專利名稱：聲學(xué)遙測收發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及通信，尤其涉及井下鉆井組件與井面之間的聲學(xué)通信。
背景技術(shù)：
在提取油氣的鉆井操作過程中，已經(jīng)嘗試了各種通信和傳輸技術(shù)，以在鉆井過程中從鉆頭附近向地表提供實時數(shù)據(jù)。具有實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾S鉆測量(MWD)的使用在鉆井操作中提供了實質(zhì)的好處。例如，對井下狀況的監(jiān)視允許對勢阱控制問題作出即刻響應(yīng)、并改進泥漿問題。
對諸如鉆頭上的重量、扭矩、磨損和軸承條件的參數(shù)的實時測量為更加有效的鉆井操作作了準(zhǔn)備。實際上，更快的穿進速率、更好的途徑規(guī)劃、減小的設(shè)備故障、方向勘察的更少延遲、以及消除中斷鉆井而來檢測異常壓力的需要可通過使用MWD技術(shù)實現(xiàn)。
最近，存在四類主要的用于嘗試從鉆頭附近向地表提供實時數(shù)據(jù)的遙測系統(tǒng)；即聲波、泥漿壓力脈沖、絕緣導(dǎo)體和電磁波。
對于聲波，通常聲學(xué)信號在鉆頭附近產(chǎn)生、并通過鉆桿、泥漿體或泥土傳輸。然而，已發(fā)現(xiàn)可在井下產(chǎn)生的極低強度信號、以及由鉆井系統(tǒng)產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲一起使得信號檢測難以進行。由工具接頭處變化的直徑和螺紋結(jié)構(gòu)造成的反射和折射的干涉使得鉆桿傳輸?shù)男盘査p問題復(fù)雜化。這種反射和折射的干涉導(dǎo)致正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特之間的比特間干涉。此外，環(huán)境熱量和裝載拉伸可導(dǎo)致聲學(xué)傳輸器中的傳輸部件之間失去接觸。在該傳輸器上的壓縮負(fù)載可鎖住壓電管組、并因此不允許向管道系統(tǒng)傳遞動量。因此，劇烈的振動和沖擊負(fù)荷可能導(dǎo)致脆弱的壓電和磁致伸縮材料中的應(yīng)力碎裂，這可使聲學(xué)傳輸器組件分離。
在泥漿壓力脈沖系統(tǒng)中，通過鉆柱的泥漿流的阻力由安裝在靠近鉆頭的特定鉆環(huán)中的閥和控制機構(gòu)調(diào)制。在壓力脈沖以聲波在泥漿中的速度或接近該速度在泥漿體中向上傳輸時，這類系統(tǒng)通常以每秒一比特傳輸。眾所周知，由于脈沖的衰減和展寬，泥漿脈沖系統(tǒng)固有地限制于每秒幾個比特。
從鉆頭至地表的絕緣導(dǎo)體或硬接線連接是建立井下通信的另一方法。該類系統(tǒng)具有較高數(shù)據(jù)速率且雙向通信成為可能。然而，已發(fā)現(xiàn)該類系統(tǒng)需要特殊鉆桿和特殊工具接合連接器，這大大增加了鉆井操作的成本。此外，由于泥漿系統(tǒng)的磨耗現(xiàn)象和鉆柱旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的磨損，這些系統(tǒng)易于發(fā)生故障。
用于將井下數(shù)據(jù)向地表傳送的第四技術(shù)使用電磁波通過泥土傳輸。承載井下數(shù)據(jù)信號的電流被輸入到與鉆頭相鄰的線圈或環(huán)，或者直接輸入到鉆柱。當(dāng)使用線圈時，承載用于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的主線圈繞線圈纏繞、而次級線圈由鉆桿形成。接收器在地表接地，其中接收并記錄電磁波數(shù)據(jù)。然而，已發(fā)現(xiàn)在深井或噪聲井應(yīng)用中，常規(guī)電磁系統(tǒng)不能產(chǎn)生可在地表恢復(fù)的足夠強度的信號。
一般而言，到達地表的電池信號的質(zhì)量根據(jù)信噪比來測量。當(dāng)信噪比下降時，恢復(fù)或重建該信號都變得更加困難。雖然增大傳輸信號的功率是增加信噪比的顯然方法，但該方法卻受到適于該目的的電池以及希望延長兩次電池更換之間的時間的限制。這些方法有助于商用鉆井電磁遙測系統(tǒng)的發(fā)展，該系統(tǒng)在MWD應(yīng)用中以每秒4比特的數(shù)據(jù)速率在4000英尺的深度工作而無需轉(zhuǎn)發(fā)器。期望從更深的井、并以更高的數(shù)據(jù)速率傳輸信號，這是隨鉆測井即LWD系統(tǒng)所需要的。


通過參考以下說明書和示出各實施方式的附圖，本發(fā)明各個實施方式可得到最好的理解。本文所包含的附圖標(biāo)號方法是圖中給定參考標(biāo)號的首位數(shù)字關(guān)聯(lián)于該附圖的編號。例如，系統(tǒng)100位于圖1中。然而，對于那些在不同附圖中相同的元件，參考標(biāo)號相同。在附圖中圖1示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的用于鉆井操作的系統(tǒng)。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器。
圖3A-3B示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的容納聲學(xué)遙測收發(fā)器的心軸的俯視圖。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器中壓電傳感器的一部分。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器中壓電傳感器的仰視圖。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器中帶錐度圓錐部分的更詳細(xì)視圖。
圖7A-7B示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器的背襯塊及其支撐元件的視圖。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的組裝包括背襯塊的支撐物(圖7A-7B中所示)的聲學(xué)遙測收發(fā)器的流程圖。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的產(chǎn)生聲學(xué)波形的系統(tǒng)。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的產(chǎn)生聲學(xué)信號的流程圖。
具體實施例方式
描述了聲學(xué)遙測收發(fā)器的方法、裝置和系統(tǒng)。在以下描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)。然而，應(yīng)該理解本發(fā)明各個實施方式可在無需這些具體細(xì)節(jié)的情況下實施。在其它示例中，未詳細(xì)示出公知電路、結(jié)構(gòu)和技術(shù)以便于不使該描述的理解產(chǎn)生混淆。
雖然針對隨鉆測量(MWD)過程中將井下數(shù)據(jù)向地表傳輸進行描述，但本發(fā)明的實施方式并不局限于此。例如，一些實施方式可用于從地表向井下設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。此外，本發(fā)明的一些實施方式不僅用于鉆井過程中，而且貫穿鉆井的整個過程，包括但不限于測井、鉆桿檢測、鉆井完成和開采油氣過程。此外，本發(fā)明一些實施方式可用于其它噪聲條件，例如液力壓碎和粘合。
