专利名称:声学遥测收发器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及通信，尤其涉及井下钻井组件与井面之间的声学通信。
背景技术：
在提取油气的钻井操作过程中，已经尝试了各种通信和传输技术，以在钻井过程中从钻头附近向地表提供实时数据。具有实时数据传输的随钻测量(MWD)的使用在钻井操作中提供了实质的好处。例如，对井下状况的监视允许对势阱控制问题作出即刻响应、并改进泥浆问题。
对诸如钻头上的重量、扭矩、磨损和轴承条件的参数的实时测量为更加有效的钻井操作作了准备。实际上，更快的穿进速率、更好的途径规划、减小的设备故障、方向勘察的更少延迟、以及消除中断钻井而来检测异常压力的需要可通过使用MWD技术实现。
最近，存在四类主要的用于尝试从钻头附近向地表提供实时数据的遥测系统；即声波、泥浆压力脉冲、绝缘导体和电磁波。
对于声波，通常声学信号在钻头附近产生、并通过钻杆、泥浆体或泥土传输。然而，已发现可在井下产生的极低强度信号、以及由钻井系统产生的声学噪声一起使得信号检测难以进行。由工具接头处变化的直径和螺纹结构造成的反射和折射的干涉使得钻杆传输的信号衰减问题复杂化。这种反射和折射的干涉导致正在传输的数据比特之间的比特间干涉。此外，环境热量和装载拉伸可导致声学传输器中的传输部件之间失去接触。在该传输器上的压缩负载可锁住压电管组、并因此不允许向管道系统传递动量。因此，剧烈的振动和冲击负荷可能导致脆弱的压电和磁致伸缩材料中的应力碎裂，这可使声学传输器组件分离。
在泥浆压力脉冲系统中，通过钻柱的泥浆流的阻力由安装在靠近钻头的特定钻环中的阀和控制机构调制。在压力脉冲以声波在泥浆中的速度或接近该速度在泥浆体中向上传输时，这类系统通常以每秒一比特传输。众所周知，由于脉冲的衰减和展宽，泥浆脉冲系统固有地限制于每秒几个比特。
从钻头至地表的绝缘导体或硬接线连接是建立井下通信的另一方法。该类系统具有较高数据速率且双向通信成为可能。然而，已发现该类系统需要特殊钻杆和特殊工具接合连接器，这大大增加了钻井操作的成本。此外，由于泥浆系统的磨耗现象和钻柱旋转导致的磨损，这些系统易于发生故障。
用于将井下数据向地表传送的第四技术使用电磁波通过泥土传输。承载井下数据信号的电流被输入到与钻头相邻的线圈或环，或者直接输入到钻柱。当使用线圈时，承载用于传输的数据的主线圈绕线圈缠绕、而次级线圈由钻杆形成。接收器在地表接地，其中接收并记录电磁波数据。然而，已发现在深井或噪声井应用中，常规电磁系统不能产生可在地表恢复的足够强度的信号。
一般而言，到达地表的电池信号的质量根据信噪比来测量。当信噪比下降时，恢复或重建该信号都变得更加困难。虽然增大传输信号的功率是增加信噪比的显然方法，但该方法却受到适于该目的的电池以及希望延长两次电池更换之间的时间的限制。这些方法有助于商用钻井电磁遥测系统的发展，该系统在MWD应用中以每秒4比特的数据速率在4000英尺的深度工作而无需转发器。期望从更深的井、并以更高的数据速率传输信号，这是随钻测井即LWD系统所需要的。
通过参考以下说明书和示出各实施方式的附图，本发明各个实施方式可得到最好的理解。本文所包含的附图标号方法是图中给定参考标号的首位数字关联于该附图的编号。例如，系统100位于图1中。然而，对于那些在不同附图中相同的元件，参考标号相同。在附图中图1示出根据本发明一些实施方式的用于钻井操作的系统。
图2示出根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器。
图3A-3B示出根据本发明一些实施方式的容纳声学遥测收发器的心轴的俯视图。
图4示出根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器中压电传感器的一部分。
图5示出根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器中压电传感器的仰视图。
图6示出根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器中带锥度圆锥部分的更详细视图。
图7A-7B示出根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器的背衬块及其支撑元件的视图。
图8示出根据本发明一些实施方式的组装包括背衬块的支撑物(图7A-7B中所示)的声学遥测收发器的流程图。
图9示出根据本发明一些实施方式的产生声学波形的系统。
图10示出根据本发明一些实施方式的产生声学信号的流程图。
具体实施方式描述了声学遥测收发器的方法、装置和系统。在以下描述中，阐述了许多具体细节。然而，应该理解本发明各个实施方式可在无需这些具体细节的情况下实施。在其它示例中，未详细示出公知电路、结构和技术以便于不使该描述的理解产生混淆。
虽然针对随钻测量(MWD)过程中将井下数据向地表传输进行描述，但本发明的实施方式并不局限于此。例如，一些实施方式可用于从地表向井下设备传输数据。此外，本发明的一些实施方式不仅用于钻井过程中，而且贯穿钻井的整个过程，包括但不限于测井、钻杆检测、钻井完成和开采油气过程。此外，本发明一些实施方式可用于其它噪声条件，例如液力压碎和粘合。
如下文进一步描述的，各实施方式提供用于传输基本线性的声学信号的系统。各实施方式通过具有在允许大致沿钻柱的轴的非限制移动的同时大致移除横向移动(相对于钻柱的轴)的声学遥测收发器，而允许这样的线性。此外，声学遥测收发器的各实施方式可被配置成在大范围操作温度上稳定、并且能承受较大冲击和振动。一些实施方式包括具有容纳在线性/径向轴承中的背衬块的声学遥测收发器。在一些实施方式中，声学遥测收发器(包括压电管组)与非永久性接头(诸如焊料接头)无关。在一些实施方式中，压电管组通过另一带锥度圆锥部分耦合于钻柱心轴的带锥度圆锥部分。如下文进一步描述的，带锥度圆锥部分的位置为其间的接触根据压电管组和心轴之间的流体流的压力增加。此外，一些实施方式提供模块化部件，从而在无需更换其中的其它部件的情况下就可更换系统中一个部件。
