CN112636806A - 一种钻铤式井下信息声波传输中继装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钻铤式井下信息声波传输中继装置及方法。其技术方案是：包括发射模块、电源模块、中控模块、采集模块、保护壳体，发射总成插件外部加工安装槽实现圆柱状宽带发射换能器的安装，发射换能器采用超磁致伸缩换能器，发射总成插件外部加工发射定位键槽，定位键槽辅助发射模块与电源模块连接；中控模块接收采集模块输出的电信号，所述发射模块、电源模块和中控模块以插件形式安装固定在保护壳体内，保护壳体与采集模块进行连接，通过内嵌式滑环进行供电和通讯。有益效果是：本发明可以实现拓展钻柱中声波的传输距离，中继装置具备声信号采集识别和发射的能力，从而满足井下信息中继转发功能的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种随钻仪器技术领域，特别涉及一种钻铤式井下信息声波传输中继装置及方法。
背景技术
对于井下信息无线传输技术，以钻井液脉冲方式使用最为广泛，但该方式传输能力有限，而需要传输的数据量越来越大，使得该方式无法满足日益提高的技术要求，同时气体及各种非常规钻井液的可压缩性强，不能产生有效的钻井液脉冲，无法使用传统的钻井液脉冲传输方式。声传输方式具有结构简单、成本较低、易于定向发射等优点，同时石油钻井过程中使用的钻柱，自上而下贯穿整个井筒，为声波的高速传输提供了得天独厚的条件。钻柱结构为非均匀管柱结构，声波在钻柱中传播时的衰减问题尤为突出，限制了钻柱中声波传输距离，为提高井下信息声波传输距离，需要研发中继装置来拓展钻柱中声波的传输距离，中继装置要满足井下信息转发功能，需要同时具备声信号采集识别和声信号发射的功能。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种钻铤式井下信息声波传输中继装置及方法，钻井信息声波传输方式是以钻柱作为声信号传输通道，以声波作为信号载体，进行井下信息的无线传输的方式。声信号在钻柱中传输井深到达一定深度时，衰减了的声载波信号不能被井口接收装置接收，为了增加声波传输距离，使得声载波信号顺利被井口接收并分析，需要在钻柱中合适位置安装声波中继装置。依据钻柱信道的结构和钻井施工特点，采用钻铤式中继结构，中继装置对井下声信号进行接收、放大和二次发射，能够将衰减的声载波放大以后传输至井口被接收装置顺利接收。
本发明提到的一种钻铤式井下信息声波传输中继装置及方法，其技术方案是：包括发射模块（1）、电源模块（2）、中控模块（3）、采集模块（4）和保护壳体（5），发射模块（1）主要由发射总成插件（6）、发射换能器（7）和发射定位键槽（8）组成，用于井下信息声波发射，发射总成插件（6）外部加工安装槽（9）实现圆柱状宽带发射换能器（7）的安装，发射换能器（7）采用超磁致伸缩换能器，发射总成插件（6）外部加工发射定位键槽（8），定位键槽（8）辅助发射模块（1）与电源模块（2）连接；
中控模块（3）接收采集模块（4）输出的电信号，所述发射模块（1）、电源模块（2）和中控模块（3）以插件形式安装固定在保护壳体（5）内，保护壳体（5）与采集模块（4）进行连接，通过内嵌式滑环进行供电和通讯。
优选的，上述的电源模块（2）主要由电源总成插件（10）、电源定位键槽（11）、电源定位键（12）、供电插座（13）、电池安装骨架（14）和锂电池（15）组成，用于给仪器的采集和发射电路供电；电源总成插件（10）的外部加工电池安装骨架（14），锂电池（15）呈环状分布在电池安装骨架（14）上；电源总成插件（10）外部加工电源定位键槽（11）和电源定位键（12），电源定位键（12）辅助发射模块（1）与电源模块（2）连接，电源定位键槽（11）辅助中控模块（3）与电源模块（2）连接，供电插座（13）与插针连接用于给井下仪器供电。
