CN113482606B - 井下信号接收及发射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种井下信号接收及发射装置。具体技术方案为：井下信号接收及发射装置包括接收部分、控制装置、机械总成和发射机构；井下信号接收及发射装置工作时，接收部分接收下端仪器所传输的信号，控制装置对接收信号进行处理，控制电机驱动转动套筒，使机械总成执行工作；机械总成驱动芯轴，使转子连续规律转动。旋转时转子与定子的过流面积变化而产生连续的脉冲，在地面监测压力波形的变化，并通过译码，计算得到测量数据；本发明的井下信号接收及发射装置可以实时获取定向钻进过程中的工程参数和地质参数，以便对钻井轨迹和钻进参数进行合理调整，实现井下定向钻进过程的随钻测控。
Description
技术领域
本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种用于定向井大位移钻井的井下信号接收及发射装置。
背景技术
随着油气资源开发的深入，钻井工程面临更加复杂的工作情况，开采难度也日益增加。薄油藏等难动用储量的开发已大规模展开，为了增大油藏在井眼中的裸露面积，提高油井的产量，要求钻井轨迹准确的钻穿储层。因此，钻井工程对轨迹控制精度的要求日益提高，精确的井眼相对空间位置更加关键。在传统的测井技术中，当钻井完成后，将测量仪器用电缆放置在井中，以了解地层的含油情况。随着油田的开采，此种技术的弊端也越发明显。无线随钻测量装置可摆脱有线随钻测量的局限性。
准确提供实际轨迹参数，提高井眼轨迹的控制能力和计算精度，成为特殊工艺井、定向井、水平井等高精度井施工中急需解决的实际问题。为了使钻探过程中钻头朝油藏的“甜品区”钻进，需要使用实时传输的随钻测量仪器。获取工程参数和地质参数，为钻探人员提供参数指导，以便对井眼轨迹和钻进参数进行合理调整。为此，研究井下信号接收及发射装置，用于井下定向钻进的精确度，提高钻井效率是现代油气钻井技术的重要发展方向之一。井下信号接收及发射装置通过接收下端仪器所传输的信号，在电子仓完成对此信号的处理，并控制电机，使转子连续规律转动。旋转时转子与定子的过流面积变化而产生连续的脉冲，在地面监测压力波形的变化，并通过译码，计算得到测量数据，以达到控制井眼轨迹的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于定向井大位移钻井的井下信号接收及发射装置。
为了探索解决背景技术中所述的钻井工程中井眼轨迹控制及信息测量传输的相关问题，降低钻井成本，提高钻井效率，本发明提供了井下信号接收及发射装置。本发明的井下信号接收及发射装置工作时，接收部分的接收天线接收下端仪器传输的信号。电子仓存放的电路板将信号进行滤波降噪、调制编码等操作，并控制电机驱动转动套筒进而使芯轴带动转子有规律的转动。转子叶片数量与定子空隙数量相同，且定子空隙形状尺寸与转子叶片形状相同，可有效阻挡泥浆通过。旋转时转子的过流断面与定子的过流断面相对位置不断变化，过流面积不断变化，产生连续波脉冲。通过井下信号接收及发射装置产生的泥浆脉冲信号，实时获得井下工程信息及地质信息，提高钻进效率。
本发明的技术方案是：一种井下信号接收及发射装置，其特征在于：所述的井下信号接收及发射装置坐落于外套筒，外套筒两端分别与上部钻具和下部钻具通过可拆卸螺纹连接；所述的井下信号接收及发射装置包括接收部分、控制装置、机械总成和发射机构。
