CN1021243C - 监视钻孔的装置 - Google Patents

Abstract

一种监视钻孔的装置，用以在钻孔的同时，测量钻孔的参数并把数据传送给远处的接收器。数据以音频二进制脉冲的形式传输，所说脉冲是由电磁线圈发出的。该电磁线圈和钻管之间有声地耦合。在较佳的实施方案中。数据传输是在钻孔过程的停钻期间自动进行的。

Description

本发明涉及一种监视钻孔的装置。

在钻孔过程中，过去采用了各种方法来确定钻孔参数如：方向、压力，或与相邻地层的关系，并从孔中把数据收回。美国专利3，771，118讨论过一种方法：周期地把钻杆从孔中拉出来，替换某种测量工具，它可将数据记录在例如胶片上，或者通过电缆把数据传到工作面。

在美国专利3，790，930和4，001，773中曾建议采用另一种方法，其中藉钻杆从孔内将数据间响地传出来，即在钻孔过程中无论在工作或是在暂停期内以扭波传出。

也有人建议以二进制形式产生数据，及利用这些信号对音频信号进行移频调制。这些间频信号可以用增音器通过钻管传送，例如在美国专利4，019，148、4，293，936和4，390，975中就是如此。

在文献中都列出了在音频数据遥测中所用的元件，如美国专利4，021，773中的拾音器，美国专利4，066，995中的声隔离器，美国专利4，283，780中的谐振声传感器。在美国专利4，391，336中给出一种特殊系统，用于给第二个孔导向，使之和第一个孔平行。在美国专利4，386，664中透露一种近于水平孔的钻孔方向的控制方法，该水平孔用于将例如煤层的甲烷排出。

最后，坎波写的“从用户的观点来看孔内遥测”的文中，公布了一种孔内遥测方法。此文发表在1983年10月的《石油技术》杂志第1792-1796页。

本发明的目的是提供一种无线钻孔数据遥测发送器。它既结实又便于操作和维修。在此以前大部份系统的使用，解码和维修都相当复杂， 所以存在一种从事测井记录的专家职业。

在本发明中有一种井孔数据遥测系统，借此数据被编成二进制码，以音频脉冲的形式传送。它们从自带电源的发送器中发出来，通过钻柱传到工作面后再解码。脉冲是由电磁线圈产生的，它和钻柱之间有声地耦合。在一种较佳的实施方案中，数据传输周期是由发送器检测到钻孔机预定的间歇后起动的。在另一种较佳的方案中，当发送器检测到较长的停钻期后，断开敏感元件的电源。

图1是本发明的遥测装置在水平孔中的示意图，一部分是侧视图，一部分是剖面图。

图2是本发明的发送器的剖面图。

图3是适合本发明的线路方块图。

参看附图，特别是图1，其中示出一种钻机10，它在轮子12上，或装在履带上，以便产生向前的推力。钻机10在采掘出的具有顶面16和底面18空洞14中。钻机10位于邻近的面20是水平伸展的矿层端面，譬如是煤层，在这矿层中正在钻水平孔。按照钻孔工序，首先钻一个大孔径的孔22，然后插入一金属套筒24。在孔22内和金属套筒24以外的环状套间压入水泥26，从而把套筒24固紧定位。钻机10上套上一节或多节钻杆28，在前端装有导向发送器30和具有旋转钻头34的井下马达32。在钻杆28进入金属套筒24的入口装有密封盖36。在图中未图示的高压水源的高压水通过软管38和接头40进入钻杆28中的空心腔。高压水经过钻杆28达到井下马达32，是驱动马达32及钻头34的动力，当水从钻头的出口排出时冷却钻头34。排出的水经过钻杆28以外的环形空腔42流回孔外，并将钻出的废屑带出。接头44装在套筒24上，排水管46与接头44连接，废水和钻屑通过它们排出。最后如压电加速度计一类的声检测器48装在钻杆28上，通过电缆50和读出显示器装置相联。

人们从以上面说明可知利用井下马达来转动钻头34时，钻孔操作仅 须做轴向运动，或者由钻机10对钻杆28施加推力。然而本发明的导向系统也可对旋转钻孔同样有用，在此钻机10不仅给出轴向推力，而且也转动钻杆28和钻头34，在这种情况中当然不需要井下马达32。

现在参看图2，更充份地说明导向发送器30，发送器30被加工成适于连接入一般钻柱之中，而且最好与钻杆28外径相同。为此分别在两端制出相应的内螺纹部分60和外螺纹部分62。正如图1所示，在它的前端或者说是井下端，通过螺纹62与马达32和钻头34接合。供给马达32的高压水，从邻近的钻杆28（未图示）的中心腔，由左面进入发送器30的组合件。水先进入轴线上的孔64，然后进入一些辐射状的孔66，向外流进环形腔68。环形腔68位于外壳70和内套管72之间。内套管72是全密封的，即两端是封闭的，没有开口，甚至没有穿电线的通道。内套管由外壳70内的一些中心定位架74固定。高压水通过定位架74后进入马达的中心入口，以便供给动力。在图2中，马达没有画出。

在内套管72内，包含一密封的自带电源的敏感器-发送器的组合件。它的无件排列如图2所示。它们的工作原理将结合图3说明。从井下端62开始，元件包括敏感器80、伽马（磁场）检测器82、伽马放大器偏磁源84、界面板86、电池组88和电磁锤组合件90。在一种较佳的实施方案中，内套管72和外壳770在敏感器80外围的那部分区域是非磁性材料做成的。内套管72被绝缘的接头92分成几节，这样可以便于换电池组88。包围电磁锤90的那节内套管最好是防爆的。外壳70是能承受钻孔的推力及扭矩。