优选的，上述的电源总成插件（10）内部采用喷丸处理，电源总成插件（10）和电池安装骨架（14）采用无磁材料加工制作，锂电池（15）采用高温锂电池组成。
优选的，上述的中控模块（3）主要由中控总成插件（16）、电路安装槽（17）、导电环（18）、弹性导电杆（19）、钻铤内嵌式母滑环（20）、滑盖（21）、中控定位键（22）、信号调理电路（23）、数据处理电路（24）、功率放大电路（25）和高压驱动电路（26）组成，中控总成插件（16）的外部加工电路安装槽（17），中控模块（3）接收采集模块（4）输出的电信号，通过信号调理电路（23）进行预处理，信号调理电路（23）由滤波放大电路（27）和采样保持电路（28）组成，信号调理电路（23）的预处理主要是对采集信号进行放大、滤波和调整，然后通过A/D模数转换（32）将信号发送给数据处理电路（24），数据处理电路（24）主要由微处理器（29）和数字信号处理器（30）组成，数据处理电路（24）完成对采集数据的解算，并通过解调和解码后获得有效数据，然后重新编码和调制有效数据后进行输出，数字信号处理器（30）控制D/A数模转换器（31）产生控制信号，并经过功率放大电路（25）和高压驱动电路（26），驱动发射换能器（7）向外发射声波信号。
优选的，上述的信号调理电路（23）、数据处理电路（24）、功率放大电路（25）和高压驱动电路（26）安装固定在电路安装槽（17）上，并采用滑盖（21）进行封装，封装后的电路通过导电环（18）与弹性导电杆（19）进行连接，导电环（18）安装在中控总成插件上，其截面为圆弧形，弹性导电杆（19）与导电环（18）弧面接触，弹性导电杆（19）与内嵌式母滑环（20）连接，实现供电和通讯功能。
优选的，上述的中控总成插件（16）内部采用喷丸处理，中控总成插件（16）和电路安装槽（17）采用无磁材料加工制作。
优选的，上述的采集模块（4）主要由采集短节本体（32）、电路安装凹槽（33）、盖板（34）、数据预处理电路（35）、钻铤内嵌式公滑环（36）和声波接收传感器（37）组成，用于井下声波传输信号的采集和预处理，所述采集短节本体（32）的外部加工电路安装凹槽（33），并通过盖板（34）进行封装，声波接收传感器（37）对声波信号进行接收，数据预处理电路（35）主要对声波接收传感器接收的井下声信号进行采集和预处理，并将采集的数据送入中控模块（3）进行数据处理，数据预处理电路（35）主要完成信号初步滤波和调整，相关电路固定在电路安装凹槽（33）内，相关电路接线通过导线与内嵌式公滑环（36）连接，仪器组装完成后内嵌式公滑环（36）和内嵌式母滑环（20）完成连接，从而实现供电和通讯功能。
优选的，上述的采集短节本体（32）内部采用喷丸处理，采集短节本体（32）和盖板（34）采用无磁材料加工制作。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
本发明提到的电源模块、中控模块、发射模块以插件形式安装在钻铤式装置壳体内，壳体的母扣端与采集模块进行连接，通过内嵌式滑环进行供电和通讯；电源模块给井下仪器供电，提供直流电压为10.5V、14.5V和18V，采用圆柱形的超磁致伸缩发射换能器，驱动电压为500V，频率为600Hz-900Hz。；声波接收传感器对声波信号进行接收，数据预处理电路对采集的声波信号进行放大、滤波和调整，数据处理电路完成对采集数据的解算产生控制信号，并经过功率放大电路和高压驱动电路，驱动发射换能器向外发射声波信号；本发明可以实现拓展钻柱中声波的传输距离，中继装置具备声信号采集识别和发射的能力，从而满足井下信息中继转发功能的需求。
附图说明
图1是本发明的插件结构示意图；
图2是本发明的保护壳体结构示意图；
图3是本发明的电路功能示意图；
图4是本发明的中继结构示意图；
图5是本发明的采集模块结构示意图；