所述接收部分包括连接密封头的连接套，保证仪器竖直工作的扶正器，接收下端仪器信号的接收天线，限制接收天线运动的天线套和天线套盖，承载接收天线的天线轴，以及为整个装置供电的电池仓、电池外壳、导线b和插座；将扶正器、天线套、连接套装在天线轴上，天线轴前端装有密封头，天线套盖分布在天线套两侧，将天线插入天线套及天线套盖空隙中。在电池仓后端安装插座，将电池仓及插座一起装入电池外壳中，安装在天线轴后端，电池外壳与控制外壳配合。所述接收部分能够接收下端仪器传输的信号并为整个装置供电。
所述控制装置包括插头、导线a、存放电路板的电子仓,以及电机、控制外壳和驱动件；电子仓通过螺栓连接与电机固定，插头通过导线a与电子仓相连，驱动件前端柱体与转动套筒后槽配合，将驱动件、电机、电子仓、插头装入控制外壳，再将控制外壳安装到减速外壳后端。所述控制装置对接收信号进行处理，控制电机转动，驱动机械总成；
所述机械总成包括与外磁体配合的转动套筒，传递运动的内磁体、转动件和转轴，将转轴传递的速度减小的减速箱，连接减速箱前端和芯轴末端的联轴器、联轴器外套，保证芯轴能独立转动的角接触球轴承以及将上述零件装配在内的减速外壳；在转轴上安装内磁体及转动件，然后将组合体安装到减速箱后端，其中转动件的前端位于内磁体的内腔。转动套筒通过螺栓和垫片与外磁体相连，外磁体吸附到内磁体及转动件之后，此前部分放入减速外壳中，与脉冲壳配合。所述机械总成将电机的高转速减小为低转速，逐级传动，将运动传递给芯轴；
所述发射机构包括与脉冲壳通过螺栓连接固定的脉冲头，位于芯轴内腔且实现动态平衡的平衡活塞，能相对芯轴转动的转子，固定定子的固定销以及脉冲壳前端；转子与芯轴保持转动，位于脉冲壳内腔，其前端固定销及脉冲壳前端限制定子。脉冲头安装到芯轴上，通过螺栓与脉冲壳后端腔体配合。所述发射机构因转子与定子的过流面积变化而产生连续的脉冲信号，将所测信息发射到地面。
所述的脉冲头圆周上呈90°均布有四个螺栓孔，通过螺栓与脉冲壳后端连接固定，其螺栓孔两两之间有U形槽，当泥浆通过U形槽，钻井液进入脉冲壳与转子之间的空腔；转子中装有键，使转子只能转过90。
所述的井下信号接收及发射装置，角接触球轴承、联轴器、联轴器外套安装在芯轴与减速外壳之间，通过角接触球轴承，芯轴可与脉冲头相对转动；联轴器将芯轴与减速箱前端轴联接在一起，保持传动；联轴器及联轴器外套皆有注油孔，通过减速外壳注油孔注油，润滑内部零件；芯轴内部空腔装有平衡活塞，通过注油，平衡活塞可实现动态平衡。
所述的井下信号接收及发射装置，电子仓以螺栓与电机固定，电子仓中的电路板架采用双层放置电路板，中间部分使用隔热材料，电路板位于横梁空隙之间，通过螺栓固定连接。
所述的井下信号接收及发射装置，内磁体、转动件、轴承安装在转轴上，转动件前端在内磁体内部，外磁体吸附在内磁体、转动件之后。转动套筒通过螺栓、垫片安装在外磁体之后，其后端有凹槽，与驱动件前端柱体配合。电子仓的电路板控制电机正反运转驱动件，使转动套筒、外磁体、内磁体、转动件、转轴、减速箱、芯轴、转子逐级转动，从而泥浆过流面积连续有规律的变化，实现井下信号接收及发射装置的信号发送。
所述的井下信号接收及发射装置的扶正器的菱柱圆周上呈90°均布，保证装置的正直放置；天线套盖对称安装在天线套之后，下端天线套盖安装在扶正器之后，上端天线套盖在天线轴轴肩处；天线轴轴肩、天线套盖、天线套皆有凹槽，以供天线安装插入；天线套及天线套盖开有键槽，安装平键以保证天线套盖及天线套同心，不与天线轴发生相对转动；天线在圆周上呈120°均布，接收下部仪器所传输信号，信号传输到电子仓进行信号处理，完成井下信号接收及发射装置的信号接收。
