专利名称：利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种数据采集装置，尤其是涉及一种利用声波通过钻杆传输的钻
进参数采集装置。
背景技术：
由于岩石的复杂性和钻井过程中众多影响因素的多变性，使得钻探生产成为一个 比较复杂的工艺过程。对于这样一个复杂的过程，要实现安全、优质、高效、低耗等目标，除 要对钻探工艺技术进行优化设计外，还要实时地掌握钻进过程中各参数的变化情况，并根 据参数变化及时有效地对钻探工艺进行调节，其数据传输是关键问题。 在泥浆井中的随钻测量是利用泥浆脉冲来传递信号，该技术已经成熟，但是 不能用于水平钻探，代替它的是电磁波脉冲信号传输技术(EMMWD-E1 ectromagnetic Measurement While Drilling) 。 EMMWD是利用超低频电磁波直接穿过地层到达地面接收 器，如果钻孔较深、地层阻抗较小，在传输过程中被衰减，不能到达地面被有效接收，信号的 传输距离一般为700米到3000米。由于其使用低频电磁波其载波频率低，数据的传输速率 也比较低，不能实时传输信息。为了满足实时传输的要求，一般采用有线传输的方式，即在 钻杆内装入导线，这引起钻杆的制造工艺复杂且在钻探过程中容易发生故障等一系列的问 题。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种利用 声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，其设计合理、成本低、安装布设及接线方便且使用 效果好，能有效克服利用电磁波脉动信号传输技术传输速率低、传输距离近的缺点，而且克 服了利用有线传输数据方式带来的高成本与高故障率。 为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种利用声波通过钻杆传 输的钻进参数采集装置，其特征在于包括布设在钻机钻头上且利用钻杆将检测信号传送 至的数据采集及发送模块、安装在钻机钻杆尾部且与数据采集及发送模块配合使用的数据 接收模块和布设在地面工作站内且与数据接收模块相接的上位监控系统，所述数据接收模 块与上位监控系统间以无线通信方式进行双向通信；所述数据采集及发送模块包括数据采 集模块、与所述数据采集模块相接的数据处理模块一、与所述数据处理模块一相接的数据 压縮及编码模块和与所述数据压縮及编码模块相接的声波换能及发送模块；所述数据接收 模块包括与所述声波换能及发送模块配合使用的声波接收器、与声波接收器相接的数据解 码及解压縮模块和与所述数据解码及解压縮模块相接的数据处理模块二，所述数据解码及 解压縮模块与所述数据压縮及编码模块相对应，所述数据处理模块二和上位监控系统间以 无线通信方式进行双向通信。 所述数据采集模块包括传感器单元、与传感器单元相接的信号调理模块一、与信 号调理模块一相接的A/D转换器一 ；所述数据处理模块一为与A/D转换器一相接的ARM微处理器一 ；所述数据压縮及编码模块包括与ARM微处理器一相接的压縮编码器、与压縮编 码器相接的扩频编码模块和与扩频编码模块相接的D/A转换器；所述声波换能及发送模块 包括与扩频编码模块相接且用于产生声波信号的声波发生器和与声波发生器相接的驱动 电路，声波发生器和声波接收器相配合使用。 所述数据解码及解压縮模块包括与声波接收器相接的信号调理模块二、与信号调
理模块二相接的A/D转换器二、与A/D转换器二相接的扩频解码模块和与扩频解码模块相
接的解压縮模块；所述数据处理模块二为与解压縮模块相接的ARM微处理器二。 还包括与上位监控系统相接的自动报警单元，所述自动报警单元固定在钻台上。 所述数据接收模块上安装有与其相接的无线信号收发单元一，地面工作站内布设
有与上位监控系统相接的无线信号收发单元二。 所述传感器单元包括布设在钻机钻头上相应测点的多个传感器，所述多个传感器 包括对钻孔内压力进行实时检测的压力传感器、对钻头工作温度进行实时检测的温度传感 器、对地层出水情况进行实时检测的粉尘含水量传感器和对钻孔区域的地磁磁力线分布进 行实时检测的磁力计。 所述数据采集及发送模块与上位监控系统间以有线或无线通信方式进行连接。 还包括分别与所述数据处理模块一和数据处理模块二相接的供电电池，所述供电
