利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统及方法技术方案

本发明专利技术提供利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统及方法，系统包括冲击器、地面接收装置以及设置在钻杆内的测量短节、传感器和控制电路，冲击器设置于钻杆的近钻头端；测量短节实时测量钻头的钻孔轨迹信息，并传递给传感器，所述传感器将获得的钻孔轨迹信息，经过简单的编码处理，将信息转换为二进制的一组信号，并将此信号传递给控制电路，控制电路主要控制冲击器的工作，控制电路根据二进制信号，合理调整供气量或供液量，使得冲击器有不同的工作间隔，从而利用冲击声波产生一组放大的二进制信号，形成一组携带钻孔轨迹信息的声波信号，声波信号能够沿钻杆传递至地面接收装置，最终通过地面接收解调软件还原井下信息。

System and Method of Wireless Transmission of Downhole Signal While Drilling Using Shock Acoustic Wave of Shock Impactor

【技术实现步骤摘要】
利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统及方法
本专利技术涉及随钻测量
，具体涉及利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统及方法。
技术介绍
在硬岩地层和软硬交错地层时，冲击旋转钻井技术不仅可以大幅度提高钻井效率，防止井眼弯曲，还能减轻钻具和钻头磨损，减少井内事故，是解决硬岩地层钻进难题最有效的方法之一。冲击器作为冲击旋转钻井技术的关键设备，其主要冲击能量用于辅助破碎岩石，部分冲击能量转换为冲击声波浪费掉。随着随钻测量技术的兴起，电磁波随钻测量系统、声波随钻测量系统、钻井液脉冲随钻测量系统都得到了很好地发展与运用。然而，由于电磁波随钻测量需要井下提供较高的电磁能量，且在传输的过程中容易被吸收、衰减，传输距离短，只能用于浅井中；钻井液脉冲随钻测量受泥浆介质限制，不能用于泡沫钻进及气体钻井中。国内外普遍认为,借助钻杆柱进行数据传输的声波式无线随钻随钻测量系统虽不受泥浆介质限制，但由于声波在传递过程中不断衰减，即使设置了中继站，仍需要较大的声波能量才能将井底信号传递到地面。因此，声波随钻测量系统长距离传输需要较高的声波发射能量。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对上述目前的随钻测量中信息传输易衰减且受环境限制的技术问题，提供利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统及方法解决上述技术缺陷。利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统，包括冲击器、地面接收装置以及设置在钻杆内的测量短节、传感器和控制电路，所述冲击器设置于钻杆的近钻头端，所述测量短节与传感器相连；所述测量短节用于实时测量钻头的钻孔轨迹信息，并传递给传感器；所述传感器用于采集钻孔轨迹信息，并能够进行编码处理以将所述钻孔轨迹信息转换为二进制的钻孔轨迹信号，并将所述钻孔轨迹信号传递给控制电路；所述控制电路用于控制所述冲击器的工作，并根据所述钻孔轨迹信号，调整气动冲击器的供气量或液动冲击器的供液量，以控制冲击器的工作间隔，从而控制冲击声波产生一组放大的二进制信号，以形成一组携带钻孔轨迹信息的声波信号，所述声波信号能够沿钻杆传递至地面接收装置；所述地面接收装置用于接收所述声波信号，并通过解调软件对所述声波信号处理后还原出井下的钻孔轨迹信息。进一步的，所述钻杆采用无磁钻杆。进一步的，所述冲击器采用气动冲击器或液动冲击器。进一步的，还包括设置于钻杆内的电池筒，用于为测量短节、传感器以及控制电路供电。利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的方法，应用于上述的利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统中，利用测量短节用于实时测量钻头的钻孔轨迹信息，并传递给传感器；利用传感器用于采集钻孔轨迹信息，并能够进行编码处理以将所述钻孔轨迹信息转换为二进制的钻孔轨迹信号，并将所述钻孔轨迹信号传递给控制电路；利用控制电路用于控制所述冲击器的工作，并根据所述钻孔轨迹信号，调整气动冲击器的供气量或液动冲击器的供液量，以控制冲击器的工作间隔，从而控制冲击声波产生一组放大的二进制信号，从而形成一组携带钻孔轨迹信息的声波信号，所述声波信号能够沿钻杆传递至地面接收装置；最后利用地面接收装置用于接收所述声波信号，并通过解调软件对所述声波信号处理后还原出井下的钻孔轨迹信息。与现有技术相比，本专利技术优势在于：本专利技术将冲击器与声波无线随钻传输技术相结合，使得冲击器在井下辅助破碎岩石的同时，能够利用其产生的冲击声波将井底方位角、工具面角等信息无线传输到地面，并经过地面接收解调软件滤波、解调等处理还原井下信息。本专利技术操作简单，方便，而且能够充分利用冲击能量，为声波无线随钻系统的实施提供一种新的构想，既能实现钻井目的，又能节约随钻测井成本，使得钻井能量利用最大化。