上图中：发射模块1、电源模块2、中控模块3、采集模块4、保护壳体5、发射总成插件6、发射换能器7、发射定位键槽8、安装槽9、电源总成插件10、电源定位键槽11、电源定位键12、供电插座13、电池安装骨架14、锂电池15、中控总成插件16、电路安装槽17、导电环18、弹性导电杆19、钻铤内嵌式母滑环20、滑盖21 、中控定位键22、信号调理电路23、数据处理电路24、功率放大电路25、高压驱动电路26、滤波放大电路27、采样保持电路28、微处理器29、数字信号处理器30、D/A数模转换器31、采集短节本体32、电路安装凹槽33、盖板34、数据预处理电路35、钻铤内嵌式公滑环36、声波接收传感器37。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明提到的一种钻铤式井下信息声波传输中继装置包括发射模块1、电源模块2、中控模块3、采集模块4和保护壳体5组成。
如图1、图3、图4和图5所示，发射模块1主要由发射总成插件6、发射换能器7和发射定位键槽8组成，主要完成井下信息声波发射。发射总成插件6采用无磁材料加工制作，内部采用喷丸处理，降低仪器在含有腐蚀性物质井况下出现点蚀的问题。发射总成插件6外部加工安装槽9实现圆柱状宽带发射换能器7的安装，发射换能器7采用超磁致伸缩换能器，发射换能器7驱动电压为500V，工作频率为600Hz-900Hz。发射总成插件6外部加工发射定位键槽8，定位键槽8辅助发射模块1与电源模块2连接。
如图1和图3所示，电源模块2主要由电源总成插件10、电源定位键槽11、电源定位键12、供电插座13、电池安装骨架14和锂电池15组成，主要给仪器的采集和发射电路供电。电源总成插件10内部采用喷丸处理，外部加工电池安装骨架14，电源总成插件10和电池安装骨架14采用无磁材料加工制作，锂电池15采用高温锂电池组成，锂电池呈环状分布在电池安装骨架14上。电源总成插件10外部加工电源定位键槽11和电源定位键12，电源定位键12辅助发射模块1与电源模块2连接，电源定位键槽11辅助中控模块3与电源模块2连接，供电插座13与插针连接用于给井下仪器供电，提供直流电压为10.5V、14.5V和18V。
如图1和图3所示，中控模块3主要由中控总成插件16、电路安装槽17、导电环18、弹性导电杆19、钻铤内嵌式母滑环20、滑盖21、中控定位键22、信号调理电路23、数据处理电路24、功率放大电路25和高压驱动电路26组成，主要处理井下测量数据和驱动井下信息发射。中控总成插件16内部采用喷丸处理，外部加工电路安装槽17，中控总成插件16和电路安装槽17采用无磁材料加工制作。中控模块3接收采集模块4输出的电信号，通过信号调理电路23进行预处理，信号调理电路23由滤波放大电路27和采样保持电路28组成，信号调理电路23的预处理主要是对采集信号进行放大、滤波和调整，然后通过A/D模数转换32将信号发送给数据处理电路24，数据处理电路24主要由微处理器（MCU）29和数字信号处理器（DSP）30组成，数据处理电路24完成对采集数据的解算，并通过解调和解码后获得有效数据，然后重新编码和调制有效数据后进行输出，数字信号处理器30控制D/A数模转换器31产生控制信号，并经过功率放大电路25和高压驱动电路26，驱动发射换能器7向外发射声波信号。上述电路固定在电路安装槽17上，并采用滑盖21进行封装，封装后的电路通过导电环18与弹性导电杆19进行连接，导电环18安装在中控总成插件上，其截面为圆弧形，弹性导电杆19与导电环18弧面接触，弹性导电杆19与内嵌式母滑环20连接，实现供电和通讯功能。
如图1、图2、图4和图5所示，保护壳体5采用无磁材料加工制作，发射模块1、电源模块2和中控模块3以插件形式安装固定在钻铤式保护壳体5内，保护壳体5母扣端与采集模块4进行连接，通过内嵌式滑环进行供电和通讯。