电池与所述数据处理模块一和数据处理模块二间均接有电源管理模块。 所述钻杆为位于钻台上方的方钻杆，所述数据接收模块和无线信号收发单元一通
过紧固件组装为一体且安装在方钻杆上部。 还包括与上位监控系统相接的状态显示模块；所述数据采集及发送模块安装在外
部壳体内部且所述外部壳体通过卡箍夹持固定在钻机钻头处的钻杆上。 本实用新型与现有技术相比具有以下优点 1 、安装布设及接线方便且成本低、使用操作简便。 2、设计新颖，利用声波通信系统将钻机过程中的相关工作参数通过钻机的钻杆从 钻头传送至钻杆尾部，即将钻机钻杆作用声波信号的传输媒介。 3、使用效果好，不仅数据传输速度快且信号损耗小，利用声波进行工作参数信号 传输时，可以借鉴无线网络技术进行声波通信网络组网，发射功率小，其钻头端可以利用电 池进行供电，因而具有装配结构及占用空间更小的供电系统，实现高速实时地传输钻头测 试数据到上位监控系统并进行集中处理的目的。与EMMWD(电磁波脉冲信号)技术相比，本 实用新型能将发射功率降低很多，同时也可以用使用能量更小的电池，因而能够使用更小 的供电系统。实际使用时，本实用新型可以把安装在钻头上方的多个传感器所采集的检测 信号，通过模数转换器、压縮编码器、扩频多址编码器和声波换能器集将采集到的模拟信号 转换为数字信号再转换为声波信号，利用钻杆作为声波传导体在其内部进行传输，一方面 解决了现有有线传输方法引起的高故障高成本，另一方面通过扩频多址编码技术解决了利 用钻机震动噪声引起的干扰问题，具有如下突出的有益效果，不仅克服了利用电磁波脉动 信号传输技术传输速率低、传输距离近的缺点，而且克服了利用有线传输数据方式带来的 高成本与高故障率。 4、双向通信实现简便，非常方便钻头工作参数的采集与传输控制。 5、采用无线方式进行信号传输，能有效克服有线方式传播信号时所存在的多种不便，具体是利用钻杆容易传播声音的特性进行数据传递，降低了钻杆生产工艺的复杂度，简 化了钻杆的制造工艺，系统布线简单且加工成本小，节约了大量开支。 综上所述，本实用新型设计合理、成本低、安装布设及接线方便且使用效果好、信 号传输速度快、信号损耗小，能有效克服利用电磁波脉动信号传输技术传输速率低、传输距 离近的缺点，而且克服了利用有线传输数据方式带来的高成本与高故障率。 下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本实用新型的布设位置结构示意图。
图2为本实用新型的电路原理框图。
图3为本实用新型数据采集及发送模块的结构示意图。
附图标记说明
1-数据接收模块；1-1-声波接收器；1-2-信号调理模块二 ；
l-3-A/D转换器二 ；l-4-扩频解码模块；l-5-解压縮模块；
l-6-ARM微处理器二 ；2-无线信号收发单元一 ；3-无线信号收发单元
4_上位监控系统； 5-自动报警单元； 6-水龙头固定件；
7-紧固件； 8-方钻杆； 9-钻柱；
10-数据采集及发送模块；10-1-传感器单元；10-11-压力传感器； 10-12-温度传感器；10-13-粉尘含水量传感器；10-14-磁力计；
10-3-A/D转换器一 ；10-4-ARM微处理器一 ； 10-6-扩频编码模块；10-7-D/A转换器；
10-10-驱动电路； 18-螺母紧固件； 21-地面工作站；
10-2-信号调理模块-
10-5-压縮编码器； 10-9-声波发生器； 17-外部壳体； 20-电源管理模块；
23-状态显示模块。
16-供电电池； 19-钻机钻头； 22-钻台；
具体实施方式如图1、图2所示，本实用新型包括布设在钻机钻头19上且利用钻杆将检测信号 传送至的数据采集及发送模块10、安装在钻机钻杆尾部且与数据采集及发送模块10配合 使用的数据接收模块1和布设在地面工作站21内且与数据接收模块1相接的上位监控系 统4，所述数据接收模块1与上位监控系统4间以无线通信方式进行双向通信。所述数据采 集及发送模块10包括数据采集模块、与所述数据采集模块相接的数据处理模块一、与所述 数据处理模块一相接的数据压縮及编码模块和与所述数据压縮及编码模块相接的声波换 能及发送模块。