现在参考图3说明敏感器-发送器的工作原理。图3的整个电路由电池组88供电。图3中未画该电池组，它如图2所示，最好是一些密封的可充电的电池串联而成。活动监视器100检测钻孔的噪音，来断定钻孔活动是否在进行，它包括一个灵敏的加速度计。在检测到一般预定的寂静期后（不开钻机），监视器100通过驱动器112和电磁锤90传送编好 码的数据。该数据是电路的其余部分在先前传送数据期之后的钻孔活动期内收集和贮存的。敏感器80包括X、Y与Z三个相互垂直的方向的加速计和X′、Y′、Z′三个相似方向的磁强计。振动加速计102及其峰值保持放大器104也产生一信号。从感器80来的六个信号和从放大器104来的一个信号由多路器106顺序收集。以模拟形式传送给模/数转换器108。这个数字化的数据传给微型计算机110，微机也接收放大器偏磁源84的信号。伽马探测器82所探测的信号供给偏磁源。敏感器80可由例如加里佛尼亚的桑尼维尔的德维洛克公司的106470-05型德维洛克钻孔敏感器构成。电磁锤90可包括一个可纽约克里夫顿西普玲（Clifton    springs）的G.W.里斯克（Lisk）股份有限公司的L12AM5LE124P24型线性电磁线圈。我们对这种电磁线圈稍加修改，在铁芯的末端加一法兰盘状的金属圆筒，并且在线圈体和法兰盘之间装一轻的压缩或返回弹簧。线圈体与内套管72紧密装配一起，与内套管72及外壳70有声地耦合。电磁锤90每次通电就发出声音，当铁芯被拉入线圈体时发出金属敲击响声“当”。这声音沿着位于煤层孔中的2-7/8时直径的钻柱传送2800英尺以上，然后迅速被检测出来。一个电池组合件包括12个串联密封可充电的铅酸D-电池，它供电给敏感器，电磁锤和其他相关联的线路、微型计算机等。电池在真实的钻孔操作中可持续250个数据发送及加接钻杆节的循环。

如上所述，监视器100检测到预定的寂静间隔后，驱动器112和电磁锤90传输数据串，在正常情况下，钻机10钻孔到一节钻杆28的长度后停钻，以便加接新的一节钻杆28。数据以二进制形式发送，即驱动器112激发电磁锤90产生“当”的一声响表示“1”，没有“当”的一声响表示“0”。再看图1中的检测器48，它有利地置于钻机10附近。它可以包括用磁力吸在钻杆28上的一麦克风。检出的“当”声响信号由电线50传给显示器52。当该显示器52收到预定的“起动”码后，按编好的 码翻译数据码。按时间顺序分配到相应的与/或数字显示盘，以便给钻机操作员导向。所收到的数据也能记录的磁带上，作为钻孔参数的永久记录。

下面列出一种合适的二进制数据串作为例子，它最好以1到10Hz的速率来传输。

位数    数据类别

1-3    1-0-1起动码

4-13    10位伽马检测数据

14-23    10位X轴加速度

24-33    10位Y轴加速度

34-43    10位Z轴加速度

44-53    10位X轴磁场强度

54-63    10位Y轴磁场强度

64-73    10位Z轴磁场强度

74-83    10位振动加速度峰值

84-85    2位X轴加速度（最低有效值）

86-92    7位校验和

校验和是所有传输的二进制的“1”的和，以二进制表示，以便接收器对收到的数据进行校验。

在一种较佳的方案中，监视器100及有关电路，不仅当检测出1到几分钟的停钻期间后起动数据传输，而且，在工作人员换斑或夜间时有较长的停钻时间的情形，当检测出五分钟到半小时的较长停钻后，就把敏感器80、探测器82等其他电路的电源断开。这种自动断电措施，可以使发送器在每次充电后，在孔里保持较长的工作期。监视器100及有关电路将连续被供电，当检测出钻孔重新开始后，恢复整个监视及发送的工作循环。

所需要的维修工作仅是用充好电的电池组替换电池组88，分成几段的内套简72使这工作很方便。在工作面，从显示器52迅速地连续地得到孔数据。训练钻机操作人员正确使用及判读数据工作，由此变得容易了，基于这理由，采用本发明就不需要记录专家在现场。

正如这个说明书及后附的权利要求书所透露的一样，在本发明的精神和范围以内，可以有适当的改动。

Claims (2)

1、一种监视钻孔的装置，用以把被安装在接近于一串钻管的引导端(远端)的发送器的数据沿着一串钻管传送到接收器，该装置包括：

电源装置，

位于接近所说一串钻管的引导端而适于测量所说钻孔的指向方位并根据测量结果以产生模拟信号的敏感装置，

与敏感装置相联，用来把上述模拟信号转换成二进制数字信号的转换装置，

将上述转换装置输出的数字信号存储起来的信号存储装置，

其特征在于该装置还包括：

用于确定钻管的活动停止的检测装置，

与上述检测装置相联，用于在上述检测装置确定出预定的停钻期内，使一电磁线圈装置处于激发状态的计算机装置，

与上述电源和信号存储装置联结，并且与上述一串钻管的引导端有声地结合，它由上述电源供电，响应于上述存储信号装置，以产生沿所说一串钻管的声频脉冲的电磁线圈装置。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于上述敏感装置采用具有互相垂直的轴的加速计和具有互相垂直的轴的磁强计来测量上述孔内钻管末端的指向方位。

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