井下信息声波信号中继系统的制作方法

本发明属于石油与天然气钻井工程技术领域，涉及一种随钻信息传输系统具体地说，涉及一种基于声波的井下信息声波信号中继系统。

背景技术：

由目前世界油气资源开采时遭遇的地质条件及自然环境条件可知，未来的石油钻井行业将遭遇地质条件更复杂、自然环境更恶劣的严峻挑战，因此，对油气钻井的井下过程监测提出了更高的要求。

井下信息的高速传输和有效获取是实现井下过程精确监测的关键，是实现快速、优质钻井的关键技术。目前已提出并应用的井下信息传输方式主要有线传输、钻井液脉冲传输、电磁波传输及声波传输四种。上述四种传输方式的前三种方式在现场应用中会存在以下问题：

(1)有线传输：虽然能够实现井下信息的快速、大量传输，但在钻井过程中钻柱的旋转易导致传输电缆磨断或绞断，影响正常钻进。

(2)钻井液脉冲传输：利用钻井液的压力波作为传输载体，对钻井液有很强的依赖性，且存在传输速率较慢、易受井下噪声干扰、不能实现信息双向传输等缺点。

(3)电磁波传输：虽然摆脱了对钻井液的依赖，且能够实现井下信息的双向传输，但存在对地层有依赖性、在地层中衰减较大、通用性差、成本高等缺点。

井下信息声波传输方式在应用过程中相比上述三种方式具有以下优点：该传输方式是以钻柱作为传输信道，以声波作为信号载体，进行井下信息的无线传输方式。由于利用钻柱作为传输信道，该信息传输方式不依赖于钻井液的存在与否及性质差异，也不受地层内磁性物质的干扰，为井下信息的高速传输提供了条件。此外，还具有成本低、结构简单、易于定向发射等优点。然而，声波在井底钻柱中传输时的衰减问题一直是制约钻井信息声波传输技术得到推广应用的瓶颈。如何对钻柱中微弱声信号进行有效检测并放大后再次发射是实现井下信息长距离传输必须解决的难题。因此，设计一种能够对钻柱中微弱声信号进行有效检测并放大后再次发射的声波信号中继系统对克服声波在井底钻柱传输过程中的衰减并拓展声波在井底钻柱中的传输距离具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明针对声波在井底钻柱中传输时衰减快、微弱声信号检测难等上述问题，提供了一种能够在钻柱信道内实时接收并再次发生井下信息的井下信息声波信号中继系统，该系统通过声波的传输实现钻井信息在钻柱中的实时接收和再次发生，进而实现井下信息在钻柱信道内高速、有效传输。

为了达到上述目的，本发明提供了一种井下信息声波信号中继系统，包括依次连接的上接头、仪器仓保护筒和下接头；所述仪器仓保护筒内安装有依次连接的换能器保护筒、仪器仓和加速度计保护筒，所述换能器保护筒的端部与上接头配合，所述仪器仓与加速度计保护筒连接的一端与所述仪器仓保护筒的端部连接，所述加速度计保护筒的端部与下接头配合；所述换能器保护筒内安装有换能器；所述仪器仓内设有电路模块，所述电路模块为依次连接的换能器驱动电路、编码转码电路和解码电路；所述加速度计保护筒内设有加速度计，加速度计接收的钻井信息传输至解码电路解码后传输至编码转码电路中进行编码和转码，编码转码后的钻井信息传输至换能器驱动电路中进行信号放大，换能器驱动电路驱动换能器将转码后的钻井信息转换成声波信号发出。

优选的，所述上接头外部设有用于连接仪器仓保护筒的仪器仓保护筒连接扣，用于与换能器保护筒配合的换能器保护筒配合面，以及用于接触换能器的换能器接触面；所述上接头内部设有用于连接钻杆的钻杆连接扣，用于钻井液分流的钻井液分流面，以及用于流通钻井液的钻井液分流流道。

