本發(fā)明屬于石油與天然氣鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種隨鉆信息傳輸系統(tǒng)具體地說，涉及一種基于聲波的井下信息聲波信號中繼系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

由目前世界油氣資源開采時遭遇的地質(zhì)條件及自然環(huán)境條件可知，未來的石油鉆井行業(yè)將遭遇地質(zhì)條件更復雜、自然環(huán)境更惡劣的嚴峻挑戰(zhàn)，因此，對油氣鉆井的井下過程監(jiān)測提出了更高的要求。

井下信息的高速傳輸和有效獲取是實現(xiàn)井下過程精確監(jiān)測的關(guān)鍵，是實現(xiàn)快速、優(yōu)質(zhì)鉆井的關(guān)鍵技術(shù)。目前已提出并應(yīng)用的井下信息傳輸方式主要有線傳輸、鉆井液脈沖傳輸、電磁波傳輸及聲波傳輸四種。上述四種傳輸方式的前三種方式在現(xiàn)場應(yīng)用中會存在以下問題：

(1)有線傳輸：雖然能夠?qū)崿F(xiàn)井下信息的快速、大量傳輸，但在鉆井過程中鉆柱的旋轉(zhuǎn)易導致傳輸電纜磨斷或絞斷，影響正常鉆進。

(2)鉆井液脈沖傳輸：利用鉆井液的壓力波作為傳輸載體，對鉆井液有很強的依賴性，且存在傳輸速率較慢、易受井下噪聲干擾、不能實現(xiàn)信息雙向傳輸?shù)热秉c。

(3)電磁波傳輸：雖然擺脫了對鉆井液的依賴，且能夠?qū)崿F(xiàn)井下信息的雙向傳輸，但存在對地層有依賴性、在地層中衰減較大、通用性差、成本高等缺點。

井下信息聲波傳輸方式在應(yīng)用過程中相比上述三種方式具有以下優(yōu)點：該傳輸方式是以鉆柱作為傳輸信道，以聲波作為信號載體，進行井下信息的無線傳輸方式。由于利用鉆柱作為傳輸信道，該信息傳輸方式不依賴于鉆井液的存在與否及性質(zhì)差異，也不受地層內(nèi)磁性物質(zhì)的干擾，為井下信息的高速傳輸提供了條件。此外，還具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、易于定向發(fā)射等優(yōu)點。然而，聲波在井底鉆柱中傳輸時的衰減問題一直是制約鉆井信息聲波傳輸技術(shù)得到推廣應(yīng)用的瓶頸。如何對鉆柱中微弱聲信號進行有效檢測并放大后再次發(fā)射是實現(xiàn)井下信息長距離傳輸必須解決的難題。因此，設(shè)計一種能夠?qū)︺@柱中微弱聲信號進行有效檢測并放大后再次發(fā)射的聲波信號中繼系統(tǒng)對克服聲波在井底鉆柱傳輸過程中的衰減并拓展聲波在井底鉆柱中的傳輸距離具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對聲波在井底鉆柱中傳輸時衰減快、微弱聲信號檢測難等上述問題，提供了一種能夠在鉆柱信道內(nèi)實時接收并再次發(fā)生井下信息的井下信息聲波信號中繼系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過聲波的傳輸實現(xiàn)鉆井信息在鉆柱中的實時接收和再次發(fā)生，進而實現(xiàn)井下信息在鉆柱信道內(nèi)高速、有效傳輸。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種井下信息聲波信號中繼系統(tǒng)，包括依次連接的上接頭、儀器倉保護筒和下接頭；所述儀器倉保護筒內(nèi)安裝有依次連接的換能器保護筒、儀器倉和加速度計保護筒，所述換能器保護筒的端部與上接頭配合，所述儀器倉與加速度計保護筒連接的一端與所述儀器倉保護筒的端部連接，所述加速度計保護筒的端部與下接頭配合；所述換能器保護筒內(nèi)安裝有換能器；所述儀器倉內(nèi)設(shè)有電路模塊，所述電路模塊為依次連接的換能器驅(qū)動電路、編碼轉(zhuǎn)碼電路和解碼電路；所述加速度計保護筒內(nèi)設(shè)有加速度計，加速度計接收的鉆井信息傳輸至解碼電路解碼后傳輸至編碼轉(zhuǎn)碼電路中進行編碼和轉(zhuǎn)碼，編碼轉(zhuǎn)碼后的鉆井信息傳輸至換能器驅(qū)動電路中進行信號放大，換能器驅(qū)動電路驅(qū)動換能器將轉(zhuǎn)碼后的鉆井信息轉(zhuǎn)換成聲波信號發(fā)出。

