CN111140225B - 一种井下低功耗声波双相短距离通讯方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种井下低功耗声波双相短距离通讯方法及装置，所述下声波换能器(6)接收到上声波换能器(7)发出的指令；所述近钻头传感器组测得的数据经下声波换能器(6)转换为声波信号后输出；所述声波信号利用声波通道(11)从下声波换能器(6)传输至上声波换能器(7)中；所述上声波换能器(7)将声波信号转换为电信号后，电信号在上钻铤(5)中被处理；处理后的电信号经上声波换能器(7)反馈至下声波换能器(6)；所述下声波换能器(6)根据反馈信息调整输出，现有技术中螺杆钻具两端的信息靠电磁传输，所传输的信息不稳定问题，被本发明利用声波传输方式实现螺杆钻具两端的信息传输的技术方案所解决了，达到信号的稳定传输的效果。

Description

一种井下低功耗声波双相短距离通讯方法和装置

技术领域

本发明涉及用于石油、天然气、地质勘探等随钻测量钻井仪器设备中使用双相声波传输井下数据的技术，具体涉及一种随钻测量的声波短距离传输方法及装置。

背景技术

在石油、天然气、地质勘探等钻井工程中为了保持钻井轨迹依照工程设计要求钻进，以及及时掌握地层信息，需要把测量地质和钻井参数的传感器安装在靠近钻头的位置。这些传感器随着钻头的钻进在井下进行实时测量，同时这些数据还要以特定通讯方式实时传输到地面，以便钻井操作者及时了解井眼轨迹和地层的变化。

现有的技术方案为两个步骤。步骤一，先使用一种跨螺杆钻具短传的方式把数据从近钻头处传到螺杆钻具的上端；步骤二，由安装在螺杆钻具上端的泥浆脉冲器发到地面。

而目前是电磁传播的方式实现跨螺杆钻具短传，这种方式存在以下的不足：

(1)因电磁发射所需要的天线不能被金属全封闭，所以天线及其接口的密封需要使用非金属材质，否者会出现电磁屏蔽，进而钻铤上需要使用电绝缘的非金属短节来保护天线；

(2)因钻铤需要在地层间不断冲刷，要承受达到150MPa以上的耐压但钻铤上的非金属短接不耐冲刷，经常需要更换，可靠性低，进而限制了电磁通讯在井下的使用；

(3)由于电磁的传输易受导电的螺杆钻具、泥浆、和地层诸多因素的影响，信号不稳定，为了提高电磁信号的强度，需要提高发射功率，这会增大电池损耗。

发明内容

本发明的目的为提供一种井下低功耗声波双相短距离通讯方法及装置，利用声波传输方式实现螺杆钻具两端的信息传输，达到信号的稳定传输的效果。

本发明为一种井下低功耗声波双相短距离通讯装置，包括钻头、下钻铤、螺杆钻具、上钻铤以及钻杆，所述钻头与下钻铤固为一体，所述下钻挺和上钻铤通过螺杆钻具连接在一起，所述上钻铤和地面通讯装置通过钻杆进行连接，其特征在于：所述下钻铤靠近螺杆钻具的一端设有下声波换能器，所述下钻铤靠近钻头的一端密封有用于检测地层参数的近钻头传感器组，所述上钻铤靠近螺杆钻具的一端设有上声波换能器，所述螺杆钻具与井下低功耗声波双相短距离通讯装置所在位置的井下泥浆、地层共同构成声波通道，所述下声波换能器通过声波通道和上声波换能器进行声波的传输。

进一步地，所述下钻铤还包括有下控制器、用于进行声波信号驱动控制的下声波控制单元，下控制器与近钻头传感器组电连接，以便采集近钻头传感器组测量的数据，下控制器通过下声波控制单元来与下声波换能器电连接从而实现信息传输。

进一步地，所述上钻铤还包括有上控制器、用于进行声波信号驱动控制的上声波控制单元、用于检测地层参数的随钻测量单元、泥浆脉冲器，上声波换能器通过上声波控制单元来与上控制器电连接从而实现信息的传输，上控制器与随钻测量单元电连接以便采集随钻测量单元测量到的数据，上控制器与泥浆脉冲器电连接以便将所采集的信息通过泥浆脉冲器传输到地面通讯装置。

