CN114320282A - 一种适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，其特征在于：近钻头仪器本体（1）的外周上设有综合电路仓（2）及地层参数测量仓（4）；综合电路仓（2）内设有电源控制单元、隔离控制单元、第一发射控制电路单元及第二发射控制电路单元，所述第一发射控制电路单元用于发射恒功率直流信号；所述第二发射控制电路单元用于发射交流信号；近钻头仪器本体（1）上套设有一绝缘线圈支撑环（5），在该绝缘线圈支撑环（5）的外周上套设有金属天线罩（6），绝缘线圈支撑环（5）的外周与金属天线罩之间设有线圈（8）和磁块（9）。本实施例具有电极式传输工作模式和电磁波传输工作模式。

Description

一种适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置

技术领域

本发明具体涉及一种适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置。该传输装置用于将近钻头测量仪器（比如传感器）的测量参数传输到井地传输系统上，完成近钻头测量仪器与井地传输系统之间的通信。

背景技术

我国页岩油气储量丰富，但由于储层致密，渗透性极低，需要大量采用水平井开发提高经济效益。在地下起伏的页岩储层水平钻井过程中，为了保证井眼始终沿着目标储层钻进，井下高精度定位手段必不可少。而如何将近钻头测量参数传输到地面成为制约该技术发展的关键。目前，国内研究对近钻头测量参数的传输多通过螺杆埋电缆线、声波无线传输、线圈式电磁波无线传输等方式进行传输。

利用无线传输方法，将近钻头参数向上传输。该方式无需对井下钻具的结构作较大改动，因此总体成本较低，通用性较好，可用于井下小数据量传输。近钻头井斜角测量仪器，通常将近钻头井斜角传感器封装到造斜工具（井下泥浆马达）的前端，通过无线传输方式（超声波、电磁波等）传输到位于造斜工具（井下泥浆马达）上部的常规无线随钻测量仪器（LWD/MWD）中，与常规无线随钻测量仪器测取的数据一起，通过水力脉冲或电磁波等无线传输方式，传输到地面。

现有技术方案介绍：

电极式短传结构：电极式短传结构的结构特点在于利用绝缘的短节串接到一根金属钻铤构成上下金属短节绝缘隔离，构成直流电法进行信号发射的两极，从而实现测量信号的过地层传输。电极式传输方式需要将钻铤截断然后串联绝缘短节，仪器强度受绝缘短节影响大，且绝缘材料较脆，在井下存在失效风险，且该种传输方式多适用于水基泥浆传输。

电磁波传输结构：电磁波传输方式是利用在钻铤本体上缠绕发射线圈发射一定频率的电磁波信号，在过螺杆远端放置接收线圈从而实现信号接收。电磁波传输方式多适用于油基泥浆传输。

声波传输结构：声波传输方式采用在钻铤发射和接收短节分别安装发射和接收换能器，通过发射和接收换能器的声学特性进行信号传输。由于换能器的设计使近钻头发射短节机械结构较为复杂，同时增加了近钻头发射短节的长度。此外，声波传输同样无法满足过螺杆传输距离（约10米）的要求。

