专利名称：一种随钻测量超声波数据传输方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油、天然气钻井过程中以钻柱为信号传输介质的井下钻井参数超声波数据传输方法及装置。
背景技术：
石油钻井、完井已经进入信息化、智能化阶段，而及时获得钻井、完井作业时的随钻测量信息是实现信息化、智能化钻井的前提条件。为了获得钻井、完井时的井下数据，需要建立地面与井下连通的通信系统。最早的井下数据传输方法是有线数据传输，典型的便是电缆随钻信号传输，其原理是在钻杆的内部下入电导线作为传输介质进行数据传输。该方法的传输速率高，可双向传递信息，同时可以从地面直接向井下传感器提供电力，井底无需附加动力源；其缺点是制作工艺相对复杂，并且经常影响正常钻进过程，增加了钻井成本。随着钻井技术的发展，无线随钻测量技术渐渐取代了有线随钻测量技术。无线随钻测量技术按传输通道可分为钻井液脉冲、电磁波和声波3种方式。钻井液脉冲法是无线传输方式中目前应用最普遍的。钻井液脉冲式传输以压力波的脉冲通过编码-解码形式将井底传感器获得的信息传输到井上。其优点是对钻井工艺没有特殊的要求和限制，仅用钻井液流作为动力，对正常钻井作业影响很小，且通信可靠，能远距离传输。其缺点是钻井液脉冲的数据传输速度较慢，数据传输速率较低，在气体和气液双相流体中不能够采用钻井液脉冲传输方式。电磁随钻测量系统主要包括井下发射部分和地面接收部分。电磁随钻测量主要是利用电磁波作为信号传输的媒介，实现信号的传输。电磁随钻测量信息传输不受可压缩钻井液介质的影响，适合在欠平衡井、充气钻井和环空压耗比较大的水平井中使用。电磁随钻测量可以在钻进、循环及起下钻过程中随时接收数据，不必停钻进行测量，且其数据传输速率远远大于钻井液脉冲式传输。所以，电磁随钻测量系统可以大大提高数据传输量和速度，为精确控制井眼轨迹创造条件。但电磁波经过地层进行传输，受地层电阻率的影响很大。通常情况下，地层电阻率越小，信号的衰减就越严重。电磁波传输通道是一个开放式的通道，电磁波在发射源处向周围的无限空间辐射，随着信号的吸收、衰减而逐渐减弱甚至消失。当达到一定深度时，在地面将难以检测到有效的电磁波信号。声波随钻测量是在钻井作业过程中，利用声波作为载波，将具有高弹性模量的钻具系统、井下流体、高压气体和地层作为传递介质，在井下与地面之间建立起无线传输，实现地面与井下的双向通信。井下声信号发射系统发出声信号，声波随钻测量所使用的传输通道有钻柱、井下流体、高压气体和地层。钻柱是由单一材质或多种材质的钻具连接而成， 贯穿井眼，连通地面和井底，为声波通信提供了一个较好的传输通道，而且这个通道几乎不会受到钻井液成分和地层特性等外界因素的影响。专利申请号为201010189798.0采用 200 1200Hz频段完成数据传输，但在钻井过程中，由于钻机、钻具机械振动产生的机械波大多分布在低频段，会对低频声波传输造成干扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种随钻测量超声波数据传输方法及装置，该方法和装置利用超声波可在钻柱中稳定传输井下钻井参数数据。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案在方钻杆下端安装数据发送短接，在方钻杆上端安装数据接收短接。数据发送短接置于方钻杆下端，采集井下钻柱的钻压、扭矩、拉力和温度共四种钻井数据并将其加载到30士2. 5KHz的超声波信号上间歇发送。数据接收短接置于方钻杆上端，接收来自数据发送短接传来的超声波信号并转换为数据无线发射给控制室。数据发送短接上端通过母螺纹与方钻杆联接，下端通过公螺纹与井下钻柱联接。数据发送短接内安装有电源组，参数采集仪和超声波探头，电源组通过电源电缆与参数采集仪连接，并为钻井数据采集和发送提供电源，参数采集仪通过传感器采集井下钻柱的钻压、扭矩、拉力和温度共四种钻井数据，再将钻井数据调制成电信号后经信号电缆传输给超声波探头，超声波探头将电信号加载到30士2. 5KHz的超声波信号上间歇发送，此时钻柱作为信号载体将超声波传输给位于方钻杆上端的数据接收短接。数据接收短接上端通过母螺纹与水龙头联接，下端通过公螺纹与方钻杆联接。