进一步地，其特征在于：所述下钻铤外套有适配的空心圆柱形扶正器，所述扶正器为硬质合金制成。

进一步地，所述下钻铤或上钻铤靠近螺杆钻具的一端开设有两个对称的横槽，横槽外有两块与横槽大小形状相匹配的高强度金属盖板，金属盖板边缘套有橡胶密封圈，金属盖板以及横槽上开有对应的螺丝孔来方便金属盖板盖合后通过螺丝进行紧固；所述下钻铤或上钻铤中还开有轴向的槽体，槽体中间设有开孔，槽体上盖有带有橡胶密封圈的盖板并通过螺丝紧固，所述横槽与槽体间开有导线能穿过的短穿孔。

进一步地，上声波换能器以及下声波换能器设计成弧形，并且大小与上述横槽相匹配。

进一步地，所述声波控制单元由PGA460声波驱动和处理器实现。

进一步地，上钻铤与下钻铤之间的信息以声波信号的方式进行传输；上声波换能器通过声波通道发送指令给下声波换能器；下声波换能器将近钻头传感器组测的数据通过声波通道传输给上声波换能器。

进一步地，上声波换能器和下声波换能器之间的通讯步骤为：

步骤1.上控制器通过上声波控制单元驱动上声波换能器将数字信号的数据转化成声波信号的数据，并将声波信号的数据以单极性不归零信号形式进行发送，声波信号的数据中的每个数位‘0’或‘1’都占用一个数据位槽；

步骤2.上声波换能器在发出声波信号的数据前，发出同步头信号；

步骤3.下声波换能器在每个数据位槽的尾端设置有声波信号的时间检测窗口，只有在该声波信号的时间检测窗口出现同步头信号，下声波换能器才将该同步头信号的时间点作为数据位槽的起始点，从而确定上声波换能器的数据位槽，接收上声波换能器传输的声波信号的数据。

进一步地，所述同步头信号为一个声波脉冲，上控制器会在数据位槽中间发出一个宽度为20ms的驱动信号‘1’给PGA460声波驱动和处理器，PGA460声波驱动和处理器控制上声波换能器发出一个声波脉冲，该声波脉冲为同步头信号。

进一步地，所述数据位槽槽宽选为300ms。

进一步地，所述声波换能器的声波频率为5kHz～50kHz。

进一步地，所述声波信号可设为低、中、高三种驱动宽度。

进一步地，所述上控制器通过近钻头传感器组测得的数据结合随钻测量单元的测得的数据，分析判断出下钻铤是处于平稳态或暂变态。

本发明通过设计一种井下低功耗声波双相短距离通讯方法及装置，包括钻头、下钻铤、螺杆钻具、上钻铤以及钻杆，所述钻头与下钻铤固为一体，所述下钻挺和上钻铤通过螺杆钻具连接在一起，所述上钻铤和地面通讯装置通过钻杆进行连接，所述下钻铤靠近螺杆钻具的一端设有下声波换能器，所述下钻铤靠近钻头的一端密封有用于检测地层参数的近钻头传感器组，所述上钻铤靠近螺杆钻具的一端设有上声波换能器，所述螺杆钻具与井下低功耗声波双相短距离通讯装置所在位置的井下泥浆、地层共同构成声波通道，所述下声波换能器通过声波通道和下声波通道进行声波的传输的技术方案；解决目前螺杆钻具两端的信息使用电磁传输，信号不稳定的问题。本发明利用声波传输方式实现螺杆钻具两端的信息传输，达到信号的稳定传输的效果。

附图说明

图1是井下低功耗声波双相短距离通讯结构示意图；

图2是下钻铤的结构示意图；

图3是本发明实际工作示意图；

图4是本发明声波信号编码与驱动示意图；

图5是用于检测声波的数据位槽和时间检测窗口示意图；

图6是可调驱动宽度和声波强度示意图；

附图标记说明：螺杆钻具1；钻头2；钻铤3；扶正器4；上钻铤5；下声波换能器6；上声波换能器7；泥浆9；地层10；声波通道11；钻杆12；槽体22；盖板防护23；盖板24；声波控制单元25；金属盖板27；短穿孔28。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