图1示出根据本发明一些实施方式的用于钻井操作的系统。系统100包括位于井面104的钻架102。该钻架102为钻柱108提供支撑。钻柱108穿过旋转台110用于穿过地下地层114钻出井眼112。该钻柱108包括主动钻杆116(在上部)、钻杆118和井眼底部钻具组件120(位于钻杆118的下部)。井眼底部钻具组件120可包括钻环122、井下工具124和钻头126。井下工具124可以是包括随钻测量(MWD)工具、随钻测井(LWD)工具等各类工具中的任一个。
在钻井操作过程中，钻柱108(包括主动钻杆116、钻杆118和井眼底部钻具组件120)可由钻台110旋转。除了这种旋转外或作为其替代，井眼底部钻具组件120也可由井下马达(未示出)旋转。钻环122可用于向钻头126增加重量。钻环122也可使井眼底部钻具组件120变硬以允许该井眼底部钻具组件120将重量转移到钻头126上。此外，由钻环122提供的重量也有助于钻头126钻入地表104和地下地层114。
在钻井操作过程中，泥浆泵132可将钻井液(称为“钻井泥浆”)从泥浆坑134通过软管136抽吸到钻杆118、并向下到钻头126。钻井液可从钻头126流出、并通过钻杆118和井眼112的侧壁之间的环形区域140返回地表。然后，该钻井液可返回泥浆坑134，在其中液体得到过滤。此外，钻井液可冷却钻头126以及在钻井操作过程中向钻头126提供润滑。此外，钻井液移除由钻头126产生的地下地层114的废料。
钻柱108可包括一个到多个监视不同井下参数的不同传感器151。这些参数可包括井下温度和压力、地下地层的各种特征(诸如阻力、密度、孔隙率等)、井眼的特征(例如尺寸、形状等)。钻柱108还可包括在钻柱108的管壁中以声波振动形式传输遥测信号的声学遥测收发器123。声学遥测接收器115耦合于主动钻杆116，以接收所传输的遥测信号。可沿钻柱108设置一个或多个转发器以接收并再发射遥测信号。转发器119可包括与声学遥测接收器115和声学遥测收发器123类似配置的声学遥测接收器和声学遥测发射器。
图2示出根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器。特别地，图2示出声学遥测收发器123的一个实施方式。如图所示，声学遥测收发器123在作为钻柱108一部分的心轴204内。声学遥测收发器123可包括中心化子组件201、顶部变径接头203、声学致动器206、线性(或径向)轴承214、外壳215、套筒216(具有螺纹213)、带锥度圆锥部分218以及配线221。声学致动器206可包括背衬块208、压电传感器210(包括盘211)、以及应力计217。中心化子组件201可包括中心化子202、中心化子变径接头205和螺栓241。螺栓241可包括O形密封圈槽231。顶部变径接头可包括O形密封圈槽232和O形密封圈槽233。在一些实施方式中，声学致动器206可置于压力密封腔中。声学遥测收发器123可置于井下工具124中，从而背衬块208在压电传感器210相对于地面的顶部。虽然声学致动器206被描述为具有压电传感器，但在一些实施方式中，任何类型的振动致动器可用于代替压电传感器。带锥度圆锥部分218可包括内螺纹220、第一外螺纹225、第二外螺纹227和分壁式连接器229。
压电传感器210容纳在套筒216中。在该组件的环境中，套筒216可以是适当几何结构的一个组件、并可以由使套筒216与施加在套筒216终端的力成比例地伸缩的材料构成。因此，在一实施方式中，金属杆可用作套筒216。
背衬块208可拧入套筒216的螺纹213、直到背衬块208紧挨压电传感器210。在一些实施方式中，压电传感器210包括盘211。盘211可自由浮动直到背衬块208紧挨盘211。盘211可用作缓冲，以在背衬块208拧入套筒216并紧挨压电传感器210时排除施加在压电传感器210中元件上的力矩。换言之，盘211可用于根据施加于背衬块208上的力矩将背衬块208与压电传感器210中的压电元件分开。
应力计217可置于套筒216的侧壁上以监视压电传感器210上的负荷。应力计217可以是温度补偿的。在一些实施方式中，套筒216的位移相对于负荷的关系可以是线性的。套筒216可通过加扭机构伸长、直到达到由应力计217反映的期望应力。因此，由于背衬块208拧入螺纹213而施加的力矩水平可由应力计217监视。一旦已施加了给定力矩，一个或多个螺钉(未示出)可拧进套筒216以将螺纹锁定到位，从而避免在随后操作过程中损失该力矩。
套筒216允许压电传感器210中压电元件的压缩。套筒216伸长时，压电元件可被压缩。在一些实施方式中，套筒216的材料可适当选择成具有较低热膨胀系数(诸如不胀钢)以排除由于温度变化的张力释放。套筒216可由包括不胀钢、钢、不锈钢等的许多不同材料之一组成。套筒216可以是适当硬度的空心套筒以允许在感兴趣频带上的共振。套筒216的硬度可更改以通过改变套筒216的厚度来适应组件的振动特性。
背衬块208可由包括钨、钢、铝、不锈钢、废铀、铅等的许多不同材料之一组成。背衬块208的质量值使声波致动器206在给定频率范围内共振。
在一些实施方式中，背衬块208可以在线性轴承214内。线性轴承214可在外壳215内。线性轴承214可用作背衬块208的导轨。特别地，线性轴承214实质上可排除背衬块208相对于心轴204横向移动，同时允许背衬块208相对于心轴204轴向移动。因此，阻止背衬块208的横向移动排除了压电传感器210一侧的额外负载、以及向压电传感器210相对侧的拉力。本发明的各个实施方式并不局限于将线性轴承用于限制/允许背衬块208的这种移动。图7A-7B中示出限制/允许背衬块208的这种运动的一可选实施方式，这在下文中将详细描述。
