井下信息声波信号发生系统的制作方法

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发生系统。

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，钻井信息在井底的电-声信号实时转换及声波信号的准确发生是实现钻井信息声波传输的关键技术，如何将钻井信息实时、准确发生为强度大的通带频率内的声波信号是目前实现声波传输成功与否必须解决的难题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的应用范围受限、钻井信息传输速率慢等上述问题，提供了一种能够在钻柱信道内高速、有效传输井下信息的井下信息声波信号发生系统，该系统通过声波的传输实现钻井信息的准确、有效发生，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发生系统，包括上接头和与上接头端部连接的仪器仓保护筒；所述仪器仓保护筒内安装有依次连接的换能器保护筒、仪器仓和探测仪器备用连接管，所述换能器保护筒的端部与上接头配合，所述仪器仓与探测仪器备用连接管连接的一端与所述仪器仓保护筒的端部连接；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、转码电路和编码电路，钻井信息测量仪器测量的钻井信息传输至编码电路中进行编码，编码后的钻井信息传输至转码电路中进行转码，转码后的钻井信息传送至换能器驱动电路进行信号驱动，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，端部设有用于连接钻杆的钻杆连接扣；所述仪器仓保护筒内部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，以及用于保护探测仪器备用连接管并为钻井液提供流道的探测仪器备用连接管外筒。

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、转码电路的第一电路仓，用于放置编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，以及用于连接探测仪器备用连接管的端部的探测仪器备用连接管连接扣。

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，所述探测仪器备用连接管外部为阶梯状圆柱面，设有用于与仪器仓端部连接的仪器仓连接扣；所述探测仪器备用连接管内部为一等直径通孔，设有用于连接钻井信息测量仪器的探测仪器连接扣。

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，电路模块包括依次连接换能器驱动电路、转码电路和编码电路，通过钻井信息测量仪器测量钻井信息，钻井信息测量仪器测量的钻井信息传输至编码电路中进行编码，编码后的钻井信息传输至转码电路中进行转码，转码后的钻井信息传送至换能器驱动电路进行信号驱动，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强度大的通带频率内的声波信号发出，在保持正常钻井的同时，实现将收集的井底钻井信息转换为声波信号发出的目的。

(2)本发明长度为5.5m，结构简单且无活动部件，使用时不影响钻具配合，不影响动力钻具及随钻测量工具的工作，循环压降低于钻铤压降，降低了额外作业风险，实验使用寿命达200h，有益于井下长时间工作及信息的长距离传输。

(3)本发明抗噪声干扰能力强，能够实现钻井信息的实时、准确转换，应用范围广，可用于不同钻井方式，如平衡压力钻井、欠平衡压力钻井及空气钻井等。

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为本发明一实施例中换能器保护筒的结构示意图。

图6为本发明图5的A-A向剖面图。

图7为本发明一实施例中仪器仓的结构示意图。

图8为本发明图7的A-A向剖面图。

图9为本发明图7的B-B向剖面图。

图10为本发明图7的C-C向剖面图。

图11为本发明图7的D-D向剖面图。

图12为本发明一实施例中探测仪器备用连接管的结构示意图。

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、钻杆连接扣，202、上接头连接扣，203、仪器仓外筒，204、仪器仓支撑面，205、探测仪器备用连接管外筒，3、换能器保护筒，301、上接头配合面，302、上接头支撑面，303、换能器扶正面，304、换能器外筒，305、仪器仓连接扣，4、仪器仓，401、换能器保护筒连接扣，402、仪器仓上部支撑面，403、仪器保护筒，404、仪器仓下部支撑面，405、换能器支撑面，406、上部导线连接孔，407、仪器仓内部流道，4081、第一电路仓，4082、第二电路仓，4091、第一电池仓，4092、第二电池仓，4093、第三电池仓，410、仓间连接孔，411、电路仓连接槽，412、下部导线连接孔，413、探测仪器备用连接管连接扣，414、密封槽，5、探测仪器备用连接管，501、仪器仓连接扣，502、探测仪器连接扣，6、换能器，7、换能器驱动电路，8、转码电路，9、编码电路，10、供电模块。