进一步的，所述换能器保护筒配合面上设有密封槽。

优选的，所述仪器仓保护筒外部为一等直径圆柱面；所述仪器仓保护筒内部依次设有用于连接上接头的上接头连接扣，用于放置仪器仓的仪器仓外筒，用于支撑仪器仓的仪器仓支撑面，用于保护加速度计并为钻井液提供流道的加速度计保护筒外筒，以及用于连接下接头的下接头连接扣。

优选的，所述下接头外部设有用于与加速度计保护筒配合的加速度计保护筒配合面，用于为加速度计保护筒与下接头接触时提供支撑的加速度计保护筒支撑面，用于连接仪器仓保护筒的仪器仓保护筒连接扣，以及用于连接钻杆的钻杆连接扣；所述下接头外部设有用于流通钻井液的钻井液分流流道。

优选的，所述换能器保护筒外部为一等直径圆柱面；所述换能器保护筒内部设有用于配合上接头端部的上接头配合面，用于为上接头提供支撑的上接头支撑面，用于为换能器提供扶正支撑的换能器扶正面，用于放置换能器的换能器外筒，以及用于连接仪器仓端部的仪器仓连接扣。

优选的，所述换能器扶正面的外径小于上接头配合面，所述换能器外筒直径大于换能器扶正面。

进一步的，所述仪器仓内还设有为电路模块供电的供电模块，所述供电模块为电池组。

优选的，所述仪器仓外部设有用于连接换能器保护筒的换能器保护筒连接扣，用于支撑仪器仓上部的仪器仓上部支撑面，用于保护仪器的仪器保护筒，以及用于支撑仪器仓下部的仪器仓下部支撑面；所述仪器仓内部设有用于支撑换能器的换能器支撑面，用于为连接仪器与换能器的导线提供通道的上部导线连接孔，用于为流通钻井液的仪器仓内部流道，用于放置换能器驱动电路、编码转码电路的第一电路仓，用于放置解码电路的第二电路仓，用于放置电池组的电池仓，用于为连接电池组与电路模块的导线提供通道的仓间连接孔，用于为第一电路仓和第二电路仓之间的导线提供通道的电路仓连接槽，用于为进入仪器仓的导线提供通道的下部导线连接孔，以及用于连接加速度计保护筒的端部的加速度计保护筒连接扣。

优选的，所述仪器仓上部支撑面和所述仪器仓下部支撑面均开设有密封槽；所述仪器仓内部流道为圆周分布的六个圆形通孔，两侧流道直径小于中间流道直径；所述第一电路仓和所述第二电路仓均为矩形开口槽；所述电池仓为三个互不相通的矩形开口槽，分别为第一电池仓、第二电池仓、第三电池仓，电池仓深度大于所述第一电路仓和所述第二电路仓的深度；所述仓间连接孔为三个均匀分布圆形通孔，第一圆形通孔连接第一电路仓和第一电池仓，第二圆形通孔连接第一电路仓和第二电池仓，第三圆形通孔连接第二电路仓和第三电池仓。

优选的，所述加速度计保护筒外部为阶梯状圆柱面，依次设有用于与仪器仓端部连接仪器仓连接扣和用于为加速度计保护筒安装时提供支撑的加速度计保护筒支撑面；所述加速度计保护筒内部设有为连接加速度计和解码电路的导线提供通道的导线连接孔，用于安装加速度计的加速度计安装槽，以及用于接触下接头的下接头配合面。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明设有电路模块和加速度计，电路模块包括依次连接换能器驱动电路、编码转码电路和解码电路，加速度计接收的钻井信息传输至解码电路解码后传输至编码转码电路中进行编码和转码，编码转码后的钻井信息传输至换能器驱动电路中进行信号放大，换能器驱动电路驱动换能器将转码后的钻井信息由电信号转换成声波信号发出，在保持正常钻井的同时，实现实时接收来自钻柱下部的携带钻井信息的微弱声波信号，并将有效信号放大后再次发生，通过增加有效声信号强度克服钻井信息通过声波在钻柱信道中传输时的衰减，进而增加钻井信息在钻柱中的传输距离。