压电传感器210可容纳在套筒216中。然后，该套筒216可拧入带锥度圆锥部分218的内螺纹220。然后背衬块208可拧入套筒216的螺纹213(如上所述)。因背衬块208拧入套筒218而施加的力矩的大小可由应力计217监视。在背衬块208拧到合适位置之后，将螺钉置入套筒216以将背衬块208和套筒216锁定到位。外壳215可拧入第一外螺纹225。在一些实施方式中，在外壳215拧入第一外螺纹225之后，背衬块208的支撑部件(在图7A-7B中示出)可置于外壳215中。然后，顶部变径接头203可拧入外壳215的顶部。该顶部变径接头203封闭外壳215的顶部以将流(例如钻井泥浆)从外壳215内的流排除。在一些实施方式中，外壳215内的压强大致为大气压。此外，带锥度圆锥部分218可耦合于心轴204。然后，中心化子组件201可耦合于顶部变径接头203。以下将提供该操作的更多细节。
在一些实施方式中，当声学遥测收发器123在井下时压电传感器210可恒定地在钻井负载和驱动负载的组合压力之下。图3中示出部分组合的压电传感器210的一个实施方式，以下将更加详细地描述。
如以下进一步描述的，声学致动器206可接收来自驱动器的电输入并将该输入转换成声学输出。该声学输出(来自声学致动器206)可沿心轴204(穿过带锥度圆锥部分218)调制。因此，在一些实施方式中，声学致动器206将声学输出通过单个触点(带锥度圆锥部分218)传输至心轴204。
特别地，带锥度圆锥部分218可将压电传感器210耦合于心轴204，以允许声学信号(由压电传感器210产生)沿心轴204传输至声学接收器(沿钻柱的收发器的一部分、地表处的接收器等)。声学致动器206和心轴204之间接触越多，则它们之间声学信号的传输越好。在一些实施方式中，带锥度圆锥部分219可加工成在心轴204中。因此，带锥度圆锥部分218和带锥度圆锥部分219之间可牢固接触。在一些实施方式中，带锥度圆锥部分218和带锥度圆锥部分219可包括相应的锥度和螺纹，以使两部分能耦合在一起。因此，声学遥测收发器123可通过带锥度圆锥部分218和带锥度圆锥部分219拧入并扭转进入心轴204。此外，带锥度圆锥部分218的第二外螺纹227可拧入并扭转进入心轴204的一部分，以允许带锥度圆锥部分218与心轴204之间有额外接触。
此外，带锥度圆锥部分218可包括O形密封圈槽233和234。O形密封圈可置入O形密封圈槽233和234。在一些实施方式中，置入O形密封圈槽233中的O形密封圈直径比置入O形密封圈槽234中的O形密封圈直径大。操作中，由钻井泥浆产生的压力以及抽吸井下钻井泥浆产生的压力被施加在这两个不同的O形密封圈上。两个O形密封圈槽233和234之间的压强是常压。因为施加于两个不同O形密封圈的压力大致相同，O形密封圈槽233中O形密封圈(相对于O形密封圈槽234中的O形密封圈)的较大直径可导致将带锥度圆锥部分218的锥形向下压的合力。换言之，两个不同O形密封圈槽233和234之间产生压力锁。该压力锁可允许带锥度圆锥部分218和带锥度圆锥部分219之间更加牢固的接触。
因此，带锥度圆锥部分218和带锥度圆锥部分219与心轴204和声学遥测收发器123之间的钻井泥浆流一起允许声学致动器206和心轴206之间更多的接触。特别地，带锥度圆锥部分218和带锥度圆锥部分219之间的接触随着钻井泥浆流动而增加。此外，在分离操作中，该钻井泥浆流的压力没有出现，从而使分离操作更容易。因此，本发明的一些实施方式允许声学致动器206和心轴204之间更多的接触，同时仍使分离操作更容易。
带锥度圆锥部分218也可包括分壁式连接器229。分壁式连接器229可防止包括线圈221的部分中的压力泄漏进入包括压电传感器210的区域。特别地，分壁式连接器229可包括通过带锥度圆锥部分218内的弹簧将线圈221耦合于压电传感器210中线圈的部分(下文结合图5和6更加详细地描述)。在一些实施方式中，该耦合可通过焊接操作完成。线圈221可将压电传感器210电耦合于信号源(未示出)，用于驱动和控制压电传感器210。该信号源可包括电驱动器、控制电路/电子元件等。
中心化子组件201可在声学遥测收发器123的顶端提供支撑。特别地，中心化子202可将顶部变径接头203耦合于心轴204。中心化子202可以是将声学遥测收发器123连接于心轴204的多齿环(诸如四个齿)。该环邻近顶部变径接头203的一侧可包括槽。如图所示，中心化子202的锥度可大致与顶部变径接头203的锥度相同。中心化子202置于顶部变径接头203之后，中心化子变径接头205可拧入到顶部变径接头203上。该拧入操作可使中心化子202将顶部变径接头203的锥体向上推。此外，该拧入操作可使中心化子中的槽打开，从而使中心化子202朝心轴204向外伸展。因此，中心化子202紧挨心轴204以在声学遥测收发器123的顶端提供支撑。
此外，O形密封圈被置入O形密封圈槽231、232和233中。在一些实施方式中，置入O形密封圈槽231和232中的O形密封圈槽的直径大于置入O形密封圈槽233中的O形密封圈槽的直径。操作中，由钻井泥浆以及抽吸钻井泥浆产生的压力施加在两个不同O形密封圈上。在一些实施方式中，在O形密封圈231和O形密封圈233之间建立了压力锁。O形密封圈232可为该压力锁提供额外压力。换言之，如果O形密封圈231与O形密封圈233之间的压力锁无效，则压力锁在O形密封圈232与O形密封圈233之间创建。
此外，螺栓241可拧入中心化子变径接头205的顶部直到螺栓紧挨顶部变径接头203。因此，由于(1)通过中心化子变径接头205拧入到顶部变径接头203上而施加的力矩；(2)由O形密封圈产生的压力锁；以及(3)拧入中心化子变径接头205顶部的螺栓241，中心化子202可保持在相对心轴204的合适位置。因而，中心化子组件201可排除声学遥测收发器123的横向移动。
图3A-3B示出根据本发明一些实施方式的容纳声学遥测收发器的心轴的俯视图。特别地，图3A示出心轴204内声学遥测收发器123的第一配置的俯视图。在心轴204内，声学遥测收发器123由泥浆流开口302A-302C环绕。图3B示出心轴204内声学遥测收发器123的第二配置的俯视图。在该配置中，泥浆流开口304与声学遥测收发器123相邻。泥浆流开口302A-302C以及304允许钻井泥浆从地表向井下钻头126流动。声学遥测收发器123的配置和泥浆流开口是示例性的、并非限制性的。特别地，一些配置可包括更多或更少数目的泥浆流开口。此外，该泥浆流开口可以是其它形状和尺寸。