见图3，本实施例的井下低功耗声波双相短距离通讯装置，包括钻头2、下钻铤3、螺杆钻具1、上钻铤5以及钻杆12，钻头2与下钻铤3固为一体，下钻挺3和上钻铤5通过螺杆钻具1连接在一起，上钻铤5和地面通讯装置通过钻杆12进行连接。

见图1，下钻铤3在靠近钻头的一端密封设置有依序电连接的近钻头传感器组、下控制器、用PGA460声波驱动和处理器作为的声波控制单元25、下声波换能器6，以及向下钻铤3中器件供电的高温电池。

上述中，近钻头传感器组由多种常规传感器组合而成，其中各个传感器分别与下控制器电连接，近钻头传感器组测量钻压、扭矩、拉力、温度、伽玛、井斜、井眼轨迹及钻头所在地层参数并将测量到的信息传输至下控制器；下控制器对采集到的数据进行编码并处理，处理后的信息传输到PGA460声波驱动和处理器进行功率驱动，PGA460声波驱动和处理器可直接市场购买，购买时已内置用于实现前置放大、带通滤波、增益控制、信号检波、数字滤波的程序，将声波驱动芯片与下声波换能器6电连接，从而用于控制下声波换能器6实现声波信号的收发并实现对声波信号的处理。

见图3，螺杆钻具1、井下泥浆9以及地层10构成声波通道11，上钻铤5在靠近螺杆钻具1的一端密封设置有依序电连接的上声波换能器7、用PGA460声波驱动和处理器作为的声波控制单元25、上控制器、随钻测量单元、泥浆脉冲器以及向上钻铤5中器件供电的泥浆发电机，随钻测量单元与近钻头传感器组测量的数据类型相同，只是两套传感器位于不同的位置，测得的信息会有所不同。

使用时，上声波换能器7通过声波通道11以声波的形式下发指令给下声波换能器6，下声波换能器6在接收到指令后，将收集到的信息转化为声波信号，然后经声波通道11上传给上声波换能器7，上声波换能器7接收声波并将声波信息转化成电信号，再传输到PGA460声波驱动和处理器中，由PGA460声波驱动和处理器对接收到的声波信号进行前置放大、带通滤波、增益控制、信号检波、数字滤波的处理，处理后的信息传输到上控制器。上控制器一方面收集由钻头传感器组传过来的信息，另一面获取随钻测量单元测量到的信息，然后将这些信息传送到泥浆脉冲器中，由泥浆脉冲器通过压力波把信息发给地面，让钻井操作者掌握井下状况。

上控制器通过近钻头传感器组测得的数据结合随钻测量单元的测得的数据，分析判断出仪器目前是处于平稳态还是在暂变态。

具体地，如果数据差值在阈值内，则上控制器可以推断为平稳态，这时上控制器会发送指令给上钻铤中5的PGA460声波驱动和处理器，通过它控制上声波换能器7发出指令声波信号给下声波换能器6，下声波换能器6将声波信号的数据传输给下钻铤3中的PGA460声波驱动和处理器，从而通知它减少下声波换能器6的数据发送量。

如果数据差值超过阈值，则上控制器可以推断为暂变态，这时可按前一步骤来提高下声波换能器的数据传输量。

这种通过双相通讯的方式调整数据发射量，可以减少下声波换能器6的平均发射功耗，延长下钻铤3内元器件的使用时间。比如在近钻头传感器组中测量到的伽玛测量值如果在同一地层会比较稳定，但当下钻铤进入不同地层时，伽玛值会显著变化。钻井操作者这时更为关注伽玛值，下钻铤3可以增加传输伽玛数据值。钻井操作者可以依据更为准确的伽玛值来调整井眼轨迹，使得井眼保持在指定的地层。当井眼轨迹在预定的地层运行时，伽玛数据的发射量可以减低，以节省下钻铤3内电池的平均功耗。

由于钻机、钻具机械振动产生的机械波大多分布在低于1kHz的低频段，会对低频声波传输造成干扰，因此，使用大于5kHz的声波可以有效减低钻井机械波的干扰，所以，上下两个换能器使用共同的声波频率，选在5kHz和50kHz之间，以实现最大信噪比。

