CN110821483A - 用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置 - Google Patents
用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及随钻导向系统信息传输技术领域，是一种用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，其包括接头本体、安装短节、保护外筒、声波接收换能器、声波转发换能器、供电模块和井下处理电路，接头本体下部内侧设有限位环台，接头本体中部内侧设有下端座于限位环台上的安装短节。本发明结构合理而紧凑，使用方便，通过设置保护外筒，保证安装长槽内的密封性，防止液体从保护外筒与安装短节之间进入到安装长槽内，影响供电模块和井下处理电路的工作；通过将接头本体上下两端分别与钻柱固定安装在一起，避免在钻柱上开槽，影响钻柱的强度；通过在安装短节中部设置流体通道，避免影响钻柱内流体通过，具有可靠、稳定和效率高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及随钻导向系统信息传输技术领域，是一种用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置。
背景技术
为了适应未来的钻井技术信息化、自动化、智能化的发展方向，满足当前钻井提速和气体钻井、欠平衡钻井、无风险钻井、随钻地质导向等钻井新技术技术对随钻信息快速准确传输的需求，必须突破目前井下信息识别滞后、传输速率过低等技术瓶颈，及时了解钻井过程中工程及地质参数是减少钻井作业过程中复杂情况发生，提高钻井效益的重要保障。目前主要应用的随钻信息传输方式主要有有线传输、电磁波传输、泥浆脉冲传输及声波传输。
随钻信息声波传输是以钻柱作为传输信道，以声波为信号传输载体的井下信息的无线传输方式。声波传输不受钻井介质及地层磁性物质的影响，因此成为井筒随钻信息高速传输的理想方式之一，是当前国内外井下信息传输领域研究的热点。然而声波在钻柱中传输存在着衰减严重的问题，如何解决该问题成为声波传输技术能否广泛应用于随钻信息传输的关键所在，解决声波在钻柱中传输衰减严重，传输距离有限的问题，主要通过在钻柱中间增加中继装置的方式来增加传输距离。
目前，井下声波中继装置主要采用在钻柱上加工环形槽，安装圆环形或半圆环形的层叠压电陶瓷声波换能器作为声波发射装置；加速度传感器作为声波接收装置的结构。该种结构的声波中继装置的声波换能器体积过大；由于在钻柱上加工开槽，使该部分成为应力薄弱环节，降低了整个井下钻柱的机械强度。另外，现有的井下声波中继装置密封性不好，井内液体进入其内会影响电子元件的工作。
发明内容
本发明提供了一种用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有声波中继装置安装方式影响钻柱强度的问题。
本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置包括接头本体、安装短节、保护外筒、声波接收换能器、声波转发换能器、供电模块和井下处理电路，接头本体下部内侧设有限位环台，接头本体中部内侧设有下端座于限位环台上的安装短节，安装短节中部设有上下贯通的流体通道，安装短节上部外侧沿圆周分布有至少两个安装盲孔，至少一个安装盲孔内设有声波接收模块，其余至少一个安装盲孔内设有声波转发换能器；安装短节下部外侧沿圆周分布有至少两个安装长槽，供电模块和井下处理电路均安装在安装长槽内；对应安装长槽下方位置的安装短节下部外侧固定安装有上端位于安装盲孔与安装长槽之间的保护外筒；每个声波接收换能器并联在一起，每个声波转发换能器并联在一起，声波接收换能器与井下处理电路电连接，井下处理电路与声波转发换能器电连接，声波接收换能器、声波转发换能器、井下处理电路分别与供电模块电连接。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述还可包括固定螺栓，安装短节包括上短节和下短节，上短节和下短节之间通过至少两个固定螺栓固定安装在一起；上短节中部外侧沿圆周均布有至少两个安装盲孔，对应每个安装盲孔位置的下短节中部外侧均设有安装长槽；每两个相邻的安装盲孔间均设有上走线孔，每两个相邻的安装长槽间均设有下走线孔，至少两个安装盲孔与其下方对应位置的安装长槽间设有走线通道。
上述还可包括高压隔离插针，每个走线通道内均设有高压隔离插针。
上述井下处理电路可包括信号接收调理电路、井下DSP系统和信号放大发射电路，每个声波接收换能器均与信号接收调理电路电连接，信号接收调理电路与井下DSP系统电连接，井下DSP系统与信号放大发射电路电连接，信号放大发射电路分别与每个声波转发换能器电连接。
