机指令信号；
指令信号获取模块，用于使井下信号发射接收装置采集所述n个电极同时发射的计算机指令信号进行叠加，对叠加后的信号进行放大、模数转换、滤波和解调处理，得到计算机下发的指令信号。
一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量控制方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电磁随钻测量领域，尤其涉及一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量控制方法及系统。
背景技术
[0002] 电磁随钻测量(EM-MWD)是20世纪80年代进入工业化应用的一项新技术，受泥浆介质影响小，不仅可以用于泥浆钻井，而且可以用于泡沫、空气钻井。相对于单向电磁随钻测量，双向电磁随钻测量系统可调节井下仪器的信号发射功率和频率，增强仪器对复杂电阻率地层的适应性；也可以依据井下工况及测量需求，控制井下发射模块是否休眠，以节省电能，延长仪器井下工作时间。在双向EM-MWD系统中，上传信号是通过钻柱在井底被绝缘短节隔成两段，分别作为信号发射两极，构成非对称偶极子激励方式，地面信号接收装置采集钻柱与接地电极之间的电势差并经处理获得井下上传的信号。下传信号是通过在钻柱和接地发射电极之间施加激励源发射，井下信号接收端采集绝缘短节两端钻柱的电势差并经处理获取地面下传的指令数据。而在实际测井过程中，由于电磁波在地层中传输时信号衰减严重，当达到一定深度时，在地面或井下将难以检测到有效的电磁波信号。究其原因，主要是由于地面发射和接收装置通常只由钻柱与一个接地电极构成一个发射或接收天线，其信号发射强度及接收灵敏度远不及天线阵。而天线阵在信号发射接收过程中，由于空间位置的非完全对称以及地层的非均质性，多个天线发射或者接收的信号会形成一定的相位差，造成信号的相互干扰，不利于在较深井眼中双向电磁波随钻测量作业。
发明内容
[0003] 本发明针对现有电磁波随钻测量技术接收与发射信号强度不够，传输距离不够远，信号之间干扰过大的缺点，提出了一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量控制方法及系统，所述测量控制方法由以钻杆为中心的n组接地电极架形成的天线阵列、具有相位检波器的地面信号发射接收装置、计算机、一端与钻杆相连另一端与n个接地电极一一相连的n根铜导线、井下信号发射接收装置及井下测量电源短节来实现，测量方法包括以下步骤：
[0004] S1、井下测量电源短节测量井下地质参数、钻井参数和井眼参数并将所述井下地质参数、钻井参数和井眼参数传递到井下信号发射接收装置；
[0005] S2、井下信号发射接收装置将所述地质参数、钻井参数和井眼参数的物理量分别转换为数字信号并将所述数字信号进行编码、压缩，以低频电磁波为载体发射出去；
[0006] S3、n组接地电极分别采集井下信号发射接收装置发射的信号，获得n组信号，传递到地面信号发射接收装置；
[0007] S4、地面信号发射接收装置将所述n组信号分别进行信号放大、模数转换、滤波和解调处理；
[0008] S5、地面信号发射接收装置内的相位检波器对所述经过放大、模数转换、滤波和解调处理后的n组信号进行处理：以1号电极为基准，2号、3号、……、n号电极与1号电极所得信号的相位差分别为 根据计算出的相位差对n组信号进行相位同步，将同步后的信号进行叠加处理对信号进行加强，得到井下上传的信号数据，最终在计算机上进行显示和处理。
[0009] 进一步的，在本发明的一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量方法中，所述接地电极长度为0.1-10m，上端为圆柱状，直径为5-100mm，下端磨尖，磨尖部分长度为1-5cm，所述接地电极的材质采用铜、304不锈钢、铝合金中的任一种，电阻率小于10-4Ω·m；所述接地电极设置时垂直插入地面，插入深度为0.05-10m，接地电极与钻杆之间的间距为10-200m，接地电极之间的间距大于5m，接地电极数量为2-50个；所述相位检波器选用AD640、AD641、AD8302、AD8307、AD8310中的任一种；所用铜导线直径为1-50mm，电阻率小于10-6Ω·m。