在使用上下声波换能器实现通讯过程中，上声波换能器7选为通讯的主动方，下声波换能器6为通讯的被动方。通讯由主动方发起，被动方回复方式进行。两个换能器要求分时工作，一个发送，另一个必须为接受。上声波换能器7作为通讯的协调者，下声波换能器6只有在收到上声波换能器7的指令后才能发信号，发送完后下声波换能器6进入低功耗的接受状态等待下次指令。

对于声波换能器，发射功率要求远大于接受功率，通常在10倍以上。

根据图2所示，在下钻铤3靠近螺杆钻具1的一端，开设有两个对称的横槽，内部安放下声波换能器6，横槽中间设有短穿孔28，方便导入下声波换能器6所需要的引线。横槽外有两块与凹槽大小形状相匹配的高强度金属盖板27，金属盖板27边缘套有橡胶密封圈，橡胶密封圈未在图中表示出，金属盖板27以及横槽上开有对应的螺丝孔，方便金属盖板27盖合后用螺丝进行紧固。

下钻铤3中开三个或四个轴向的槽体22，用于分别放置高温电池、PGA460声波驱动和处理器、下控制器以及传感器组，槽体22上盖有带有橡胶密封圈的盖板24并通过螺丝紧固，槽体内可使用硅胶进行填充减少机械震动。放置在短穿孔28的下声波换能器6通过导线与另一槽体内的PGA460声波驱动和处理器电连接，所述导线可穿过钻铤内的短穿孔。

上钻铤5的结构与下钻铤3的一致，因此不再赘述。

见图3，在下声波换能器6和钻头2之间的下钻铤3部分套有使用耐摩的硬质合金制成的扶正器，用以保护下钻铤3以及盖板24。

本实施例的井下低功耗声波双相短距离通讯装置，具有如下好处：

(1)相对于电磁信号传输，声波传输不受导电传递介质的影响，更适合短距离点对点通讯；

声波换能器能够和其控制器封装在一个承压的金属外壳内，该金属外壳对声波的传输影响低，因此在井下通讯，声波通讯比电磁通讯更为简单，并且声波通讯可以可使用金属外壳这样可靠的机械设计；

由于电磁传输需要在钻铤上使用电绝缘的非金属短节，该短节由于强度所限，不耐冲刷，可靠性低，且电磁发射所需要的天线不能被金属全封闭，否则会出现电磁屏蔽，因此，相较之下，本发明中整个下钻铤不需要天线及非金属密封，可靠性高。

进一步地，由于下钻铤3中的容纳空间少，通过将PGA460声波驱动和处理器集成到一块系统芯片中，可以减少需要安装的元器件数量。具体使用Texas Instruments的PGA460或者MAXIM的MAXQ7667来作为PGA460声波驱动和处理器。上述两芯片主要功能包括功率驱动、低噪模拟信号放大、随时间的可变增益和声波信号检测。本发明使用集成芯片和数字信号处理技术代替多个元器件构成的模拟电路，使安装到下钻铤3的元器件数量减少，同时也降低了电池功率的损耗。

实施例优选使用PGA460声波驱动和处理器，因为PGA460声波驱动和处理器具有以下优点：

因声波信号是振幅调制信号，其基础载波频率等于声波换能器的驱动频率，数字信号处理器实现的带通滤波模块滤除驱动频率以外的信号，而使用带通滤波模块处理声波信号可以减少影响声波的噪声量。