数据接收短接内安装有超声波探头，信号处理仪和电池组，超声波探头通过信号电缆与信号处理仪连接，电池组通过电源电缆与信号处理仪连接，射频天线与信号处理仪连接。超声波探头接收由钻柱传递过来的超声波频率信号，然后通过信号电缆将信号传输给信号处理仪。信号处理仪分析并获取载波数据， 并将该数据通过射频天线发射给控制室显示和存储。数据发送短接间歇发送一定频率的超声波信号的具体方法是参数采集仪采集井下钻柱的钻压、扭矩、拉力和温度共四种钻井数据，通过数字转频率方式将该数据加载到 30士2. 5KHz上，即当参数为最小值时超声波发送信号频率为27. 5KHz,当参数为最大值时超声波发送信号频率为32. 5KHz，介于中间值时输出频率满足线性关系。超声波间歇发送具有一定周期性，其周期为IOOms到IOs之间可人为选择。当处于发送期间时数据发送短接发送超声波信号，当处于等待期间时数据发送短接可接收来自数据接收短接下达的命令， 命令包括要求上传的数据，从而构成双向的超声波数据传输模式。数据接收短接接收数据和下达命令的具体方法是当数据发送短接处于超声波发送状态时，数据接收短接内的超声波探头接收超声波信号，并将该信号通过信号电缆传输给信号处理仪，信号处理仪完成对信号的放大、程控滤波、FFT、计频操作，FFT首先获取信号在25KHz到35KHz之间的频带分布，找出数据载波信号的频率范围，通过调整程控滤波器获取载波信号后进行精确计频得到数据发送短接所发送的数据，该数据经射频天线发射给控制室。当数据发送短接处于等待期间时，数据接收短接通过发送一定频率的超声波完成命令下达，比如数据接收短接发送的超声波频率为^KHz时表示要求数据发送短接在下个发送周期上传钻压数据，发送的超声波频率为^KHz时表示要求数据发送短接在下个发送周期上传扭矩数据，发送的超声波频率为30KHz时表示要求数据发送短接在下个发送周期上传温度数据，发送的超声波频率为31KHz时表示要求数据发送短接在下个发送周期上传拉力数据。数据接收短接的发送命令必须在数据发送短接处于等待周期内完成。数据发送短接采用数据接收短接超声波信号接收的处理方法来解析信号。超声波探头中心频率为30KHz，带宽为5KHz。
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电源组为高能锂电池组。数据发送短接和数据接收短接材料均为钻杆材料。数据发送短接和数据接收短接分别置于保护外壳中。本发明的优点是(1)超声波数据传输方法采用的是无线数据传输技术，避免了因电缆数据传输影响正常钻进过程，降低了钻井成本。(2)超声波数据传输和电磁波数据传输一样，不需要泥浆循环，可应用于钻井液钻井和空气钻井，受钻井介质的影响很小。(3) 与低频声波数据传输相比，超声波数据传输具有抗干扰能力强、数据稳定等优点。(4)超声波数据传输实现方法简单、工艺相对简单、投资少。
图1是本发明的结构示意图。图2是本发明的数据发送短接示意图。图3是本发明的数据接收短接示意图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明进行详细描述。如图1所示，在方钻杆3下端安装数据发送短接2，在方钻杆3上端安装数据接收短接4。数据发送短接2置于方钻杆3下端，采集井下钻柱1的钻压、扭矩、拉力和温度共四种钻井数据并将其加载到30士2. 5KHz的超声波信号上间歇发送。数据接收短接4置于方钻杆3上端，接收来自数据发送短接2传来的超声波信号并转换为数据无线发射给控制室。 数据发送短接2上端通过母螺纹5与方钻杆3联接，下端通过公螺纹8与井下钻柱1联接。 数据发送短接2内安装有电源组7，参数采集仪11和超声波探头9，电源组7通过电源电缆 12与参数采集仪11连接，并为钻井数据采集和发送提供电源，参数采集仪11通过传感器采集井下钻柱1的钻压、扭矩、拉力和温度共四种钻井数据，再将钻井数据调制成电信号后经信号电缆10传输给超声波探头9，超声波探头9将电信号加载到30士2. 5KHz的超声波信号上间歇发送，此时钻柱作为信号载体将超声波传输给位于方钻杆3上端的数据接收短接4。数据接收短接4上端通过母螺纹14与水龙头13联接，下端通过公螺纹17与方钻杆 3联接。