所述数据接收模块1包括与所述声波换能及发送模块配合使用的声波接收 器l-l、与声波接收器1-1相接的数据解码及解压縮模块和与所述数据解码及解压縮模块 相接的数据处理模块二，所述数据解码及解压縮模块与所述数据压縮及编码模块相对应， 所述数据处理模块二和上位监控系统4间以无线通信方式进行双向通信。 本实施例中，所述数据采集模块包括传感器单10-1、与传感器单元10-1相接的信 号调理模块一 10-2、与信号调理模块一 10-2相接的A/D转换器一 10-3。所述数据处理模块一为与A/D转换器一 10-3相接的ARM微处理器一 10-4。所述数据压縮及编码模块包括 与ARM微处理器一 10-4相接的压縮编码器10-5、与压縮编码器10-5相接的扩频编码模块 10-6和与扩频编码模块10-6相接的D/A转换器10-7。所述声波换能及发送模块包括与扩 频编码模块10-6相接且用于产生声波信号的声波发生器10-9和与声波发生器10-9相接 的驱动电路10-10，声波发生器10-9和声波接收器1-1相配合使用。所述声波发生器10-9 为由石英压电晶体片制成的振动发生器。 所述数据解码及解压縮模块包括与声波接收器1-1相接的信号调理模块二 1-2、 与信号调理模块二 l-2相接的A/D转换器二 l-3、与A/D转换器二 l-3相接的扩频解码模块 1-4和与扩频解码模块1-4相接的解压縮模块1-5。所述数据处理模块二为与解压縮模块 l-5相接的ARM微处理器二 1-6。所述数据处理模块一、数据压縮及编码模块、声波换能及 发送模块、声波接收器l-l、数据解码及解压縮模块和数据处理模块二组成声波通信系统。 实际使用过程中，所述数据采集及发送模块10与上位监控系统4间以有线或无线通信方式 进行连接。也就是说，所述声波通信系统为双工方式，设置在钻机钻头19内的数据处理模 块一也可以收到上位监控系统4的控制指令。所述信号调理模块一 10-2和信号调理模块 二 1-2均为信号放大及滤波电路。 同时，本实用新型还包括与上位监控系统4相接的自动报警单元5以及与上位监 控系统4相接的状态显示模块23，所述自动报警单元5固定在钻台22上。 所述数据接收模块1上安装有与其相接的无线信号收发单元一 2，地面工作站21 内布设有与上位监控系统4相接的无线信号收发单元二 3。 所述传感 器单元10-1包括布设在钻机钻头19上相应测点的多个传感器，所述多 个传感器包括对钻孔内压力进行实时检测的压力传感器10-11、对钻头工作温度进行实时 检测的温度传感器10-12、对地层出水情况进行实时检测的粉尘含水量传感器10-13和对 钻孔区域的地磁磁力线分布进行实时检测的磁力计10-14。所述磁力计10-14的数量为多 个。实际使用过程中，通过压力传感器10-11测试钻孔内部压力，用于判定钻孔的净化程； 通过温度传感器10-12判断钻机钻头19的工作温度，如果钻机钻头19损坏就可以引起温 度升高，以此可以判断钻机钻头19的损坏程度及是否要更换钻机钻头19 ;通过粉尘含水量 传感器10-13测试地层出水情况；通过磁力计10-14判定钻孔区域的地磁磁力线分布，根 据钻机钻头19截面垂直的两个磁力计10-14的检测数据可以计算出钻机钻头19的实际转 速。实际使用时，所述信号处理模块一被配置用于执行上位监控系统的控制指令，以收集多 个传感器检测数据，并相应分析传感器数据与设定的模式进行比较决定传输优先级，并且 能够根据传感器数据决定系统的休眠与唤醒模式。 另外，本实用新型还包括分别与所述数据处理模块一和数据处理模块二相接的供 电电池16，所述供电电池16与所述数据处理模块一和数据处理模块二间均接有电源管理 模块20。 本实施例中，所述钻杆为位于钻台22上方的方钻杆8，所述数据接收模块1和无线 信号收发单元一 2通过紧固件7组装为一体且安装在方钻杆8上部。所述数据接收模块1 和无线信号收发单元一 2组装为一体后布设在水龙头固定件6下方，安装在钻机钻头19上 为钻柱9。结合图3，所述数据采集及发送模块10安装在外部壳体17内部且所述外部壳体 17通过卡箍夹持固定在钻机钻头19处的钻杆上。与所述数据处理模块一相接的供电电池16均布设在外部壳体17内，外部壳体17上对应设置有螺母紧固件18。 