一种基于三芯同轴连接的随钻测量井下系统的制作方法

本发明属于石油勘探随钻测量设备领域，尤其涉及一种基于三芯同轴连接的随钻测量井下系统。

背景技术：

目前在石油钻井作业中，尤其是水平井和定向井钻井作业中，广泛采用随钻测量系统（MWD）进行井眼轨迹检测，进而指导钻进过程。在一些复杂地层构造、薄油层或井况环境复杂时，为了精确的定位油层位置、降低开发风险等目标，经常需要采用一些具有探测地层属性的地质类仪器或检测井下工况的仪器，随钻录井系统（LWD）指的是上述这些特殊仪器结合MWD系统构成的一套完善的钻井评价系统，LWD系统可以看作是MWD系统的扩展、升级产品。

目前国际上以及国内有很多成功应用的MWD系统和LWD系统，它们的构架各不相同，仪器间连接器的数目差异很大，有缆芯数目极少的单芯连接，也有很复杂的20多芯的连接器。连接器缆芯数目少，则很容易做的更加可靠，仪器连接操作也更为容易、便捷，但是一般情况下系统实现的功能也难以做的更加强大、灵活，缆芯数目很少的系统基本都是MWD系统，且基本不具备扩展成LWD系统的能力；连接器缆芯数目多的MWD系统或LWD系统，系统很容易构架得更为强大、灵活，但是连接器的机械强度不高、寿命不长，连接操作一般也需要特别小心细致。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种基于三芯同轴连接的随钻测量井下系统，该系统连接缆芯数目少，可靠性高，同时该系统能很方便的挂接LWD仪器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于三芯同轴连接的随钻测量井下系统，包括三根总线、公、母接插件、脉冲器、电源、电子探管、伽马探管和底鼻，三根总线分别为电源线（VPWR）、地线（GND）、仪器串行通信总线（TSB），脉冲器、电源、电子探管、伽马探管和底鼻依次连接，电源、电子探管、伽马探管和底鼻中相邻的电器通过公、母接插件进行电气连接，公、母接插件为多台阶的圆筒件，公接插件带有两段凸出的圆柱和中间凹陷的圆槽，母接插件带有两端凹陷的圆柱和中间凸出的圆柱，母接插件上两端凹陷的圆柱内壁上设有弧形凸起，公、母接插件内分别设有与三根总线连接的连接点，电子探管上端的仪器外壳统一用作地线。

在上述技术方案中，所述电源为主电池和备用电池，脉冲器连接有驱动短节，所述驱动短节与备用电池连接，备用电池与主电池之间连接有电池切换短节。

在上述技术方案中，所述电源为单电池时，脉冲器接有驱动短节，所述驱动短接连接有电池切换短节，该电池切换短节与电池连接。

在上述技术方案中，所述电池切换短节包括切换MCU（微控制单元）, 切换MCU连接有双通道DAC、电流检测1和执行机构，双通道DAC连接有运放器和比较器，运放器和比较器连接到执行机构，运放器连接有电压检测单元，电压检测单元与住电流的电路连接，执行机构与导通控制器连接，导通控制器连接到备用电源，电流检测1和导通控制器连接有电流检测2，电流检测2连接到切换MCU。

在上述技术方案中，所述电源为自发电式脉冲器和电池时，该自发电式脉冲器连接有转换短节，该转换短节与电池连接。

在上述技术方案中，所述电源为自发电式脉冲器，该自发电式脉冲器连接有转换短节，转换短节与空电池筒连接。

在上述技术方案中，所述转换短节包括转换MCU, 转换MCU连接有通信接口、FLASH存储器、实时时钟、电流电池检测器、发电机电流检测器、单相频率检测器和三相电整流器，电池电流检测器与电池连接，发电机电流检测器与三相电整流器连接，单相频率检测器与发电机连接，电池电流检测器和发电机电流检测器并联。

在上述技术方案中，电子探管下端可以按任意顺序挂接扩展不超过12个地质类仪器，钻铤内细杆仪器可直接通过三芯同轴接插件连接到电子探管下面，钻铤式仪器可通过专用的转换器连接到仪器串的最下端。

本发明的有益效果是：仅采用三根总线和公、母接插件将各个一起连接，缆芯数目少，可靠性高，公、母接插件之间通过螺纹旋紧即可，连接方便，大大降低现场挂接LWD地质类仪器的难度；支持多种方式供电，可以根据现场施工情况选择供电方式；具有很强的扩展能力，能轻松的挂接LWD地质类仪器从而构成LWD系统。