優(yōu)選的，所述上接頭外部設(shè)有用于連接儀器倉保護筒的儀器倉保護筒連接扣，用于與換能器保護筒配合的換能器保護筒配合面，以及用于接觸換能器的換能器接觸面；所述上接頭內(nèi)部設(shè)有用于連接鉆桿的鉆桿連接扣，用于鉆井液分流的鉆井液分流面，以及用于流通鉆井液的鉆井液分流流道。

進一步的，所述換能器保護筒配合面上設(shè)有密封槽。

優(yōu)選的，所述儀器倉保護筒外部為一等直徑圓柱面；所述儀器倉保護筒內(nèi)部依次設(shè)有用于連接上接頭的上接頭連接扣，用于放置儀器倉的儀器倉外筒，用于支撐儀器倉的儀器倉支撐面，用于保護加速度計并為鉆井液提供流道的加速度計保護筒外筒，以及用于連接下接頭的下接頭連接扣。

優(yōu)選的，所述下接頭外部設(shè)有用于與加速度計保護筒配合的加速度計保護筒配合面，用于為加速度計保護筒與下接頭接觸時提供支撐的加速度計保護筒支撐面，用于連接儀器倉保護筒的儀器倉保護筒連接扣，以及用于連接鉆桿的鉆桿連接扣；所述下接頭外部設(shè)有用于流通鉆井液的鉆井液分流流道。

優(yōu)選的，所述換能器保護筒外部為一等直徑圓柱面；所述換能器保護筒內(nèi)部設(shè)有用于配合上接頭端部的上接頭配合面，用于為上接頭提供支撐的上接頭支撐面，用于為換能器提供扶正支撐的換能器扶正面，用于放置換能器的換能器外筒，以及用于連接儀器倉端部的儀器倉連接扣。

優(yōu)選的，所述換能器扶正面的外徑小于上接頭配合面，所述換能器外筒直徑大于換能器扶正面。

進一步的，所述儀器倉內(nèi)還設(shè)有為電路模塊供電的供電模塊，所述供電模塊為電池組。

優(yōu)選的，所述儀器倉外部設(shè)有用于連接換能器保護筒的換能器保護筒連接扣，用于支撐儀器倉上部的儀器倉上部支撐面，用于保護儀器的儀器保護筒，以及用于支撐儀器倉下部的儀器倉下部支撐面；所述儀器倉內(nèi)部設(shè)有用于支撐換能器的換能器支撐面，用于為連接儀器與換能器的導線提供通道的上部導線連接孔，用于為流通鉆井液的儀器倉內(nèi)部流道，用于放置換能器驅(qū)動電路、編碼轉(zhuǎn)碼電路的第一電路倉，用于放置解碼電路的第二電路倉，用于放置電池組的電池倉，用于為連接電池組與電路模塊的導線提供通道的倉間連接孔，用于為第一電路倉和第二電路倉之間的導線提供通道的電路倉連接槽，用于為進入儀器倉的導線提供通道的下部導線連接孔，以及用于連接加速度計保護筒的端部的加速度計保護筒連接扣。

優(yōu)選的，所述儀器倉上部支撐面和所述儀器倉下部支撐面均開設(shè)有密封槽；所述儀器倉內(nèi)部流道為圓周分布的六個圓形通孔，兩側(cè)流道直徑小于中間流道直徑；所述第一電路倉和所述第二電路倉均為矩形開口槽；所述電池倉為三個互不相通的矩形開口槽，分別為第一電池倉、第二電池倉、第三電池倉，電池倉深度大于所述第一電路倉和所述第二電路倉的深度；所述倉間連接孔為三個均勻分布圓形通孔，第一圓形通孔連接第一電路倉和第一電池倉，第二圓形通孔連接第一電路倉和第二電池倉，第三圓形通孔連接第二電路倉和第三電池倉。

優(yōu)選的，所述加速度計保護筒外部為階梯狀圓柱面，依次設(shè)有用于與儀器倉端部連接儀器倉連接扣和用于為加速度計保護筒安裝時提供支撐的加速度計保護筒支撐面；所述加速度計保護筒內(nèi)部設(shè)有為連接加速度計和解碼電路的導線提供通道的導線連接孔，用于安裝加速度計的加速度計安裝槽，以及用于接觸下接頭的下接頭配合面。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明設(shè)有電路模塊和加速度計，電路模塊包括依次連接換能器驅(qū)動電路、編碼轉(zhuǎn)碼電路和解碼電路，加速度計接收的鉆井信息傳輸至解碼電路解碼后傳輸至編碼轉(zhuǎn)碼電路中進行編碼和轉(zhuǎn)碼，編碼轉(zhuǎn)碼后的鉆井信息傳輸至換能器驅(qū)動電路中進行信號放大，換能器驅(qū)動電路驅(qū)動換能器將轉(zhuǎn)碼后的鉆井信息由電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號發(fā)出，在保持正常鉆井的同時，實現(xiàn)實時接收來自鉆柱下部的攜帶鉆井信息的微弱聲波信號，并將有效信號放大后再次發(fā)生，通過增加有效聲信號強度克服鉆井信息通過聲波在鉆柱信道中傳輸時的衰減，進而增加鉆井信息在鉆柱中的傳輸距離。