本发明的有益效果是：（1）与现有随钻测量工具相比，井下信号接收及发射装置可接收下部仪器信号，提高了井下信号接收及发射装置的适用范围；（2）转动件逐级传动，传动平稳，减速部分既能满足扭矩需求又能保证较高转动速率，保证可靠、稳定的信号输出，改善了装置可拆卸性；（3）井下信号接收及发射装置内设置转阀系统结构简单，阀口形状采用拓扑结构，提高井下脉冲信号的质量及地面信息的解码效果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明接收装置的结构示意图。
图3是发射机构和控制装置的剖面图。
图4是控制装置的局部放大图。
图5是机械总成的局部放大图。
图6是机械总成局部放大图。
图7是接收装置的剖面图。
图8是天线套的外廓示意图。
图9是驱动件的外廓示意图。
图10是转动套筒的外廓示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，仅用于说明本发明的原理，并未按照实际的比例绘制。
在附图中各附图标记的含义如下：1.脉冲壳前端，2.脉冲壳，3.定子，4.固定销，5.转子，6.芯轴，7.挡圈，8.平衡活塞，9.脉冲头，10.减速外壳，11.角接触球轴承，12.联轴器外套，13.联轴器，14.减速箱，15. 转轴，16.内磁体，17.转动件，18.外磁体，19.转动套筒，20.驱动件，21.控制外壳，22.电机，23.电子仓，24.电路板架，25.螺栓，26.导线a，27.插头，28.密封头，29.连接套，30.扶正器，31.天线轴，32.天线套盖，33.接收天线，34.天线套，35.电池外壳，36.电池仓，37.导线b，38.插座。
实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参见附图1和附图2，本发明的技术方案是：一种井下信号接收及发射装置，其特征在于：所述的井下信号接收及发射装置坐落于外套筒，外套筒两端分别与上部钻具和下部钻具通过可拆卸螺纹连接；所述的井下信号接收及发射装置包括接收部分、控制装置、机械总成和发射机构；
接收部分包括连接密封头28的连接套29，保证仪器竖直工作的扶正器30，接收下端仪器信号的接收天线33，限制接收天线33运动的天线套34和天线套盖32，承载接收天线33的天线轴31，以及为整个装置供电的电池仓36、电池外壳35、导线b37和插座38；将扶正器30、天线套34、连接套29装在天线轴31上，天线轴31前端装有密封头28，天线套盖32分布在天线套34两侧，将天线33插入天线套32及天线套盖32空隙中。在电池仓36后端安装插座38，将电池仓36及插座38一起装入电池外壳35中，安装在天线轴31后端，电池外壳35与控制外壳21配合。所述接收部分能够接收下端仪器传输的信号并为整个装置供电；
控制装置包括插头27、导线a26、存放电路板的电子仓23，螺栓25将电路板固定在电路板架24中以及电机22、控制外壳21和驱动件20；电子仓23通过螺栓25连接与电机22固定，插头27通过导线a26与电子仓23相连，驱动件20前端柱体与转动套筒19后槽配合，将驱动件20、电机22、电子仓23、插头装入控制外壳21，再将控制外壳21安装到减速外壳10后端。所述控制装置对接收信号进行处理，控制电机22转动，驱动机械总成；
机械总成包括与外磁体18配合的转动套筒19，传递运动的内磁体16、转动件17和转轴15，将转轴15传递速度减小的减速箱14，连接减速箱14前端和芯轴6末端的联轴器13、联轴器外套12，保证芯轴6能独立转动的角接触球轴承11以及将上述零件装配在内的减速外壳10；在转轴15上安装内磁体16及转动件17，然后将组合体安装到减速箱14后端，其中转动件17的前端位于内磁体16的内腔。转动套筒19通过螺栓和垫片与外磁体18相连，外磁体18吸附到内磁体16及转动件17之后，此前部分放入减速外壳10中，与脉冲壳2配合。所述机械总成将电机6的高转速减小为低转速，逐级传动，将运动传递给芯轴6；