数据接收短接4内安装有超声波探头18，信号处理仪20和电池组16，超声波探头 18通过信号电缆19与信号处理仪20连接，电池组16通过电源电缆22与信号处理仪20连接，射频天线21与信号处理仪20连接。超声波探头18接收由钻柱传递过来的超声波频率信号，然后通过信号电缆19将信号传输给信号处理仪20。信号处理仪20分析并获取载波数据，并将该数据通过射频天线21发射给控制室显示和存储。数据发送短接2间歇发送一定频率的超声波信号的具体方法是参数采集仪11采集井下钻柱1的钻压、扭矩、拉力和温度共四种钻井数据，通过数字转频率方式将该数据加载到30士2. 5KHZ上，即当参数为最小值时超声波发送信号频率为27. 5KHz,当参数为最大值时超声波发送信号频率为32. 5KHz，介于中间值时输出频率满足线性关系。超声波间歇发送具有一定周期性，其周期为IOOms到IOs之间可人为选择。当处于发送期间时数据发送短接2发送超声波信号，当处于等待期间时数据发送短接2可接收来自数据接收短接4下达的命令，命令包括要求上传的数据，从而构成双向的超声波数据传输模式。
数据接收短接4接收数据和下达命令的具体方法是当数据发送短接2处于超声波发送状态时，数据接收短接4内的超声波探头18接收超声波信号，并将该信号通过信号电缆19传输给信号处理仪20，信号处理仪20完成对信号的放大、程控滤波、FFT、计频操作， FFT首先获取信号在25KHz到35KHz之间的频带分布，找出数据载波信号的频率范围，通过调整程控滤波器获取载波信号后进行精确计频得到数据发送短接2所发送的数据，该数据经射频天线21发射给控制室。当数据发送短接2处于等待期间时，数据接收短接4通过发送一定频率的超声波完成命令下达，比如数据接收短接4发送的超声波频率为^KHz时表示要求数据发送短接2在下个发送周期上传钻压数据，发送的超声波频率为^KHz时表示要求数据发送短接2在下个发送周期上传扭矩数据，发送的超声波频率为30KHz时表示要求数据发送短接2在下个发送周期上传温度数据，发送的超声波频率为31KHz时表示要求数据发送短接2在下个发送周期上传拉力数据。数据接收短接4的发送命令必须在数据发送短接2处于等待周期内完成。数据发送短接2采用数据接收短接4超声波信号接收的处理方法来解析信号。超声波探头9和超声波探头18中心频率均为30KHz，带宽均为5KHz。电源组7和电池组16均选用高能锂电池组。数据发送短接2和数据接收短接4材料均为钻杆材料，并且分别被外壳6和外壳15保护。本发明采用超声波作为随钻参数载波完成数据传输，主要针对解决信号传输过程中机械振动所产生的干扰，从而弥补低频声波数据传输易受干扰的缺陷，以实现石油钻井随钻测量参数的无线传输。
权利要求
1.一种随钻测量超声波数据传输方法及装置，其特征在于在方钻杆(3)下端安装数据发送短接(2)，在方钻杆(3)上端安装数据接收短接(4)；数据发送短接(2)置于方钻杆(3)下端，采集井下钻柱(1)的钻压、扭矩、拉力和温度共四种钻井数据并将其加载到 30士2. 5KHz的超声波信号上间歇发送；数据接收短接(4)置于方钻杆(3)上端，接收来自数据发送短接(2)传来的超声波信号并转换为数据无线发射给控制室；数据发送短接(2) 上端通过母螺纹(5)与方钻杆(3)联接，下端通过公螺纹(8)与井下钻柱(1)联接；数据发送短接(2)内安装有电源组(7)，参数采集仪(11)和超声波探头(9)，电源组(7)通过电源电缆(12)与参数采集仪(11)连接，并为钻井数据采集和发送提供电源，参数采集仪(11) 通过传感器采集井下钻柱(1)的钻压、扭矩、拉力和温度共四种钻井数据，再将钻井数据调制成电信号后经信号电缆(10)传输给超声波探头(9)，超声波探头(9)将电信号加载到 30士2. 5KHz的超声波信号上间歇发送，此时钻柱作为信号载体将超声波传输给位于方钻杆 (3)上端的数据接收短接(4);数据接收短接(4)上端通过母螺纹(14)与水龙头(13)联接， 下端通过公螺纹(17)与方钻杆(3)联接；数据接收短接(4)内安装有超声波探头(18)，信号处理仪(20)和电池组(16)，超声波探头(18)通过信号电缆(19)与信号处理仪(20)连接， 电池组(16)通过电源电缆(22)与信号处理仪(20)连接，射频天线(21)与信号处理仪(20) 连接；超声波探头(18)接收由钻柱传递过来的超声波频率信号，然后通过信号电缆(19)将信号传输给信号处理仪(20)；信号处理仪(20)分析并获取载波数据，并将该数据通过射频天线(21)发射给控制室显示和存储。