(2)本發(fā)明長度為5m，結(jié)構(gòu)簡單且無活動部件，使用時不影響鉆具配合，循環(huán)壓降低于鉆鋌壓降，降低了額外作業(yè)風險，可根據(jù)鉆井深度安裝若干個本發(fā)明所述的中繼系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆井信息的長距離傳輸。

(3)本發(fā)明能夠?qū)︺@柱中微弱聲信號進行有效檢測，并對有效信號進行放大后再次發(fā)出，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井信息的實時、準確轉(zhuǎn)換，抗噪聲干擾能力強。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一個實施例中上接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明圖2的A-A向剖面圖。

圖4為本發(fā)明一個實施例中儀器倉保護筒的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明一個實施例中下接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明一實施例中換能器保護筒的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明圖6的A-A向剖面圖。

圖8為本發(fā)明一實施例中儀器倉的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本發(fā)明圖8的A-A向剖面圖。

圖10為本發(fā)明圖8的B-B向剖面圖。

圖11為本發(fā)明圖8的C-C向剖面圖。

圖12為本發(fā)明圖8的D-D向剖面圖。

圖13為本發(fā)明一實施例中加速度計保護筒的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖14為本發(fā)明圖13的A-A向剖面圖。

圖中，1、上接頭，101、儀器倉保護筒連接扣，102、換能器保護筒配合面，103、換能器接觸面，104、鉆桿連接扣，105、鉆井液分流面，106、鉆井液分流流道，107、密封槽，2、儀器倉保護筒，201、上接頭連接扣，202、儀器倉外筒，203、儀器倉支撐面，204、加速度計保護筒外筒，205、下接頭連接扣，3、下接頭，301、加速度計保護筒配合面，302、加速度計保護筒支撐面，303、儀器倉保護筒連接扣，304、鉆桿連接扣，305、鉆井液分流流道，306、密封槽，4、換能器保護筒，401、上接頭配合面，402、上接頭支撐面，403、換能器扶正面，404、換能器外筒，405、儀器倉連接扣，5、儀器倉，501、換能器保護筒連接扣，502、儀器倉上部支撐面，503、儀器保護筒，504、儀器倉下部支撐面，505、換能器支撐面，506、上部導線連接孔，507、儀器倉內(nèi)部流道，5081、第一電路倉，5082、第二電路倉，5091、第一電池倉，5092、第二電池倉，5093、第三電池倉，510、倉間連接孔，511、電路倉連接槽，512、下部導線連接孔，513、加速度計保護筒連接扣，514、密封槽，6、加速度計保護筒，601、儀器倉連接扣，602、加速度計保護筒支撐面，603、導線連接孔，604、加速度計安裝槽，605、下接頭配合面，7、換能器，8、換能器驅(qū)動電路，9、編碼轉(zhuǎn)碼電路，10、解碼電路，11、供電模塊，12、加速度計。

具體實施方式

下面，通過示例性的實施方式對本發(fā)明進行具體描述。然而應(yīng)當理解，在沒有進一步敘述的情況下，一個實施方式中的元件、結(jié)構(gòu)和特征也可以有益地結(jié)合到其他實施方式中。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“內(nèi)”、“外”、“上”、“下”、等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的一個實施例中，參見圖1，提供了一種井下信息聲波信號中繼系統(tǒng)，包括由上至下依次連接的上接頭1、儀器倉保護筒2和下接頭3；所述儀器倉保護筒2內(nèi)安裝有依次連接的換能器保護筒4、儀器倉5和加速度計保護筒6，所述換能器保護筒4的上端與上接頭1配合，所述儀器倉5與加速度計保護筒6連接的一端與所述儀器倉保護筒2的下端連接，所述加速度計保護筒6的下端與下接頭3配合；所述換能器保護筒4內(nèi)安裝有換能器7；所述儀器倉5內(nèi)設(shè)有電路模塊，所述電路模塊為依次連接的換能器驅(qū)動電路8、編碼轉(zhuǎn)碼電路9和解碼電路10；所述加速度計保護筒6內(nèi)設(shè)有加速度計12，加速度計12接收的鉆井信息傳輸至解碼電路10解碼后傳輸至編碼轉(zhuǎn)碼電路9中進行編碼和轉(zhuǎn)碼，編碼轉(zhuǎn)碼后的鉆井信息傳輸至換能器驅(qū)動電路8中進行信號放大，換能器驅(qū)動電路8驅(qū)動換能器7將轉(zhuǎn)碼后的鉆井信息轉(zhuǎn)換成聲波信號發(fā)出。