发射机构包括与脉冲壳2通过螺栓连接固定的脉冲头9，位于芯轴6内腔且实现动态平衡的平衡活塞8，能相对芯轴6转动的转子5，固定定子3的固定销4以及脉冲壳前端1；所述发射机构因转子5与定子3的过流面积变化而产生连续的脉冲信号，将所测信息发射到地面。
在一个优选实施例中，如图1及图3所示，脉冲头9圆周上呈90°均布有四个螺栓孔，通过螺栓与脉冲壳2后端连接固定，其螺栓孔两两之间有U形槽，当泥浆通过U形槽，钻井液进入脉冲壳2与转子5之间的空腔。转子5中装有键，使转子5只能转过90°角度。
进一步的，角接触球轴承11、联轴器13、联轴器外套12安装在芯轴6与减速外壳10之间，通过角接触球轴承11，芯轴6可与脉冲头9相对转动。联轴器13将芯轴6与减速箱14前端轴联接在一起，保持传动。联轴器13及联轴器外套12皆有注油孔，通过减速外壳10注油孔注油，润滑内部零件。芯轴6内部空腔装有平衡活塞8，通过注油，平衡活塞8可实现动态平衡。
进一步的，如图2、图3和图4所示，电子仓23以螺栓与电机22固定，电子仓23中的电路板架24采用双层放置电路板，中间部分隔热材料，电路板位于横梁空隙之间，通过螺栓25固定连接。
在一个优选实施例中，如图5、图6、图9和图10所示，内磁体16、转动件 17、轴承安装在转轴15上，转动件17前端在内磁体16内部，外磁体18吸附在内磁体16、转动件17之后，转动套筒19通过螺栓、垫片安装在外磁体18之后，其后端有凹槽，与驱动件20前端柱体配合，电子仓23的电路板控制电机22正反运转驱动件20，使转动套筒19、外磁体18、内磁体16、转动件17、转轴15、减速箱14、芯轴6、转子5逐级转动，从而泥浆过流面积连续有规律的变化，实现井下信号接收及发射装置的信号发送。
在一个优选实例中，如图7和图8所示，所述的井下信号接收及发射装置的扶正器30的菱柱圆周上呈90°均布，保证装置的正直放置。天线套盖32对称安装在天线套34之后，下端天线套盖32安装在扶正器30之后，上端天线套盖32在天线轴31轴肩处。天线轴31轴肩、天线套盖32、天线套34皆有凹槽，以供接收天线33安装插入。天线套34及天线套盖32开有键槽，安装平键以保证天线套盖32及天线套34同心，不与天线轴31发生相对转动。接收天线33在圆周上呈120°均布，接收下部仪器所传输的信号，信号传输到电子仓23进行信号处理，完成井下信号接收及发射装置的信号接收。
最后应说明的是,以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种井下信号接收及发射装置，其特征在于：所述的井下信号接收及发射装置坐落于外套筒，外套筒两端分别与上部钻具和下部钻具通过可拆卸螺纹连接；所述的井下信号接收及发射装置包括接收部分、控制装置、机械总成和发射机构；