[0010] 本发明还提供一种基于天线阵列的双向电磁随钻控制方法，包括如下步骤：
[0011] S11、井下信号发射接收装置发射相位差测试信号，n组接地电极分别对相位差测试信号进行采集，获得n组相位差测试信号并传递到地面信号发射接收装置；
[0012] S12、地面信号发射接收装置内的相位检波器获取并分析所述n组相位差测试信号，以1号电极为基准，2号、3号、……、n号电极与1号电极所得信号的相位差分别为获得n组相位差测试信号的相位差；
[0013] S13、响应所述n组相位差测试信号，地面信号发射接收装置将计算机需要发送的指令信号进行编码、压缩处理，让n个电极按编号顺序同时以0，的相位以低频电磁波为载体进行信号发射；
[0014] S14、井下信号发射接收装置采集所述n组信号进行叠加，对叠加后的信号进行放大、模数转换、滤波和解调处理，得到计算机下发的指令信号。
[0015] 本发明还提供了一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量系统，由以钻杆为中心的n组接地电极架形成的天线阵列、具有相位检波器的地面信号发射接收装置、计算机、一端与钻杆相连另一端与n个接地电极一一相连的n根铜导线、井下信号发射接收装置及井下测量电源短节来实现，包括以下模块：
[0016] 参数测量传递模块，用于使井下测量电源短节测量井下地质参数、钻井参数和井眼参数并将所述井下地质参数、钻井参数和井眼参数传递到井下信号发射接收装置；
[0017] 信号转换发射模块，用于使井下信号发射接收装置将所述地质参数、钻井参数和井眼参数的物理量分别转换为数字信号并将所述数字信号进行编码、压缩，以低频电磁波为载体发射出去；
[0018] 信号采集模块，用于使n组接地电极分别采集井下信号发射接收装置发射的信号，获得n组信号，传递到地面信号发射接收装置；
[0019] 信号处理模块，用于使地面信号发射接收装置将所述n组信号分别进行信号放大、模数转换、滤波和解调处理；
[0020] 信号相位同步叠加模块，用于使地面信号发射接收装置内的相位检波器对所述经过放大、模数转换、滤波和解调处理后的n组信号进行处理：以1号电极为基准，2号、3号、……、n号电极与1号电极所得信号的相位差分别为 根据计算出的相位差对n组信号进行相位同步，将同步后的信号进行叠加处理对信号进行加强，得到井下上传的信号数据，最终在计算机上进行显示和处理。
[0021] 本发明还提供了一种基于天线阵列的双向电磁随钻控制系统，包括以下模块：
[0022] 相位差测试信号发射模块，用于使井下信号发射接收装置发射相位差测试信号，n组接地电极分别对相位差测试信号进行采集，获得n组相位差测试信号并传递到地面信号发射接收装置；
[0023] 相位差测试信号相位差获取模块，用于使地面信号发射接收装置内的相位检波器获取并分析所述n组相位差测试信号，以1号电极为基准，2号、3号、……、n号电极与1号电极所得信号的相位差分别为 从而获得n组相位差测试信号的相位差0、
[0024] 指令信号处理发射模块，用于使地面信号发射接收装置将计算机需要发送的指令信号进行编码、压缩处理，让n个电极按编号顺序同时以0、的相位以低频电磁波为载体发射编码、压缩处理后的
计算机指令信号；
[0025] 指令信号获取模块，用于使井下信号发射接收装置采集所述n组指令信号进行叠加，对叠加后的信号进行放大、模数转换、滤波和解调处理，得到计算机下发的指令信号。
[0026] 本发明的有益效果在于提供的方法操作简单，成本低廉，在地面以钻杆为中心使用多个接地电极按一定规律架设天线阵列系统，并在地面信号发射接收装置中增设相位检波器即可，易于实现现场应用；本发明提供的方法通过采用天线阵列系统以及增设相位检波器的方法将传统的单天线信号发射接收装置改进为天线阵列系统并实现发射及接收信号的同相叠加，应用于电磁波随钻测量中，提高信号的发射强度及接收灵敏度，进而有效提高双向电磁波随钻测量信号传输距离，可以增强地面接收及发射信号的强度，从而提高电磁波随钻测量信号的传输距离。