附图说明

图1为本发明的公插接件的剖视图。

图2为本发明的母接插件的剖视图。

图3为公、母接插件连接后的剖视图。

图4为本发明中电源为双电池供电时的结构示意图。

图5为本发明中电源为单电池供电时的结构示意图。

图6为图4和图5中电池切换短节的结构示意图。

图7为本发明中电源为自发电式脉冲器和电池时的结构示意图。

图8本发明中电源为自发电式脉冲器时的结构示意图。

图9为图7和图8中转换短节的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1到图8所示的一种基于三芯同轴连接的随钻测量井下系统，其特征是：包括三根总线、公、母接插件、脉冲器、电源、电子探管、伽马探管和底鼻，三根总线分别为电源线（VPWR）、地线（GND）、仪器串行通信总线（TSB），脉冲器、电源、电子探管、伽马探管和底鼻依次连接，电源、电子探管、伽马探管和底鼻中相邻的电器通过公、母接插件进行电气连接，公、母接插件为多台阶的圆筒件，公接插件带有两段凸出的圆柱和中间凹陷的圆槽，母接插件带有两端凹陷的圆柱和中间凸出的圆柱，母接插件上两端凹陷的圆柱内壁上设有弧形凸起，公、母接插件内分别设有与三根总线连接的连接点，电子探管上端的仪器外壳统一用作地线。为了使得所述系统构架支持LWD仪器扩展，井下仪器串采用上悬挂安装方式，并且把脉冲器设计在系统构架的顶端，在脉冲器外围实现悬挂盘，这样将来扩展的LWD仪器就可以挂接在仪器串的下端，而这正是实际工程施工时所期望的挂接形式——探测地层属性的仪器更加靠近钻头，测量数据更加及时、准确（受泥浆污染的影响较小）！

如图4所示，所述电源为主电池和备用电池，脉冲器连接有驱动短节，所述驱动短节与备用电池连接，备用电池与主电池之间连接有电池切换短节。

如图5所示，所述电源为单电池时，脉冲器接有驱动短节，所述驱动短接连接有电池切换短节，该电池切换短节与电池连接。

如图6所示，所述电池切换短节包括切换MCU（微控制单元）, 切换MCU连接有双通道DAC、电流检测1和执行机构，双通道DAC连接有运放器和比较器，运放器和比较器连接到执行机构，运放器连接有电压检测单元，电压检测单元与住电流的电路连接，执行机构与导通控制器连接，导通控制器连接到备用电源，电流检测1和导通控制器连接有电流检测2，电流检测2连接到切换MCU。

切换MCU定时采集负载总电流，得出当前一段时间的平均电流值，然后再按照特定系数（20%）算出主电源可以工作的最低电流阈值I_min；MCU通过SPI接口设定双通道DAC的2路输出电压，其中低电压阈值V_min是固定不变的，而低电流阈值I_min是通过计算负载电流不断更新的；主电池电压接近低压阈值V_min时，运放输出电压开始降低，执行机构控制导通机构，让备用电池部分供电，反馈控制使得运放输出保持高电压的状态。

这样主电池和备用电池同时供电，且都以接近低电压阈值V_min的电压来给负载供电。此时备用电池的供电效率比较低。

同时执行机构会产生中断输出，通知MCU备用电池已经介入供电，MCU会记录此时主电池的供电电流，它是主电池单独供电能够提供的最大临界电流MI_max。

当主电池快耗尽时，它已经无法提供很多电流，如果它提供的电流小于低电流阈值I_min，那么比较器翻转，通知执行机构完全打开备用电池供电！此时备用电池不用再降压到低电压阈值处供电，而是全部导通供电，它的供电效率更高。

此后如果负载电流一直不降低，那么主电池将不再供电，因为如果要让主电池供电，必然要降低备用电池的供电效率。如果负载总电流降低，MCU通过自带的ADC检测到负载总电流，如果MCU发现主电池临界电流MI_max≥负载总电流*50%，那么MCU将低电流阈值I_min设定到零，重新激活主电池供电。

双电池切换供电时：两个电池短节BATT1和BATT2“头对头”安装，中间连接电池切换短节，3芯中有2芯为过通线——XCL和VPWR，其中VPWR为电池切换短节通过判断BATT1+和BATT2+电压状况而产生的一个电源信号，如果BATT1能够独立供电，那么VPWR采用BATT1供电，否则BATT1和BATT2一起供电，这样实现尽可能的消耗主电池BATT1的电量；3芯中还有一芯用来连接电池的正、负极。由于采用“头对头”安装，电池正极全部接入切换短节，而负极在仪器内部同时连接到3芯同轴接插件上和仪器外壳上，这样既保证了电池负极连接到GND网络上，也将下端电子探管和上端驱动短节连接到GND网络上，使得整个系统的供电回路完整。