发明内容

本发明目的是提供一种适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，将电极式传输方式和线圈式传输方式进行了一体化设计，该种结构即能满足电极式结构传输结构需求，又能满足电磁波传输结构需求，能够为单支仪器适用于不同泥浆传输提供解决方案。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，包括一近钻头仪器本体，该近钻头仪器本体的下端用于与钻头连接，其上端用于与螺杆连接；所述近钻头仪器本体的外周上设有综合电路仓及地层参数测量仓；所述综合电路仓内设有电源控制单元、隔离控制单元、第一发射控制电路单元及第二发射控制电路单元，电源控制单元经隔离控制单元向第一发射控制电路单元和第二发射控制电路单元供电；所述第一发射控制电路单元用于发射恒功率直流信号；所述第二发射控制电路单元用于发射交流信号；所述地层参数测量仓内用于放置测量传感器；所述近钻头仪器本体内还设有调谐电路单元以及电池；所述近钻头仪器本体上在设有综合电路仓及地层参数测量仓的位置的上方套设有一绝缘线圈支撑环，在该绝缘线圈支撑环的外周上套设有金属天线罩，且该金属天线罩的上端和下端处各设有绝缘环，以此金属天线罩与近钻头仪器本体相绝缘；并且，在绝缘线圈支撑环（5）的外周与金属天线罩之间设有线圈和磁块；所述近钻头仪器本体内开设有第一穿线孔连通所述综合电路仓与地层参数测量仓，开设有第二穿线孔连通所述综合电路仓与绝缘线圈支撑环上的第一孔槽，开设有第三穿线孔连通所述调谐电路单元所在位置与绝缘线圈支撑环上的第二孔槽，开设有第四穿线孔也连通所述调谐电路单元所在位置与绝缘线圈支撑环上的第二孔槽；所述第一发射控制电路单元和第二发射控制电路单元的输入端由导线穿过第一穿线孔接至地层参数测量仓供接测量传感器；所述第一发射控制电路单元的电路接地端电连接近钻头仪器本体，其信号发射端由导线穿过第二穿线孔及绝缘线圈支撑环上的第一孔槽后与金属天线罩电连接；所述第二发射控制电路单元的输出端与调谐电路单元电连接，而调谐电路单元输出两根导线，其一根导线穿过第三穿线孔及绝缘线圈支撑环上的第二孔槽与线圈的一端电连接，其另一根导线穿过第四穿线孔及绝缘线圈支撑环上的第二孔槽与线圈的另一端电连接。

上述方案中，所述调谐电路单元可以设置在综合电路仓内。

进一步较佳方式是为调谐电路单元专门设一个仓，即在所述近钻头仪器本体的外周上还设有一调谐电路仓，所述综合电路仓、调谐电路仓、地层参数测量仓三者在钻头仪器本体的周向上相距分布；所述调谐电路单元设置在调谐电路仓内，所述第三穿线孔的一端连通调谐电路仓，第四穿线孔的一端也连通调谐电路仓；所述近钻头仪器本体内开设有第五穿线孔连通所述综合电路仓与调谐电路仓；所述第二发射控制电路单元的输出端经导线穿过第五穿线孔后进入调谐电路仓与调谐电路单元电连接。

再进一步，所述综合电路仓、调谐电路仓、地层参数测量仓三者在钻头仪器本体周向上的一定角度内均布，且调谐电路仓位于所述综合电路仓与地层参数测量仓之间。

更进一步，所述近钻头仪器本体的外周上还设有两个电池仓，所述两个电池仓、综合电路仓、地层参数测量仓四者在在钻头仪器本体一周上均布，所述调谐电路仓位于所述综合电路仓与地层参数测量仓之间，使调谐电路仓与综合电路仓与地层参数测量仓的夹角均为45度；所述电池设于两个电池仓内。

上述方案中，所述第二穿线孔内密封阻隔设有第一承压密封连接器，第三穿线孔内密封阻隔设有第二承压密封连接器，第四穿线孔内密封阻隔设有第三承压密封连接器；所述第一发射控制电路单元的信号发射端由导线经过第一承压密封连接器接金属天线罩；所述调谐电路单元输出的一导线经过第二承压密封连接器电连接线圈的一端，调谐电路单元输出的另一导线经过第三承压密封连接器电连接线圈的另一端。