(2)本发明长度为5m，结构简单且无活动部件，使用时不影响钻具配合，循环压降低于钻铤压降，降低了额外作业风险，可根据钻井深度安装若干个本发明所述的中继系统，实现钻井信息的长距离传输。

(3)本发明能够对钻柱中微弱声信号进行有效检测，并对有效信号进行放大后再次发出，能够实现钻井信息的实时、准确转换，抗噪声干扰能力强。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为本发明一个实施例中上接头的结构示意图。

图3为本发明图2的A-A向剖面图。

图4为本发明一个实施例中仪器仓保护筒的结构示意图。

图5为本发明一个实施例中下接头的结构示意图。

图6为本发明一实施例中换能器保护筒的结构示意图。

图7为本发明图6的A-A向剖面图。

图8为本发明一实施例中仪器仓的结构示意图。

图9为本发明图8的A-A向剖面图。

图10为本发明图8的B-B向剖面图。

图11为本发明图8的C-C向剖面图。

图12为本发明图8的D-D向剖面图。

图13为本发明一实施例中加速度计保护筒的结构示意图。

图14为本发明图13的A-A向剖面图。

图中，1、上接头，101、仪器仓保护筒连接扣，102、换能器保护筒配合面，103、换能器接触面，104、钻杆连接扣，105、钻井液分流面，106、钻井液分流流道，107、密封槽，2、仪器仓保护筒，201、上接头连接扣，202、仪器仓外筒，203、仪器仓支撑面，204、加速度计保护筒外筒，205、下接头连接扣，3、下接头，301、加速度计保护筒配合面，302、加速度计保护筒支撑面，303、仪器仓保护筒连接扣，304、钻杆连接扣，305、钻井液分流流道，306、密封槽，4、换能器保护筒，401、上接头配合面，402、上接头支撑面，403、换能器扶正面，404、换能器外筒，405、仪器仓连接扣，5、仪器仓，501、换能器保护筒连接扣，502、仪器仓上部支撑面，503、仪器保护筒，504、仪器仓下部支撑面，505、换能器支撑面，506、上部导线连接孔，507、仪器仓内部流道，5081、第一电路仓，5082、第二电路仓，5091、第一电池仓，5092、第二电池仓，5093、第三电池仓，510、仓间连接孔，511、电路仓连接槽，512、下部导线连接孔，513、加速度计保护筒连接扣，514、密封槽，6、加速度计保护筒，601、仪器仓连接扣，602、加速度计保护筒支撑面，603、导线连接孔，604、加速度计安装槽，605、下接头配合面，7、换能器，8、换能器驱动电路，9、编码转码电路，10、解码电路，11、供电模块，12、加速度计。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的一个实施例中，参见图1，提供了一种井下信息声波信号中继系统，包括由上至下依次连接的上接头1、仪器仓保护筒2和下接头3；所述仪器仓保护筒2内安装有依次连接的换能器保护筒4、仪器仓5和加速度计保护筒6，所述换能器保护筒4的上端与上接头1配合，所述仪器仓5与加速度计保护筒6连接的一端与所述仪器仓保护筒2的下端连接，所述加速度计保护筒6的下端与下接头3配合；所述换能器保护筒4内安装有换能器7；所述仪器仓5内设有电路模块，所述电路模块为依次连接的换能器驱动电路8、编码转码电路9和解码电路10；所述加速度计保护筒6内设有加速度计12，加速度计12接收的钻井信息传输至解码电路10解码后传输至编码转码电路9中进行编码和转码，编码转码后的钻井信息传输至换能器驱动电路8中进行信号放大，换能器驱动电路8驱动换能器7将转码后的钻井信息转换成声波信号发出。

