專(zhuān)利名稱(chēng)：基于鉆柱信道的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油與天然氣鉆井工程領(lǐng)域隨鉆信息傳輸裝置，具體是ー種基于鉆柱信道的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置。
背景技術(shù)：
根據(jù)世界石油與天然氣鉆井工程的現(xiàn)狀及對(duì)將來(lái)發(fā)展的預(yù)測(cè)，石油鉆井行業(yè)將面臨更復(fù)雜的地質(zhì)條件和更惡劣的自然環(huán)境，及時(shí)了解到井下鉆進(jìn)參數(shù)及地質(zhì)參數(shù)是減小鉆井風(fēng)險(xiǎn)、提高鉆井效益的重要保障。目前已提出并應(yīng)用的鉆井信息傳輸方式主要有有線傳輸、鉆井液傳輸、電磁波傳輸及聲波傳輸四種。有線傳輸方式利用電纜做信息傳輸?shù)妮d體，可將井下信息傳輸?shù)降孛?，也可將地面指令信息傳輸給井下工具及設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了信息的快速、大量及雙向傳輸。但是該種方式存 在著不足，即鉆井過(guò)程中鉆柱的旋轉(zhuǎn)容易導(dǎo)致電纜磨斷或者絞斷，影響施工的正常進(jìn)行。鉆井液(泥衆(zhòng))傳輸方式利用鉆井液的壓カ波作為信號(hào)傳輸載體，鉆井液液柱作為信道進(jìn)行信息傳輸。由于壓カ波在鉆井液中傳播速度的限制，該種傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸速率較慢，単位時(shí)間傳輸信息量少，且傳輸過(guò)程易受噪聲的影響。另外該方式對(duì)鉆井液有依賴(lài)性，且不能實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳輸，限制了該種信息傳輸方式的使用范圍。電磁波傳輸方式實(shí)現(xiàn)了信息的雙向傳輸，也擺脫了對(duì)鉆井液的依賴(lài)，但也存在著缺點(diǎn)在地層中有較大的衰減，并且對(duì)地層有依賴(lài)性，即不同的地層具有不同的電磁特性，這會(huì)導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)的通用性變差，另外，其成本較高，且要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，必須有大功率的驅(qū)動(dòng)電源，在井下狹小的空間要想達(dá)到這些條件是比較困難的。鉆井信息聲波傳輸方式是以鉆柱作為聲信號(hào)傳輸通道，以聲波作為信號(hào)載體，進(jìn)行井下信息的無(wú)線傳輸?shù)姆绞?。由于利用鉆桿作為井下信息高速傳輸用聲波的的信道，該信息傳輸方式不用依賴(lài)于鉆井液的存在與否及性質(zhì)，不受地層內(nèi)磁性物質(zhì)的干擾，這為井下信息高速傳輸提供了得天獨(dú)厚的條件。另外該傳輸方式還具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、易于定向發(fā)射及傳播速度極快等優(yōu)點(diǎn)，而成為當(dāng)前井下信息傳輸技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。然而，聲波在鉆柱中傳播存在的衰減嚴(yán)重的問(wèn)題一直困擾著鉆井工作者。如何克服聲波在鉆柱中的衰減成為鉆井信息聲波傳輸技術(shù)成功與否必須解決的難題。為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明做了有益改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是克服了現(xiàn)有鉆井信息聲波傳輸方式中，聲波在鉆柱中傳播存在衰減嚴(yán)重的問(wèn)題，從而能夠增加聲波信號(hào)的有效傳輸距離。(ニ)技術(shù)方案本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于鉆柱信道的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，包括聲波傳感器、調(diào)制電路、電源和發(fā)射換能器總成，所述的調(diào)制電路接收所述的聲波傳感器輸出的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理而獲得有效數(shù)據(jù)，并將該有效數(shù)據(jù)傳輸給發(fā)射換能器總成；所述的電源用于為聲波傳感器、調(diào)制電路和發(fā)射換能器總成供電。