如下文進一步描述的，各實施方式提供用于傳輸基本線性的聲學(xué)信號的系統(tǒng)。各實施方式通過具有在允許大致沿鉆柱的軸的非限制移動的同時大致移除橫向移動(相對于鉆柱的軸)的聲學(xué)遙測收發(fā)器，而允許這樣的線性。此外，聲學(xué)遙測收發(fā)器的各實施方式可被配置成在大范圍操作溫度上穩(wěn)定、并且能承受較大沖擊和振動。一些實施方式包括具有容納在線性/徑向軸承中的背襯塊的聲學(xué)遙測收發(fā)器。在一些實施方式中，聲學(xué)遙測收發(fā)器(包括壓電管組)與非永久性接頭(諸如焊料接頭)無關(guān)。在一些實施方式中，壓電管組通過另一帶錐度圓錐部分耦合于鉆柱心軸的帶錐度圓錐部分。如下文進一步描述的，帶錐度圓錐部分的位置為其間的接觸根據(jù)壓電管組和心軸之間的流體流的壓力增加。此外，一些實施方式提供模塊化部件，從而在無需更換其中的其它部件的情況下就可更換系統(tǒng)中一個部件。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的用于鉆井操作的系統(tǒng)。系統(tǒng)100包括位于井面104的鉆架102。該鉆架102為鉆柱108提供支撐。鉆柱108穿過旋轉(zhuǎn)臺110用于穿過地下地層114鉆出井眼112。該鉆柱108包括主動鉆桿116(在上部)、鉆桿118和井眼底部鉆具組件120(位于鉆桿118的下部)。井眼底部鉆具組件120可包括鉆環(huán)122、井下工具124和鉆頭126。井下工具124可以是包括隨鉆測量(MWD)工具、隨鉆測井(LWD)工具等各類工具中的任一個。
在鉆井操作過程中，鉆柱108(包括主動鉆桿116、鉆桿118和井眼底部鉆具組件120)可由鉆臺110旋轉(zhuǎn)。除了這種旋轉(zhuǎn)外或作為其替代，井眼底部鉆具組件120也可由井下馬達(未示出)旋轉(zhuǎn)。鉆環(huán)122可用于向鉆頭126增加重量。鉆環(huán)122也可使井眼底部鉆具組件120變硬以允許該井眼底部鉆具組件120將重量轉(zhuǎn)移到鉆頭126上。此外，由鉆環(huán)122提供的重量也有助于鉆頭126鉆入地表104和地下地層114。
在鉆井操作過程中，泥漿泵132可將鉆井液(稱為“鉆井泥漿”)從泥漿坑134通過軟管136抽吸到鉆桿118、并向下到鉆頭126。鉆井液可從鉆頭126流出、并通過鉆桿118和井眼112的側(cè)壁之間的環(huán)形區(qū)域140返回地表。然后，該鉆井液可返回泥漿坑134，在其中液體得到過濾。此外，鉆井液可冷卻鉆頭126以及在鉆井操作過程中向鉆頭126提供潤滑。此外，鉆井液移除由鉆頭126產(chǎn)生的地下地層114的廢料。
鉆柱108可包括一個到多個監(jiān)視不同井下參數(shù)的不同傳感器151。這些參數(shù)可包括井下溫度和壓力、地下地層的各種特征(諸如阻力、密度、孔隙率等)、井眼的特征(例如尺寸、形狀等)。鉆柱108還可包括在鉆柱108的管壁中以聲波振動形式傳輸遙測信號的聲學(xué)遙測收發(fā)器123。聲學(xué)遙測接收器115耦合于主動鉆桿116，以接收所傳輸?shù)倪b測信號。可沿鉆柱108設(shè)置一個或多個轉(zhuǎn)發(fā)器以接收并再發(fā)射遙測信號。轉(zhuǎn)發(fā)器119可包括與聲學(xué)遙測接收器115和聲學(xué)遙測收發(fā)器123類似配置的聲學(xué)遙測接收器和聲學(xué)遙測發(fā)射器。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器。特別地，圖2示出聲學(xué)遙測收發(fā)器123的一個實施方式。如圖所示，聲學(xué)遙測收發(fā)器123在作為鉆柱108一部分的心軸204內(nèi)。聲學(xué)遙測收發(fā)器123可包括中心化子組件201、頂部變徑接頭203、聲學(xué)致動器206、線性(或徑向)軸承214、外殼215、套筒216(具有螺紋213)、帶錐度圓錐部分218以及配線221。聲學(xué)致動器206可包括背襯塊208、壓電傳感器210(包括盤211)、以及應(yīng)力計217。中心化子組件201可包括中心化子202、中心化子變徑接頭205和螺栓241。螺栓241可包括O形密封圈槽231。頂部變徑接頭可包括O形密封圈槽232和O形密封圈槽233。在一些實施方式中，聲學(xué)致動器206可置于壓力密封腔中。聲學(xué)遙測收發(fā)器123可置于井下工具124中，從而背襯塊208在壓電傳感器210相對于地面的頂部。雖然聲學(xué)致動器206被描述為具有壓電傳感器，但在一些實施方式中，任何類型的振動致動器可用于代替壓電傳感器。帶錐度圓錐部分218可包括內(nèi)螺紋220、第一外螺紋225、第二外螺紋227和分壁式連接器229。
壓電傳感器210容納在套筒216中。在該組件的環(huán)境中，套筒216可以是適當(dāng)幾何結(jié)構(gòu)的一個組件、并可以由使套筒216與施加在套筒216終端的力成比例地伸縮的材料構(gòu)成。因此，在一實施方式中，金屬桿可用作套筒216。
背襯塊208可擰入套筒216的螺紋213、直到背襯塊208緊挨壓電傳感器210。在一些實施方式中，壓電傳感器210包括盤211。盤211可自由浮動直到背襯塊208緊挨盤211。盤211可用作緩沖，以在背襯塊208擰入套筒216并緊挨壓電傳感器210時排除施加在壓電傳感器210中元件上的力矩。換言之，盤211可用于根據(jù)施加于背襯塊208上的力矩將背襯塊208與壓電傳感器210中的壓電元件分開。
應(yīng)力計217可置于套筒216的側(cè)壁上以監(jiān)視壓電傳感器210上的負(fù)荷。應(yīng)力計217可以是溫度補償?shù)?。在一些實施方式中，套?16的位移相對于負(fù)荷的關(guān)系可以是線性的。套筒216可通過加扭機構(gòu)伸長、直到達到由應(yīng)力計217反映的期望應(yīng)力。因此，由于背襯塊208擰入螺紋213而施加的力矩水平可由應(yīng)力計217監(jiān)視。一旦已施加了給定力矩，一個或多個螺釘(未示出)可擰進套筒216以將螺紋鎖定到位，從而避免在隨后操作過程中損失該力矩。
套筒216允許壓電傳感器210中壓電元件的壓縮。套筒216伸長時，壓電元件可被壓縮。在一些實施方式中，套筒216的材料可適當(dāng)選擇成具有較低熱膨脹系數(shù)(諸如不脹鋼)以排除由于溫度變化的張力釋放。套筒216可由包括不脹鋼、鋼、不銹鋼等的許多不同材料之一組成。套筒216可以是適當(dāng)硬度的空心套筒以允許在感興趣頻帶上的共振。套筒216的硬度可更改以通過改變套筒216的厚度來適應(yīng)組件的振動特性。
背襯塊208可由包括鎢、鋼、鋁、不銹鋼、廢鈾、鉛等的許多不同材料之一組成。背襯塊208的質(zhì)量值使聲波致動器206在給定頻率范圍內(nèi)共振。
在一些實施方式中，背襯塊208可以在線性軸承214內(nèi)。線性軸承214可在外殼215內(nèi)。線性軸承214可用作背襯塊208的導(dǎo)軌。特別地，線性軸承214實質(zhì)上可排除背襯塊208相對于心軸204橫向移動，同時允許背襯塊208相對于心軸204軸向移動。因此，阻止背襯塊208的橫向移動排除了壓電傳感器210一側(cè)的額外負(fù)載、以及向壓電傳感器210相對側(cè)的拉力。本發(fā)明的各個實施方式并不局限于將線性軸承用于限制/允許背襯塊208的這種移動。圖7A-7B中示出限制/允許背襯塊208的這種運動的一可選實施方式，這在下文中將詳細(xì)描述。
壓電傳感器210可容納在套筒216中。然后，該套筒216可擰入帶錐度圓錐部分218的內(nèi)螺紋220。然后背襯塊208可擰入套筒216的螺紋213(如上所述)。因背襯塊208擰入套筒218而施加的力矩的大小可由應(yīng)力計217監(jiān)視。在背襯塊208擰到合適位置之后，將螺釘置入套筒216以將背襯塊208和套筒216鎖定到位。外殼215可擰入第一外螺紋225。在一些實施方式中，在外殼215擰入第一外螺紋225之后，背襯塊208的支撐部件(在圖7A-7B中示出)可置于外殼215中。然后，頂部變徑接頭203可擰入外殼215的頂部。該頂部變徑接頭203封閉外殼215的頂部以將流(例如鉆井泥漿)從外殼215內(nèi)的流排除。在一些實施方式中，外殼215內(nèi)的壓強大致為大氣壓。此外，帶錐度圓錐部分218可耦合于心軸204。然后，中心化子組件201可耦合于頂部變徑接頭203。以下將提供該操作的更多細(xì)節(jié)。