本实用新型的工作过程是所述压力传感器10-11、温度传感器10-12、粉尘含水 量传感器10-13和磁力计10-14所将检测的钻机钻进过程中的相应工作参数送入信号放大 及率电路进行滤波及放大后，再送入A/D转换器一 10-3进行模数转换，之后与A/D转换器 一 10-3相接的ARM微处理器一 10-4将经模数转换且打包号的测量数据送入压縮编码器 10-5进行压縮并相应通过扩频编码模块10-6进行编码后，再通过D/A转换器10-7转换为 模拟信号输出至声波发生器10-9，声波发生器10-9在驱动电路10-10的驱动作用下发出声 波信号；所述数据采集及发送模块10发出声波信号后，通过钻机的钻杆传送至数据接收模 块1 ;所述数据接收模块1通过声波接收器1-1接收到自数据采集及发送模块10发出的声 波信号后，先经信号放大及滤波电路后再送入A/D转换器二 1-3进行模数转换后，再依次通 过扩频解码模块1-4和解压縮模块1-5进行解码和解压縮，并相应将所接收并处理的测量 数据送至ARM微处理器二 1-6 ;最后，ARM微处理器二 1_6将所接收的数据通过无线通信方 式送至上位监控系统4。 综上，本实用新型中利用钻机钻杆所传输的声波信号即信息，应先被数字化；然 后，该数字化的信息借助码分多址技术(CDMA技术)被扩展到一个较宽的频带上，之后再对 该扩展信息进行D/A转换，然后通过声波发生器10-9将上述扩展信息转换为声波信号；继 而通过钻杆传到接受端。尤其为了减少传输信息的比特率，可以在传输环节前引入压縮编 码器10-5(压縮编码器10-5能将传输信号的有效比特率减小到约0. 5 2千比特(kbit/ s))，便可以有效地降低数据的传输流量。接收端接收到自钻机钻杆传送而来的声波信号后 先将声波信号转换为电信号，然后再对该信号进行A/D转换，并根据CDMA技术进行解扩展。 对此，同步地采用发射侧在扩展时使用的扩展码。声波信号传输过程中，声波发生器10-9 和声波接收器1-1的工作频率为2MHz，其工作频率由上位监控系统4根据声波信号在钻机 钻杆内的传输特性及其钻具的内径进行确定。实际使用时，声波信号传输在频率20 30 千赫兹上进行，信息被扩展到士10千赫兹。 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根 据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍 属于本实用新型技术方案的保护范围内。
权利要求一种利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，其特征在于包括布设在钻机钻头(19)上且利用钻杆将检测信号传送至的数据采集及发送模块(10)、安装在钻机钻杆尾部且与数据采集及发送模块(10)配合使用的数据接收模块(1)和布设在地面工作站(21)内且与数据接收模块(1)相接的上位监控系统(4)，所述数据接收模块(1)与上位监控系统(4)间以无线通信方式进行双向通信；所述数据采集及发送模块(10)包括数据采集模块、与所述数据采集模块相接的数据处理模块一、与所述数据处理模块一相接的数据压缩及编码模块和与所述数据压缩及编码模块相接的声波换能及发送模块；所述数据接收模块(1)包括与所述声波换能及发送模块配合使用的声波接收器(1-1)、与声波接收器(1-1)相接的数据解码及解压缩模块和与所述数据解码及解压缩模块相接的数据处理模块二，所述数据解码及解压缩模块与所述数据压缩及编码模块相对应，所述数据处理模块二和上位监控系统(4)间以无线通信方式进行双向通信。
2. 按照权利要求1所述的利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，其特征在于 所述数据采集模块包括传感器单元(10-1)、与传感器单元(10-1)相接的信号调理模块一 (10-2)、与信号调理模块一 (10-2)相接的A/D转换器一 (10-3);所述数据处理模块一为与 A/D转换器一 (10-3)相接的ARM微处理器一 (10-4);所述数据压縮及编码模块包括与ARM 微处理器一 (10-4)相接的压縮编码器(10-5)、与压縮编码器(10-5)相接的扩频编码模块 (10-6)和与扩频编码模块(10-6)相接的D/A转换器(10-7);所述声波换能及发送模块包 括与扩频编码模块(10-6)相接且用于产生声波信号的声波发生器(10-9)和与声波发生器 (10-9)相接的驱动电路(10-10)，声波发生器(10-9)和声波接收器(1-1)相配合使用。