如图1、图4和图5所示，采集模块4主要由采集短节本体32、电路安装凹槽33、盖板34、数据预处理电路35、钻铤内嵌式公滑环36和声波接收传感器37组成，主要完成井下声波传输信号的采集和预处理。采集短节本体32内部采用喷丸处理，外部加工电路安装凹槽33，并通过盖板34进行封装，采集短节本体32和盖板34采用无磁材料加工制作。声波接收传感器37对声波信号进行接收，数据预处理电路35主要对声波接收传感器接收的井下声信号进行采集和预处理，并将采集的数据送入中控模块3进行数据处理，数据预处理电路35主要完成信号初步滤波和调整，相关电路固定在电路安装凹槽33内，相关电路接线通过导线与内嵌式公滑环36连接，仪器组装完成后内嵌式公滑环36和内嵌式母滑环20完成连接，从而实现供电和通讯功能。
实施例2，如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明提到的一种钻铤式井下信息声波传输中继装置包括发射模块1、电源模块2、中控模块3、采集模块4和保护壳体5组成。
与实施例1不同之处是：电源模块2主要由电源总成插件10、电源定位键槽11、电源定位键12、供电插座13、电池安装骨架14和锂电池15组成，主要给仪器的采集和发射电路供电。电源总成插件10内部采用喷丸处理，外部加工电池安装骨架14，电源总成插件10和电池安装骨架14采用无磁材料加工制作，锂电池15采用高温锂电池组成，具体不同是：锂电池呈弧形结构分布在电池安装骨架14上。电源总成插件10外部加工电源定位键槽11和电源定位键12，电源定位键12辅助发射模块1与电源模块2连接，电源定位键槽11辅助中控模块3与电源模块2连接，供电插座13与插针连接用于给井下仪器供电，提供直流电压为10.5V、14.5V和18V。
实施例3，如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明提到的一种钻铤式井下信息声波传输中继装置包括发射模块1、电源模块2、中控模块3、采集模块4和保护壳体5组成。
与实施例1不同之处是：电源模块2主要由电源总成插件10、电源定位键槽11、电源定位键12、供电插座13、电池安装骨架14和锂电池15组成，主要给仪器的采集和发射电路供电。电源总成插件10内部采用喷丸处理，外部加工电池安装骨架14，电源总成插件10和电池安装骨架14采用无磁材料加工制作，锂电池15采用高温锂电池组成，具体不同是：锂电池呈方形结构分布在电池安装骨架14上，也可以实现上述功能。电源总成插件10外部加工电源定位键槽11和电源定位键12，电源定位键12辅助发射模块1与电源模块2连接，电源定位键槽11辅助中控模块3与电源模块2连接，供电插座13与插针连接用于给井下仪器供电，提供直流电压为10.5V、14.5V和18V。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种钻铤式井下信息声波传输中继装置，其特征是：包括发射模块（1）、电源模块（2）、中控模块（3）、采集模块（4）和保护壳体（5），发射模块（1）主要由发射总成插件（6）、发射换能器（7）和发射定位键槽（8）组成，用于井下信息声波发射，发射总成插件（6）外部加工安装槽（9）实现圆柱状宽带发射换能器（7）的安装，发射换能器（7）采用超磁致伸缩换能器，发射总成插件（6）外部加工发射定位键槽（8），定位键槽（8）辅助发射模块（1）与电源模块（2）连接；
中控模块（3）接收采集模块（4）输出的电信号，所述发射模块（1）、电源模块（2）和中控模块（3）以插件形式安装固定在保护壳体（5）内，保护壳体（5）与采集模块（4）进行连接，通过内嵌式滑环进行供电和通讯。