在一些實施方式中，當(dāng)聲學(xué)遙測收發(fā)器123在井下時壓電傳感器210可恒定地在鉆井負(fù)載和驅(qū)動負(fù)載的組合壓力之下。圖3中示出部分組合的壓電傳感器210的一個實施方式，以下將更加詳細(xì)地描述。
如以下進一步描述的，聲學(xué)致動器206可接收來自驅(qū)動器的電輸入并將該輸入轉(zhuǎn)換成聲學(xué)輸出。該聲學(xué)輸出(來自聲學(xué)致動器206)可沿心軸204(穿過帶錐度圓錐部分218)調(diào)制。因此，在一些實施方式中，聲學(xué)致動器206將聲學(xué)輸出通過單個觸點(帶錐度圓錐部分218)傳輸至心軸204。
特別地，帶錐度圓錐部分218可將壓電傳感器210耦合于心軸204，以允許聲學(xué)信號(由壓電傳感器210產(chǎn)生)沿心軸204傳輸至聲學(xué)接收器(沿鉆柱的收發(fā)器的一部分、地表處的接收器等)。聲學(xué)致動器206和心軸204之間接觸越多，則它們之間聲學(xué)信號的傳輸越好。在一些實施方式中，帶錐度圓錐部分219可加工成在心軸204中。因此，帶錐度圓錐部分218和帶錐度圓錐部分219之間可牢固接觸。在一些實施方式中，帶錐度圓錐部分218和帶錐度圓錐部分219可包括相應(yīng)的錐度和螺紋，以使兩部分能耦合在一起。因此，聲學(xué)遙測收發(fā)器123可通過帶錐度圓錐部分218和帶錐度圓錐部分219擰入并扭轉(zhuǎn)進入心軸204。此外，帶錐度圓錐部分218的第二外螺紋227可擰入并扭轉(zhuǎn)進入心軸204的一部分，以允許帶錐度圓錐部分218與心軸204之間有額外接觸。
此外，帶錐度圓錐部分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。在一些實施方式中，置入O形密封圈槽233中的O形密封圈直徑比置入O形密封圈槽234中的O形密封圈直徑大。操作中，由鉆井泥漿產(chǎn)生的壓力以及抽吸井下鉆井泥漿產(chǎn)生的壓力被施加在這兩個不同的O形密封圈上。兩個O形密封圈槽233和234之間的壓強是常壓。因為施加于兩個不同O形密封圈的壓力大致相同，O形密封圈槽233中O形密封圈(相對于O形密封圈槽234中的O形密封圈)的較大直徑可導(dǎo)致將帶錐度圓錐部分218的錐形向下壓的合力。換言之，兩個不同O形密封圈槽233和234之間產(chǎn)生壓力鎖。該壓力鎖可允許帶錐度圓錐部分218和帶錐度圓錐部分219之間更加牢固的接觸。
因此，帶錐度圓錐部分218和帶錐度圓錐部分219與心軸204和聲學(xué)遙測收發(fā)器123之間的鉆井泥漿流一起允許聲學(xué)致動器206和心軸206之間更多的接觸。特別地，帶錐度圓錐部分218和帶錐度圓錐部分219之間的接觸隨著鉆井泥漿流動而增加。此外，在分離操作中，該鉆井泥漿流的壓力沒有出現(xiàn)，從而使分離操作更容易。因此，本發(fā)明的一些實施方式允許聲學(xué)致動器206和心軸204之間更多的接觸，同時仍使分離操作更容易。
帶錐度圓錐部分218也可包括分壁式連接器229。分壁式連接器229可防止包括線圈221的部分中的壓力泄漏進入包括壓電傳感器210的區(qū)域。特別地，分壁式連接器229可包括通過帶錐度圓錐部分218內(nèi)的彈簧將線圈221耦合于壓電傳感器210中線圈的部分(下文結(jié)合圖5和6更加詳細(xì)地描述)。在一些實施方式中，該耦合可通過焊接操作完成。線圈221可將壓電傳感器210電耦合于信號源(未示出)，用于驅(qū)動和控制壓電傳感器210。該信號源可包括電驅(qū)動器、控制電路/電子元件等。
中心化子組件201可在聲學(xué)遙測收發(fā)器123的頂端提供支撐。特別地，中心化子202可將頂部變徑接頭203耦合于心軸204。中心化子202可以是將聲學(xué)遙測收發(fā)器123連接于心軸204的多齒環(huán)(諸如四個齒)。該環(huán)鄰近頂部變徑接頭203的一側(cè)可包括槽。如圖所示，中心化子202的錐度可大致與頂部變徑接頭203的錐度相同。中心化子202置于頂部變徑接頭203之后，中心化子變徑接頭205可擰入到頂部變徑接頭203上。該擰入操作可使中心化子202將頂部變徑接頭203的錐體向上推。此外，該擰入操作可使中心化子中的槽打開，從而使中心化子202朝心軸204向外伸展。因此，中心化子202緊挨心軸204以在聲學(xué)遙測收發(fā)器123的頂端提供支撐。
此外，O形密封圈被置入O形密封圈槽231、232和233中。在一些實施方式中，置入O形密封圈槽231和232中的O形密封圈槽的直徑大于置入O形密封圈槽233中的O形密封圈槽的直徑。操作中，由鉆井泥漿以及抽吸鉆井泥漿產(chǎn)生的壓力施加在兩個不同O形密封圈上。在一些實施方式中，在O形密封圈231和O形密封圈233之間建立了壓力鎖。O形密封圈232可為該壓力鎖提供額外壓力。換言之，如果O形密封圈231與O形密封圈233之間的壓力鎖無效，則壓力鎖在O形密封圈232與O形密封圈233之間創(chuàng)建。
此外，螺栓241可擰入中心化子變徑接頭205的頂部直到螺栓緊挨頂部變徑接頭203。因此，由于(1)通過中心化子變徑接頭205擰入到頂部變徑接頭203上而施加的力矩；(2)由O形密封圈產(chǎn)生的壓力鎖；以及(3)擰入中心化子變徑接頭205頂部的螺栓241，中心化子202可保持在相對心軸204的合適位置。因而，中心化子組件201可排除聲學(xué)遙測收發(fā)器123的橫向移動。
圖3A-3B示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的容納聲學(xué)遙測收發(fā)器的心軸的俯視圖。特別地，圖3A示出心軸204內(nèi)聲學(xué)遙測收發(fā)器123的第一配置的俯視圖。在心軸204內(nèi)，聲學(xué)遙測收發(fā)器123由泥漿流開口302A-302C環(huán)繞。圖3B示出心軸204內(nèi)聲學(xué)遙測收發(fā)器123的第二配置的俯視圖。在該配置中，泥漿流開口304與聲學(xué)遙測收發(fā)器123相鄰。泥漿流開口302A-302C以及304允許鉆井泥漿從地表向井下鉆頭126流動。聲學(xué)遙測收發(fā)器123的配置和泥漿流開口是示例性的、并非限制性的。特別地，一些配置可包括更多或更少數(shù)目的泥漿流開口。此外，該泥漿流開口可以是其它形狀和尺寸。
圖3A示出一種配置，其中來自通過環(huán)繞泥漿流開口302A-302C的泥漿流的壓力可有助于防止聲學(xué)遙測收發(fā)器123的部件的橫向移動。圖3B示出其中泥漿流更加鄰近(通過單個開口)的配置。該配置可減小泥漿會帶給聲學(xué)遙測收發(fā)器123的磨損和損傷。此外，該配置可使需要在操作過程中穿過心軸204的導(dǎo)線更容易穿過。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器內(nèi)壓電傳感器的一部分。特別地，圖4示出在完全組裝之前壓電傳感器210的一部分的一個實施方式。壓電傳感器210包括電極402A、電極402B、和電極402C。該壓電傳感器210還包括壓電元件404A、壓電元件404B、壓電元件404C、和壓電元件404D。壓電傳感器210可包括更少或更多數(shù)目的電極402和/或壓電元件404。