带通滤波器输出声波信号的振幅可以是正值和负值，该信号通过波形整流模块后，得到的振幅都为正值。

峰值保持模块会把整流后波形的峰值保持一定时间如1ms。接下来的低通滤波会进一步滤除噪声，保持主要的峰值。

峰值检测模块把主要的波峰与波峰阈值相比，如果超过阈值，表示收到一个有效声波脉冲，否则视为无脉冲。

因PGA460声波驱动和处理器具有带通滤波，波形整流，峰值保持，低通滤波，峰值检测的功能，因此优选使用PGA460声波驱动和处理器。

上下声波换能器的工作方式，具体如下：

见图4-6，上声波换能器7将数字信号的数据转化成声波信号的数据，声波信号的数据中的每个数位’0’或‘1’都占用一个数据位槽。因井下与地面通讯的传输速率通常不超过3位每秒，跨钻杆的短距离传输的速率也以3位每秒为限，所以将上述的数据位槽槽宽选为300ms，刚好可以放入一个数位，声波数据采用单极的不归零编码方式进行传输。所述的不归零编码，指的是一种二进制的信号代码，在这种传输方式中，‘1’和‘0’都分别由不同的电子显著状态来表现，除此之外，没有中性状态、亦没有其他种状态。这种脉冲的能量比归零代码要来得密集，但它传输时是不停歇的，这代表同步信号必须在此代码之外独自传输。

上下两个声波换能器使用相同的数据位槽宽，为了避免下声波换能器6接收到噪声信号，上控制器会在数据位槽中间发出一个宽度为20ms的驱动信号‘1’给PGA460声波驱动和处理器，PGA460声波驱动和处理器控制上声波换能器7发出一个声波脉冲，该声波脉冲为同步头信号如图5。

下声波换能器6在每个数据位槽的尾端设置有声波信号的时间检测窗口，只有在该声波信号的时间检测窗口出现同步头信号，下声波换能器6才将该同步头信号的时间点作为数据位槽的起始点，从而确定上声波换能器7的数据位槽，接收上声波换能器7传输的声波信号的数据；反之，在这个声波信号的时间检测窗口没有出现同步头信号，下声波换能器6的声波信号的时间检测窗口默认为输入‘0’，即声波换能器6不接收其它声波信号的数据。因不在时间检测窗口中出现的声波脉冲都视为噪声信号，通过这种时间检测窗口方法可以有效删除噪声信号。

本发明还设计了低、中、高三种驱动宽度如图6所示，来调节声波的强度。驱动信号越长，声波信号整体强度也高，但电池消耗也增加。下控制器使用低宽度作为默认的值发声波为了节省下钻铤中电池的使用，还可通过调节声波驱动信号的宽度，来调整声波信号整体强度。因下钻铤3中仪器需要省电，所以下声波换能器6设置为低驱动宽度，上控制器可调整其宽度。上控制器判断检测到声波数据丢失后，会发出宽度调整指令，把下声波换能器6驱动宽度提高。上控制器使用高宽度作为默认的值，以保证下传的指令能被下钻铤3中的下声波换能器6可靠接收。

本发明一种井下低功耗声波双相短距离通讯方法和装置，具有广泛的适应性，抗干扰性强，数据可靠，设计简单等优点，适用于石油和天然气钻井过程中近钻头测量数据的跨钻具无线传输。规避了已知使用电磁通讯中遇到的大面积天线在井下高压密封的问题。利用声波在金属介质中低损耗，双相双相因此可以使用双相声波换能器实现井下双相通讯，解决传统近钻头数据只能单相通讯的不足，使得下声波换能器6可以使用通讯接收方的反馈信息来调整发射数据量和声波幅度，实现降低平均功耗，提高电池的使用时间，从而减少把仪器从井下拉出更换电池的次数，提高井下作业时间和效率。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种井下低功耗声波双相短距离通讯装置，

包括钻头（2）、下钻铤（3）、螺杆钻具（1）、上钻铤（5）以及钻杆（12），所述钻头（2）与下钻铤（3）固为一体，所述下钻铤（3）和上钻铤（5）通过螺杆钻具（1）连接在一起，所述上钻铤（5）和地面通讯装置通过钻杆（12）进行连接，其特征在于：

所述下钻铤（3）靠近螺杆钻具（1）的一端设有下声波换能器（6），所述下钻铤（3）靠近钻头（2）的一端密封有用于检测地层参数的近钻头传感器组，所述上钻铤（5）靠近螺杆钻具（1）的一端设有上声波换能器（7），所述螺杆钻具（1）与井下低功耗声波双相短距离通讯装置所在位置的井下泥浆（9）、地层（10）共同构成声波通道（11），所述下声波换能器（6）通过声波通道（11）和上声波换能器（7）进行声波的传输；

