CN106907144B - 卡锁式井下声波信号地面接收显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卡锁式井下声波信号地面接收显示系统，属于石油与天然气钻井工程领域，能够在钻井液正常循环、不改变钻柱外部尺寸及内部流道结构的前提下，实现对钻柱信道中声信号的实时精确检测识别及快速解码显示。该卡锁式井下声波信号地面接收显示系统，包括设置于井口钻柱表面的声波信号接收转换装置和设置于钻台表面的无线信号接收显示器；所述声波信号接收转换装置设置于钻井液流道的外部，包括依次连接的信号解码电路，信号转换电路，无线信号发射电路，还包括与信号解码电路连接的声信号接收元件。

Description

卡锁式井下声波信号地面接收显示系统

技术领域

本发明涉及石油与天然气钻井工程领域，涉及一种随钻信息传输系统，尤其涉及一种卡锁式井下声波信号地面接收显示系统。

背景技术

由目前世界油气资源开采时遭遇的地质条件及自然环境条件可知，未来的石油钻井行业将遭遇地质条件更复杂、自然环境更恶劣的严峻挑战，因此，对油气钻井的井下过程监测提出了更高的要求。

井下信息的高速传输和有效获取是实现井下过程精确监测的关键，是实现快速、优质钻井的关键技术。目前已提出并应用的井下信息传输方式主要有有线传输、钻井液脉冲传输、电磁波传输及声波传输四种。上述四种传输方式的前三种方式在现场应用中会存在以下问题：

(1)有线传输：虽然能够实现井下信息的快速、大量传输，但在钻井过程中钻柱的旋转易导致传输电缆磨断或绞断，影响正常钻进。

(2)钻井液脉冲传输：利用钻井液的压力波作为传输载体，对钻井液有很强的依赖性，且存在传输速率较慢、易受井下噪声干扰、不能实现信息双向传输等缺点。

(3)电磁波传输：虽然摆脱了对钻井液的依赖，且能够实现井下信息的双向传输，但存在对地层有依赖性、在地层中衰减较大、通用性差、成本高等缺点。

相比之下，井下信息声波传输方式在应用过程中相比上述三种方式具有优势，该传输方式利用钻柱作为传输信道，以声波作为信号载体进行井下信息的无线传输，因此该方式不依赖于钻井液的存在与否及性质差异，也不受地层内磁性物质的干扰，为井下信息的高速、稳定传输提供了条件。声信号接收端作为井下信息声传输系统的关键组成部分，是实现井口钻柱中声信号有效检测识别的关键。因此，为了早日实现井下信息声波传输技术的现场应用，井下声波信号地面接收显示装置是亟需研发的装备之一。

发明内容

本发明针对地面旋转钻柱部分，提供了一种卡锁式井下声波信号地面接收显示系统，通过锁紧于钻柱顶部，能够在钻井液正常循环、不改变钻柱外部尺寸及内部流道结构的前提下，实现对钻柱信道中声信号的实时精确检测识别及快速解码显示。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

卡锁式井下声波信号地面接收显示系统，包括设置于井口钻柱表面的声波信号接收转换装置和设置于钻台表面的无线信号接收显示器；所述声波信号接收转换装置设置于钻柱外部，包括依次连接的信号解码电路，信号转换电路，无线信号发射电路，还包括与信号解码电路连接的声信号接收元件；声信号接收元件接收来自下部钻柱的声信号传输至信号解码电路进行解码，解码后的信号传输至信号转换电路转换成无线信号，无线信号发射电路将转换后的无线信号通过无线电方式传输至无线信号接收显示器，再通过地面计算机进行处理，实现对钻柱中声信号的实时、精确检测识别。

进一步的，所述声波信号接收转换装置还包括三块沿钻柱圆周依次设置的仪器安装板，三块仪器安装板的板面均与钻柱圆周表面平行，其中一块仪器安装板两端分别通过连接拉杆与另外两块仪器安装板相连，上述另外两块仪器安装板的另一端分别连接对开拉杆，两个对开拉杆通过螺栓连接；所述声信号接收元件和信号解码电路集成安装于一块仪器安装板上，所述信号转码电路和无线信号发射电路集成安装于另外两块仪器安装板的任意一块上。

进一步的，所述声波信号接收转换装置还包括为信号解码电路、信号转换电路和无线信号发射电路供电的供电模块，所述供电模块安装于空置的一块仪器安装板上。

进一步的，所述三块仪器安装板均为矩形板，矩形板远离钻柱的表面设置有仪器保护罩，仪器保护罩通过多个仪器保护罩安装孔固定于矩形板上，仪器保护罩内分别设置有上述声信号接收元件和信号解码电路，信号转换电路和无线信号发射电路以及供电模块。