3. 按照权利要求2所述的利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，其特征在于 所述数据解码及解压縮模块包括与声波接收器(1-1)相接的信号调理模块二 (1-2)、与信 号调理模块二 (1-2)相接的A/D转换器二 (l-3)、与A/D转换器二 (1-3)相接的扩频解码模 块(1-4)和与扩频解码模块(1-4)相接的解压縮模块(1-5);所述数据处理模块二为与解 压縮模块(1-5)相接的ARM微处理器二 (1-6)。
4. 按照权利要求1、2或3所述的利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，其特征 在于还包括与上位监控系统(4)相接的自动报警单元(5)，所述自动报警单元(5)固定在 钻台(22)上。
5. 按照权利要求1、2或3所述的利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，其特征 在于所述数据接收模块(1)上安装有与其相接的无线信号收发单元一 (2)，地面工作站 (21)内布设有与上位监控系统(4)相接的无线信号收发单元二 (3)。
6. 按照权利要求2所述的利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，其特征在于 所述传感器单元(10-1)包括布设在钻机钻头(19)上相应测点的多个传感器，所述多个传 感器包括对钻孔内压力进行实时检测的压力传感器(10-11)、对钻头工作温度进行实时检 测的温度传感器(10-12)、对地层出水情况进行实时检测的粉尘含水量传感器(10-13)和 对钻孔区域的地磁磁力线分布进行实时检测的磁力计(10-14)。
7. 按照权利要求1、2或3所述的利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，其特征 在于所述数据采集及发送模块(10)与上位监控系统(4)间以有线或无线通信方式进行连 接。
8. 按照权利要求1、2或3所述的利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，其特征在于还包括分别与所述数据处理模块一和数据处理模块二相接的供电电池(16)，所述供电电池(16)与所述数据处理模块一和数据处理模块二间均接有电源管理模块(20)。
9. 按照权利要求5所述的利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，其特征在于所述钻杆为位于钻台(22)上方的方钻杆(8)，所述数据接收模块(1)和无线信号收发单元 一 (2)通过紧固件(7)组装为一体且安装在方钻杆(8)上部。
10. 按照权利要求1、2或3所述的利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，其特 征在于还包括与上位监控系统(4)相接的状态显示模块(23);所述数据采集及发送模块 (10)安装在外部壳体(17)内部且所述外部壳体(17)通过卡箍夹持固定在钻机钻头(19) 处的钻杆上。
专利摘要本实用新型公开了一种利用声波通过钻杆传输的钻进参数采集装置，包括布设在钻机钻头上且利用钻杆将检测信号传送至的数据采集及发送模块、安装在钻机钻杆尾部的数据接收模块和与数据接收模块相接的上位监控系统；数据采集及发送模块包括数据采集模块、数据处理模块一、数据压缩及编码模块和声波换能及发送模块；数据接收模块包括声波接收器、数据解码及解压缩模块和数据处理模块二，所述数据处理模块二和上位监控系统间以无线通信方式双向通信。本实用新型设计合理、成本低、安装布设及接线方便且使用效果好，能有效克服利用电磁波脉动信号传输技术传输速率低、传输距离近的缺点，而且克服了利用有线传输数据方式带来的高成本与高故障率。
文档编号G08C17/02GK201526315SQ200920245160
公开日2010年7月14日 申请日期2009年11月10日 优先权日2009年11月10日
发明者赵栓峰 申请人:西安科技大学