进一步，所述第二穿线孔、第三穿线孔和第四穿线孔的中部均设有一折弯部，该折弯部向近钻头仪器本体中心拱起，以使所述第二穿线孔、第三穿线孔和第四穿线孔为V形孔。

上述方案中，所述磁块在绝缘线圈支撑环的周向上均布嵌设，而所述线圈缠绕于绝缘线圈支撑环的周向上。

进一步，所述线圈、磁块、绝缘线圈支撑环、绝缘环、金属天线罩之间灌封高温环氧树脂。

本发明具有以下优点：

1、本发明将两种近钻头仪器传输模式（电极和电磁波）在一支仪器上进行实现，对两种电信号传输结构进行了一体化设计，既适用于水基泥浆传输，又适用于油基泥浆传输；

2、本发明避免了传统电极式传输方式需将金属钻铤打断，串联绝缘材料的设计，减少了因绝缘材料承受井下大扭矩、弯矩作用破坏的缺陷，将电磁波金属罩作为发射电机，方便维修更换。

附图说明

图1为本发明实施例的电路原理图；

图2为本发明实施例的主视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图3的B-B的剖视图；

图5为图3的C-C的剖视图；

图6为图2的D-D剖视图；

图7为图1的线圈处示意图，该图中拆除了绝缘护盖；

图8为绝缘线圈支撑环的立体图。

以上附图看：1、近钻头仪器本体；11、第一穿线孔；12、第二穿线孔；121、第一承压密封连接器；1211、角度转换块；1212、承力挡块；13、第三穿线孔；131、第二承压密封连接器；14、第四穿线孔；141、第三承压密封连接器；15、第五穿线孔；17、预紧环；18、电池仓；19、电池仓；2、综合电路仓；3、调谐电路仓；31、调谐电路单元；4、地层参数测量仓；5、绝缘线圈支撑环；51、第一孔槽；52、第二孔槽；521、绝缘护盖；6、金属天线罩；7、绝缘环；8、线圈；81、第一橡胶胶套；82、第二橡胶胶套；9、磁块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：参见图1～8所示，一种适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置：

所述适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，包括一近钻头仪器本体1，该近钻头仪器本体1的下端用于与钻头连接，其上端用于与螺杆连接。

所述近钻头仪器本体1的外周上设有综合电路仓2、调谐电路仓3、地层参数测量仓4及两个电池仓18、19。两个电池仓18、19、综合电路仓2、地层参数测量仓4四者在在钻头仪器本体1一周上均布，而调谐电路仓3位于所述综合电路仓2与地层参数测量仓4之间，使调谐电路仓3与综合电路仓2与地层参数测量仓4的夹角均为45度。

所述综合电路仓2、调谐电路仓3、地层参数测量仓4及两个电池仓18、19都是凹设于近钻头仪器本体1周面上的空间，其上均对应设有密封盖板，密封盖板通过密封圈及安装螺栓钉等将这些仓对外密封封闭。

所述综合电路仓2内设有电源控制单元、隔离控制单元、第一发射控制电路单元及第二发射控制电路单元。所述电源控制单元经隔离控制单元向第一发射控制电路单元和第二发射控制电路单元供电。

所述调谐电路仓3内设置有调谐电路单元31。

所述第一发射控制电路单元用于发射恒功率直流信号，是电极式发射控制电路。所述第二发射控制电路单元用于发射从几kHz到2MHz的交流信号，是电磁感应式发射控制电路。

所述隔离控制电路是将控制回路电气隔离开，不共地，互相不会造成干扰，比如采用信号和电源隔离电路。所述隔离控制电路还负责选择是向第一发射控制电路单元，还是向第二发射控制电路单元供电，在任何情况下，第一发射控制电路单元和第二发射控制电路单元中只有之一能通电，即只允许以一种工作模式工作。具体，隔离控制电路可以通过物理方式实现通道切换。