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统结构图；图2为本专利技术的冲击器冲击声波信号和井下信息结合原理示意图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统，如图1所示，包括冲击器、地面接收装置以及设置在钻杆内的测量短节、传感器和控制电路，所述冲击器设置于钻杆的近钻头端，所述测量短节与传感器相连，所述测量短节实时测量钻头的钻孔轨迹信息，并传递给传感器，所述传感器将获得的钻孔轨迹信息，经过简单的编码处理，将信息转换为二进制的一组信号(此过程由传感器中的编码程序自动处理)，并将此信号传递给控制电路，所述控制电路主要控制上述冲击器的工作，控制电路根据井下信息转换的二进制信号，合理调整供气量(气动冲击器)或供液量(液动冲击器)，使得冲击器有不同的工作间隔，从而利用冲击声波产生一组放大的二进制信号，从而就形成了一组携带钻孔轨迹信息的声波信号，所述声波信号能够沿钻杆传递至地面接收装置，最终通过地面接收解调软件对声波信号进行处理，以还原井下钻孔轨迹信息。该系统还包括设置于钻杆内的电池筒，为测量短节、传感器以及控制电路供电。钻杆为无磁钻杆。由于采用无磁钻杆，为磁性测量仪器创造了一个无磁环境，保证了磁性测量仪器测到的数据更为真实、准确。冲击器采用气动冲击器或液动冲击器，能够提供较高的能量，确保信号的有效传输。钻孔轨迹信号转换为二进制信号，便于控制电路识别。本专利技术还提供了利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的方法，利用测量短节实时测量钻头的钻孔轨迹信息，经传感器将信息转化为二进制信号后，再由控制电路根据上述的二进制信号，合理调整供气量(气动冲击器)或供液量(液动冲击器)，使得冲击器有不同的工作间隔，从而利用冲击声波产生一组放大的二进制信号，从而就形成了一组携带钻孔轨迹信息的声波信号，所述声波信号能够沿钻杆传递至地面接收装置，最终通过地面接收解调软件还原井下信息。从冲击器的工作原理来看，其冲程存在一个冲击时间t，冲击器从最高点开始，在前后腔的压力差作用下向前运动，经历短暂的冲击路程后，冲击器活塞带动钻头冲击岩石，并停顿短暂的时间；随后，由于前腔压力大于后腔压力，冲击器在压力差的作用下反向运动，又返回最高点并再次下冲，期间间隔时间为t。如图2所示，冲击器的工作周期是一种矩形波的形态，类似于程序中的二进制信号。工作原理为：传感器获得测量短节的信号，经过简单的编码处理，将信息转换为类似于二进制的一组信号(此过程由传感器中的编码程序自动处理)，并将此信号传给控制电路，由控制电路来控制配气阀的关闭情况，由此来控制供气量。由于冲击器冲击时间t短，冲击频率高，故将一系列的t集合为T，即冲击器冲击一段时间T后，通过关闭配气阀，使冲击器停止一段时间，然后继续循环工作。这样一段时间T就包含多次冲击t(如图2).利用这种简单的转换使得井下信息转换的0,1信息与冲击器工作周期T一致。由于冲击器能量大，冲击声波强，所以声波能够沿着钻杆传输到地面(必要时钻杆上每隔几百米会设置中继站)，从而被安装在方钻杆上的接收装置接收到。地面接收装置接收到的是一系列间断波，此波的波形正好应与原井下信号转换的矩形波相同，且是利用冲击声波放大的矩形波。地面声波换能器接收信号后，进行滤波、处理就能还原得到井下信息。上面结合附图对本专利技术的实施例进行了描述，但是本专利技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统，其特征在于，包括冲击器、地面接收装置以及设置在钻杆内的测量短节、传感器和控制电路，所述冲击器设置于钻杆的近钻头端，所述测量短节与传感器相连；所述测量短节用于实时测量钻头的钻孔轨迹信息，并传递给传感器；所述传感器用于采集钻孔轨迹信息，并能够进行编码处理以将所述钻孔轨迹信息转换为二进制的钻孔轨迹信号，并将所述钻孔轨迹信号传递给控制电路；所述控制电路用于控制所述冲击器的工作，并根据所述钻孔轨迹信号，调整气动冲击器的供气量或液动冲击器的供液量，以控制冲击器的工作间隔，从而控制冲击声波产生一组放大的二进制信号，以形成一组携带钻孔轨迹信息的声波信号，所述声波信号能够沿钻杆传递至地面接收装置；所述地面接收装置用于接收所述声波信号，并通过解调软件对所述声波信号处理后还原出井下的钻孔轨迹信息。

【技术特征摘要】
1.利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统，其特征在于，包括冲击器、地面接收装置以及设置在钻杆内的测量短节、传感器和控制电路，所述冲击器设置于钻杆的近钻头端，所述测量短节与传感器相连；所述测量短节用于实时测量钻头的钻孔轨迹信息，并传递给传感器；所述传感器用于采集钻孔轨迹信息，并能够进行编码处理以将所述钻孔轨迹信息转换为二进制的钻孔轨迹信号，并将所述钻孔轨迹信号传递给控制电路；所述控制电路用于控制所述冲击器的工作，并根据所述钻孔轨迹信号，调整气动冲击器的供气量或液动冲击器的供液量，以控制冲击器的工作间隔，从而控制冲击声波产生一组放大的二进制信号，以形成一组携带钻孔轨迹信息的声波信号，所述声波信号能够沿钻杆传递至地面接收装置；所述地面接收装置用于接收所述声波信号，并通过解调软件对所述声波信号处理后还原出井下的钻孔轨迹信息。2.根据权利要求1所述的利用冲击器冲击声波无线随钻传输井下信号的系统，其特征在于，所述钻杆采用无磁钻杆。3.根据权利要求1所述的利用冲击器冲击声波无线随钻传...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵春，马浩，徐林，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42