如圖所示，電極402A-402D可以是獨立于非永久性接頭(諸如焊料接頭、焊接頭)的單層材料。因此，作為完成壓電傳感器210組裝的一部分，電極402A-402D可在壓電元件404A-404D上折疊。在一些實施方式中，電極組件402A-402D可由鈹銅、銅、黃銅、銀等組成。壓電元件404A-404D可以是由諸如鈦鋯酸鉛(PZT)、鈦酸鉛(PbTiO2)、鋯酸鉛(PbZrO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)等的陶瓷材料組成的盤。在一些實施方式中，壓電傳感器210可被由磁致伸縮材料形成的適當(dāng)傳感器代替。在該實施方式中，電磁材料和驅(qū)動電路之間的連接可設(shè)計成消除非永久性接頭(諸如焊料)。
在一些實施方式中，電極402A-402D可包含一個至多個孔?？稍趬弘娫?04A-404D之間嵌入粘合劑(諸如環(huán)氧化物)。這種粘合劑可在電極402A-402D的孔中流動，從而在壓電元件404A-404D之間形成更牢固的結(jié)合。該粘合劑可防止壓電元件404A-404D相對彼此移動。因此，這種配置可使壓電傳感器210的輸出更加穩(wěn)定。
圖5和6一起示出在不使用非永久性接頭的情況下將壓電傳感器210耦合于信號源的配置。圖5示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器中壓電傳感器的仰視圖。特別地，圖5示出壓電傳感器210一實施方式的仰視圖。如圖所示，壓電傳感器210的底部包括電極502A-502N。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器中帶錐度圓錐部分的詳圖。特別地，圖6示出可與圖5中示出的壓電傳感器210一起使用的帶錐度圓錐部分218的一個實施方式。如圖2所示，壓電傳感器210可置于帶錐度圓錐部分218的頂部(相對于地表)。該帶錐度圓錐部分218包括分壁式連接器229A-229N、彈簧602A-602N以及線圈221A-221N。特別地，帶錐度圓錐部分218可包括一個至多個分壁式連接器229、彈簧602、和線圈221。彈簧602A-602N的頂部可與電觸點502A-502N對齊(圖5中示出)。在一些實施方式中，電觸點502A一502N與彈簧602A-602N之間存在一對一的關(guān)系。因此，彈簧602A與電觸點502A對齊。彈簧602B與電觸點502B對齊。彈簧602C與電觸點502C對齊。彈簧602N與電觸點502N對齊。彈簧602A-602N的頂部可從帶錐度圓錐部分218的頂部伸出。分壁式連接器229將彈簧602耦合于可與信號源(諸如驅(qū)動器、數(shù)字信號處理器等)相耦合的彈簧221。
因此，壓電傳感器210與線圈221的耦合(通過帶錐度圓錐部分218)不包括非永久性接頭。此外，壓電傳感器210置于帶錐度圓錐部分218的頂部。由背襯塊208、壓電傳感器210提供的重量以及施加在壓電傳感器210上的壓縮預(yù)壓負(fù)載使電觸點502與彈簧602保持接觸。因為該耦合不包括非永久性接頭，所以由于致動器導(dǎo)致振動的應(yīng)力以及鉆井操作過程中固有的周圍環(huán)境振動，該耦合不會被破壞。
圖7A-7B示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器的背襯塊及其支撐部件的結(jié)構(gòu)。特別地，圖7A示出背襯塊700，而圖7B示出背襯塊700的多個支撐部件。參看圖2，背襯塊700及其支撐部件可代替背襯塊208和線性軸承214。
背襯塊700的頂部包括錐形孔704。沿背襯塊700的側(cè)壁存在多個凹槽702A-702E。背襯塊700的底部包括螺紋接頭706。該螺紋接頭706可用于將背襯塊700耦合于壓電傳感器210。
圖7B包括含有螺紋接頭的下推部件708。圖7B還示出要插入凹槽702之一的一組部件。因此，(雖然未示出)各個凹槽702A-702E可包括各個部件。將插入凹槽702之一的部件包括多個插片712A-712N、以及多個支撐物714A-714N。圖7A-7B示出固定數(shù)目的凹槽702、以及要插入給定凹槽702的固定數(shù)目的插片712和支撐物714。本發(fā)明的各個實施方式可包括更少或更多數(shù)目的凹槽702、插片712和/或支撐物714。在一些實施方式中，支撐物714的成分包括鈹、銅、鋼、黃銅、不銹鋼等。支撐物714可以是不同形狀。例如，支撐物714可近似于圓形。支撐物714可在面向外殼的一側(cè)近似為圓形，而在相對側(cè)為楔形、正方形等。對于給定的背襯塊700和/或給定凹槽702的一組給定支撐物714可以是不同形狀和不同尺寸的。現(xiàn)在描述圖7A-7B示出的背襯塊700及其支撐部件的組裝操作的實施方式。
特別地，圖8示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的組裝包括背襯塊的支撐物(圖7A-7B中示出)的聲學(xué)遙測收發(fā)器的流程圖。
在流程圖800的框802，壓電傳感器被置于帶錐度圓錐部分。參考圖2中的實施方式，壓電傳感器210被置于帶錐度圓錐部分上。在框804繼續(xù)控制。
在框804，套筒擰(在壓電傳感器上)入帶錐度圓錐部分。參考圖2中的實施方式，套筒216擰(在壓電傳感器216上)入帶錐度圓錐部分218的內(nèi)螺紋220。在框806繼續(xù)控制。
在框806，背襯塊擰入套筒，直至對壓電傳感器形成給定壓縮。參考圖2的實施方式，背襯塊208擰入套筒216的螺紋213。在一些實施方式中，該螺紋被扭轉(zhuǎn)成對壓電傳感器210施加給定壓縮。應(yīng)力計217可測量該壓縮。在框808繼續(xù)控制。
在框808，套筒的螺紋(用來耦合于背襯塊)通過螺釘鎖住。參考圖2的實施方式，在背襯塊208擰入其中之后，螺紋213通過螺釘(未示出)鎖住。在框810繼續(xù)控制。
在框810，外殼擰入(在背襯塊、套筒、和壓電傳感器上)帶錐度圓錐部分。參考圖2的實施方式，外殼215擰入(在背襯塊208、套筒216、和壓電傳感器210上)帶錐度圓錐部分218的螺紋225。在一些實施方式中，背襯塊208的大小為使背襯塊208不與外殼215接觸的大小。在框812繼續(xù)控制。
在框812，支撐物和插片被交替地插入沿背襯塊側(cè)壁的各個凹槽中，直至填滿凹槽。參考圖7A-7B的實施方式，支撐物714和插片712交替地插入各個凹槽702中直至填滿凹槽。在一些實施方式中，支撐物702和外殼的大小為使支撐物在其最初插入凹槽702時不與外殼215接觸的大小。在框814繼續(xù)控制。
在框814，將下推部件插入背襯塊的頂部。參考圖7A-7B的實施方式，下推部件708的螺紋接頭710被插入錐形孔704。在框816繼續(xù)控制。
在框816，下推部件轉(zhuǎn)向，直到支撐物與外殼充分接觸。參考圖2和7A-7B的實施方式，下推部件708轉(zhuǎn)向，從而使插片712彼此相對推移。插片712的推移在一起使支撐物714向外推移。因此，下推部件708可繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直到支撐物714與外殼215充分接觸。在一些實施方式中，在支撐物714是輪子時，如果支撐物714基本上阻止背襯塊700的橫向移動、同時允許背襯塊700相對于心軸204軸的軸向移動，則它與外殼215充分接觸。如前所述，支撐物714在有限個位置中與外殼215接觸。這種接觸足夠阻止橫向移動。此外，受限的接觸仍允許軸向移動(沿心軸204的軸)。
雖然流程圖800被描述成背襯塊208由如圖7A-7B的支撐部件支撐，但是類似的操作也可執(zhí)行成背襯塊208由線性軸承214支撐。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的用于產(chǎn)生聲學(xué)波形的系統(tǒng)。特別地，圖9示出作為鉆柱中井下工具的一部分的系統(tǒng)900。為便于說明參看圖1，系統(tǒng)900可以是井下工具124的一部分。該系統(tǒng)900包括微處理器系統(tǒng)902、數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器904、驅(qū)動器906、和壓電傳感器210。微處理器系統(tǒng)902的輸出耦合于D/A轉(zhuǎn)換器904的輸入。D/A轉(zhuǎn)換器904的輸出耦合于驅(qū)動器906的輸入。驅(qū)動器906的輸出耦合于壓電傳感器210的輸入。參看圖2，微處理器系統(tǒng)902、D/A轉(zhuǎn)換器904、和驅(qū)動器904可耦合于線圈221。