所述地层参数测量仓4内用于放置测量传感器。

所述电池仓18、19内设置有电池。

所述近钻头仪器本体1上在设有综合电路仓2、调谐电路仓3及地层参数测量仓4的位置的上方套设有一绝缘线圈支撑环5，在该绝缘线圈支撑环5的外周上套设有金属天线罩6，该金属开线罩6也为环形结构；且该金属天线罩6的上端和下端处还各设有绝缘环7，以此金属天线罩6与近钻头仪器本体1相绝缘；并且，在绝缘线圈支撑环5的外周与金属天线罩之间设有线圈8和磁块9。具体是，磁块9通常即是铁氧体磁块，在绝缘线圈支撑环5的周向上均布嵌设，而所述线圈8缠绕于绝缘线圈支撑环5的周向上。

具体，两个绝缘环7和绝缘线圈支撑环5之间以绝缘胶粘结为佳。同时，两个绝缘环7上设置有防止与金属天线罩6产生相互转动的凸起，金属天线罩6设置对应的凹槽。绝缘环7和绝缘线圈支撑环5的材料可以是PEEK材料，也可以是抗冲击陶瓷材料。

具体，为了好装配，在金属天线罩6和绝缘环7的上端侧还设有一预紧环17，预紧环17为一环形套，它设有内螺纹，与近钻头仪器本体1外周面螺纹连接，拧紧预紧环17即将绝缘线圈支撑环5、金属天线罩6和两个绝缘环7压紧抵靠于近钻头仪器本体1上的台阶面上，当预紧环17拧紧后，端面通过焊接方式实现与钻头仪器本体1的连接，焊接深度大于大于5mm，在装配完成后通过二次加工达到断面光洁度要求，实现钻铤与螺杆之间的流道密封要求。

所述近钻头仪器本体1内开设有第一穿线孔11连通所述综合电路仓2与地层参数测量仓4，开设有第二穿线孔12连通所述综合电路仓2与绝缘线圈支撑环5上的第一孔槽51，开设有第三穿线孔13连通所述调谐电路仓3与绝缘线圈支撑环511上的第二孔槽52，开设有第四穿线孔14也连通所述调谐电路仓3与绝缘线圈支撑环5上的第二孔槽52，开设有第五穿线孔15连通所述综合电路仓2与调谐电路仓3。其中，所述第三穿线孔13和第四穿线孔14为平行开设的两个孔，它们是并联关系。

所述第一发射控制电路单元和第二发射控制电路单元的输入端由导线穿过第一穿线孔11接至地层参数测量仓4供接测量传感器。

所述第一发射控制电路单元的电路接地端电连接近钻头仪器本体1，具体是第一发射控制电路单元的电路接地端由导线穿过第一穿线孔11进入地层参数测量仓4内通过螺钉与近钻头仪器本体1电连接。所述第一发射控制电路单元的信号发射端由导线穿过第二穿线孔12及绝缘线圈支撑环5上的第一孔槽51后与金属天线罩6电连接，具体的电连接方式可以是通过螺钉进行连接也可以是焊接。

所述第二发射控制电路单元的输出端经导线穿过第五穿线孔15后进入调谐电路仓3与调谐电路单元31电连接，由调谐电路31来控制调节发射信号的频率。而调谐电路单元31输出两根导线，其一根导线穿过第三穿线孔13及绝缘线圈支撑环5上的第二孔槽52与线圈8的一端电连接，其另一根导线穿过第四穿线孔14及绝缘线圈支撑环5上的第二孔槽52与线圈8的另一端电连接。

所述第二穿线孔12内密封阻隔设有第一承压密封连接器121，第三穿线孔13内密封阻隔设有第二承压密封连接器131，第四穿线孔14内密封阻隔设有第三承压密封连接器141。所述第一发射控制电路单元的信号发射端由导线经过第一承压密封连接器121接金属天线罩6，所述调谐电路单元31输出的一导线经过第二承压密封连接器131电连接线圈8的一端，调谐电路单元31输出的另一导线经过第三承压密封连接器141电连接线圈8的另一端。