图3A示出一种配置，其中来自通过环绕泥浆流开口302A-302C的泥浆流的压力可有助于防止声学遥测收发器123的部件的横向移动。图3B示出其中泥浆流更加邻近(通过单个开口)的配置。该配置可减小泥浆会带给声学遥测收发器123的磨损和损伤。此外，该配置可使需要在操作过程中穿过心轴204的导线更容易穿过。
图4示出根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器内压电传感器的一部分。特别地，图4示出在完全组装之前压电传感器210的一部分的一个实施方式。压电传感器210包括电极402A、电极402B、和电极402C。该压电传感器210还包括压电元件404A、压电元件404B、压电元件404C、和压电元件404D。压电传感器210可包括更少或更多数目的电极402和/或压电元件404。
如图所示，电极402A-402D可以是独立于非永久性接头(诸如焊料接头、焊接头)的单层材料。因此，作为完成压电传感器210组装的一部分，电极402A-402D可在压电元件404A-404D上折叠。在一些实施方式中，电极组件402A-402D可由铍铜、铜、黄铜、银等组成。压电元件404A-404D可以是由诸如钛锆酸铅(PZT)、钛酸铅(PbTiO2)、锆酸铅(PbZrO3)、钛酸钡(BaTiO3)等的陶瓷材料组成的盘。在一些实施方式中，压电传感器210可被由磁致伸缩材料形成的适当传感器代替。在该实施方式中，电磁材料和驱动电路之间的连接可设计成消除非永久性接头(诸如焊料)。
在一些实施方式中，电极402A-402D可包含一个至多个孔。可在压电元件404A-404D之间嵌入粘合剂(诸如环氧化物)。这种粘合剂可在电极402A-402D的孔中流动，从而在压电元件404A-404D之间形成更牢固的结合。该粘合剂可防止压电元件404A-404D相对彼此移动。因此，这种配置可使压电传感器210的输出更加稳定。
图5和6一起示出在不使用非永久性接头的情况下将压电传感器210耦合于信号源的配置。图5示出根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器中压电传感器的仰视图。特别地，图5示出压电传感器210一实施方式的仰视图。如图所示，压电传感器210的底部包括电极502A-502N。
图6示出根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器中带锥度圆锥部分的详图。特别地，图6示出可与图5中示出的压电传感器210一起使用的带锥度圆锥部分218的一个实施方式。如图2所示，压电传感器210可置于带锥度圆锥部分218的顶部(相对于地表)。该带锥度圆锥部分218包括分壁式连接器229A-229N、弹簧602A-602N以及线圈221A-221N。特别地，带锥度圆锥部分218可包括一个至多个分壁式连接器229、弹簧602、和线圈221。弹簧602A-602N的顶部可与电触点502A-502N对齐(图5中示出)。在一些实施方式中，电触点502A一502N与弹簧602A-602N之间存在一对一的关系。因此，弹簧602A与电触点502A对齐。弹簧602B与电触点502B对齐。弹簧602C与电触点502C对齐。弹簧602N与电触点502N对齐。弹簧602A-602N的顶部可从带锥度圆锥部分218的顶部伸出。分壁式连接器229将弹簧602耦合于可与信号源(诸如驱动器、数字信号处理器等)相耦合的弹簧221。
因此，压电传感器210与线圈221的耦合(通过带锥度圆锥部分218)不包括非永久性接头。此外，压电传感器210置于带锥度圆锥部分218的顶部。由背衬块208、压电传感器210提供的重量以及施加在压电传感器210上的压缩预压负载使电触点502与弹簧602保持接触。因为该耦合不包括非永久性接头，所以由于致动器导致振动的应力以及钻井操作过程中固有的周围环境振动，该耦合不会被破坏。
图7A-7B示出根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器的背衬块及其支撑部件的结构。特别地，图7A示出背衬块700，而图7B示出背衬块700的多个支撑部件。参看图2，背衬块700及其支撑部件可代替背衬块208和线性轴承214。
背衬块700的顶部包括锥形孔704。沿背衬块700的侧壁存在多个凹槽702A-702E。背衬块700的底部包括螺纹接头706。该螺纹接头706可用于将背衬块700耦合于压电传感器210。
图7B包括含有螺纹接头的下推部件708。图7B还示出要插入凹槽702之一的一组部件。因此，(虽然未示出)各个凹槽702A-702E可包括各个部件。将插入凹槽702之一的部件包括多个插片712A-712N、以及多个支撑物714A-714N。图7A-7B示出固定数目的凹槽702、以及要插入给定凹槽702的固定数目的插片712和支撑物714。本发明的各个实施方式可包括更少或更多数目的凹槽702、插片712和/或支撑物714。在一些实施方式中，支撑物714的成分包括铍、铜、钢、黄铜、不锈钢等。支撑物714可以是不同形状。例如，支撑物714可近似于圆形。支撑物714可在面向外壳的一侧近似为圆形，而在相对侧为楔形、正方形等。对于给定的背衬块700和/或给定凹槽702的一组给定支撑物714可以是不同形状和不同尺寸的。现在描述图7A-7B示出的背衬块700及其支撑部件的组装操作的实施方式。
特别地，图8示出根据本发明一些实施方式的组装包括背衬块的支撑物(图7A-7B中示出)的声学遥测收发器的流程图。
在流程图800的框802，压电传感器被置于带锥度圆锥部分。参考图2中的实施方式，压电传感器210被置于带锥度圆锥部分上。在框804继续控制。