系統(tǒng)900可產(chǎn)生許多不同聲學(xué)波形的任一個，該系統(tǒng)包括移頻鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)、離散多音頻(DMT)等。此外，系統(tǒng)900可在許多不同類型窗口中產(chǎn)生該聲學(xué)波形，包括漢明(Hamming)、漢寧(Hanning)等。
微處理器系統(tǒng)902可包括產(chǎn)生不同聲學(xué)波形的不同類型的處理器。例如，微處理器系統(tǒng)902可包括通用處理器、不同類型的數(shù)字信號處理器(DSP)(諸如浮點DSP)等。該微處理器系統(tǒng)902還可包括不同類型的存儲器，包括不同類型的易失性和非易失性存儲器。例如，微處理器系統(tǒng)902可包括閃存、隨機存取存儲器(RAM)(例如同步動態(tài)RAM(SDRAM)、DRAM、DDR-SDRAM等)等。
微處理器系統(tǒng)902還可包括不同類型的輸入/輸出(I/O)邏輯元件。該I/O邏輯元件可包括任何適當(dāng)?shù)慕涌诳刂破饕蕴峁┤魏芜m當(dāng)?shù)耐ㄐ沛溄印Ｒ粚嵤┓绞降腎/O邏輯元件為多個接口之一提供合適的仲裁和緩沖。例如，微處理器系統(tǒng)902可具有一個或多個合適的串聯(lián)、并聯(lián)、通用串行總線(USB)端口等。在一些實施方式中，微處理器系統(tǒng)902可產(chǎn)生傳輸至地表的不同波形(表示數(shù)據(jù)信號)。該微處理器系統(tǒng)902可產(chǎn)生表示輸出到D/A轉(zhuǎn)換器904的該波形的數(shù)字表示。
D/A轉(zhuǎn)換器904可以是對模擬信號進行編碼和解碼的編碼/解碼器(CODEC)的一部分。D/A轉(zhuǎn)換器904可接收數(shù)字波形并將該波形轉(zhuǎn)換成模擬信號。D/A轉(zhuǎn)換器904可將該模擬信號輸出到驅(qū)動器906。
該模擬信號可以是低壓信號(例如約為1伏)。根據(jù)該模擬信號，驅(qū)動器906可產(chǎn)生高壓信號(例如約+300伏至-300伏，+150伏至-150伏等)。驅(qū)動器906可以是能產(chǎn)生電源峰-峰電壓差的兩倍的橋接模式放大器。由驅(qū)動器906產(chǎn)生的電壓可用于驅(qū)動壓電傳感器210。
在一些實施方式中，系統(tǒng)900是模塊化的。特別地，系統(tǒng)900是其中可在不需要更換其它不同部件的情況下更換不同部件之一的系統(tǒng)。例如，微處理器系統(tǒng)902、D/A轉(zhuǎn)換器904和驅(qū)動器906之一或全部可以是單個印刷電路板。因此，如果需要不同驅(qū)動器906來例如提供不同電平的功率，則可單獨開關(guān)驅(qū)動器906的印刷電路板。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的產(chǎn)生聲學(xué)信號的流程圖。特別地，流程圖1000示出由井下工具124內(nèi)的聲學(xué)遙測收發(fā)器123進行聲學(xué)信號處理的一個實施方式。
在框1002，產(chǎn)生數(shù)字波形。參考圖9的實施方式，微處理器系統(tǒng)902產(chǎn)生該數(shù)字波形。在框1004繼續(xù)控制。
在框1004，數(shù)字波形被轉(zhuǎn)換成模擬波形。參看圖9的實施方式，D/A轉(zhuǎn)換器904執(zhí)行該轉(zhuǎn)換。在框1006繼續(xù)控制。
在框1006，驅(qū)動聲學(xué)致動器以產(chǎn)生沿鉆柱心軸調(diào)制的聲學(xué)信號。參考圖1、2和9的實施方式，驅(qū)動器906驅(qū)動聲學(xué)致動器206中的壓電傳感器210以產(chǎn)生沿鉆柱108的心軸204調(diào)制的聲學(xué)信號。
在描述中，闡述了諸如邏輯執(zhí)行、操作碼、指定操作數(shù)的手段、資源劃分/共享/復(fù)制的執(zhí)行、系統(tǒng)部件的類型和相互關(guān)系、以及邏輯劃分/合并的選擇的許多具體細(xì)節(jié)，以便于提供對本發(fā)明的更深入的理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實施本發(fā)明的實施方式。在其它情形中，未詳細(xì)示出控制結(jié)構(gòu)、門級電路、和全軟件指令序列，從而不混淆本發(fā)明的實施方式。通過所包括的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┻m當(dāng)?shù)墓δ芏鵁o需過度實驗。
說明書中對“一實施方式”、“實施方式”、“示例性實施方式”等的參考表明所述實施方式可包括特定特征、結(jié)構(gòu)、或性質(zhì)，但是每個實施方式不必包括該特定特征、結(jié)構(gòu)、或性質(zhì)。此外，這些短語不必指同一實施方式。而且，當(dāng)特定特征、結(jié)構(gòu)、或性質(zhì)相關(guān)于實施方式進行描述時，應(yīng)該認(rèn)為本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解無論是否明確描述，可相關(guān)于其它實施方式允許該特征、結(jié)構(gòu)、或性質(zhì)。
本發(fā)明各實施方式包括可包含在由機器可讀介質(zhì)提供的機器可執(zhí)行指令中的特征、方法、或過程。機器可讀介質(zhì)包括任何以機器(諸如計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個人數(shù)字助理、制造工具、任何具有一個或多個處理器的一個組的裝置等)可訪問的形式提供(即存儲和/或轉(zhuǎn)移)信息的機制。在一示例性實施方式中，機器可讀介質(zhì)包括易失性和/或非易失性介質(zhì)(諸如只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、磁盤存儲介質(zhì)、光存儲介質(zhì)、閃存裝置等)，以及電、光、聲或其它形式的傳播信號(諸如載波、紅外信號、數(shù)字信號等)。
這種指令用于使指令編程的通用或?qū)Ｓ锰幚砥鲌?zhí)行本發(fā)明實施方式的方法或過程。或者，本發(fā)明實施方式的特征或操作可由包含用于執(zhí)行操作的硬接線邏輯元件的指定硬件部件、或由經(jīng)編程的數(shù)據(jù)處理部件和指定硬件部件的任何組合來實現(xiàn)。本發(fā)明的實施方式包括軟件、數(shù)據(jù)處理硬件、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)方法、和本文中進一步描述的各種處理操作。
多個附圖示出根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器的系統(tǒng)和裝置的框圖。多個附圖示出說明根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的聲學(xué)遙測收發(fā)器操作的流程圖。流程圖的操作通過參考框圖中示出的系統(tǒng)/裝置進行描述。然而，應(yīng)該理解該流程圖的操作可通過除了參考流程圖討論之外的系統(tǒng)和裝置的實施方式實現(xiàn)，并且參考該系統(tǒng)/裝置討論的實施方式可執(zhí)行與參考流程圖討論的那些不同的操作。