上述声波接收换能器和声波转发换能器结构可相同且二者均可包括球头螺柱、压电陶瓷圆环、电极环、调整环、压紧螺母和弹簧，安装盲孔内设有球头螺柱，球头螺柱由内之外包括固定安装在一起的螺柱部和球头部，球头部的外端位于安装盲孔外，螺柱部的内端与安装盲孔之间设有弹簧，螺柱部的中部外侧通过螺纹固定安装有压紧螺母，对应压紧螺母与球头部之间位置的螺柱部外侧套装有调整环，对应调整环和球头部之间位置的螺柱部外侧左右间隔设有至少两个压电陶瓷圆环，每两个压电陶瓷圆环之间均设有套装在螺柱部外侧的电极环。
上述供电模块可包括电源模块和电源管理分配电路，电源模块与电源管理分配电路电连接。
上述还可包括防转销钉和O形密封圈，保护外筒下部外侧通过至少两个防转销钉与安装短节下部外侧固定安装在一起；对应防转销钉与安装长槽之间位置的保护外筒与安装短节之间设有至少一道O形密封圈，对应安装长槽上方位置的保护外筒与安装短节之间设有至少一道O形密封圈。
本发明结构合理而紧凑，使用方便，通过设置保护外筒，保证安装长槽内的密封性，防止液体从保护外筒与安装短节之间进入到安装长槽内，影响供电模块和井下处理电路的工作；通过将接头本体上下两端分别与钻柱固定安装在一起，避免在钻柱上开槽，影响钻柱的强度；通过在安装短节中部设置流体通道，避免影响钻柱内流体通过；通过在安装盲孔内安装声波接收换能器和声波转发换能器，实现声波传输，具有可靠、稳定和效率高的特点。
附图说明
附图1为本发明最佳实施例的主视结构示意图。
附图2为附图1在A-A处的剖视放大结构示意图。
附图3为附图1在B-B处的剖视放大结构示意图。
附图4为附图1中声波接收换能器主视剖视放大结构示意图。
附图5为本发明最佳实施例的电路框图。
附图中的编码分别为：1为接头本体，2为上短节，3为供电模块，4为井下处理电路，5为限位环台，6为安装盲孔，7为安装长槽，8为高压隔离插针，9为球头螺柱，10为压电陶瓷圆环，11为电极环，12为调整环，13为压紧螺母，14为弹簧，15为O形密封圈，16为防转销钉，17为下短节，18为保护外筒，19为固定螺栓。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
如附图1、2、3、4、5所示，该用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置包括接头本体1、安装短节、保护外筒18、声波接收换能器、声波转发换能器、供电模块3和井下处理电路4，接头本体1下部内侧设有限位环台5，接头本体1中部内侧设有下端座于限位环台5上的安装短节，安装短节中部设有上下贯通的流体通道，安装短节上部外侧沿圆周分布有至少两个安装盲孔6，至少一个安装盲孔6内设有声波接收模块，其余至少一个安装盲孔6内设有声波转发换能器；安装短节下部外侧沿圆周分布有至少两个安装长槽7，供电模块3和井下处理电路4均安装在安装长槽7内；对应安装长槽7下方位置的安装短节下部外侧固定安装有上端位于安装盲孔6与安装长槽7之间的保护外筒18；每个声波接收换能器均与井下处理电路4电连接，井下处理电路4分别与每个声波转发换能器电连接，声波接收换能器、声波转发换能器、井下处理电路4均与供电模块3电连接。
根据需求，将多个本发明上下间隔固定安装在现有公知的钻柱管串中。在使用过程中，在使用过程中，位于最下方的位置的本发明内的声波接收换能器接收到来自下部钻柱传来的声波信号后，将声波信号以电信号形式输出，井下处理电路4接收来自声波接收换能器的电信号，对电信号进行滤波、放大、调制、解调、再放大后发送至声波转发换能器，声波转发换能器将电信号转化为声波信号并向上传输出去；如此反复，通过多个本发明由下至上使声波从井下向井口传输，从而增大声波信号在井下钻柱中有效的传输距离。本发明结构合理而紧凑，使用方便，通过将接头本体1上下两端分别与钻柱管串固定安装在一起，避免在钻柱上开槽，影响钻柱的强度；通过在安装短节中部设置流体通道，避免影响钻柱内流体通过；通过在安装盲孔6内安装声波接收换能器和声波转发换能器，实现声波传输，具有可靠、稳定和效率高的特点。
可根据实际需要，对上述用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置作进一步优化或/和改进：