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发生系统，包括上接头1和上端与上接头1连接的仪器仓保护筒2；所述仪器仓保护筒2内安装有换能器保护筒3、仪器仓4和探测仪器备用连接管5，所述换能器保护筒3上端与上接头1下端配合，换能器保护筒3下端连接仪器仓4上端，所述仪器仓4下端分别与所述仪器仓保护筒2下端和探测仪器备用连接管5上端连接；所述换能器保护筒3内安装有换能器6，所述仪器仓4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7、转码电路8和编码电路9，钻井信息测量仪器测量的钻井信息传输至编码电路9中进行编码，编码后的钻井信息传输至转码电路8中进行转码，转码后的钻井信息传送至换能器驱动电路7进行信号驱动，换能器驱动电路7驱动换能器6将转码后的钻井信息由电信号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6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、仪器仓以及探测仪器备用连接管的安装和使用，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，下端设有用于连接钻杆的钻杆连接扣201；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202，用于放置仪器仓4的仪器仓外筒203，用于支撑仪器仓4的仪器仓支撑面204，以及用于保护探测仪器备用连接管5并为钻井液提供流道的探测仪器备用连接管外筒205。

为了便于换能器和仪器仓的安装和使用，参见图5、图6，在本发明一实施例中，所述换能器保护筒3外部为一等直径圆柱面；所述换能器保护筒3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301，用于为上接头1提供支撑的上接头支撑面302，用于为换能器6提供扶正支撑的换能器扶正面303，用于放置换能器6的换能器外筒304，以及用于连接仪器仓4端部的仪器仓连接扣305。

为了能够为上接头提供上接头支撑面，参见图5，在本发明一优选实施例中，所述换能器扶正面303的外径小于上接头配合面301。为了保证换能器的安装及使用，参见图5，在本发明另一优选实施例中，所述换能器外筒304直径大于换能器扶正面303。

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4内还设有为电路模块供电的供电模块10。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7至图11，在本发明某一实施例中，所述仪器仓4外部设有用于连接换能器保护筒3的换能器保护筒连接扣401，用于支撑仪器仓4上部的仪器仓上部支撑面402，用于保护仪器的仪器保护筒403，以及用于支撑仪器仓4下部的仪器仓下部支撑面404；所述仪器仓4内部设有用于支撑换能器6的换能器支撑面405，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406，用于为流通钻井液的仪器仓内部流道407，用于放置换能器驱动电路7、转码电路8的第一电路仓4081，用于放置编码电路9的第二电路仓4082，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410，用于为第一电路仓4081和第二电路仓4082之间的导线提供通道的电路仓连接槽411，用于为进入仪器仓的导线提供通道的下部导线连接孔412，以及用于连接探测仪器备用连接管5的端部的探测仪器备用连接管连接扣413。

参见图7，在本发明某一优选实施中，所述仪器仓上部支撑面402和所述仪器仓下部支撑面404均开设有密封槽414，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407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4081和所述第二电路仓4082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4091、第二电池仓4092、第三电池仓4093，电池仓深度大于所述第一电路仓4081和所述第二电路仓4082的深度。所述仓间连接孔410为三个均匀分布圆形通孔，第一圆形通孔连接第一电路仓4081和第一电池仓4091，第二圆形通孔连接第一电路仓4081和第二电池仓4092，第三圆形通孔连接第二电路仓4082和第三电池仓4093。

为了便于仪器仓和钻井信息测量仪器的安装于与使用，参见图12，在本发明某一实施例中，所述探测仪器备用连接管5外部为阶梯状圆柱面，上端设有用于与仪器仓下端连接仪器仓连接扣501；所述探测仪器备用连接管5内部为一等直径通孔，下端设有用于连接下部钻井信息测量仪器的探测仪器连接扣502。

上述实施例所述的井下信息声波信号发生系统的安装过程如下：

(1)换能器驱动电路、转码电路、编码电路、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，仪器仓下端的探测仪器备用连接管连接扣通过螺纹连接探测仪器备用连接管，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，仪器仓保护筒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发生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：探测仪器备用连接管下端的钻井信息测量仪器将收集到的钻井信息传送至编码电路，经编码电路编译后传送至转码电路，转码后的钻井信息传送至换能器驱动电路进行信号驱动，最终将信息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发生。

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。