為了便于儀器倉保護筒、換能器保護筒以及換能器的安裝和使用、便于鉆井液的流通以及實現(xiàn)聲波信號傳入上接頭，參見圖2、圖3，在本發(fā)明一實施例中，所述上接頭1外部由上至下依次設(shè)有用于連接儀器倉保護筒2的儀器倉保護筒連接扣101，用于與換能器保護筒3配合的換能器保護筒配合面102，以及用于接觸換能器7的換能器接觸面103；所述上接頭1內(nèi)部由上至下依次設(shè)有用于連接鉆桿的鉆桿連接扣104，用于鉆井液分流的鉆井液分流面105，以及用于流通鉆井液的鉆井液分流流道106。參見圖3，在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述的鉆井液分流流道106為三個，鉆井液通過鉆桿內(nèi)部進入上接頭，到達鉆井液分流面，經(jīng)鉆井液分流面分流后進入分流三個鉆井液分流通道進行傳輸。

為了保證上接頭與換能器保護筒之間的安裝密封，參見圖2，在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述換能器保護筒配合面102上設(shè)有密封槽107。

為了便于上接頭、儀器倉以及加速度計保護筒的安裝和使用，參見圖4，在本發(fā)明一實施例中，所述儀器倉保護筒2外部為一等直徑圓柱面，所述儀器倉保護筒2內(nèi)部由上至下依次設(shè)有用于連接上接頭1的上接頭連接扣201，用于放置儀器倉5的儀器倉外筒202，用于支撐儀器倉5的儀器倉支撐面203，用于保護加速度計12并為鉆井液提供流道的加速度計保護筒外筒204，以及用于連接下接頭3的下接頭連接扣205。

為了便于加速度計保護筒和下部鉆桿的安裝使用，以及鉆井液的流通，參見圖5，在本發(fā)明一實施例中，所述下接頭3外部設(shè)有用于與加速度計保護筒6配合的加速度計保護筒配合面301，用于為加速度計保護筒6與下接頭3接觸時提供支撐的加速度計保護筒支撐面302，用于連接儀器倉保護筒2的儀器倉保護筒連接扣303，以及用于連接鉆桿的鉆桿連接扣304；所述下接頭3外部設(shè)有用于流通鉆井液的鉆井液分流流道305。在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述鉆井液分流流道305為四個圓周均勻分布的等直徑圓孔，且圓孔的軸線與下接頭3的軸線具有相同的夾角。在本發(fā)明另一優(yōu)選實施例中，所述加速度計保護筒配合面上開有密封槽306，通過密封槽對加速度保護筒和下接頭之間進行密封。

為了便于換能器和儀器倉的安裝和使用，參見圖6、圖7，在本發(fā)明一實施例中，所述換能器保護筒4外部為一等直徑圓柱面；所述換能器保護筒4內(nèi)部由上至下依次設(shè)有用于配合上接頭1端部的上接頭配合面401，用于為上接頭1提供支撐的上接頭支撐面402，用于為換能器7提供扶正支撐的換能器扶正面403，用于放置換能器7的換能器外筒404，以及用于連接儀器倉5端部的儀器倉連接扣405。

為了能夠為上接頭提供上接頭支撐面，參見圖6，在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述換能器扶正面403的外徑小于上接頭配合面401。為了保證換能器的安裝及使用，參見圖6，在本發(fā)明另一優(yōu)選實施例中，所述換能器外筒404直徑大于換能器扶正面403。

為了保證電路模塊正常工作，參見圖1，在本發(fā)明又一實施中，所述儀器倉5內(nèi)還設(shè)有為電路模塊供電的供電模塊11。在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，所述供電模塊為電池組。