2.根据权利要求1所述的钻铤式井下信息声波传输中继装置，其特征是：所述的电源模块（2）主要由电源总成插件（10）、电源定位键槽（11）、电源定位键（12）、供电插座（13）、电池安装骨架（14）和锂电池（15）组成，用于给仪器的采集和发射电路供电；电源总成插件（10）的外部加工电池安装骨架（14），锂电池（15）呈环状分布在电池安装骨架（14）上；电源总成插件（10）外部加工电源定位键槽（11）和电源定位键（12），电源定位键（12）辅助发射模块（1）与电源模块（2）连接，电源定位键槽（11）辅助中控模块（3）与电源模块（2）连接，供电插座（13）与插针连接用于给井下仪器供电。
3.根据权利要求2所述的钻铤式井下信息声波传输中继装置，其特征是：所述的电源总成插件（10）内部采用喷丸处理，电源总成插件（10）和电池安装骨架（14）采用无磁材料加工制作，锂电池（15）采用高温锂电池组成。
4.根据权利要求1所述的钻铤式井下信息声波传输中继装置，其特征是：所述的中控模块（3）主要由中控总成插件（16）、电路安装槽（17）、导电环（18）、弹性导电杆（19）、钻铤内嵌式母滑环（20）、滑盖（21）、中控定位键（22）、信号调理电路（23）、数据处理电路（24）、功率放大电路（25）和高压驱动电路（26）组成，中控总成插件（16）的外部加工电路安装槽（17），中控模块（3）接收采集模块（4）输出的电信号，通过信号调理电路（23）进行预处理，信号调理电路（23）由滤波放大电路（27）和采样保持电路（28）组成，信号调理电路（23）的预处理主要是对采集信号进行放大、滤波和调整，然后通过A/D模数转换（32）将信号发送给数据处理电路（24），数据处理电路（24）主要由微处理器（29）和数字信号处理器（30）组成，数据处理电路（24）完成对采集数据的解算，并通过解调和解码后获得有效数据，然后重新编码和调制有效数据后进行输出，数字信号处理器（30）控制D/A数模转换器（31）产生控制信号，并经过功率放大电路（25）和高压驱动电路（26），驱动发射换能器（7）向外发射声波信号。
5.根据权利要求4所述的钻铤式井下信息声波传输中继装置，其特征是：所述的信号调理电路（23）、数据处理电路（24）、功率放大电路（25）和高压驱动电路（26）安装固定在电路安装槽（17）上，并采用滑盖（21）进行封装，封装后的电路通过导电环（18）与弹性导电杆（19）进行连接，导电环（18）安装在中控总成插件上，其截面为圆弧形，弹性导电杆（19）与导电环（18）弧面接触，弹性导电杆（19）与内嵌式母滑环（20）连接，实现供电和通讯功能。
6.根据权利要求4或5所述的钻铤式井下信息声波传输中继装置，其特征是：所述的中控总成插件（16）内部采用喷丸处理，中控总成插件（16）和电路安装槽（17）采用无磁材料加工制作。
7.根据权利要求1所述的钻铤式井下信息声波传输中继装置，其特征是：所述的采集模块（4）主要由采集短节本体（32）、电路安装凹槽（33）、盖板（34）、数据预处理电路（35）、钻铤内嵌式公滑环（36）和声波接收传感器（37）组成，用于井下声波传输信号的采集和预处理，所述采集短节本体（32）的外部加工电路安装凹槽（33），并通过盖板（34）进行封装，声波接收传感器（37）对声波信号进行接收，数据预处理电路（35）主要对声波接收传感器接收的井下声信号进行采集和预处理，并将采集的数据送入中控模块（3）进行数据处理，数据预处理电路（35）主要完成信号初步滤波和调整，相关电路固定在电路安装凹槽（33）内，相关电路接线通过导线与内嵌式公滑环（36）连接，仪器组装完成后内嵌式公滑环（36）和内嵌式母滑环（20）完成连接，从而实现供电和通讯功能。
8.根据权利要求7所述的钻铤式井下信息声波传输中继装置，其特征是：所述的采集短节本体（32）内部采用喷丸处理，采集短节本体（32）和盖板（34）采用无磁材料加工制作。
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