附图说明
[0027] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0028] 图1是本发明实施例信号上传流程图；
[0029] 图2是本发明实施例信号下传流程图；
[0030] 图3是本发明实施例1电磁波随钻测量系统示意图；
[0031] 图4是本发明实施例2电磁波随钻测量系统示意图。
[0032] 图中标号说明：1-计算机；2-地面信号发射接收装置(内部具有相位检波器)；3-接地电极；4-钻杆；5-井下信号发射接收装置；6-测量电源短节。
具体实施方式
[0033] 为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0034] 所述测量控制方法由以钻杆为中心的n组接地电极架形成的天线阵列、具有相位检波器的地面信号发射接收装置、计算机、一端与钻杆相连另一端与n个接地电极一一相连的n根铜导线、井下信号发射接收装置及井下测量电源短节来实现，测量方法包括以下步骤：
[0035] S1、井下测量电源短节测量井下地质参数、钻井参数和井眼参数并将所述井下地质参数、钻井参数和井眼参数传递到井下信号发射接收装置；
[0036] S2、井下信号发射接收装置将所述地质参数、钻井参数和井眼参数的物理量分别转换为数字信号并将所述数字信号进行编码、压缩，以低频电磁波为载体发射出去；
[0037] S3、n组接地电极分别采集井下信号发射接收装置发射的信号，获得n组信号，传递到地面信号发射接收装置；
[0038] S4、地面信号发射接收装置将所述n组信号分别进行信号放大、模数转换、滤波和解调处理；
[0039] S5、地面信号发射接收装置内的相位检波器对所述经过放大、模数转换、滤波和解调处理后的n组信号进行处理：以1号电极为基准，2号、3号、……、n号电极与1号电极所得信号的相位差分别为 根据计算出的相位差对n组信号进行相位同步，将同步后的信号进行叠加处理对信号进行加强，得到井下上传的信号数据，最终在计算机上进行显示和处理。
[0040] 进一步的，在本发明的一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量方法中，所述接地电极长度为0.1-10m，上端为圆柱状，直径为5-100mm，下端磨尖，磨尖部分长度为1-5cm，所述接地电极的材质采用铜、304不锈钢、铝合金中的任一种，电阻率小于10-4Ω·m；所述接地电极设置时垂直插入地面，插入深度为0.05-10m，接地电极与钻杆之间的间距为10-200m，接地电极之间的间距大于5m，接地电极数量为2-50个；所述相位检波器选用AD640、AD641、AD8302、AD8307、AD8310中的任一种；所用铜导线直径为1-50mm，电阻率小于10-6Ω·m。
[0041] 本发明还提供一种基于天线阵列的双向电磁随钻控制方法，包括如下步骤：
[0042] S11、井下信号发射接收装置发射相位差测试信号，n组接地电极分别对相位差测试信号进行采集，获得n组相位差测试信号并传递到地面信号发射接收装置；
[0043] S12、地面信号发射接收装置内的相位检波器获取并分析所述n组相位差测试信号，以1号电极为基准，2号、3号、……、n号电极与1号电极所得信号的相位差分别为获得n组相位差测试信号的相位差；
[0044] S13、响应所述n组相位差测试信号，地面信号发射接收装置将计算机需要发送的指令信号进行编码、压缩处理，让n个电极按编号顺序同时以0，的相位以低频电磁波为载体进行信号发射；
[0045] S14、井下信号发射接收装置采集所述n组信号进行叠加，对叠加后的信号进行放大、模数转换、滤波和解调处理，得到计算机下发的指令信号。
[0046] 实施例1：参见图3，本发明的一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量方法及系统，其中天线阵列系统中接地电极数为2,其操作步骤如下：