具體地，所述的調(diào)制電路包括信號(hào)調(diào)理電路、井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和信號(hào)發(fā)射電路；所述的信號(hào)調(diào)理電路接收所述的聲波傳感器輸出的電信號(hào)，并進(jìn)行放大、濾波和調(diào)整，然后將該電信號(hào)發(fā)送給井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；所述的井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接收信號(hào)調(diào)理電路發(fā)出的電信號(hào)，并通過(guò)解調(diào)和解碼后獲得有效數(shù)據(jù)，并保存該有效數(shù)據(jù)；然后重新編碼和調(diào)制所述的有效數(shù)據(jù)，并將該有效數(shù)據(jù)輸、出；所述的信號(hào)發(fā)射電路接收來(lái)自井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的有效數(shù)據(jù)的信號(hào)，并發(fā)送給發(fā)射換能器總成。進(jìn)ー步，所述的井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與所述的信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)發(fā)射電路分別電連接。另外，該鉆井信息聲波傳輸中繼裝置還包括聲波接收接頭；所述的聲波傳感器為加速度計(jì)，該加速度計(jì)安裝在與所述的聲波接收接頭接觸的位置。進(jìn)ー步,還包括加速度計(jì)定位體,該加速度計(jì)定位體與所述的聲波接收接頭和加速度計(jì)分別固定連接。進(jìn)ー步，還包括發(fā)射端接頭，所述的發(fā)射換能器總成通過(guò)定位螺母被壓緊于所述的發(fā)射端接頭處。進(jìn)ー步，還包括換能器調(diào)節(jié)圈，該換能器調(diào)節(jié)圈設(shè)置于所述發(fā)射換能器總成與所述的定位螺母之間。再進(jìn)ー步，還包括儀器保護(hù)筒；所述的發(fā)射端接頭與聲波接收接頭相連并構(gòu)成連接構(gòu)件，該連接構(gòu)件與儀器保護(hù)筒構(gòu)成密封腔體。另外，所述的發(fā)射換能器總成包括軸向極化的環(huán)狀薄圓環(huán)片，該環(huán)狀薄圓環(huán)片的材質(zhì)為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料；所述的環(huán)狀薄圓環(huán)片數(shù)量至少為兩個(gè)，且所述的環(huán)狀薄圓環(huán)片之間采用機(jī)械串聯(lián)而電路并聯(lián)的方式連接；所述相鄰的兩個(gè)環(huán)狀薄圓環(huán)片極化相反。進(jìn)ー步，所述的發(fā)射換能器總成還包括金屬前蓋板、金屬后蓋板和電極片；所述的環(huán)狀薄圓環(huán)片與所述金屬前蓋板、金屬后蓋板及電極片之間通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠膠合。(三)有益效果與現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)I、采用寬頻帶換能器，根據(jù)不同鉆柱結(jié)構(gòu)確定使用頻率，增強(qiáng)了通用性，確保有效檢出和定向發(fā)射信號(hào)，減少振鈴干擾。2、裝置的總體強(qiáng)度強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足井下工作的需要。3、可有效長(zhǎng)時(shí)間工作于井下的復(fù)雜環(huán)境，増加聲波在鉆柱中的傳輸距離。4、可以實(shí)現(xiàn)信息的快速傳輸，加快地面施工人員對(duì)井下情況的了解及對(duì)井下復(fù)雜寒故做出的反應(yīng)，減小鉆井風(fēng)險(xiǎn)、提聞鉆井效益。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的A-A剖面示意圖3是本發(fā)明的B-B剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做ー個(gè)詳細(xì)的說(shuō)明。如圖I所示的一種基于鉆柱信道的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，由發(fā)射端接頭I、發(fā)射接頭密封總成2、發(fā)射換能器總成3、儀器保護(hù)筒4、儀器艙5、電源6、聲波接收接頭密封總成7、心軸密封總成8、換能器調(diào)節(jié)圈9、定位螺母10、調(diào)制電路11、加速度 計(jì)定位體12、カロ速度計(jì)13、保護(hù)筒定位銷(xiāo)14及聲波接收接頭15組成。