优选的，所述矩形板的四角板面伸出，四角各设置一个用于通过销钉连接对开拉杆和连接拉杆的销钉安装孔。

更优选的，平行于钻柱流道方向的矩形板边沿还设置有0个或1个或多个用于通过销钉连接对开拉杆或连接拉杆的销钉安装孔。

进一步的，所述矩形板中部朝向紧邻钻柱的表面平行于钻柱流道方向设置有两排凸起，凸起的端面与钻柱的表面接触。

优选的，凸起的端面为与钻柱表面配合的曲面或与钻柱表面相切的倾斜面。

进一步的，所述连接拉杆两端均设置有销钉安装孔；所述对开拉杆一端设置有销钉安装孔，另一端设置螺栓连接板，螺栓连接板上设置有用于安装螺栓的螺栓连接孔。

优选的，所述仪器安装板和仪器保护罩均采用无磁材料。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统能够实现正常钻井的同时，实时、准确检测、识别井底钻井信息，并将信息无线传输至地面计算机进行处理；

2、本发明的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统通过将声信号接收的各个功能部件单元化后高度集中后单独安装，结构简单、维护便捷，且该系统使用时不影响钻具配合，现场应用时安装方便、适用性强；

3、本发明的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统能够实现在强噪声干扰条件下对钻柱中微弱声信号进行有效检测、识别，抗噪声干扰能力强；

4、本发明应用范围广，不依赖于钻井液的存在与否，可用于不同钻井方式，如平衡压力钻井、欠平衡压力钻井及空气钻井等；

5、本发明的声波信号接收转换装置使用方便，可根据钻井实际需要，随时实现安装于钻柱上，并且安装在钻柱上的位置可以随时更换，显著降低了成本。

附图说明

图1为本发明一实施例的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统的使用示意图；

图2为本发明一实施例的声波信号接收转换装置结构示意图；

图3为本发明一实施例的仪器安装板结构示意图；

图4为图3A-A剖面图；

图5为本发明一实施例的连接拉杆结构示意图；

图6为图5A-A剖面图；

图7为本发明一实施例的对开拉杆结构示意图；

图8为图7A-A剖面图；

图9为图7B-B剖面图；

以上各图中：

1、仪器安装板，101、仪器保护罩安装孔，102、销钉安装孔，103、凸起的端面，104、拉杆配合面，105、仪器保护罩；

2、连接拉杆，201、销钉安装孔，202、仪器安装板配合面；

3、对开拉杆，301、销钉安装孔，302、拉杆连杆，303、螺栓连接板，304、螺栓连接孔，305、仪器安装板配合面；

4、销钉，5、螺栓，6、声信号接收元件，7、信号解码电路，8、信号转换电路，9、无线信号发射电路，10、供电模块，11、无线信号接收显示器。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，钻井中钻柱的方向为图1中的竖直方向；术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于图1所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1，图1是本发明一实施例的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统的使用示意图。如图1所示，本发明的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统，包括设置于井口钻柱表面的声波信号接收转换装置和设置于钻台表面的无线信号接收显示器11，声波信号接收转换装置设置于钻柱外部，与钻柱紧密接触，从而实现对下部钻柱中声信号进行接收，避免由接收端引起的声信号能量衰减及误码。同时上述声波信号接收转换装置将接收的声波信号转换为无线信号发射，由无线信号接收显示器11进行接收，并将信息无线传输至地面计算机进行处理，从而在正常钻井的同时实现实时、准确检测、识别井底钻井信息。

参见图2，图2为本发明的声波信号接收转换装置结构示意图，声波信号接收转换装置设置于钻柱外部，包括依次连接的信号解码电路7，信号转换电路8，无线信号发射电路9，还包括与信号解码电路7连接的声信号接收元件6；声信号接收元件6接收来自下部钻柱的声信号传输至信号解码电路7进行解码，解码后的信号传输至信号转换电路8转换成无线信号，无线信号发射电路9将转换后的无线信号通过无线电方式传输至无线信号接收显示器11。上述声信号接收和转换的各个功能部件使用时不影响钻具配合，现场应用时安装方便、适用性强，能够实时、准确、高效的进行声信号的接收、转换和发射。