如附图1、2、3、4、5所示，还包括固定螺栓19，安装短节包括上短节2和下短节17，上短节2和下短节17之间通过至少两个固定螺栓19固定安装在一起；上短节2中部外侧沿圆周均布有至少两个安装盲孔6，对应每个安装盲孔6位置的下短节17中部外侧均设有安装长槽7；每两个相邻的安装盲孔6间均设有上走线孔，每两个相邻的安装长槽7间均设有下走线孔，至少两个安装盲孔6与其下方对应位置的安装长槽7间设有走线通道。根据需求，上短节2中部外侧沿圆周均布有六个安装盲孔6，可在位于左侧的三个安装盲孔6内安装声波转发换能器，可在位于右侧的三个安装盲孔6内安装声波接收换能器，可在位于左侧的三个安装长槽7内安装井下处理电路4，可在位于右侧的三个安装长槽7内安装供电模块3；另外，通过圆周均布的方式设置安装盲孔6，使声波信号在阵列的方式下信号补偿，从而使不同位置的声波接收换能器能够更好的接收到来自不同方向的声波信号。根据需求，安装短节与接头本体1之间可采用间隙配合。在使用过程中，通过设置上走线孔、下走线孔和走线通道便于声波接收换能器和声波转发换能器均能与井下处理电路4或供电模块3电连接；通过将安装短节分为上短节2和下短节17，便于在安装短节上加工上走线孔、下走线孔和走线通道；通过固定螺栓19便于将上短节2和下短节17固定。
如附图1、2、3、4、5所示，还包括高压隔离插针8，每个走线通道内均设有高压隔离插针8。在使用过程中，通过设置高压隔离插针8，使安装短节上部与安装短节下部实现低压端与高压端的压力隔离。
如附图1、2、3、4、5所示，井下处理电路4包括信号接收调理电路、井下DSP系统和信号放大发射电路，每个声波接收换能器均与信号接收调理电路电连接，信号接收调理电路与井下DSP系统电连接，井下DSP系统与信号放大发射电路电连接，信号放大发射电路分别与每个声波转发换能器电连接。
根据需求，信号接收调理电路能实现对20至2000Hz声波进行调制信号处理；井下DSP系统为现有公知的技术，其可为FPGA；信号放大发射电路为现有公知的技术，其可如ARM。在使用过程中，位于最下方的位置的本发明内的声波接收换能器接收到来自下部钻柱传来的声波信号后，将声波信号以电信号形式输出，信号接收调理电路接收来自声波接收换能器的电信号后，对信号进行滤波、放大后并传送给井下DSP系统；井下DSP系统接收来自信号接收调理电路的信号后，对其进行调制及解码后获取有效数据，对数据进行保存后对该数据依照一定规则进行重新编码，并发送至信号放大发射电路；信号放大发射电路接收来自井下DSP系统的信号后，对信号进行调制放大并发送至声波转发换能器，声波转发换能器将电信号转化为声波信号并向上传输；如此反复，通过在钻柱中上下间隔固定安装多个本发明，增大声波信号在井下钻柱中有效的传输距离，实现声波由井下向井口传输。
如附图1、2、3、4、5所示，声波接收换能器和声波转发换能器结构相同且二者均包括球头螺柱9、压电陶瓷圆环10、电极环11、调整环12、压紧螺母13和弹簧14，安装盲孔6内设有球头螺柱9，球头螺柱9由内之外包括固定安装在一起的螺柱部和球头部，球头部的外端位于安装盲孔6外，螺柱部的内端与安装盲孔6之间设有弹簧14，螺柱部的中部外侧通过螺纹固定安装有压紧螺母13，对应压紧螺母13与球头部之间位置的螺柱部外侧套装有调整环12，对应调整环12和球头部之间位置的螺柱部外侧左右间隔设有至少两个压电陶瓷圆环10，每两个压电陶瓷圆环10之间均设有套装在螺柱部外侧的电极环11。
根据需求，弹簧14可为现有公知的碟簧，由此节约安装盲孔6内的空间。在使用过程中，安装球头螺柱9时使弹簧14具有一定的预紧力，由此在弹簧14的作用下，球头螺柱9外端可顶紧接头本体1内侧对应位置；通过设置调整环12和压紧螺母13，能使套装在球头螺柱9外侧的压电陶瓷圆环10和电极环11更加稳定。
如附图1、2、3、4、5所示，供电模块3包括电源模块和电源管理分配电路，电源模块与电源管理分配电路电连接。在使用过程中，通过电源管理分配电路对电源模块电压进行变换后，形成多路不同电压输出，为信号接收调理电路、井下DSP系统、信号放大发射电路、声波接收换能器和声波转发换能器分别供电；另外，电源模块可采用多节串联在一起的锂电池，或采用多节并联在一起的锂电池，也可将相同安装长槽7内的锂电池串联后再将不同安装长槽7内的锂电池组并联，由此保证电源模块的输出电压或输出电流满足本发明的不同需求。
如附图1、2、3、4、5所示，还包括防转销钉16和O形密封圈15，保护外筒18下部外侧通过至少两个防转销钉16与安装短节下部外侧固定安装在一起；对应防转销钉16与安装长槽7之间位置的保护外筒18与安装短节之间设有至少一道O形密封圈15，对应安装长槽7上方位置的保护外筒18与安装短节之间设有至少一道O形密封圈15。在使用过程中，通过设置防转销钉16，使保护外筒18与安装短节固定安装的更加稳定可靠；通过设置O形密封圈15，保证安装长槽7内的密封性，防止液体从保护外筒18与安装短节之间进入到安装长槽7内，影响供电模块3和井下处理电路4的工作。
以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
Claims (10)