發(fā)射端接頭I與聲波接收接頭15通過(guò)螺紋連接為一體，用于傳遞軸向載荷及扭矩；心軸密封總成8安裝于發(fā)射端接頭I與聲波接收接頭15的螺紋連接外緣，用于防止中空鉆井液通過(guò)；發(fā)射端接頭I與聲波接收接頭15的連接構(gòu)件與儀器保護(hù)筒4構(gòu)成ー個(gè)密封的腔體，用于安裝及放置內(nèi)部?jī)x器；聲波接收接頭密封總成7及發(fā)射接頭密封總成2用于防止外空鉆井液進(jìn)入安裝及放置內(nèi)部?jī)x器的腔體；保護(hù)筒定位銷(xiāo)14將發(fā)射端接頭I與聲波接收接頭15的連接體與儀器保護(hù)筒4連接為一體，實(shí)現(xiàn)相對(duì)靜止；發(fā)射換能器總成3通過(guò)定位螺母10壓緊于發(fā)射端接頭I處，實(shí)現(xiàn)電聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換；調(diào)節(jié)圈9位于發(fā)射換能器總成3與定位螺母10之間，用于調(diào)節(jié)發(fā)射換能器總成3及定位螺母10間的距離間隙及防止兩面的硬接觸。如圖2所示，儀器艙5通過(guò)螺紋連接在發(fā)射端接頭1，用于安裝電源6、調(diào)制電路11、加速度計(jì)13，該加速度計(jì)13作為聲波傳感器，可以用カ換能器等其他的傳感器替代。電源6可為發(fā)射換能器總成3及加速度計(jì)13提供能量。調(diào)制電路11置于所述的儀器艙5內(nèi)，包括信號(hào)調(diào)理電路、井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及信號(hào)發(fā)射電路，該井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)發(fā)射電路分別連接。信號(hào)調(diào)理電路的作用是將接收傳感器即加速度計(jì)13輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和調(diào)整，以使其能夠被井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接收。井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的作用是監(jiān)控和保障整個(gè)中繼器電路系統(tǒng)的正常運(yùn)行；接收經(jīng)調(diào)理后的聲波信號(hào)，并通過(guò)解調(diào)和解碼獲取有效數(shù)據(jù)；保存有效數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)重新編碼和調(diào)制，輸出給信號(hào)發(fā)射電路。信號(hào)發(fā)射電路的作用是接收來(lái)自井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)，并為發(fā)射換能器總成3提供驅(qū)動(dòng)。如圖3所示，加速度計(jì)13安裝在儀器艙5內(nèi)，并靠近聲波接收接頭15 —端，它與聲波接收接頭15接觸，用于測(cè)量下部傳過(guò)來(lái)的聲波信號(hào)。加速度計(jì)定位體12與所述的聲波接收接頭15和加速度計(jì)13分別固定連接，用于實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)13與聲波接收接頭15的緊密接觸。所述的發(fā)射換能器總成3的換能元件選用軸向極化的鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷材料，壓電材料形狀為環(huán)狀薄圓環(huán)片，該環(huán)狀薄圓環(huán)片至少為兩個(gè)，它們之間采用機(jī)械串聯(lián)而電路并聯(lián)的方式連接，相鄰兩個(gè)環(huán)狀薄圓環(huán)片的極化方向相反，從而使得發(fā)射換能器總成3整體的縱向振動(dòng)能夠相疊加。發(fā)射換能器總成3還包括金屬前蓋板、金屬后蓋板和電極片；發(fā)射換能器總成3的前蓋板材料為硬鋁或者杜拉鋁，后蓋板材料為黃銅。環(huán)狀薄圓環(huán)片與電極片及金屬前、后蓋板之間用環(huán)氧樹(shù)脂膠膠合。所述的電源6為耐高溫鋰電池或者可充電的耐高溫鋰電池。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于鉆柱信道的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，其特征在于，包括聲波傳感器、調(diào)制電路、電源和發(fā)射換能器總成，所述的調(diào)制電路接收所述的聲波傳感器輸出的電信號(hào)，將該電信號(hào)處理而獲得有效數(shù)據(jù)，并將該有效數(shù)據(jù)傳輸給發(fā)射換能器總成；所述的電源用于為聲波傳感器、調(diào)制電路和發(fā)射換能器總成供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，其特征在于，所述的調(diào)制電路包括信號(hào)調(diào)理電路、井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和信號(hào)發(fā)射電路； 