在框804，套筒拧(在压电传感器上)入带锥度圆锥部分。参考图2中的实施方式，套筒216拧(在压电传感器216上)入带锥度圆锥部分218的内螺纹220。在框806继续控制。
在框806，背衬块拧入套筒，直至对压电传感器形成给定压缩。参考图2的实施方式，背衬块208拧入套筒216的螺纹213。在一些实施方式中，该螺纹被扭转成对压电传感器210施加给定压缩。应力计217可测量该压缩。在框808继续控制。
在框808，套筒的螺纹(用来耦合于背衬块)通过螺钉锁住。参考图2的实施方式，在背衬块208拧入其中之后，螺纹213通过螺钉(未示出)锁住。在框810继续控制。
在框810，外壳拧入(在背衬块、套筒、和压电传感器上)带锥度圆锥部分。参考图2的实施方式，外壳215拧入(在背衬块208、套筒216、和压电传感器210上)带锥度圆锥部分218的螺纹225。在一些实施方式中，背衬块208的大小为使背衬块208不与外壳215接触的大小。在框812继续控制。
在框812，支撑物和插片被交替地插入沿背衬块侧壁的各个凹槽中，直至填满凹槽。参考图7A-7B的实施方式，支撑物714和插片712交替地插入各个凹槽702中直至填满凹槽。在一些实施方式中，支撑物702和外壳的大小为使支撑物在其最初插入凹槽702时不与外壳215接触的大小。在框814继续控制。
在框814，将下推部件插入背衬块的顶部。参考图7A-7B的实施方式，下推部件708的螺纹接头710被插入锥形孔704。在框816继续控制。
在框816，下推部件转向，直到支撑物与外壳充分接触。参考图2和7A-7B的实施方式，下推部件708转向，从而使插片712彼此相对推移。插片712的推移在一起使支撑物714向外推移。因此，下推部件708可继续转动，直到支撑物714与外壳215充分接触。在一些实施方式中，在支撑物714是轮子时，如果支撑物714基本上阻止背衬块700的横向移动、同时允许背衬块700相对于心轴204轴的轴向移动，则它与外壳215充分接触。如前所述，支撑物714在有限个位置中与外壳215接触。这种接触足够阻止横向移动。此外，受限的接触仍允许轴向移动(沿心轴204的轴)。
虽然流程图800被描述成背衬块208由如图7A-7B的支撑部件支撑，但是类似的操作也可执行成背衬块208由线性轴承214支撑。
图9示出根据本发明一些实施方式的用于产生声学波形的系统。特别地，图9示出作为钻柱中井下工具的一部分的系统900。为便于说明参看图1，系统900可以是井下工具124的一部分。该系统900包括微处理器系统902、数模(D/A)转换器904、驱动器906、和压电传感器210。微处理器系统902的输出耦合于D/A转换器904的输入。D/A转换器904的输出耦合于驱动器906的输入。驱动器906的输出耦合于压电传感器210的输入。参看图2，微处理器系统902、D/A转换器904、和驱动器904可耦合于线圈221。
系统900可产生许多不同声学波形的任一个，该系统包括移频键控(FSK)、相移键控(PSK)、离散多音频(DMT)等。此外，系统900可在许多不同类型窗口中产生该声学波形，包括汉明(Hamming)、汉宁(Hanning)等。
微处理器系统902可包括产生不同声学波形的不同类型的处理器。例如，微处理器系统902可包括通用处理器、不同类型的数字信号处理器(DSP)(诸如浮点DSP)等。该微处理器系统902还可包括不同类型的存储器，包括不同类型的易失性和非易失性存储器。例如，微处理器系统902可包括闪存、随机存取存储器(RAM)(例如同步动态RAM(SDRAM)、DRAM、DDR-SDRAM等)等。
微处理器系统902还可包括不同类型的输入/输出(I/O)逻辑元件。该I/O逻辑元件可包括任何适当的接口控制器以提供任何适当的通信链接。一实施方式的I/O逻辑元件为多个接口之一提供合适的仲裁和缓冲。例如，微处理器系统902可具有一个或多个合适的串联、并联、通用串行总线(USB)端口等。在一些实施方式中，微处理器系统902可产生传输至地表的不同波形(表示数据信号)。该微处理器系统902可产生表示输出到D/A转换器904的该波形的数字表示。
D/A转换器904可以是对模拟信号进行编码和解码的编码/解码器(CODEC)的一部分。D/A转换器904可接收数字波形并将该波形转换成模拟信号。D/A转换器904可将该模拟信号输出到驱动器906。
该模拟信号可以是低压信号(例如约为1伏)。根据该模拟信号，驱动器906可产生高压信号(例如约+300伏至-300伏，+150伏至-150伏等)。驱动器906可以是能产生电源峰-峰电压差的两倍的桥接模式放大器。由驱动器906产生的电压可用于驱动压电传感器210。
在一些实施方式中，系统900是模块化的。特别地，系统900是其中可在不需要更换其它不同部件的情况下更换不同部件之一的系统。例如，微处理器系统902、D/A转换器904和驱动器906之一或全部可以是单个印刷电路板。因此，如果需要不同驱动器906来例如提供不同电平的功率，则可单独开关驱动器906的印刷电路板。
图10示出根据本发明一些实施方式的产生声学信号的流程图。特别地，流程图1000示出由井下工具124内的声学遥测收发器123进行声学信号处理的一个实施方式。
在框1002，产生数字波形。参考图9的实施方式，微处理器系统902产生该数字波形。在框1004继续控制。
在框1004，数字波形被转换成模拟波形。参看图9的实施方式，D/A转换器904执行该转换。在框1006继续控制。
在框1006，驱动声学致动器以产生沿钻柱心轴调制的声学信号。参考图1、2和9的实施方式，驱动器906驱动声学致动器206中的压电传感器210以产生沿钻柱108的心轴204调制的声学信号。
在描述中，阐述了诸如逻辑执行、操作码、指定操作数的手段、资源划分/共享/复制的执行、系统部件的类型和相互关系、以及逻辑划分/合并的选择的许多具体细节，以便于提供对本发明的更深入的理解。然而，本领域技术人员应该理解，可在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施方式。在其它情形中，未详细示出控制结构、门级电路、和全软件指令序列，从而不混淆本发明的实施方式。通过所包括的描述，本领域技术人员能够实施适当的功能而无需过度实验。