根據(jù)對本文描述的實施方式的各種改變，本詳細(xì)描述僅旨在是示例性的，并且不應(yīng)用于限制本發(fā)明的范圍。例如，本發(fā)明的實施方式是參考在其中流動鉆井泥漿的內(nèi)心軸內(nèi)的聲學(xué)遙測收發(fā)器描述的。然而，本發(fā)明的實施方式并不受限于此。在一些實施方式中，聲學(xué)遙測收發(fā)器可置于內(nèi)心軸外而非外心軸內(nèi)。因此，本發(fā)明要求的是所有可落在所附權(quán)利要求及其等同方案的范圍和精神內(nèi)的更改。因此，應(yīng)示例性地而非限制性地看待本說明書和附圖。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括振動致動器，產(chǎn)生沿鉆柱的心軸調(diào)制的聲學(xué)信號；以及背襯塊，與所述振動傳感器相鄰放置、并限制幾乎所有相對于所述鉆柱的軸的橫向移動。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述背襯塊容納在線性軸承內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述背襯塊在操作過程中位于所述振動致動器相對于井眼地表的頂部。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述振動致動器包括至少一個沒有非永久性接頭的電極。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括耦合于所述心軸的中心化子組件。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述中心化子組件在所述背襯塊與所述振動致動器相鄰一端的相對一端耦合于所述心軸。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括套筒，其中所述振動致動器容納在所述套筒中。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括帶錐度圓錐部分，耦合于與所述背襯塊相鄰一端的相對一端。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述心軸具有錐形部分以與所述帶錐度圓錐部分匹配。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述帶錐度圓錐部分包括容納第一O形密封圈的第一O形密封圈槽和容納第二O形密封圈的第二O形密封圈槽。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述第一O形密封圈槽在操作過程中位于所述第二O形密封圈槽相對于井眼地表的頂部，其中所述第一O形密封圈的直徑大于所述第二O形密封圈的直徑。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述帶錐度圓錐部分相對于所述心軸的錐形部分位置的位置要根據(jù)來自所述振動致動器與所述心軸之間流體的泵浦操作的壓力，增加所述帶錐度圓錐部分與所述心軸的所述錐形部分之間的接觸。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括信號源，以產(chǎn)生信號來驅(qū)動所述振動致動器以產(chǎn)生所述聲學(xué)信號。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述信號源包括驅(qū)動器、微處理器系統(tǒng)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動器置于一電路板上，所述電路板與包括所述微處理器系統(tǒng)和所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電路板分開。
16.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述信號源是產(chǎn)生移頻鍵控聲學(xué)信號、相移鍵控聲學(xué)信號或離散多音頻聲學(xué)信號的波形發(fā)生器。
17.一種裝置，包括信號源；壓電傳感器，產(chǎn)生沿心軸調(diào)制的聲學(xué)信號，其中所述壓電傳感器包括一底部端，所述底部端含有一個或多個電接頭；以及具有一個或多個彈簧的部分，所述部分使用與所述一個或多個電接頭對齊的所述一個或多個彈簧來將所述信號源耦合于所述壓電傳感器，其中所述部分和所述壓電傳感器未物理連接在一起。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述壓電傳感器沒有非永久性接頭。
19.如權(quán)利要求17所述的裝置，還包括與所述壓電傳感器相鄰放置、并容納在線性軸承中的背襯塊。
20.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，用于將所述信號源耦合于所述壓電傳感器的所述部分包括帶錐度圓錐部分。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述心軸具有與所述帶錐度圓錐部分相匹配的錐形部分。
22.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述信號源包括波形發(fā)生器，以產(chǎn)生信號來驅(qū)動所述壓電傳感器以產(chǎn)生聲學(xué)信號。
23.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述信號源包括驅(qū)動器、微處理器系統(tǒng)，和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動器被置于一電路板上，所述電路板與包括所述微處理器系統(tǒng)和所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電路板分開。
25.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述信號源是產(chǎn)生移頻鍵控聲學(xué)信號、相移鍵控聲學(xué)信號或離散多頻聲聲學(xué)信號的波形發(fā)生器。
26.一種裝置，包括壓電傳感器，產(chǎn)生沿心軸調(diào)制的聲學(xué)信號，其中所述壓電傳感器包括至少一個壓電元件和至少一個沒有非永久性接頭的電極。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述至少一個電極包括至少兩個電極，其中所述至少兩個電極是可在所述至少一個壓電元件上折疊的同一片導(dǎo)電材料的一部分。
28.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述至少一個壓電元件由陶瓷材料組成。
29.如權(quán)利要求26所述的裝置，還包括背襯塊，相鄰所述壓電傳感器放置并容納在線性軸承內(nèi)；以及中心化子組件，在所述背襯塊與所述壓電傳感器相鄰一端的相對一端耦合于所述心軸。
30.如權(quán)利要求26所述的裝置，還包括容納所述壓電傳感器的套筒。
31.如權(quán)利要求26所述的裝置，還包括帶錐度圓錐部分，耦合于與所述背襯塊相鄰一端的相對一端，其中所述心軸具有與所述帶錐度圓錐部分相匹配的錐形部分。
32.如權(quán)利要求26所述的裝置，還包括信號源，以產(chǎn)生信號來驅(qū)動所述壓電傳感器以產(chǎn)生聲學(xué)信號，其中所述信號源包括驅(qū)動器、微處理器系統(tǒng)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動器置于一電路板上，所述電路板與包括所述微處理器系統(tǒng)和所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電路板分開。