[0047] ⑴、在地面以钻杆4为中心使用2个接地电极3架设天线阵列系统。单个接地电极3长度为0.5m，上端为圆柱状，直径为10mm，下端磨尖，磨尖部分长度为2cm，材质均采用304不锈钢。接地电极3设置时要求垂直插入地面，深度为0.5m，接地电极3数量为2个，2根接地电极3与钻杆4之间的距离均为50m，2根接地电极3之间的间距为100m，2根接地电极3编号依次为1号和2号。
[0048] ⑵、在地面信号发射接收装置2中具有AD8302相位检波器，并用2根铜导线一端与钻杆4相连，一端与设置的2个接地电极3分别相连，所用铜导线要求直径为2mm。
[0049] ⑶、在双向EM-MWD系统信号上传过程中，首先由井下测量电源短节6测量井下地质参数、钻井参数和井眼参数等,然后将相应的地质参数、钻井参数和井眼参数物理量交由井下信号发射接收装置5转换为数字信号，相关的数字信号经过编码、压缩等处理工作后，最后以低频电磁波为载体发射出去。接地电极分别接收信号，地面信号发射接收装置2将接地电极采集的2组信号分别进行信号的放大、模数转换、滤波和解调等处理后，交由相位检波器进行处理，以1号接地电极3为基准，2号接地电极3与1号接地电极3所得信号的相位差为根据计算出的相位差对2组信号进行相位同步，将同步后的信号进行叠加处理对信号进行加强，得到井下上传的信号数据，最终在计算机1上进行显示和处理。
[0050] ⑷、在双向EM-MWD系统信号下传过程中，首先由井下信号发射接收装置5发射相位差测试信号，天线阵列采集到相位差测试信号后交由相位检波器进行处理，以1号接地电极为基准，2号接地电极与1号接地电极所得信号的相位差为 然后地面地面信号发射接收装置将计算机需要发送的控制指令数据进行编码、压缩等处理工作后，最后让2个接地电极3按编号顺序同时以0， 的相位以低频电磁波为载体进行信号的发射，井下信号发射接收装置5采集控制信号并经放大、模数转换、滤波和解调等处理后获取计算机下传的控制指令。
[0051] 实施例2：参见图4，本发明的一种基于天线阵列的双向电磁随钻测量方法，其中天线阵列系统中接地电极数为3,其操作步骤如下：
[0052] ⑴、在地面以钻杆4为中心使用3个接地电极3架设天线阵列系统。单个接地电极3长度为1m，上端为圆柱状，直径为15mm，下端磨尖，磨尖部分长度为3cm，材质采用紫铜。接地电极3设置时要求垂直插入地面，深度为1m，接地电极3数量为3个，3根接地电极3以钻杆4为中心呈等边三角形排列，3根接地电极3与钻杆4之间的距离均为100m，3根接地电极3之间的间距均为173m，3根接地电极3编号依次为1号、2号和3号。
[0053] ⑵、地面信号发射接收装置2中具有AD8310相位检波器，并用3根铜导线一端与钻杆4相连，一端与设置的3个接地电极3分别相连，所用铜导线要求直径为5mm。
[0054] ⑶、在双向EM-MWD系统信号上传过程中，首先由井下测量电源短节6测量井下地质参数、钻井参数和井眼参数,然后将相应的井下地质参数、钻井参数和井眼参数物理量交由井下信号发射接收装置5转换为数字信号，相关的数字信号经过编码、压缩等处理工作后，最后以低频电磁波为载体发射出去。接地电极组成的天线阵列接收信号，地面信号发射接收装置2将天线阵列采集的3组信号分别进行信号的放大、模数转换、滤波和解调等处理后，交由相位检波器进行处理，以1号接地电极3为基准，2号接地电极3以及3号接地电极3与1号接地电极3所得信号的相位差分别为 和 在得到各接地电极3接收信号之间的相位差后，地面信号发射接收装置对3组信号进行相位同步和信号叠加处理，得到井下上传的信号数据，最终在计算机1上进行显示和处理。
[0055] ⑷、在双向EM-MWD系统信号下传过程中，首先由井下信号发射接收装置5发射信号，天线阵列采集到信号后交由相位检波器进行处理，以1号接地电极为基准，2号接地电极3以及3号接地电极3与1号接地电极3所得信号的相位差为 和 然后地面信号发射接收装置将计算机发送的控制指令数据进行编码、压缩等处理工作后，让3个接地电极3按编号顺序同时以0、 的相位以低频电磁波为载体进行信号的发射，井下信号发射接收装置5采集所述3组信号进行叠加，对叠加后的信号经放大、模数转换、滤波和解调等处理后获取计算机下传的控制指令。
[0056] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