说明书中对“一实施方式”、“实施方式”、“示例性实施方式”等的参考表明所述实施方式可包括特定特征、结构、或性质，但是每个实施方式不必包括该特定特征、结构、或性质。此外，这些短语不必指同一实施方式。而且，当特定特征、结构、或性质相关于实施方式进行描述时，应该认为本领域技术人员可理解无论是否明确描述，可相关于其它实施方式允许该特征、结构、或性质。
本发明各实施方式包括可包含在由机器可读介质提供的机器可执行指令中的特征、方法、或过程。机器可读介质包括任何以机器(诸如计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、任何具有一个或多个处理器的一个组的装置等)可访问的形式提供(即存储和/或转移)信息的机制。在一示例性实施方式中，机器可读介质包括易失性和/或非易失性介质(诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存装置等)，以及电、光、声或其它形式的传播信号(诸如载波、红外信号、数字信号等)。
这种指令用于使指令编程的通用或专用处理器执行本发明实施方式的方法或过程。或者，本发明实施方式的特征或操作可由包含用于执行操作的硬接线逻辑元件的指定硬件部件、或由经编程的数据处理部件和指定硬件部件的任何组合来实现。本发明的实施方式包括软件、数据处理硬件、数据处理系统实现方法、和本文中进一步描述的各种处理操作。
多个附图示出根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器的系统和装置的框图。多个附图示出说明根据本发明一些实施方式的声学遥测收发器操作的流程图。流程图的操作通过参考框图中示出的系统/装置进行描述。然而，应该理解该流程图的操作可通过除了参考流程图讨论之外的系统和装置的实施方式实现，并且参考该系统/装置讨论的实施方式可执行与参考流程图讨论的那些不同的操作。
根据对本文描述的实施方式的各种改变，本详细描述仅旨在是示例性的，并且不应用于限制本发明的范围。例如，本发明的实施方式是参考在其中流动钻井泥浆的内心轴内的声学遥测收发器描述的。然而，本发明的实施方式并不受限于此。在一些实施方式中，声学遥测收发器可置于内心轴外而非外心轴内。因此，本发明要求的是所有可落在所附权利要求
及其等同方案的范围和精神内的更改。因此，应示例性地而非限制性地看待本说明书和附图。
权利要求
1.一种装置，包括振动致动器，产生沿钻柱的心轴调制的声学信号；以及背衬块，与所述振动传感器相邻放置、并限制几乎所有相对于所述钻柱的轴的横向移动。
2.如权利要求
1所述的装置，其特征在于，所述背衬块容纳在线性轴承内。
3.如权利要求
1所述的装置，其特征在于，所述背衬块在操作过程中位于所述振动致动器相对于井眼地表的顶部。
4.如权利要求
1所述的装置，其特征在于，所述振动致动器包括至少一个没有非永久性接头的电极。
5.如权利要求
1所述的装置，其特征在于，还包括耦合于所述心轴的中心化子组件。
6.如权利要求
5所述的装置，其特征在于，所述中心化子组件在所述背衬块与所述振动致动器相邻一端的相对一端耦合于所述心轴。
7.如权利要求
1所述的装置，还包括套筒，其中所述振动致动器容纳在所述套筒中。
8.如权利要求
1所述的装置，还包括带锥度圆锥部分，耦合于与所述背衬块相邻一端的相对一端。
9.如权利要求
8所述的装置，其特征在于，所述心轴具有锥形部分以与所述带锥度圆锥部分匹配。
10.如权利要求
9所述的装置，其特征在于，所述带锥度圆锥部分包括容纳第一O形密封圈的第一O形密封圈槽和容纳第二O形密封圈的第二O形密封圈槽。
11.如权利要求
10所述的装置，其特征在于，所述第一O形密封圈槽在操作过程中位于所述第二O形密封圈槽相对于井眼地表的顶部，其中所述第一O形密封圈的直径大于所述第二O形密封圈的直径。
12.如权利要求
10所述的装置，其特征在于，所述带锥度圆锥部分相对于所述心轴的锥形部分位置的位置要根据来自所述振动致动器与所述心轴之间流体的泵浦操作的压力，增加所述带锥度圆锥部分与所述心轴的所述锥形部分之间的接触。
13.如权利要求
1所述的装置，还包括信号源，以产生信号来驱动所述振动致动器以产生所述声学信号。
14.如权利要求
13所述的装置，其特征在于，所述信号源包括驱动器、微处理器系统和数模转换器。
15.如权利要求
14所述的装置，其特征在于，所述驱动器置于一电路板上，所述电路板与包括所述微处理器系统和所述数模转换器的电路板分开。
16.如权利要求
13所述的装置，其特征在于，所述信号源是产生移频键控声学信号、相移键控声学信号或离散多音频声学信号的波形发生器。
17.一种装置，包括信号源；压电传感器，产生沿心轴调制的声学信号，其中所述压电传感器包括一底部端，所述底部端含有一个或多个电接头；以及具有一个或多个弹簧的部分，所述部分使用与所述一个或多个电接头对齐的所述一个或多个弹簧来将所述信号源耦合于所述压电传感器，其中所述部分和所述压电传感器未物理连接在一起。
18.如权利要求
17所述的装置，其特征在于，所述压电传感器没有非永久性接头。
19.如权利要求
17所述的装置，还包括与所述压电传感器相邻放置、并容纳在线性轴承中的背衬块。
20.如权利要求
17所述的装置，其特征在于，用于将所述信号源耦合于所述压电传感器的所述部分包括带锥度圆锥部分。
21.如权利要求
20所述的装置，其特征在于，所述心轴具有与所述带锥度圆锥部分相匹配的锥形部分。
22.如权利要求
17所述的装置，其特征在于，所述信号源包括波形发生器，以产生信号来驱动所述压电传感器以产生声学信号。
23.如权利要求
17所述的装置，其特征在于，所述信号源包括驱动器、微处理器系统，和数模转换器。
24.如权利要求