34.一種裝置，包括心軸，具有第一錐形部分；致動器，包括產(chǎn)生沿所述心軸調(diào)制的聲學(xué)信號的壓電傳感器；以及第二錐形部分，與所述第一錐形部分相匹配。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，所述第二錐形部分相對于所述第一錐形部分位置的位置要根據(jù)所述致動器和所述心軸之間的流體流的壓力來增加所述第二錐形部分和所述第一錐形部分之間的接觸。
36.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，所述第二錐形部分在操作過程中位于所述第一錐形部分相對于井眼地表的頂部。
37.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，所述壓電傳感器包括至少一個沒有非永久性接頭的電極。
38.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，所述致動器還包括相鄰所述壓電傳感器放置、并容納在線性軸承中的背襯塊。
39.一種裝置，包括壓電傳感器，產(chǎn)生沿鉆柱心軸調(diào)制的聲學(xué)信號；背襯塊，相鄰所述壓電傳感器放置并在外殼內(nèi)，其中所述背襯塊包括沿所述背襯塊外表面的一個或多個凹槽；至少一個置于所述一個或多個凹槽中的插片；以及相鄰所述一個或多個凹槽中的所述至少一個插片放置的物體。
40.如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于，所述物體的形狀大致為圓形。
41.如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于，所述物體的成分是鈹銅。
42.如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于，所述壓電傳感器包括至少一個沒有非永久性接頭的電極。
43.如權(quán)利要求39所述的裝置，還包括耦合于所述心軸的中心化子組件。
44.如權(quán)利要求43所述的裝置，其特征在于，所述中心化子組件在所述背襯塊與所述壓電傳感器相鄰一端的相對一端耦合于所述心軸。
45.如權(quán)利要求39所述的裝置，還包括容納所述壓電傳感器的套筒。
46.如權(quán)利要求45所述的裝置，還包括置于所述套筒外部的應(yīng)力計，所述應(yīng)力計測量施加于所述壓電傳感器的壓縮力。
47.如權(quán)利要求39所述的裝置，還包括帶錐度圓錐部分，耦合于與所述背襯塊相鄰一端的相對一端。
48.如權(quán)利要求47所述的裝置，其特征在于，所述心軸具有與所述帶錐度圓錐部分相匹配的錐形部分。
49.如權(quán)利要求48所述的裝置，其特征在于，所述帶錐度圓錐部分相對于所述心軸的所述錐形部分位置的位置要根據(jù)所述壓電傳感器和所述心軸之間的流體流的壓力，來增加所述帶錐度圓錐部分和所述心軸錐形部分之間的接觸。
50.如權(quán)利要求39所述的裝置，還包括信號源，產(chǎn)生信號來驅(qū)動所述壓電傳感器以產(chǎn)生所述聲學(xué)信號。
51.如權(quán)利要求50所述的裝置，其特征在于，所述信號源包括驅(qū)動器、微處理器系統(tǒng)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
52.如權(quán)利要求51所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動器置于一電路板上，所述電路板與包括所述微處理器系統(tǒng)和所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電路板分開。
53.如權(quán)利要求50所述的裝置，其特征在于，所述信號源是產(chǎn)生移頻鍵控聲學(xué)信號、相移鍵控聲學(xué)信號或離散多音頻聲學(xué)信號的波形發(fā)生器。
54.一種系統(tǒng)，包括具有心軸的鉆柱，其中所述鉆柱包括傳感器，監(jiān)視井下鉆井參數(shù)；以及具有井下工具的井眼底部鉆具組件，所述井下工具包括壓電傳感器，產(chǎn)生沿所述心軸調(diào)制的聲學(xué)信號，所述聲學(xué)信號相關(guān)于所述井下鉆井參數(shù)；以及背襯塊，相鄰所述壓電傳感器放置并容納在線性軸承中。
55.如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電傳感器包括至少一個沒有非永久性接頭的電極。
56.如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，還包括在所述背襯塊與所述壓電傳感器相鄰一端的相對一端耦合于所述心軸的中心化子組件。
57.如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，還包括帶錐度圓錐部分，耦合于與所述背襯塊相鄰一端的相對一端。
58.一種系統(tǒng)，包括具有心軸的鉆柱，其特征在于，所述鉆柱包括傳感器，監(jiān)視井下鉆井參數(shù)；以及井下工具，包括波形發(fā)生器，產(chǎn)生相關(guān)于所述井下鉆井參數(shù)的數(shù)據(jù)信息的數(shù)字波形；數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器，將所述數(shù)字波形轉(zhuǎn)換成模擬波形；驅(qū)動器，根據(jù)所述模擬波形驅(qū)動信號；振動致動器，產(chǎn)生基于所述驅(qū)動信號并沿心軸調(diào)制的聲學(xué)信號，其中所述振動致動器包括具有一個或多個電接頭的底端；以及帶錐度圓錐部分，具有一個或多個彈簧，所述帶錐度圓錐部分使用與所述一個或多個電接頭對齊的所述一個或多個彈簧來將所述驅(qū)動器耦合于所述振動致動器，其中所述帶錐度圓錐部分和所述振動致動器未物理連接在一起。
59.如權(quán)利要求58所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字波形基于移頻鍵控、相移鍵控或離散多音頻。
60.如權(quán)利要求58所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動器置于一電路板上，所述電路板與包括所述微處理器系統(tǒng)和所述D/A轉(zhuǎn)換器的電路板分開。
61.如權(quán)利要求58所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述振動致動器不依賴于非永久性接頭。
62.如權(quán)利要求58所述的系統(tǒng)，還包括背襯塊，相鄰所述振動致動器放置并在外殼內(nèi)，其中所述背襯塊包括沿所述背襯塊外表面的一個或多個凹槽；至少一個插片，置于所述一個或多個凹槽中；以及相鄰所述一個或多個凹槽中所述至少一個插片放置的物體。
63.如權(quán)利要求62所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述物體的形狀大致為圓形。
64.一種系統(tǒng)，包括具有心軸的鉆柱，其中所述鉆柱包括傳感器，監(jiān)視井下鉆井參數(shù)；以及具有井下工具的井眼底部鉆具組件，所述井下工具包括含有產(chǎn)生沿心軸調(diào)制的聲學(xué)信號的壓電傳感器的聲學(xué)致動器，其中所述聲學(xué)信號是相關(guān)于所述井下鉆井參數(shù)的數(shù)據(jù)信息，其中所述壓電傳感器包括至少一個壓電元件和至少一個沒有非永久性接頭的電極。
65.如權(quán)利要求64所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個電極包括至少兩個電極，其中所述至少兩個電極是在所述至少一個壓電元件上折疊的同一片導(dǎo)電材料的一部分。