为了便于仪器仓保护筒、换能器保护筒以及换能器的安装和使用、便于钻井液的流通以及实现声波信号传入上接头，参见图2、图3，在本发明一实施例中，所述上接头1外部由上至下依次设有用于连接仪器仓保护筒2的仪器仓保护筒连接扣101，用于与换能器保护筒3配合的换能器保护筒配合面102，以及用于接触换能器7的换能器接触面103；所述上接头1内部由上至下依次设有用于连接钻杆的钻杆连接扣104，用于钻井液分流的钻井液分流面105，以及用于流通钻井液的钻井液分流流道106。参见图3，在本发明一优选实施例中，所述的钻井液分流流道106为三个，钻井液通过钻杆内部进入上接头，到达钻井液分流面，经钻井液分流面分流后进入分流三个钻井液分流通道进行传输。

为了保证上接头与换能器保护筒之间的安装密封，参见图2，在本发明一优选实施例中，所述换能器保护筒配合面102上设有密封槽107。

为了便于上接头、仪器仓以及加速度计保护筒的安装和使用，参见图4，在本发明一实施例中，所述仪器仓保护筒2外部为一等直径圆柱面，所述仪器仓保护筒2内部由上至下依次设有用于连接上接头1的上接头连接扣201，用于放置仪器仓5的仪器仓外筒202，用于支撑仪器仓5的仪器仓支撑面203，用于保护加速度计12并为钻井液提供流道的加速度计保护筒外筒204，以及用于连接下接头3的下接头连接扣205。

为了便于加速度计保护筒和下部钻杆的安装使用，以及钻井液的流通，参见图5，在本发明一实施例中，所述下接头3外部设有用于与加速度计保护筒6配合的加速度计保护筒配合面301，用于为加速度计保护筒6与下接头3接触时提供支撑的加速度计保护筒支撑面302，用于连接仪器仓保护筒2的仪器仓保护筒连接扣303，以及用于连接钻杆的钻杆连接扣304；所述下接头3外部设有用于流通钻井液的钻井液分流流道305。在本发明一优选实施例中，所述钻井液分流流道305为四个圆周均匀分布的等直径圆孔，且圆孔的轴线与下接头3的轴线具有相同的夹角。在本发明另一优选实施例中，所述加速度计保护筒配合面上开有密封槽306，通过密封槽对加速度保护筒和下接头之间进行密封。

为了便于换能器和仪器仓的安装和使用，参见图6、图7，在本发明一实施例中，所述换能器保护筒4外部为一等直径圆柱面；所述换能器保护筒4内部由上至下依次设有用于配合上接头1端部的上接头配合面401，用于为上接头1提供支撑的上接头支撑面402，用于为换能器7提供扶正支撑的换能器扶正面403，用于放置换能器7的换能器外筒404，以及用于连接仪器仓5端部的仪器仓连接扣405。

为了能够为上接头提供上接头支撑面，参见图6，在本发明一优选实施例中，所述换能器扶正面403的外径小于上接头配合面401。为了保证换能器的安装及使用，参见图6，在本发明另一优选实施例中，所述换能器外筒404直径大于换能器扶正面403。

为了保证电路模块正常工作，参见图1，在本发明又一实施中，所述仪器仓5内还设有为电路模块供电的供电模块11。在本发明一优选实施例中，所述供电模块为电池组。

为了便于电路模块、电池组及换能器的安装及使用，参见图8至图12，在本发明某一实施例中，所述仪器仓5外部设有用于连接换能器保护筒4的换能器保护筒连接扣501，用于支撑仪器仓5上部的仪器仓上部支撑面502，用于保护仪器的仪器保护筒503，以及用于支撑仪器仓5下部的仪器仓下部支撑面504；所述仪器仓5内部设有用于支撑换能器7的换能器支撑面505，用于为连接仪器与换能器的导线提供通道的上部导线连接孔506，用于为流通钻井液的仪器仓内部流道507，用于放置换能器驱动电路8、编码转码电路9的第一电路仓5081，用于放置解码电路10的第二电路仓5082，用于放置电池组的电池仓，用于为连接电池组与电路模块的导线提供通道的仓间连接孔510，用于为第一电路仓5081和第二电路仓5082之间的导线提供通道的电路仓连接槽511，用于为进入仪器仓的导线提供通道的下部导线连接孔512，以及用于连接加速度计保护筒6的端部的加速度计保护筒连接扣513。