23所述的装置，其特征在于，所述驱动器被置于一电路板上，所述电路板与包括所述微处理器系统和所述数模转换器的电路板分开。
25.如权利要求
17所述的装置，其特征在于，所述信号源是产生移频键控声学信号、相移键控声学信号或离散多频声声学信号的波形发生器。
26.一种装置，包括压电传感器，产生沿心轴调制的声学信号，其中所述压电传感器包括至少一个压电元件和至少一个没有非永久性接头的电极。
27.如权利要求
26所述的装置，其特征在于，所述至少一个电极包括至少两个电极，其中所述至少两个电极是可在所述至少一个压电元件上折叠的同一片导电材料的一部分。
28.如权利要求
26所述的装置，其特征在于，所述至少一个压电元件由陶瓷材料组成。
29.如权利要求
26所述的装置，还包括背衬块，相邻所述压电传感器放置并容纳在线性轴承内；以及中心化子组件，在所述背衬块与所述压电传感器相邻一端的相对一端耦合于所述心轴。
30.如权利要求
26所述的装置，还包括容纳所述压电传感器的套筒。
31.如权利要求
26所述的装置，还包括带锥度圆锥部分，耦合于与所述背衬块相邻一端的相对一端，其中所述心轴具有与所述带锥度圆锥部分相匹配的锥形部分。
32.如权利要求
26所述的装置，还包括信号源，以产生信号来驱动所述压电传感器以产生声学信号，其中所述信号源包括驱动器、微处理器系统和数模转换器。
33.如权利要求
32所述的装置，其特征在于，所述驱动器置于一电路板上，所述电路板与包括所述微处理器系统和所述数模转换器的电路板分开。
34.一种装置，包括心轴，具有第一锥形部分；致动器，包括产生沿所述心轴调制的声学信号的压电传感器；以及第二锥形部分，与所述第一锥形部分相匹配。
35.如权利要求
34所述的装置，其特征在于，所述第二锥形部分相对于所述第一锥形部分位置的位置要根据所述致动器和所述心轴之间的流体流的压力来增加所述第二锥形部分和所述第一锥形部分之间的接触。
36.如权利要求
34所述的装置，其特征在于，所述第二锥形部分在操作过程中位于所述第一锥形部分相对于井眼地表的顶部。
37.如权利要求
34所述的装置，其特征在于，所述压电传感器包括至少一个没有非永久性接头的电极。
38.如权利要求
34所述的装置，其特征在于，所述致动器还包括相邻所述压电传感器放置、并容纳在线性轴承中的背衬块。
39.一种装置，包括压电传感器，产生沿钻柱心轴调制的声学信号；背衬块，相邻所述压电传感器放置并在外壳内，其中所述背衬块包括沿所述背衬块外表面的一个或多个凹槽；至少一个置于所述一个或多个凹槽中的插片；以及相邻所述一个或多个凹槽中的所述至少一个插片放置的物体。
40.如权利要求
39所述的装置，其特征在于，所述物体的形状大致为圆形。
41.如权利要求
39所述的装置，其特征在于，所述物体的成分是铍铜。
42.如权利要求
39所述的装置，其特征在于，所述压电传感器包括至少一个没有非永久性接头的电极。
43.如权利要求
39所述的装置，还包括耦合于所述心轴的中心化子组件。
44.如权利要求
43所述的装置，其特征在于，所述中心化子组件在所述背衬块与所述压电传感器相邻一端的相对一端耦合于所述心轴。
45.如权利要求
39所述的装置，还包括容纳所述压电传感器的套筒。
46.如权利要求
45所述的装置，还包括置于所述套筒外部的应力计，所述应力计测量施加于所述压电传感器的压缩力。
47.如权利要求
39所述的装置，还包括带锥度圆锥部分，耦合于与所述背衬块相邻一端的相对一端。
48.如权利要求
47所述的装置，其特征在于，所述心轴具有与所述带锥度圆锥部分相匹配的锥形部分。
49.如权利要求
48所述的装置，其特征在于，所述带锥度圆锥部分相对于所述心轴的所述锥形部分位置的位置要根据所述压电传感器和所述心轴之间的流体流的压力，来增加所述带锥度圆锥部分和所述心轴锥形部分之间的接触。
50.如权利要求
39所述的装置，还包括信号源，产生信号来驱动所述压电传感器以产生所述声学信号。
51.如权利要求
50所述的装置，其特征在于，所述信号源包括驱动器、微处理器系统和数模转换器。
52.如权利要求
51所述的装置，其特征在于，所述驱动器置于一电路板上，所述电路板与包括所述微处理器系统和所述数模转换器的电路板分开。
53.如权利要求
50所述的装置，其特征在于，所述信号源是产生移频键控声学信号、相移键控声学信号或离散多音频声学信号的波形发生器。
54.一种系统，包括具有心轴的钻柱，其中所述钻柱包括传感器，监视井下钻井参数；以及具有井下工具的井眼底部钻具组件，所述井下工具包括压电传感器，产生沿所述心轴调制的声学信号，所述声学信号相关于所述井下钻井参数；以及背衬块，相邻所述压电传感器放置并容纳在线性轴承中。
55.如权利要求
54所述的系统，其特征在于，所述压电传感器包括至少一个没有非永久性接头的电极。
56.如权利要求
54所述的系统，还包括在所述背衬块与所述压电传感器相邻一端的相对一端耦合于所述心轴的中心化子组件。
57.如权利要求
54所述的系统，还包括带锥度圆锥部分，耦合于与所述背衬块相邻一端的相对一端。
58.一种系统，包括具有心轴的钻柱，其特征在于，所述钻柱包括传感器，监视井下钻井参数；以及井下工具，包括波形发生器，产生相关于所述井下钻井参数的数据信息的数字波形；数模(D/A)转换器，将所述数字波形转换成模拟波形；驱动器，根据所述模拟波形驱动信号；振动致动器，产生基于所述驱动信号并沿心轴调制的声学信号，其中所述振动致动器包括具有一个或多个电接头的底端；以及带锥度圆锥部分，具有一个或多个弹簧，所述带锥度圆锥部分使用与所述一个或多个电接头对齐的所述一个或多个弹簧来将所述驱动器耦合于所述振动致动器，其中所述带锥度圆锥部分和所述振动致动器未物理连接在一起。
59.如权利要求
58所述的系统，其特征在于，所述数字波形基于移频键控、相移键控或离散多音频。
60.如权利要求
58所述的系统，其特征在于，所述驱动器置于一电路板上，所述电路板与包括所述微处理器系统和所述D/A转换器的电路板分开。
61.如权利要求