继续参见图2，声波信号接收转换装置还包括三块沿钻柱圆周依次设置的仪器安装板1，三块仪器安装板1的板面均与钻柱圆周表面平行，其中一块仪器安装板1两端分别通过连接拉杆2与另外两块仪器安装板1相连，上述另外两块仪器安装板1的另一端分别连接对开拉杆3，两个对开拉杆3通过螺栓5连接；所述声信号接收元件6和信号解码电路7集成安装于一块仪器安装板上，所述信号转换电路8和无线信号发射电路9集成安装于另外两块仪器安装板1的任意一块上。三块仪器安装板1的各个电路元件之间通过导线连接。上述设置通过将声信号接收的各个功能部件单元化后高度集中后单独安装，结构简单、维护便捷。

结合图2所示，进一步的，所述声波信号接收转换装置还包括为信号解码电路7、信号转换电路8和无线信号发射电路9供电的供电模块10，所述供电模块10安装于空置的一块仪器安装板1上。

作为优选的实施例，参见图3，结合图2，所述三块仪器安装板1均为矩形板，矩形板远离钻柱的表面设置有仪器保护罩105，仪器保护罩105通过多个仪器保护罩安装孔101固定于矩形板上，仪器保护罩105内分别设置有上述声信号接收元件6和信号解码电路7，信号转换电路8和无线信号发射电路9以及供电模块10。通过上述设置，三块仪器安装板呈等边三角形固紧在钻柱表面，拆卸方便，可根据钻井实际需要，随时安装于钻柱上，并且安装在钻柱上的位置可以随时更换，显著降低了成本；同时上述设置不依赖于钻井液的存在与否，可用于不同钻井方式，如平衡压力钻井、欠平衡压力钻井及空气钻井等。

作为优选的实施例，参见图3，结合图4，为了保证三块仪器安装板1的连接，所述矩形板的四角板面伸出，四角各设置一个用于通过销钉4连接对开拉杆3或连接拉杆2的销钉安装孔102，可以理解的是矩形板的四角设置的上述销钉安装孔内安装销钉4，将连接拉杆2或对开拉杆3与仪器安装板1连接起来，从而形成固紧钻柱的结构，保证能够实时接收来自下部钻柱的声波信号，对钻柱中微弱声信号进行有效检测、识别，抗噪声干扰能力强。

作为更优选的实施例，平行于钻柱流道方向的矩形板边沿还设置有0个或1个或多个用于通过销钉4连接对开拉杆3或连接拉杆2的销钉安装孔102。通过上述方案矩形板的四角设置销钉安装孔102。作为不同的实施例，连接拉杆2或对开拉杆3的数量可以为一条或两条，连接拉杆2或对开拉杆3为一条时，连接拉杆2或对开拉杆3的宽度为仪器安装板1相邻的销钉安装孔102间的宽度。连接拉杆2或对开拉杆3为两条时，可以使得矩形板的上部和下部分别连接连接拉杆2或对开拉杆3，但是为了保证仪器安装板的连接紧密性，钻柱流道方向的矩形板边缘也可设置销钉安装孔102，安装多个连接拉杆2或对开拉杆3，从而使得三个仪器安装板1的连接更为结实。销钉安装孔102所在的表面为拉杆配合面104，用于配合与其连接的连接拉杆2或对开拉杆3。

参见图4，作为优选的实施例，所述矩形板中部朝向紧邻钻柱的表面平行于钻柱流道方向设置有两排凸起，凸起的端面103与钻柱的表面接触。凸起用于接触钻柱，增大摩擦，起到固定作用。凸起的设置可以保证仪器安装板能够紧固于钻柱而不造成在钻柱上的滑动，作为更优选的实施例，凸起的端面为与钻柱表面配合的曲面或与钻柱表面相切的倾斜面，从而使得接触的表面具有大的摩擦力，使得接触更稳定。但是可以理解的是，上述凸起的端面还可以为其它具有摩擦力的表面，例如齿形表面或者波浪形表面，也可以提高接触表面的摩擦力，使得紧固的效果更好，另外，凸起的形状也可以设置为其它凸起的形状，例如锥形或半圆形等，凸起顶端与钻柱表面接触即可。

参见图5，结合图6，为连接拉杆的结构示意图，连接拉杆两端均设置有销钉安装孔201，用于安装销钉4，从而与仪器安装板1连接，销钉安装孔201所在表面为仪器安装板配合面202，用于与仪器安装板1的拉杆配合面104配合。

参见图7，结合图8和图9，为对开拉杆的结构示意图，所述对开拉杆一端设置有销钉安装孔301，用于安装销钉4，从而与仪器安装板1连接，另一端设置螺栓连接板303，螺栓连接板上设置有用于安装螺栓的螺栓连接孔304，销钉安装孔301通过拉杆连杆302与螺栓连接板303相连，两个螺栓连接板303通过螺栓5连接、调节，使得三个仪器安装板1紧箍于钻柱上；销钉安装孔301所在的表面为仪器安装板配合面305，用于配合仪器安装板1上的拉杆配合面104配合，并用销钉进行连接。