具体，第一承压密封连接器121上设有角度转换块1211、承力挡块1212以及密封圈，通过角度转换块1211和承力挡块1212来抵抗来自泥浆的作用力来实现密封。

所述第二穿线孔12、第三穿线孔13和第四穿线孔14的中部均设有一折弯部，该折弯部向近钻头仪器本体1中心拱起，以使所述第二穿线孔12、第三穿线孔13和第四穿线孔14为V形孔。

具体，线圈处的装配过程是：先套上绝缘环7和绝缘线圈支撑环5，绝缘线圈支撑环5上设置有多道线圈槽和磁块安装槽，磁块9用高强度胶液粘接到绝缘线圈支撑环5上，然后沿线圈槽绕制线圈8，线圈8缠绕时首先从远端缠绕，即首先缠绕的线圈位于过渡区所有导线的底部，线圈8缠绕完成后，两端分别连接第一橡胶胶套81、第二橡胶胶套82，如图7所示。然后，套上金属天线罩6。接着，将第一橡胶胶套81、第二橡胶胶套82分别与第二承压密封连接器131、第三承压密封连接器141连接实现电连接及承压密封。第一橡胶胶套81、第二橡胶胶套82安装后灌封硅基灌封软胶，再接着，在绝缘线圈支撑环5的第二孔槽52上安装绝缘护盖521，绝缘护盖521通过螺钉与近钻头仪器本体1连接。最后，拧紧预紧环17后再在预紧环17端面处焊接固定。安装完成后，在整个线圈系结构灌封高温环氧树脂，该高温环氧树脂将磁块9、绝缘护盖521、绝缘线圈支撑环5、两个绝缘环7、线圈8及金属天线罩6之前的所有缝隙填满高温环氧树脂。

绝缘护盖521可以是PEEK材料或高强度抗冲击陶瓷材料。

本实施例具有电极式传输工作模式和电磁波传输工作模式，以此能分别工作于水基泥浆和油基泥浆，实现仪器在不同泥浆电阻率条件下的稳定传输。两种发射模式的兼容使仪器具备更好的钻井环境适用性。

上述实举例，实际中，不设调谐电路仓3也可，将调谐电路单元31也设于综合电路仓2中。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，包括一近钻头仪器本体（1），该近钻头仪器本体（1）的下端用于与钻头连接，其上端用于与螺杆连接；其特征在于：

所述近钻头仪器本体（1）的外周上设有综合电路仓（2）及地层参数测量仓（4）；

所述综合电路仓（2）内设有电源控制单元、隔离控制单元、第一发射控制电路单元及第二发射控制电路单元，电源控制单元经隔离控制单元向第一发射控制电路单元和第二发射控制电路单元供电；所述第一发射控制电路单元用于发射恒功率直流信号；所述第二发射控制电路单元用于发射交流信号；

所述地层参数测量仓（4）内用于放置测量传感器；

所述近钻头仪器本体（1）内还设有调谐电路单元（31）以及电池；

所述近钻头仪器本体（1）上在设有综合电路仓（2）及地层参数测量仓（4）的位置的上方套设有一绝缘线圈支撑环（5），在该绝缘线圈支撑环（5）的外周上套设有金属天线罩（6），且该金属天线罩（6）的上端和下端处各设有绝缘环（7），以此金属天线罩（6）与近钻头仪器本体（1）相绝缘；并且，在绝缘线圈支撑环（5）的外周与金属天线罩之间设有线圈（8）和磁块（9）；

所述近钻头仪器本体（1）内开设有第一穿线孔（11）连通所述综合电路仓（2）与地层参数测量仓（4），开设有第二穿线孔（12）连通所述综合电路仓（2）与绝缘线圈支撑环（5）上的第一孔槽（51），开设有第三穿线孔（13）连通所述调谐电路单元（31）所在位置与绝缘线圈支撑环（5）上的第二孔槽（52），开设有第四穿线孔（14）也连通所述调谐电路单元（31）所在位置与绝缘线圈支撑环（5）上的第二孔槽（52）；