2.根据权利要求1所述的一种随钻测量超声波数据传输方法及装置，其特征在于所述的数据发送短接(2)间歇发送一定频率的超声波信号的具体方法是参数采集仪(11)采集井下钻柱(1)的钻压、扭矩、拉力和温度共四种钻井数据，通过数字转频率方式将该数据加载到30士2. 5KHz上，即当参数为最小值时超声波发送信号频率为27. 5KHz,当参数为最大值时超声波发送信号频率为32. 5KHz，介于中间值时输出频率满足线性关系；超声波间歇发送具有一定周期性，其周期为IOOms到IOs之间可人为选择；当处于发送期间时数据发送短接(2)发送超声波信号，当处于等待期间时数据发送短接(2)可接收来自数据接收短接(4 )下达的命令，命令包括要求上传的数据，从而构成双向的超声波数据传输模式。
3.根据权利要求1所述的一种随钻测量超声波数据传输方法及装置，其特征在于所述的数据接收短接(4)接收数据和下达命令的具体方法是当数据发送短接(2)处于超声波发送状态时，数据接收短接(4)内的超声波探头(18)接收超声波信号，并将该信号通过信号电缆(19)传输给信号处理仪(20)，信号处理仪(20)完成对信号的放大、程控滤波、 FFT、计频操作，FFT首先获取信号在25KHz到35KHz之间的频带分布，找出数据载波信号的频率范围，通过调整程控滤波器获取载波信号后进行精确计频得到数据发送短接(2)所发送的数据，该数据经射频天线(21)发射给控制室；当数据发送短接(2)处于等待期间时，数据接收短接(4)通过发送一定频率的超声波完成命令下达，比如数据接收短接(4)发送的超声波频率为^KHz时表示要求数据发送短接(2)在下个发送周期上传钻压数据，发送的超声波频率为^KHz时表示要求数据发送短接(2)在下个发送周期上传扭矩数据，发送的超声波频率为30KHz时表示要求数据发送短接(2)在下个发送周期上传温度数据，发送的超声波频率为31KHz时表示要求数据发送短接(2)在下个发送周期上传拉力数据；数据接收短接(4)的发送命令必须在数据发送短接(2)处于等待周期内完成；数据发送短接(2)采用数据接收短接(4)超声波信号接收的处理方法来解析信号。
4.根据权利要求1所述的一种随钻测量超声波数据传输方法及装置，其特征在于所述的超声波探头(9)和超声波探头(18)中心频率均为30KHz，带宽均为5KHz。
5.根据权利要求1所述的一种随钻测量超声波数据传输方法及装置，其特征在于所述的电源组(7)和电池组(16)均为高能锂电池组。
6.根据权利要求1所述的一种随钻测量超声波数据传输方法及装置，其特征在于所述的数据发送短接(2)和数据接收短接(4)材料均为钻杆材料。
7.根据权利要求1所述的一种随钻测量超声波数据传输方法及装置，其特征在于所述的数据发送短接(2)用外壳(6)保护，数据接收短接(4)用外壳(15)保护。
全文摘要
本发明提供一种随钻测量超声波数据传输方法及装置，在方钻杆下端安装数据发送短接，分别采集井下钻柱的钻压、扭矩、拉力和温度共四种钻井数据并将其加载到30±2.5kHz的超声波信号上间歇发送，超声波信号传输载体为钻柱。在方钻杆上端安装数据接收短接，一方面用于接收数据发送短接发送的超声波信号，将接收到的信号解调后数据通过射频天线发射给控制室显示和存储；另一方面还可用于向数据发送短接下达命令指示下一周期上传何种钻井数据。该方法和装置以其抗干扰能力强、数据稳定、工艺简单、成本低、无需电缆传输和泥浆循环等优点，弥补低频声波数据传输方法缺陷，可适用于石油、天然气钻井过程中钻井数据的无线传输。
文档编号E21B47/16GK102425410SQ20111030488
公开日2012年4月25日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者严仁田, 周莹, 曾德智, 朱红钧, 林元华, 武元鹏, 王其军, 谢娟 申请人:西南石油大学