所述接收部分包括连接密封头（28）的连接套（29），保证仪器竖直工作的扶正器（30），接收下端仪器信号的接收天线（33），限制接收天线（33）运动的天线套（34）和天线套盖（32），承载接收天线（33）的天线轴（31），电池外壳（35）、导线b（37）和插座（38），以及为整个装置供电的电池仓（36）；所述接收部分能够接收下端仪器传输的信号并为井下信号接收及发射装置供电；扶正器（30）的菱柱在圆周上呈90°均布，保证装置的正直放置；天线套盖（32）对称安装在天线套（34）两端，下端天线套盖（32）安装在扶正器（30）之后，上端天线套盖（32）安装在天线轴（31）轴肩处；天线轴（31）轴肩、天线套盖（32）、天线套（34）皆有凹槽，以供接收天线（33）安装插入；天线套（34）与天线套盖（32）开有键槽，安装平键以保证天线套盖（32）与天线套（34）同心，天线套（34）不与天线轴（31）发生相对转动；接收天线（33）在天线套（34）的圆周上呈120°均布，接收下部仪器所传输信号；
所述控制装置包括插头（27）、导线a（26）、存放电路板的电子仓（23），螺栓（25）、电路板架（24）以及电机（22）、控制外壳（21）和驱动件（20），电子仓（23）通过螺栓与电机（22）固定，电子仓（23）中的电路板架（24）采用双层放置电路板，中间部分使用隔热材料，电路板位于横梁空隙之间，通过螺栓（25）固定连接；所述控制装置对接收信号进行处理，控制电机（22）转动，驱动机械总成；
所述机械总成包括与外磁体（18）配合的转动套筒（19），传递运动的内磁体（16）、转动件（17）和转轴（15），将转轴（15）传递速度减小的减速箱（14），连接减速箱（14）前端和芯轴（6）末端的联轴器（13）、联轴器外套（12），保证芯轴（6）能独立转动的角接触球轴承（11）以及将上述零件装配在内的减速外壳（10），角接触球轴承（11）、联轴器（13）、联轴器外套（12）安装在芯轴（6）与减速外壳（10）之间，芯轴（6）通过角接触球轴承（11）与脉冲头（9）相对转动；联轴器（13）将芯轴（6）与减速箱（14）前端轴联接在一起，保持传动；联轴器（13）及联轴器外套（12）皆有注油孔，通过减速外壳（10）注油孔注油，润滑内部零件；芯轴（6）内部空腔装有平衡活塞（8），通过注油，平衡活塞（8）实现动态平衡；所述机械总成将电机（22）的高转速减小为低转速，逐级传动，将运动传递给芯轴（6）；
所述发射机构包括与脉冲壳（2）通过螺栓连接固定的脉冲头（9），位于芯轴（6）内腔且实现动态平衡的平衡活塞（8），能相对芯轴（6）转动的转子（5），固定定子（3）的固定销（4）以及脉冲壳前端（1）；所述发射机构因转子（5）与定子（3）的过流面积变化而产生连续的脉冲信号，将所测信息发射到地面；脉冲头（9）圆周上呈90°均布有四个螺栓孔，通过螺栓与脉冲壳（2）后端连接固定，其螺栓孔两两之间有U形槽，当泥浆通过U形槽，钻井液进入脉冲壳（2）与转子（5）之间的空腔；转子中装有键，使转子只能转过90°。
2.根据权利要求1所述的井下信号接收及发射装置，其特征在于：信号传输到电子仓（23）进行信号处理，完成井下信号接收及发射装置的信号接收；内磁体（16）、转动件（17）、轴承安装在转轴（15）上，转动件（17）前端在内磁体（16）内部，外磁体（18）吸附在内磁体（16）、转动件（17）之后，转动套筒（19）通过螺栓、垫片安装在外磁体（18）之后，其后端有凹槽，与驱动件（20）前端柱体配合。
3.根据权利要求1所述的井下信号接收及发射装置，其特征在于：信号传输到电子仓（23）进行信号处理，完成井下信号接收及发射装置的信号接收，电子仓（23）的电路板控制电机（22）正反运转，电机（22）使得驱动件（20）转动，进而转动套筒（19）、外磁体（18）、内磁体（16）、转动件（17）、转轴（15）、减速箱（14）、芯轴（6）、转子（5）逐级转动，从而泥浆过流面积连续有规律的变化，实现井下信号接收及发射装置的信号发送。
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