所述第一发射控制电路单元和第二发射控制电路单元的输入端由导线穿过第一穿线孔（11）接至地层参数测量仓（4）供接测量传感器；

所述第一发射控制电路单元的电路接地端电连接近钻头仪器本体（1），其信号发射端由导线穿过第二穿线孔（12）及绝缘线圈支撑环（5）上的第一孔槽（51）后与金属天线罩（6）电连接；

所述第二发射控制电路单元的输出端与调谐电路单元（31）电连接，而调谐电路单元（31）输出两根导线，其一根导线穿过第三穿线孔（13）及绝缘线圈支撑环（5）上的第二孔槽（52）与线圈（8）的一端电连接，其另一根导线穿过第四穿线孔（14）及绝缘线圈支撑环（5）上的第二孔槽（52）与线圈（8）的另一端电连接。

2.根据权利要求1所述适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，其特征在于：所述近钻头仪器本体（1）的外周上还设有一调谐电路仓（3），所述综合电路仓（2）、调谐电路仓（3）、地层参数测量仓（4）三者在钻头仪器本体（1）的周向上相距分布；所述调谐电路单元（31）设置在调谐电路仓（3）内，所述第三穿线孔（13）的一端连通调谐电路仓（3），第四穿线孔（14）的一端也连通调谐电路仓（3）；所述近钻头仪器本体（1）内开设有第五穿线孔（15）连通所述综合电路仓（2）与调谐电路仓（3）；所述第二发射控制电路单元的输出端经导线穿过第五穿线孔（15）后进入调谐电路仓（3）与调谐电路单元（31）电连接。

3.根据权利要求2所述适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，其特征在于：所述综合电路仓（2）、调谐电路仓（3）、地层参数测量仓（4）三者在钻头仪器本体（1）周向上的一定角度内均布，且调谐电路仓（3）位于所述综合电路仓（2）与地层参数测量仓（4）之间。

4.根据权利要求6所述适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，其特征在于：所述近钻头仪器本体（1）的外周上还设有两个电池仓（18、19），所述两个电池仓（18、19）、综合电路仓（2）、地层参数测量仓（4）四者在在钻头仪器本体（1）一周上均布，所述调谐电路仓（3）位于所述综合电路仓（2）与地层参数测量仓（4）之间，使调谐电路仓（3）与综合电路仓（2）与地层参数测量仓（4）的夹角均为45度；所述电池设于两个电池仓（18、19）内。

5.根据权利要求1所述适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，其特征在于：所述第二穿线孔（12）内密封阻隔设有第一承压密封连接器（121），第三穿线孔（13）内密封阻隔设有第二承压密封连接器（131），第四穿线孔（14）内密封阻隔设有第三承压密封连接器（141）；所述第一发射控制电路单元的信号发射端由导线经过第一承压密封连接器（121）接金属天线罩（6）；所述调谐电路单元（31）输出的一导线经过第二承压密封连接器（131）电连接线圈（8）的一端，调谐电路单元（31）输出的另一导线经过第三承压密封连接器（141）电连接线圈（8）的另一端。

6.根据权利要求5所述适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，其特征在于：所述第二穿线孔（12）、第三穿线孔（13）和第四穿线孔（14）的中部均设有一折弯部，该折弯部向近钻头仪器本体（1）中心拱起，以使所述第二穿线孔（12）、第三穿线孔（13）和第四穿线孔（14）为V形孔。

7.根据权利要求1所述适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，其特征在于：所述磁块（9）在绝缘线圈支撑环（5）的周向上均布嵌设，而所述线圈（8）缠绕于绝缘线圈支撑环（5）的周向上。

8.根据权利要求7所述适用于近钻头仪器的双传输模式传输装置，其特征在于：所述线圈（8）、磁块（9）、绝缘线圈支撑环（5）、绝缘环（7）、金属天线罩（6）之间灌封高温环氧树脂。

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