所述的信號(hào)調(diào)理電路接收所述的聲波傳感器輸出的電信號(hào)，并進(jìn)行放大、濾波和調(diào)整，然后將該電信號(hào)發(fā)送給井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)； 所述的井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接收信號(hào)調(diào)理電路發(fā)出的電信號(hào)，并通過(guò)解調(diào)和解碼后獲得有效數(shù)據(jù)，并保存該有效數(shù)據(jù)；然后重新編碼和調(diào)制所述的有效數(shù)據(jù)，并將該有效數(shù)據(jù)輸出； 所述的信號(hào)發(fā)射電路接收來(lái)自井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的有效數(shù)據(jù)的信號(hào)，并發(fā)送給發(fā)射換能器總成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，其特征在于，所述的井下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與所述的信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)發(fā)射電路分別連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，其特征在于，還包括聲波接收接頭；所述的聲波傳感器為加速度計(jì)，該加速度計(jì)安裝在與所述的聲波接收接頭接觸的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，其特征在于，還包括加速度計(jì)定位體，該加速度計(jì)定位體與所述的聲波接收接頭和加速度計(jì)分別固定連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，其特征在于，還包括發(fā)射端接頭，所述的發(fā)射換能器總成通過(guò)定位螺母壓緊于所述的發(fā)射端接頭處。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，其特征在于，還包括換能器調(diào)節(jié)圈，該換能器調(diào)節(jié)圈設(shè)置于所述發(fā)射換能器總成與所述的定位螺母之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，其特征在于，還包括儀器保護(hù)筒；所述的發(fā)射端接頭與聲波接收接頭相連并構(gòu)成連接構(gòu)件，該連接構(gòu)件與儀器保護(hù)筒構(gòu)成密封腔體。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，其特征在于，所述的發(fā)射換能器總成包括軸向極化的環(huán)狀薄圓環(huán)片，該環(huán)狀薄圓環(huán)片的材質(zhì)為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料；所述的環(huán)狀薄圓環(huán)片數(shù)量至少為兩個(gè)，且所述的環(huán)狀薄圓環(huán)片之間采用機(jī)械串聯(lián)，而該環(huán)狀薄圓環(huán)片上的電路采用并聯(lián)的方式連接；相鄰的兩個(gè)環(huán)狀薄圓環(huán)片極化相反。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，其特征在于，所述的發(fā)射換能器總成還包括金屬前蓋板、金屬后蓋板和電極片；所述的環(huán)狀薄圓環(huán)片與所述金屬前蓋板、金屬后蓋板及電極片之間通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠膠合。
全文摘要
本發(fā)明涉及石油與天然氣鉆井工程領(lǐng)域隨鉆信息傳輸裝置，具體是基于鉆柱信道的鉆井信息聲波傳輸中繼裝置，包括聲波傳感器、調(diào)制電路、電源和發(fā)射換能器總成，所述的調(diào)制電路接收所述的聲波傳感器輸出的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理而獲得有效數(shù)據(jù)，并將該有效數(shù)據(jù)傳輸給發(fā)射換能器總成；所述的電源用于為聲波傳感器、調(diào)制電路和聲波發(fā)射換能器供電。本發(fā)明可有效長(zhǎng)時(shí)間工作于井下的復(fù)雜環(huán)境，增加聲波在鉆柱中的傳輸距離；并確保有效檢出和定向發(fā)射信號(hào)，減少振鈴干擾。
文檔編號(hào)E21B47/16GK102733799SQ20121021281
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者劉永旺, 李志剛, 管志川, 趙國(guó)山 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)