1.一种用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，其特征在于包括接头本体、安装短节、保护外筒、声波接收换能器、声波转发换能器、供电模块和井下处理电路，接头本体下部内侧设有限位环台，接头本体中部内侧设有下端座于限位环台上的安装短节，安装短节中部设有上下贯通的流体通道，安装短节上部外侧沿圆周分布有至少两个安装盲孔，至少一个安装盲孔内设有声波接收模块，其余至少一个安装盲孔内设有声波转发换能器；安装短节下部外侧沿圆周分布有至少两个安装长槽，供电模块和井下处理电路均安装在安装长槽内；对应安装长槽下方位置的安装短节下部外侧固定安装有上端位于安装盲孔与安装长槽之间的保护外筒；每个声波接收换能器均与井下处理电路电连接，井下处理电路分别与每个声波转发换能器电连接，声波接收换能器、声波转发换能器、井下处理电路均与供电模块电连接。
2.根据权利要求1所述的用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，其特征在于还包括固定螺栓，安装短节包括上短节和下短节，上短节和下短节之间通过至少两个固定螺栓固定安装在一起；上短节中部外侧沿圆周均布有至少两个安装盲孔，对应每个安装盲孔位置的下短节中部外侧均设有安装长槽；每两个相邻的安装盲孔间均设有上走线孔，每两个相邻的安装长槽间均设有下走线孔，至少两个安装盲孔与其下方对应位置的安装长槽间设有走线通道。
3.根据权利要求2所述的用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，其特征在于还包括高压隔离插针，每个走线通道内均设有高压隔离插针。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，其特征在于井下处理电路包括信号接收调理电路、井下DSP系统和信号放大发射电路，每个声波接收换能器均与信号接收调理电路电连接，信号接收调理电路与井下DSP系统电连接，井下DSP系统与信号放大发射电路电连接，信号放大发射电路分别与每个声波转发换能器电连接。
5.根据权利要求1或2或3所述的用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，其特征在于声波接收换能器和声波转发换能器结构相同且二者均包括球头螺柱、压电陶瓷圆环、电极环、调整环、压紧螺母和弹簧，安装盲孔内设有球头螺柱，球头螺柱由内之外包括固定安装在一起的螺柱部和球头部，球头部的外端位于安装盲孔外，螺柱部的内端与安装盲孔之间设有弹簧，螺柱部的中部外侧通过螺纹固定安装有压紧螺母，对应压紧螺母与球头部之间位置的螺柱部外侧套装有调整环，对应调整环和球头部之间位置的螺柱部外侧左右间隔设有至少两个压电陶瓷圆环，每两个压电陶瓷圆环之间均设有套装在螺柱部外侧的电极环。
6.根据权利要求4所述的用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，其特征在于声波接收换能器和声波转发换能器结构相同且二者，均包括球头螺柱、压电陶瓷圆环、电极环、调整环、压紧螺母和弹簧，安装盲孔内设有球头螺柱，球头螺柱由内之外包括固定安装在一起的螺柱部和球头部，球头部的外端位于安装盲孔外，螺柱部的内端与安装盲孔之间设有弹簧，螺柱部的中部外侧通过螺纹固定安装有压紧螺母，对应压紧螺母与球头部之间位置的螺柱部外侧套装有调整环，对应调整环和球头部之间位置的螺柱部外侧左右间隔设有至少两个压电陶瓷圆环，每两个压电陶瓷圆环之间均设有套装在螺柱部外侧的电极环。
7.根据权利要求1或2或3或6所述的用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，其特征在于供电模块包括电源模块和电源管理分配电路，电源模块与电源管理分配电路电连接。
8.根据权利要求4所述的用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，其特征在于供电模块包括电源模块和电源管理分配电路，电源模块与电源管理分配电路电连接。
9.根据权利要求5所述的用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，其特征在于供电模块包括电源模块和电源管理分配电路，电源模块与电源管理分配电路电连接。
10.根据权利要求1或2或3或6或8或9所述的用于随钻地质导向系统的钻柱径向耦合微中继传输装置，其特征在于还包括防转销钉和O形密封圈，保护外筒下部外侧通过至少两个防转销钉与安装短节下部外侧固定安装在一起；对应防转销钉与安装长槽之间位置的保护外筒与安装短节之间设有至少一道O形密封圈，对应安装长槽上方位置的保护外筒与安装短节之间设有至少一道O形密封圈。
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