驱动短节上端连接的是脉冲器，由于不同的脉冲器实现的原理不同，故机械接口也不可能相同，所以就没有采用3芯同轴连接方式。我们的系统可以挂接两种脉冲器，一种是普通的脉冲器，它采用单芯接口（外壳做GND回路）；还有一种是自发电式脉冲器，简言之就是发电机+脉冲器，它采用7芯航插接口（包含3根3相交流电，2根脉冲器驱动线）。针对接口不同，通过驱动短节或转换短节将仪器接口统一成3芯同轴连接方式，这样便可以挂接到该系统中。

一个电池短节一般可以使用150~200小时，而现场施工时一个钻头一般可以工作70~80小时，井队施工只会从工程上考虑起下钻（比如更换钻头），而不会考虑仪器方面。所以往往会出现这样一个问题，如果电池只剩下30~40小时容量，那么大部分情况下这个电池是没有办法用的，这就造成了电池的利用率很低，间接增加量仪器使用成本。采用双电池切换方式工作就完全避免了这种情况，备用电池的存在可以保证主电池完全耗尽，不会对施工造成任何影响！

单电池供电时：在双电池切换供电方式下，直接将电池组BATT2去掉，则系统就成了单电池供电方式。

之所以这样能够进行工作，是因为去掉BATT2之后，上端的驱动短节的GND信号就会接到电池切换短节中原先的BATT2+网络上，电池切换电路检测到BATT2+信号电压很低，无法供电，就会只采用BATT1供电，即使BATT1供电不足也不会切换！

如果主电池BATT1为新电池，完全满足现场施工要求，那么没有必要再接备用电池BATT2，这样仪器串比较短，便于施工操作；且备用电池也无需在恶劣的工作环境中（高温、强振动）受到损伤！

如图7所示，所述电源为自发电式脉冲器和电池时，该自发电式脉冲器连接有转换短节，该转换短节与电池连接。

如图8所示，所述电源为自发电式脉冲器，该自发电式脉冲器连接有转换短节，转换短节与空电池筒连接。

如图9所示，所述转换短节包括转换MCU, 转换MCU连接有通信接口、FLASH存储器、实时时钟、电流电池检测器、发电机电流检测器、单相频率检测器和三相电整流器，电池电流检测器与电池连接，发电机电流检测器与三相电整流器连接，单相频率检测器与发电机连接，电池电流检测器和发电机电流检测器并联。

发电机3相交流电整流、滤波；

发电机、电池采用二极管并联输出到VPWR，发电机工作时电压较高，由它向负载供电，发电机停止工作时，由电池向负载供电；转换MCU通过自带ADC采集电池电流、发电机电流、发电机电压；转换MCU检测单相电的频率，并计算出发电机的转速；转换MCU获取实时时钟（带备用小电池）的时间信息，然后将电流、电压、转速、时间等信息存储到FLASH中；仪器从井下取出后，通过专用测试设备可以读取仪器FLASH中存储的信息；通过专用的测试软件可以分析井下工作时电池消耗的电量、发电机工作状态、发电机和电池切换工作是否正常等功能。

发电机和电池混合供电时：此工作方式是在单电池供电的基础上改进而成，其中顶端的脉冲器更换成自发电式脉冲器，接着下端的转换短节同时集成了驱动短节和电池切换短节的功能，再下端的连接方式与单电池的连接方式完全一致。

转换短节内部实现了3相交流电的整流、滤波、发电机和电池之间的电源切换等功能。

发电机工作时需要较好的工况环境，否则其输出电源不够稳定，且可能会出故障，采用混合方式供电就可以杜绝这类现象，大大降低了仪器故障风险。同时系统支持静态测量，提高了测量精度。

发电机单独供电时：此工作方式是在混合供电的基础上去掉电池短节，但是采用一个空的电池短节（内部不装电池芯体），这样做就保证了连接方式与混合方式完全一样，唯一的区别是电池正极BATT1+是悬空的，没有电压，转换短节中电源切换电路只能选择发电机输出用作系统供电！

在施工工况非常良好的情况下适合此种工作方式，它节省了电池的消耗成本！

如果系统中电子探管下端不挂接别的LWD仪器，则整个系统构成一个最基本的MWD系统。如果需要扩展成LWD系统，只需要在电子探管下端挂接各种类型的LWD仪器即可，实现起来非常灵活。下端挂接的LWD仪器必须具备与电子探管完全一致的机械接口、电气接口、通信接口，每个仪器将3根总线（VPWR，GND，TSB）从上端贯通到下端，通过这种方式可以实现多个LWD地质类仪器的挂接。

在上述技术方案中，电子探管下端可以按任意顺序通过螺纹和公、母接插件挂接扩展不超过12个地质类仪器，钻铤内细杆仪器可直接通过三芯同轴接插件连接到电子探管下面，钻铤式仪器可通过专用的转换器连接到仪器串的最下端。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。