上述为优选的实施方式，可以理解的是，其它的能够调节的连接方式也可用于本发明中。

本发明的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统的具体使用过程如下：

两个仪器安装板分别与另外一个仪器安装板与连接拉杆通过销钉交替连接，安装在井口钻柱表面，两个仪器安装板并通过对开拉杆用螺栓进行锁紧，使得整个声波接收信号转换装置，通过仪器安装板凸起的曲面与井口钻柱紧密、稳定连接。声信号接收元件与信号解码电路集成在金属保护罩内安装于仪器安装板上；信号转换电路与无线信号发射电路集成安装在金属保护罩内安装于仪器安装板上；供电模块集成在金属保护罩内安装于仪器安装板上，用于为声信号接收元件、信号解码电路、信号转换电路及无线信号发射电路供电；无线信号接收显示器用于接收由井下声波信号地面接收装置发射的无线信号并对其解码显示。井下信息声信号通过下部钻柱到达井口的声信号接收元件，声信号接收元件将测得来自下部钻柱中的有效声信号传输至信号解码电路中进行解码，解码后的信号传输至信号转换电路进行信号转换，最终通过无线信号发射电路将转换后的信号通过无线电方式传输至井口无线信号接收显示器，并通过地面计算机对信息进行处理，实现正常钻井的同时，对钻柱中声信号的实时、精确检测识别及快速解码显示。

Claims (6)

1.卡锁式井下声波信号地面接收显示系统，其特征在于，包括设置于井口钻柱表面的声波信号接收转换装置和设置于钻台表面的无线信号接收显示器（11）；所述声波信号接收转换装置设置于钻柱外部，包括依次连接的信号解码电路（7），信号转换电路（8），无线信号发射电路（9），还包括与信号解码电路（7）连接的声信号接收元件（6）；声信号接收元件（6）接收来自下部钻柱的声信号传输至信号解码电路（7）进行解码，解码后的信号传输至信号转换电路（8）转换成无线信号，无线信号发射电路（9）将转换后的无线信号通过无线电方式传输至无线信号接收显示器（11）；所述声波信号接收转换装置还包括三块沿钻柱圆周依次设置的仪器安装板（1），三块仪器安装板（1）的板面均与钻柱圆周表面平行，其中一块仪器安装板（1）两端分别通过连接拉杆（2）与另外两块仪器安装板（1）相连，上述另外两块仪器安装板（1）的另一端分别连接对开拉杆（3），两个对开拉杆（3）通过螺栓（5）连接；所述声信号接收元件（6）和信号解码电路（7）集成安装于一块仪器安装板（1）上，所述信号转换电路（8）和无线信号发射电路（9）集成安装于另外两块仪器安装板（1）的任意一块上；所述仪器安装板（1）的四角板面伸出，四角各设置一个用于通过销钉（4）连接对开拉杆（3）和连接拉杆（2）的销钉安装孔（102）；所述连接拉杆（2）两端均设置有销钉安装孔（201）；所述对开拉杆（3）一端设置有销钉安装孔（301），另一端设置螺栓连接板（303），螺栓连接板（303）上设置有用于安装螺栓（5）的螺栓连接孔（304）。

2.根据权利要求1所述的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统，其特征在于，所述声波信号接收转换装置还包括为信号解码电路（7）、信号转换电路（8）和无线信号发射电路（9）供电的供电模块（10），所述供电模块（10）安装于空置的一块仪器安装板（1）上。

3.根据权利要求2所述的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统，其特征在于，所述三块仪器安装板（1）均为矩形板，矩形板远离钻柱的表面设置有仪器保护罩（105），仪器保护罩（105）通过多个仪器保护罩安装孔（101）固定于矩形板上，仪器保护罩（105）内分别设置有上述声信号接收元件（6）和信号解码电路（7），信号转换电路（8）和无线信号发射电路（9）以及供电模块（10）。

4.根据权利要求3所述的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统，其特征在于，所述矩形板中部朝向紧邻钻柱的表面平行于钻柱流道方向设置有两排凸起，凸起的端面（103）与钻柱的表面接触。

5.根据权利要求4所述的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统，其特征在于，凸起的端面（103）为与钻柱表面配合的曲面或与钻柱表面相切的倾斜面。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的卡锁式井下声波信号地面接收显示系统，其特征在于，所述仪器安装板（1）和仪器保护罩（105）均采用无磁材料。

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