参见图8，在本发明某一优选实施中，所述仪器仓上部支撑面502和所述仪器仓下部支撑面504均开设有密封槽514，用于仪器仓和仪器仓保护筒之间的密封。所述仪器仓内部流道507为圆周分布的六个圆形通孔，两侧流道直径小于中间流道直径，用于为钻井液提供通道。所述第一电路仓5081和所述第二电路仓5082均为矩形开口槽；所述电池仓为三个互不相通的矩形开口槽，分别为第一电池仓5091、第二电池仓5092、第三电池仓5093，电池仓深度大于所述第一电路仓5081和所述第二电路仓5082的深度。所述仓间连接孔510为三个均匀分布圆形通孔，第一圆形通孔连接第一电路仓5081和第一电池仓5091，第二圆形通孔连接第一电路仓5081和第二电池仓5092，第三圆形通孔连接第二电路仓5082和第三电池仓5093。

为了便于加速度计保护筒和加速度计的安装于与使用，参见图13，所述加速度计保护筒6外部为阶梯状圆柱面，由上至下依次设有用于与仪器仓端部连接仪器仓连接扣601和用于为加速度计保护筒6安装时提供支撑的加速度计保护筒支撑面602；所述加速度计保护筒6内部由上至下设有为连接加速度计12和解码电路10的导线提供通道的导线连接孔603，用于安装加速度计12的加速度计安装槽604，以及用于接触下接头3的下接头配合面605。为了便于加速度计的安装及使用，在本发明一优选实施例中，参见图14，所述加速度计安装槽604为一方形槽，使加速度计12与加速度计保护筒6紧密结合。加速度计保护筒6的下部通过下接头配合面605与下接头3接触，使声波信号由下接头3传入加加速计保护筒6。

上述实施例所述的井下信息声波信号中继系统的安装过程如下：

(1)换能器驱动电路、编码转码电路、解码电路、电池组密封固定于仪器仓中，且通过上部导线连接孔、仓间连接孔、电路仓连接槽、下部导线连接孔利用导线连接；

(2)仪器仓上端安装换能器，且仪器仓的换能器保护筒连接扣通过螺纹连接换能器保护筒，仪器仓下端的加速度计保护筒连接扣通过螺纹连接加速度计保护筒，且加速度计紧密安装于加速度计保护筒内部的加速度计安装槽中；换能器保护筒上端与上接头下端紧密配合，且上接头的仪器仓保护筒连接扣通过螺纹连接仪器仓保护筒；加速度计保护筒的下接头配合面与下接头紧密配合；仪器仓保护筒的下接头连接扣通过螺纹连接下接头，下接头的钻杆连接扣通过螺纹连接钻杆。

在钻井过程中，使用上述实施例所述的井下信息声波信号中继系统将钻井信息转换为声波信息时，其钻井信息传递过程为：从下部钻杆传送的声波信息通过下接头传入加速度计保护筒，由加速度计保护筒内部的加速度计收集并将声波信号转换为电信号，通过导线经电信号传输至解码电路进行解码，解码后的电信号传输至编码转码电路进行编码和转码，经编码转码后的信号传送至换能器驱动电路进行信号放大，最终将放大后的信号通过导线传送至换能器；换能器将接收到的电信号转换成声信号传送至上接头，再通过上接头传送至上部的中继装置或接收装置，实现钻井信息的声信号中继。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。