66.如權(quán)利要求64所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述聲學(xué)致動器還包括與所述壓電傳感器相鄰放置、并容納在線性軸承中的背襯塊。
67.如權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述井下工具還包括在所述背襯塊與所述壓電傳感器相鄰一端的相對一端耦合于所述心軸的中心化子組件。
68.如權(quán)利要求67所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述井下工具包括帶錐度圓錐部分，耦合于與所述背襯塊相鄰一端的相對一端。
69.如權(quán)利要求68所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述心軸具有與所述帶錐度圓錐部分相匹配的錐形部分。
70.如權(quán)利要求69所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述帶錐度圓錐部分相對于所述心軸的錐形部分位置的位置要根據(jù)所述壓電傳感器和所述心軸之間的流體流的壓力，來增加所述帶錐度圓錐部分和所述心軸錐形部分之間的接觸。
71.如權(quán)利要求64所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述井下工具還包括信號源，產(chǎn)生信號來驅(qū)動所述壓電傳感器以產(chǎn)生所述聲學(xué)信號。
72.如權(quán)利要求71所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號源包括驅(qū)動器、微處理器系統(tǒng)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
73.如權(quán)利要求72所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動器置于一電路板上，所述電路板與包括所述微處理器系統(tǒng)和所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電路板分開。
74.一種系統(tǒng)，包括具有心軸的鉆柱，所述心軸具有第一錐形部分，其中所述鉆柱包括具有井下工具的井眼底部鉆具組件，所述井下工具包括壓電傳感器，產(chǎn)生沿所述心軸調(diào)制的聲學(xué)信號；以及與所述第一錐形部分相匹配的第二錐形部分。
75.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二錐形部分相對于所述第一錐形部分位置的位置要根據(jù)所述致動器和所述心軸之間流體流的壓力，來增加所述第二錐形部分和所述第一錐形部分之間的接觸。
76.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二錐形部分在操作中位于所述第一錐形部分相對于井眼地表的頂部。
77.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電傳感器包括至少一個沒有非永久性接頭的電極。
78.如權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述井下工具還包括相鄰所述壓電傳感器設(shè)置、并容納在線性軸承中的背襯塊。
79.一種系統(tǒng)，包括具有心軸的鉆柱，其中所述鉆柱包括傳感器，監(jiān)視井下鉆井參數(shù)；以及具有井下工具的井眼底部鉆具組件，所述井下工具包括壓電傳感器，產(chǎn)生沿所述心軸調(diào)制的聲學(xué)信號；背襯塊，相鄰所述壓電傳感器放置并在外殼內(nèi)，其中所述背襯塊包括沿所述背襯塊外表面的一個或多個凹槽；至少一個置于所述一個或多個凹槽中的插片；以及相鄰所述一個或多個凹槽中所述至少一個插片放置的物體。
80.如權(quán)利要求79所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述物體的形狀大致為圓形。
81.如權(quán)利要求79所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述物體的成分是鈹銅。
82.如權(quán)利要求79所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電傳感器包括至少一個沒有非永久性接頭的電極。
83.如權(quán)利要求79所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述井下工具還包括帶錐度圓錐部分，耦合于與所述背襯塊相鄰一端的相對一端。
84.如權(quán)利要求83所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述心軸具有與所述帶錐度圓錐部分相匹配的錐形部分。
85.如權(quán)利要求84所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述帶錐度圓錐部分相對于所述心軸的錐形部分位置的位置要根據(jù)所述壓電傳感器和所述心軸之間流體流的壓力，來增加所述帶錐度圓錐部分和所述心軸錐形部分之間的接觸。
86.一種方法，包括產(chǎn)生數(shù)字波形；將所述數(shù)字波形轉(zhuǎn)換成模擬波形；以及驅(qū)動聲學(xué)致動器產(chǎn)生沿鉆柱的心軸調(diào)制的聲學(xué)信號，其中所述聲學(xué)致動器包括壓電管組，所述壓電管組包括至少一個壓電元件和至少一個沒有非永久性接頭的電極。
87.如權(quán)利要求86所述的方法，其特征在于，驅(qū)動所述聲學(xué)致動器產(chǎn)生沿所述鉆柱的心軸調(diào)制的所述聲學(xué)信號包括驅(qū)動所述聲學(xué)致動器產(chǎn)生沿所述鉆柱的心軸調(diào)制的所述聲學(xué)信號，其中所述至少一個壓電元件由陶瓷材料組成。
88.如權(quán)利要求86所述的方法，其特征在于，產(chǎn)生所述數(shù)字波形包括通過數(shù)字信號處理器產(chǎn)生所述數(shù)字波形。
89.如權(quán)利要求88所述的方法，其特征在于，將所述數(shù)字波形轉(zhuǎn)換成所述模擬波形包括用數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器將所述數(shù)字波形轉(zhuǎn)換成所述模擬波形。
90.如權(quán)利要求89所述的方法，其特征在于，驅(qū)動所述聲學(xué)致動器產(chǎn)生沿所述鉆柱的心軸調(diào)制的所述聲學(xué)信號包括用雙模橋接放大器驅(qū)動所述聲學(xué)致動器，其中所述雙模橋接放大器置于一電路板上，所述電路板與包括所述數(shù)字信號處理器和所述D/A轉(zhuǎn)換器的電路板分開。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聲學(xué)遙測收發(fā)器，包括一壓電傳感器(210)以產(chǎn)生沿心軸(204)調(diào)制的聲學(xué)信號，以及一背襯塊(208)，所述背襯塊與壓電傳感器(210)相鄰放置、并限制幾乎所有相對于鉆柱的軸的橫向移動。
文檔編號E21B47/16GK1997916SQ200580022205
公開日2007年7月11日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月1日
發(fā)明者V·V·沙阿, E·J·林伊弗, D·G·凱爾, W·R·加德納, J·L·摩爾 申請人:哈里伯頓能源服務(wù)公司