58所述的系统，其特征在于，所述振动致动器不依赖于非永久性接头。
62.如权利要求
58所述的系统，还包括背衬块，相邻所述振动致动器放置并在外壳内，其中所述背衬块包括沿所述背衬块外表面的一个或多个凹槽；至少一个插片，置于所述一个或多个凹槽中；以及相邻所述一个或多个凹槽中所述至少一个插片放置的物体。
63.如权利要求
62所述的系统，其特征在于，所述物体的形状大致为圆形。
64.一种系统，包括具有心轴的钻柱，其中所述钻柱包括传感器，监视井下钻井参数；以及具有井下工具的井眼底部钻具组件，所述井下工具包括含有产生沿心轴调制的声学信号的压电传感器的声学致动器，其中所述声学信号是相关于所述井下钻井参数的数据信息，其中所述压电传感器包括至少一个压电元件和至少一个没有非永久性接头的电极。
65.如权利要求
64所述的系统，其特征在于，所述至少一个电极包括至少两个电极，其中所述至少两个电极是在所述至少一个压电元件上折叠的同一片导电材料的一部分。
66.如权利要求
64所述的系统，其特征在于，所述声学致动器还包括与所述压电传感器相邻放置、并容纳在线性轴承中的背衬块。
67.如权利要求
66所述的系统，其特征在于，所述井下工具还包括在所述背衬块与所述压电传感器相邻一端的相对一端耦合于所述心轴的中心化子组件。
68.如权利要求
67所述的系统，其特征在于，所述井下工具包括带锥度圆锥部分，耦合于与所述背衬块相邻一端的相对一端。
69.如权利要求
68所述的系统，其特征在于，所述心轴具有与所述带锥度圆锥部分相匹配的锥形部分。
70.如权利要求
69所述的系统，其特征在于，所述带锥度圆锥部分相对于所述心轴的锥形部分位置的位置要根据所述压电传感器和所述心轴之间的流体流的压力，来增加所述带锥度圆锥部分和所述心轴锥形部分之间的接触。
71.如权利要求
64所述的系统，其特征在于，所述井下工具还包括信号源，产生信号来驱动所述压电传感器以产生所述声学信号。
72.如权利要求
71所述的系统，其特征在于，所述信号源包括驱动器、微处理器系统和数模转换器。
73.如权利要求
72所述的系统，其特征在于，所述驱动器置于一电路板上，所述电路板与包括所述微处理器系统和所述数模转换器的电路板分开。
74.一种系统，包括具有心轴的钻柱，所述心轴具有第一锥形部分，其中所述钻柱包括具有井下工具的井眼底部钻具组件，所述井下工具包括压电传感器，产生沿所述心轴调制的声学信号；以及与所述第一锥形部分相匹配的第二锥形部分。
75.如权利要求
74所述的系统，其特征在于，所述第二锥形部分相对于所述第一锥形部分位置的位置要根据所述致动器和所述心轴之间流体流的压力，来增加所述第二锥形部分和所述第一锥形部分之间的接触。
76.如权利要求
74所述的系统，其特征在于，所述第二锥形部分在操作中位于所述第一锥形部分相对于井眼地表的顶部。
77.如权利要求
74所述的系统，其特征在于，所述压电传感器包括至少一个没有非永久性接头的电极。
78.如权利要求
74所述的系统，其特征在于，所述井下工具还包括相邻所述压电传感器设置、并容纳在线性轴承中的背衬块。
79.一种系统，包括具有心轴的钻柱，其中所述钻柱包括传感器，监视井下钻井参数；以及具有井下工具的井眼底部钻具组件，所述井下工具包括压电传感器，产生沿所述心轴调制的声学信号；背衬块，相邻所述压电传感器放置并在外壳内，其中所述背衬块包括沿所述背衬块外表面的一个或多个凹槽；至少一个置于所述一个或多个凹槽中的插片；以及相邻所述一个或多个凹槽中所述至少一个插片放置的物体。
80.如权利要求
79所述的系统，其特征在于，所述物体的形状大致为圆形。
81.如权利要求
79所述的系统，其特征在于，所述物体的成分是铍铜。
82.如权利要求
79所述的系统，其特征在于，所述压电传感器包括至少一个没有非永久性接头的电极。
83.如权利要求
79所述的系统，其特征在于，所述井下工具还包括带锥度圆锥部分，耦合于与所述背衬块相邻一端的相对一端。
84.如权利要求
83所述的系统，其特征在于，所述心轴具有与所述带锥度圆锥部分相匹配的锥形部分。
85.如权利要求
84所述的系统，其特征在于，所述带锥度圆锥部分相对于所述心轴的锥形部分位置的位置要根据所述压电传感器和所述心轴之间流体流的压力，来增加所述带锥度圆锥部分和所述心轴锥形部分之间的接触。
86.一种方法，包括产生数字波形；将所述数字波形转换成模拟波形；以及驱动声学致动器产生沿钻柱的心轴调制的声学信号，其中所述声学致动器包括压电管组，所述压电管组包括至少一个压电元件和至少一个没有非永久性接头的电极。
87.如权利要求
86所述的方法，其特征在于，驱动所述声学致动器产生沿所述钻柱的心轴调制的所述声学信号包括驱动所述声学致动器产生沿所述钻柱的心轴调制的所述声学信号，其中所述至少一个压电元件由陶瓷材料组成。
88.如权利要求
86所述的方法，其特征在于，产生所述数字波形包括通过数字信号处理器产生所述数字波形。
89.如权利要求
88所述的方法，其特征在于，将所述数字波形转换成所述模拟波形包括用数模(D/A)转换器将所述数字波形转换成所述模拟波形。
90.如权利要求
89所述的方法，其特征在于，驱动所述声学致动器产生沿所述钻柱的心轴调制的所述声学信号包括用双模桥接放大器驱动所述声学致动器，其中所述双模桥接放大器置于一电路板上，所述电路板与包括所述数字信号处理器和所述D/A转换器的电路板分开。
专利摘要
本发明涉及一种声学遥测收发器，包括一压电传感器(210)以产生沿心轴(204)调制的声学信号，以及一背衬块(208)，所述背衬块与压电传感器(210)相邻放置、并限制几乎所有相对于钻柱的轴的横向移动。
文档编号E21B47/16GK1997916SQ20058002220
公开日2007年7月11日 申请日期2005年7月1日
发明者V·V·沙阿, E·J·林伊弗, D·G·凯尔, W·R·加德纳, J·L·摩尔 申请人:哈里伯顿能源服务公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan