本發(fā)明屬于石油勘探隨鉆測量設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種基于三芯同軸連接的隨鉆測量井下系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前在石油鉆井作業(yè)中，尤其是水平井和定向井鉆井作業(yè)中，廣泛采用隨鉆測量系統(tǒng)（MWD）進(jìn)行井眼軌跡檢測，進(jìn)而指導(dǎo)鉆進(jìn)過程。在一些復(fù)雜地層構(gòu)造、薄油層或井況環(huán)境復(fù)雜時(shí)，為了精確的定位油層位置、降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等目標(biāo)，經(jīng)常需要采用一些具有探測地層屬性的地質(zhì)類儀器或檢測井下工況的儀器，隨鉆錄井系統(tǒng)（LWD）指的是上述這些特殊儀器結(jié)合MWD系統(tǒng)構(gòu)成的一套完善的鉆井評(píng)價(jià)系統(tǒng)，LWD系統(tǒng)可以看作是MWD系統(tǒng)的擴(kuò)展、升級(jí)產(chǎn)品。

目前國際上以及國內(nèi)有很多成功應(yīng)用的MWD系統(tǒng)和LWD系統(tǒng)，它們的構(gòu)架各不相同，儀器間連接器的數(shù)目差異很大，有纜芯數(shù)目極少的單芯連接，也有很復(fù)雜的20多芯的連接器。連接器纜芯數(shù)目少，則很容易做的更加可靠，儀器連接操作也更為容易、便捷，但是一般情況下系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能也難以做的更加強(qiáng)大、靈活，纜芯數(shù)目很少的系統(tǒng)基本都是MWD系統(tǒng)，且基本不具備擴(kuò)展成LWD系統(tǒng)的能力；連接器纜芯數(shù)目多的MWD系統(tǒng)或LWD系統(tǒng)，系統(tǒng)很容易構(gòu)架得更為強(qiáng)大、靈活，但是連接器的機(jī)械強(qiáng)度不高、壽命不長，連接操作一般也需要特別小心細(xì)致。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種基于三芯同軸連接的隨鉆測量井下系統(tǒng)，該系統(tǒng)連接纜芯數(shù)目少，可靠性高，同時(shí)該系統(tǒng)能很方便的掛接LWD儀器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于三芯同軸連接的隨鉆測量井下系統(tǒng)，包括三根總線、公、母接插件、脈沖器、電源、電子探管、伽馬探管和底鼻，三根總線分別為電源線（VPWR）、地線（GND）、儀器串行通信總線（TSB），脈沖器、電源、電子探管、伽馬探管和底鼻依次連接，電源、電子探管、伽馬探管和底鼻中相鄰的電器通過公、母接插件進(jìn)行電氣連接，公、母接插件為多臺(tái)階的圓筒件，公接插件帶有兩段凸出的圓柱和中間凹陷的圓槽，母接插件帶有兩端凹陷的圓柱和中間凸出的圓柱，母接插件上兩端凹陷的圓柱內(nèi)壁上設(shè)有弧形凸起，公、母接插件內(nèi)分別設(shè)有與三根總線連接的連接點(diǎn)，電子探管上端的儀器外殼統(tǒng)一用作地線。

在上述技術(shù)方案中，所述電源為主電池和備用電池，脈沖器連接有驅(qū)動(dòng)短節(jié)，所述驅(qū)動(dòng)短節(jié)與備用電池連接，備用電池與主電池之間連接有電池切換短節(jié)。

在上述技術(shù)方案中，所述電源為單電池時(shí)，脈沖器接有驅(qū)動(dòng)短節(jié)，所述驅(qū)動(dòng)短接連接有電池切換短節(jié)，該電池切換短節(jié)與電池連接。

在上述技術(shù)方案中，所述電池切換短節(jié)包括切換MCU（微控制單元）, 切換MCU連接有雙通道DAC、電流檢測1和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，雙通道DAC連接有運(yùn)放器和比較器，運(yùn)放器和比較器連接到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，運(yùn)放器連接有電壓檢測單元，電壓檢測單元與住電流的電路連接，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與導(dǎo)通控制器連接，導(dǎo)通控制器連接到備用電源，電流檢測1和導(dǎo)通控制器連接有電流檢測2，電流檢測2連接到切換MCU。

在上述技術(shù)方案中，所述電源為自發(fā)電式脈沖器和電池時(shí)，該自發(fā)電式脈沖器連接有轉(zhuǎn)換短節(jié)，該轉(zhuǎn)換短節(jié)與電池連接。

在上述技術(shù)方案中，所述電源為自發(fā)電式脈沖器，該自發(fā)電式脈沖器連接有轉(zhuǎn)換短節(jié)，轉(zhuǎn)換短節(jié)與空電池筒連接。

在上述技術(shù)方案中，所述轉(zhuǎn)換短節(jié)包括轉(zhuǎn)換MCU, 轉(zhuǎn)換MCU連接有通信接口、FLASH存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、電流電池檢測器、發(fā)電機(jī)電流檢測器、單相頻率檢測器和三相電整流器，電池電流檢測器與電池連接，發(fā)電機(jī)電流檢測器與三相電整流器連接，單相頻率檢測器與發(fā)電機(jī)連接，電池電流檢測器和發(fā)電機(jī)電流檢測器并聯(lián)。

在上述技術(shù)方案中，電子探管下端可以按任意順序掛接擴(kuò)展不超過12個(gè)地質(zhì)類儀器，鉆鋌內(nèi)細(xì)桿儀器可直接通過三芯同軸接插件連接到電子探管下面，鉆鋌式儀器可通過專用的轉(zhuǎn)換器連接到儀器串的最下端。

本發(fā)明的有益效果是：僅采用三根總線和公、母接插件將各個(gè)一起連接，纜芯數(shù)目少，可靠性高，公、母接插件之間通過螺紋旋緊即可，連接方便，大大降低現(xiàn)場掛接LWD地質(zhì)類儀器的難度；支持多種方式供電，可以根據(jù)現(xiàn)場施工情況選擇供電方式；具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，能輕松的掛接LWD地質(zhì)類儀器從而構(gòu)成LWD系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的公插接件的剖視圖。

圖2為本發(fā)明的母接插件的剖視圖。

圖3為公、母接插件連接后的剖視圖。

圖4為本發(fā)明中電源為雙電池供電時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明中電源為單電池供電時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為圖4和圖5中電池切換短節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明中電源為自發(fā)電式脈沖器和電池時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8本發(fā)明中電源為自發(fā)電式脈沖器時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為圖7和圖8中轉(zhuǎn)換短節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1到圖8所示的一種基于三芯同軸連接的隨鉆測量井下系統(tǒng)，其特征是：包括三根總線、公、母接插件、脈沖器、電源、電子探管、伽馬探管和底鼻，三根總線分別為電源線（VPWR）、地線（GND）、儀器串行通信總線（TSB），脈沖器、電源、電子探管、伽馬探管和底鼻依次連接，電源、電子探管、伽馬探管和底鼻中相鄰的電器通過公、母接插件進(jìn)行電氣連接，公、母接插件為多臺(tái)階的圓筒件，公接插件帶有兩段凸出的圓柱和中間凹陷的圓槽，母接插件帶有兩端凹陷的圓柱和中間凸出的圓柱，母接插件上兩端凹陷的圓柱內(nèi)壁上設(shè)有弧形凸起，公、母接插件內(nèi)分別設(shè)有與三根總線連接的連接點(diǎn)，電子探管上端的儀器外殼統(tǒng)一用作地線。為了使得所述系統(tǒng)構(gòu)架支持LWD儀器擴(kuò)展，井下儀器串采用上懸掛安裝方式，并且把脈沖器設(shè)計(jì)在系統(tǒng)構(gòu)架的頂端，在脈沖器外圍實(shí)現(xiàn)懸掛盤，這樣將來擴(kuò)展的LWD儀器就可以掛接在儀器串的下端，而這正是實(shí)際工程施工時(shí)所期望的掛接形式——探測地層屬性的儀器更加靠近鉆頭，測量數(shù)據(jù)更加及時(shí)、準(zhǔn)確（受泥漿污染的影響較?。?/p>

如圖4所示，所述電源為主電池和備用電池，脈沖器連接有驅(qū)動(dòng)短節(jié)，所述驅(qū)動(dòng)短節(jié)與備用電池連接，備用電池與主電池之間連接有電池切換短節(jié)。

如圖5所示，所述電源為單電池時(shí)，脈沖器接有驅(qū)動(dòng)短節(jié)，所述驅(qū)動(dòng)短接連接有電池切換短節(jié)，該電池切換短節(jié)與電池連接。

如圖6所示，所述電池切換短節(jié)包括切換MCU（微控制單元）, 切換MCU連接有雙通道DAC、電流檢測1和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，雙通道DAC連接有運(yùn)放器和比較器，運(yùn)放器和比較器連接到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，運(yùn)放器連接有電壓檢測單元，電壓檢測單元與住電流的電路連接，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與導(dǎo)通控制器連接，導(dǎo)通控制器連接到備用電源，電流檢測1和導(dǎo)通控制器連接有電流檢測2，電流檢測2連接到切換MCU。

切換MCU定時(shí)采集負(fù)載總電流，得出當(dāng)前一段時(shí)間的平均電流值，然后再按照特定系數(shù)（20%）算出主電源可以工作的最低電流閾值I_min；MCU通過SPI接口設(shè)定雙通道DAC的2路輸出電壓，其中低電壓閾值V_min是固定不變的，而低電流閾值I_min是通過計(jì)算負(fù)載電流不斷更新的；主電池電壓接近低壓閾值V_min時(shí)，運(yùn)放輸出電壓開始降低，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制導(dǎo)通機(jī)構(gòu)，讓備用電池部分供電，反饋控制使得運(yùn)放輸出保持高電壓的狀態(tài)。

這樣主電池和備用電池同時(shí)供電，且都以接近低電壓閾值V_min的電壓來給負(fù)載供電。此時(shí)備用電池的供電效率比較低。

同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生中斷輸出，通知MCU備用電池已經(jīng)介入供電，MCU會(huì)記錄此時(shí)主電池的供電電流，它是主電池單獨(dú)供電能夠提供的最大臨界電流MI_max。

當(dāng)主電池快耗盡時(shí)，它已經(jīng)無法提供很多電流，如果它提供的電流小于低電流閾值I_min，那么比較器翻轉(zhuǎn)，通知執(zhí)行機(jī)構(gòu)完全打開備用電池供電！此時(shí)備用電池不用再降壓到低電壓閾值處供電，而是全部導(dǎo)通供電，它的供電效率更高。

此后如果負(fù)載電流一直不降低，那么主電池將不再供電，因?yàn)槿绻屩麟姵毓╇?，必然要降低備用電池的供電效率。如果?fù)載總電流降低，MCU通過自帶的ADC檢測到負(fù)載總電流，如果MCU發(fā)現(xiàn)主電池臨界電流MI_max≥負(fù)載總電流*50%，那么MCU將低電流閾值I_min設(shè)定到零，重新激活主電池供電。

雙電池切換供電時(shí)：兩個(gè)電池短節(jié)BATT1和BATT2“頭對(duì)頭”安裝，中間連接電池切換短節(jié)，3芯中有2芯為過通線——XCL和VPWR，其中VPWR為電池切換短節(jié)通過判斷BATT1+和BATT2+電壓狀況而產(chǎn)生的一個(gè)電源信號(hào)，如果BATT1能夠獨(dú)立供電，那么VPWR采用BATT1供電，否則BATT1和BATT2一起供電，這樣實(shí)現(xiàn)盡可能的消耗主電池BATT1的電量；3芯中還有一芯用來連接電池的正、負(fù)極。由于采用“頭對(duì)頭”安裝，電池正極全部接入切換短節(jié)，而負(fù)極在儀器內(nèi)部同時(shí)連接到3芯同軸接插件上和儀器外殼上，這樣既保證了電池負(fù)極連接到GND網(wǎng)絡(luò)上，也將下端電子探管和上端驅(qū)動(dòng)短節(jié)連接到GND網(wǎng)絡(luò)上，使得整個(gè)系統(tǒng)的供電回路完整。

驅(qū)動(dòng)短節(jié)上端連接的是脈沖器，由于不同的脈沖器實(shí)現(xiàn)的原理不同，故機(jī)械接口也不可能相同，所以就沒有采用3芯同軸連接方式。我們的系統(tǒng)可以掛接兩種脈沖器，一種是普通的脈沖器，它采用單芯接口（外殼做GND回路）；還有一種是自發(fā)電式脈沖器，簡言之就是發(fā)電機(jī)+脈沖器，它采用7芯航插接口（包含3根3相交流電，2根脈沖器驅(qū)動(dòng)線）。針對(duì)接口不同，通過驅(qū)動(dòng)短節(jié)或轉(zhuǎn)換短節(jié)將儀器接口統(tǒng)一成3芯同軸連接方式，這樣便可以掛接到該系統(tǒng)中。

一個(gè)電池短節(jié)一般可以使用150~200小時(shí)，而現(xiàn)場施工時(shí)一個(gè)鉆頭一般可以工作70~80小時(shí)，井隊(duì)施工只會(huì)從工程上考慮起下鉆（比如更換鉆頭），而不會(huì)考慮儀器方面。所以往往會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)問題，如果電池只剩下30~40小時(shí)容量，那么大部分情況下這個(gè)電池是沒有辦法用的，這就造成了電池的利用率很低，間接增加量儀器使用成本。采用雙電池切換方式工作就完全避免了這種情況，備用電池的存在可以保證主電池完全耗盡，不會(huì)對(duì)施工造成任何影響！

單電池供電時(shí)：在雙電池切換供電方式下，直接將電池組BATT2去掉，則系統(tǒng)就成了單電池供電方式。

之所以這樣能夠進(jìn)行工作，是因?yàn)槿サ鬊ATT2之后，上端的驅(qū)動(dòng)短節(jié)的GND信號(hào)就會(huì)接到電池切換短節(jié)中原先的BATT2+網(wǎng)絡(luò)上，電池切換電路檢測到BATT2+信號(hào)電壓很低，無法供電，就會(huì)只采用BATT1供電，即使BATT1供電不足也不會(huì)切換！