為了便于電路模塊、電池組及換能器的安裝及使用，參見圖8至圖12，在本發(fā)明某一實施例中，所述儀器倉5外部設(shè)有用于連接換能器保護筒4的換能器保護筒連接扣501，用于支撐儀器倉5上部的儀器倉上部支撐面502，用于保護儀器的儀器保護筒503，以及用于支撐儀器倉5下部的儀器倉下部支撐面504；所述儀器倉5內(nèi)部設(shè)有用于支撐換能器7的換能器支撐面505，用于為連接儀器與換能器的導線提供通道的上部導線連接孔506，用于為流通鉆井液的儀器倉內(nèi)部流道507，用于放置換能器驅(qū)動電路8、編碼轉(zhuǎn)碼電路9的第一電路倉5081，用于放置解碼電路10的第二電路倉5082，用于放置電池組的電池倉，用于為連接電池組與電路模塊的導線提供通道的倉間連接孔510，用于為第一電路倉5081和第二電路倉5082之間的導線提供通道的電路倉連接槽511，用于為進入儀器倉的導線提供通道的下部導線連接孔512，以及用于連接加速度計保護筒6的端部的加速度計保護筒連接扣513。

參見圖8，在本發(fā)明某一優(yōu)選實施中，所述儀器倉上部支撐面502和所述儀器倉下部支撐面504均開設(shè)有密封槽514，用于儀器倉和儀器倉保護筒之間的密封。所述儀器倉內(nèi)部流道507為圓周分布的六個圓形通孔，兩側(cè)流道直徑小于中間流道直徑，用于為鉆井液提供通道。所述第一電路倉5081和所述第二電路倉5082均為矩形開口槽；所述電池倉為三個互不相通的矩形開口槽，分別為第一電池倉5091、第二電池倉5092、第三電池倉5093，電池倉深度大于所述第一電路倉5081和所述第二電路倉5082的深度。所述倉間連接孔510為三個均勻分布圓形通孔，第一圓形通孔連接第一電路倉5081和第一電池倉5091，第二圓形通孔連接第一電路倉5081和第二電池倉5092，第三圓形通孔連接第二電路倉5082和第三電池倉5093。

為了便于加速度計保護筒和加速度計的安裝于與使用，參見圖13，所述加速度計保護筒6外部為階梯狀圓柱面，由上至下依次設(shè)有用于與儀器倉端部連接儀器倉連接扣601和用于為加速度計保護筒6安裝時提供支撐的加速度計保護筒支撐面602；所述加速度計保護筒6內(nèi)部由上至下設(shè)有為連接加速度計12和解碼電路10的導線提供通道的導線連接孔603，用于安裝加速度計12的加速度計安裝槽604，以及用于接觸下接頭3的下接頭配合面605。為了便于加速度計的安裝及使用，在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，參見圖14，所述加速度計安裝槽604為一方形槽，使加速度計12與加速度計保護筒6緊密結(jié)合。加速度計保護筒6的下部通過下接頭配合面605與下接頭3接觸，使聲波信號由下接頭3傳入加加速計保護筒6。

上述實施例所述的井下信息聲波信號中繼系統(tǒng)的安裝過程如下：

(1)換能器驅(qū)動電路、編碼轉(zhuǎn)碼電路、解碼電路、電池組密封固定于儀器倉中，且通過上部導線連接孔、倉間連接孔、電路倉連接槽、下部導線連接孔利用導線連接；

(2)儀器倉上端安裝換能器，且儀器倉的換能器保護筒連接扣通過螺紋連接換能器保護筒，儀器倉下端的加速度計保護筒連接扣通過螺紋連接加速度計保護筒，且加速度計緊密安裝于加速度計保護筒內(nèi)部的加速度計安裝槽中；換能器保護筒上端與上接頭下端緊密配合，且上接頭的儀器倉保護筒連接扣通過螺紋連接儀器倉保護筒；加速度計保護筒的下接頭配合面與下接頭緊密配合；儀器倉保護筒的下接頭連接扣通過螺紋連接下接頭，下接頭的鉆桿連接扣通過螺紋連接鉆桿。

在鉆井過程中，使用上述實施例所述的井下信息聲波信號中繼系統(tǒng)將鉆井信息轉(zhuǎn)換為聲波信息時，其鉆井信息傳遞過程為：從下部鉆桿傳送的聲波信息通過下接頭傳入加速度計保護筒，由加速度計保護筒內(nèi)部的加速度計收集并將聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過導線經(jīng)電信號傳輸至解碼電路進行解碼，解碼后的電信號傳輸至編碼轉(zhuǎn)碼電路進行編碼和轉(zhuǎn)碼，經(jīng)編碼轉(zhuǎn)碼后的信號傳送至換能器驅(qū)動電路進行信號放大，最終將放大后的信號通過導線傳送至換能器；換能器將接收到的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號傳送至上接頭，再通過上接頭傳送至上部的中繼裝置或接收裝置，實現(xiàn)鉆井信息的聲信號中繼。

上述實施例用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。