所述上钻铤（5）还包括有上控制器、用于进行声波信号驱动控制的上声波控制单元（30）、用于检测地层参数的随钻测量单元、泥浆脉冲器，上声波换能器（7）通过上声波控制单元（30）来与上控制器电连接从而实现信息的传输，上控制器与随钻测量单元电连接以便采集随钻测量单元测量到的数据，上控制器与泥浆脉冲器电连接以便将所采集的信息通过泥浆脉冲器传输到地面通讯装置；

所述上控制器获取近钻头传感器组测得的数据结合随钻测量单元的测得的数据之间的数据差值，在数据差值超过阈值时提高上钻铤（5）与下钻铤（3）之间的数据发射量。

2.根据权利要求1所述的井下低功耗声波双相短距离通讯装置，其特征在于：所述下钻铤（3）还包括有下控制器、用于进行声波信号驱动控制的下声波控制单元（25），下控制器与近钻头传感器组电连接，以便采集近钻头传感器组测量的数据，下控制器通过下声波控制单元（25）来与下声波换能器（6）电连接从而实现信息传输。

3.根据权利要求1所述的井下低功耗声波双相短距离通讯装置，其特征在于：所述下钻铤（3）外套有适配的空心圆柱形扶正器（4），所述扶正器（4）为硬质合金制成。

4.根据权利要求1所述的井下低功耗声波双相短距离通讯装置，其特征在于：

所述下钻铤（3）或上钻铤（5）靠近螺杆钻具（1）的一端开设有两个对称的横槽，横槽外有两块与横槽大小形状相匹配的高强度金属盖板（27），金属盖板（27）边缘套有橡胶密封圈，金属盖板（27）以及横槽上开有对应的螺丝孔来方便金属盖板（27）盖合后通过螺丝进行紧固；

所述下钻铤（3）或上钻铤（5）中还开有轴向的槽体（22），槽体（22）中间设有开孔，槽体（22）上盖有带有橡胶密封圈的盖板（24）并通过螺丝紧固，所述横槽与槽体（22）间开有导线能穿过的短穿孔（28）。

5.根据权利要求4所述的井下低功耗声波双相短距离通讯装置，其特征在于：上声波换能器（7）以及下声波换能器（6）设计成弧形，并且大小与上述横槽相匹配。

6.根据权利要求2所述的井下低功耗声波双相短距离通讯装置，其特征在于：所述下声波控制单元（25）由PGA460声波驱动和处理器实现。

7.根据权利要求1-6任一项所述的井下低功耗声波双相短距离通讯装置的通讯方法，其特征在于：

上钻铤（5）与下钻铤（3）之间的信息以声波信号的方式进行传输；

上声波换能器（7）通过声波通道（11）发送指令给下声波换能器（6）；

下声波换能器（6）将近钻头传感器组测的数据通过声波通道（11）传输给上声波换能器（7）。

8.根据权利要求7所述的井下低功耗声波双相短距离通讯装置的通讯方法，其特征在于，上声波换能器（7）和下声波换能器（6）之间的通讯步骤为：

步骤1.上控制器通过上声波控制单元（30）驱动上声波换能器（7）将数字信号的数据转化成声波信号的数据，并将声波信号的数据以单极性不归零信号形式进行发送，声波信号的数据中的每个数位都占用一个数据位槽；

步骤2.上声波换能器（7）在发出声波信号的数据前，发出同步头信号；

步骤3.下声波换能器（6）在每个数据位槽的尾端设置有声波信号的时间检测窗口，只有在该声波信号的时间检测窗口出现同步头信号，下声波换能器（6）才将该同步头信号的时间点作为数据位槽的起始点，从而确定上声波换能器（7）的数据位槽，接收上声波换能器（7）传输的声波信号的数据。

9.根据权利要求7所述的井下低功耗声波双相短距离通讯装置的通讯方法，其特征在于：所述上声波换能器和下声波换能器的声波频率为5kHz~50kHz。

10.根据权利要求7所述的井下低功耗声波双相短距离通讯装置的通讯方法，其特征在于：所述声波信号可设多种驱动宽度，上控制器判断检测到声波信号丢失后，把下声波换能器驱动宽度提高。

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