如果主電池BATT1為新電池，完全滿足現(xiàn)場施工要求，那么沒有必要再接備用電池BATT2，這樣儀器串比較短，便于施工操作；且備用電池也無需在惡劣的工作環(huán)境中（高溫、強(qiáng)振動(dòng)）受到損傷！

如圖7所示，所述電源為自發(fā)電式脈沖器和電池時(shí)，該自發(fā)電式脈沖器連接有轉(zhuǎn)換短節(jié)，該轉(zhuǎn)換短節(jié)與電池連接。

如圖8所示，所述電源為自發(fā)電式脈沖器，該自發(fā)電式脈沖器連接有轉(zhuǎn)換短節(jié)，轉(zhuǎn)換短節(jié)與空電池筒連接。

如圖9所示，所述轉(zhuǎn)換短節(jié)包括轉(zhuǎn)換MCU, 轉(zhuǎn)換MCU連接有通信接口、FLASH存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、電流電池檢測器、發(fā)電機(jī)電流檢測器、單相頻率檢測器和三相電整流器，電池電流檢測器與電池連接，發(fā)電機(jī)電流檢測器與三相電整流器連接，單相頻率檢測器與發(fā)電機(jī)連接，電池電流檢測器和發(fā)電機(jī)電流檢測器并聯(lián)。

發(fā)電機(jī)3相交流電整流、濾波；

發(fā)電機(jī)、電池采用二極管并聯(lián)輸出到VPWR，發(fā)電機(jī)工作時(shí)電壓較高，由它向負(fù)載供電，發(fā)電機(jī)停止工作時(shí)，由電池向負(fù)載供電；轉(zhuǎn)換MCU通過自帶ADC采集電池電流、發(fā)電機(jī)電流、發(fā)電機(jī)電壓；轉(zhuǎn)換MCU檢測單相電的頻率，并計(jì)算出發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)換MCU獲取實(shí)時(shí)時(shí)鐘（帶備用小電池）的時(shí)間信息，然后將電流、電壓、轉(zhuǎn)速、時(shí)間等信息存儲(chǔ)到FLASH中；儀器從井下取出后，通過專用測試設(shè)備可以讀取儀器FLASH中存儲(chǔ)的信息；通過專用的測試軟件可以分析井下工作時(shí)電池消耗的電量、發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)、發(fā)電機(jī)和電池切換工作是否正常等功能。

發(fā)電機(jī)和電池混合供電時(shí)：此工作方式是在單電池供電的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，其中頂端的脈沖器更換成自發(fā)電式脈沖器，接著下端的轉(zhuǎn)換短節(jié)同時(shí)集成了驅(qū)動(dòng)短節(jié)和電池切換短節(jié)的功能，再下端的連接方式與單電池的連接方式完全一致。

轉(zhuǎn)換短節(jié)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了3相交流電的整流、濾波、發(fā)電機(jī)和電池之間的電源切換等功能。

發(fā)電機(jī)工作時(shí)需要較好的工況環(huán)境，否則其輸出電源不夠穩(wěn)定，且可能會(huì)出故障，采用混合方式供電就可以杜絕這類現(xiàn)象，大大降低了儀器故障風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)系統(tǒng)支持靜態(tài)測量，提高了測量精度。

發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電時(shí)：此工作方式是在混合供電的基礎(chǔ)上去掉電池短節(jié)，但是采用一個(gè)空的電池短節(jié)（內(nèi)部不裝電池芯體），這樣做就保證了連接方式與混合方式完全一樣，唯一的區(qū)別是電池正極BATT1+是懸空的，沒有電壓，轉(zhuǎn)換短節(jié)中電源切換電路只能選擇發(fā)電機(jī)輸出用作系統(tǒng)供電！

在施工工況非常良好的情況下適合此種工作方式，它節(jié)省了電池的消耗成本！

如果系統(tǒng)中電子探管下端不掛接別的LWD儀器，則整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)最基本的MWD系統(tǒng)。如果需要擴(kuò)展成LWD系統(tǒng)，只需要在電子探管下端掛接各種類型的LWD儀器即可，實(shí)現(xiàn)起來非常靈活。下端掛接的LWD儀器必須具備與電子探管完全一致的機(jī)械接口、電氣接口、通信接口，每個(gè)儀器將3根總線（VPWR，GND，TSB）從上端貫通到下端，通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)LWD地質(zhì)類儀器的掛接。

在上述技術(shù)方案中，電子探管下端可以按任意順序通過螺紋和公、母接插件掛接擴(kuò)展不超過12個(gè)地質(zhì)類儀器，鉆鋌內(nèi)細(xì)桿儀器可直接通過三芯同軸接插件連接到電子探管下面，鉆鋌式儀器可通過專用的轉(zhuǎn)換器連接到儀器串的最下端。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。