[發明專利]一種基于等離子脈沖聲源裝置的隨鉆聲波傳輸方法

在審

• 申請號: 201810054090.0
• 申請日: 2018-01-19
• 公開（公告）號: CN107965312A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 尚海燕;張晶;周靜;雷誠;傅鋼;謝海明;燕并男;傅杰
• 申請（專利權）人: 西安石油大學
• 主分類號: E21B47/16
• 分類號: E21B47/16
• 代理公司: 北京世譽鑫誠專利代理事務所(普通合伙)11368
• 代理人: 魏秀枝

技術領域

本發明涉及隨鉆聲波傳輸的高新技術領域，特別是一種基于等離子脈沖聲源裝置的隨鉆聲波傳輸方法。

背景技術

油氣資源是國家最重要的戰略性資源，因此研究和開發先進適用的鉆井技術、提高鉆井成功率及降低原油成本，已成為石油勘探開發的最新熱點和出發點。隨著鉆井技術的不斷發展，旋轉導向智能鉆井技術的商業價值已經在世界各地得到了體現，掌握最先進的鉆井技術，已經成為石油鉆井最急需解決的問題。

對于目前的鉆井技術而言，井下數據的快速獲取為其關鍵環節。井下數據主要通過無線方式上傳，其中泥漿脈沖遙傳為主要上傳方式，然而泥漿脈沖方式存在傳輸速率低，且泥漿信號在傳播過程中也被干擾，影響井下數據傳輸效率。同時泥漿脈沖方式不能用于一些新式鉆井技術，如空氣鉆井及欠平衡鉆井等。因此，以泥漿脈沖為代表的傳輸方式不能滿足目前高難度井及日益發展的新鉆井技術的要求。

對于另一項無線傳輸方式-電磁波傳輸技術則應用范圍受限，其以電磁波為載體來傳輸信號，盡管其可實現井下信息的快速上傳，看似能夠勝任未來出現的各種新式鉆井技術，但其受地層電阻率影響較大，同時存在信號嚴重衰減情況，無法穩定可靠地進行長距離傳輸，因而只能應用于較淺鉆井中進行數據上傳。

因此，作為無線傳輸方式的另一種，即聲波遙傳技術則顯得尤為重要。隨鉆聲波遙傳具有結構簡單、成本較低和易于定向發射等優點，并且聲波在固體介質中傳播速度極快，聲波在鋼中的傳播速度最快，能夠達到5000m/s，而石油鉆井通道的鉆桿通常由鋼介質構成，一個個連續傳輸介質整體構成鉆柱通道。隨鉆聲波雖然在傳輸數據時聲信號存在一定的衰減，但其以鉆桿作為信號傳輸媒介，并借助中繼器對信號進行加強，傳輸速率快，可實現雙向通信，同時鉆桿上的中繼器易實現、造價低。因此，聲波作為目前被看好的一種井下無線遙傳技術，有望替代泥漿脈沖遙傳以解決目前鉆井遇到的問題，以及滿足未來出現的鉆井新技術對數據傳輸的需要。

在隨鉆聲波聲源方面，目前大多采用壓電陶瓷換能器作為聲源設計，但由于壓電陶瓷換能器單位體積輸出功率受限，會導致聲波傳輸距離過短等問題。

發明內容

本發明的目的是要提供一種基于等離子脈沖聲源裝置的隨鉆聲波傳輸方法，工藝簡便、結構簡單、無化學和爆炸物、不會對油層產生二次傷害、不損傷套管、成本低廉、環境友好且效果顯著的隨鉆聲波傳輸的一種新型聲源裝置，并應用于隨鉆聲波傳輸過程。

為達到上述目的，本發明是按照以下技術方案實施的：

一種基于等離子脈沖聲源裝置的隨鉆聲波傳輸方法，利用等離子脈沖聲源在水下發生放電時形成沖擊壓力波，當激波向外傳播時就會衰減形成聲脈沖，再通過拋物線立體聚能裝置將產生的聲脈沖能量定向匯聚傳輸到與之相連接的鉆桿，聲波經由鉆桿向地面傳輸，并被地面聲波接收裝置接收，進一步通過地面控制中心進行井下信息處理。

具體地，本發明中，等離子脈沖聲源裝置，包括用于對等離子脈沖聲源裝置供電的井下電力輸入端、升壓整流電路、薄膜儲能電容、觸發控制電路、觸發真空開關、放電電極、拋物線立體聚能裝置，放電電極包括電極、絕緣體、和金屬外殼，電極以金屬外殼的中軸線為中心同軸分布，電極一端浸沒在由絕緣體、金屬外殼和拋物線立體聚能裝置密封起來的電極液中；升壓整流電路用于將井下電力輸入端提供的交流電升壓整流為高壓直流電輸出給薄膜儲能電容充電并存儲在薄膜儲能電容中，觸發控制電路用于控制觸發開關并將薄膜儲能電容的高壓電能以微秒級瞬間釋放給放電電極，放電電極的作用是當高壓電能施加到電極時，瞬間激穿電極間的電極液產生強大的等離子體，以高壓沖擊波的形式向徑向傳播，所述拋物線立體聚能裝置用于將聲脈沖能量定向聚能傳輸到與之相連接的鉆桿。

進一步，作為本發明的優選方案，所述薄膜儲能電容采用中空圓柱體薄膜脈沖電容，耐溫可達125℃，壽命超過10000次。

進一步，作為本發明的優選方案，所述電極為尖對尖結構，材料則選擇強度高、放電效率高、耐腐蝕的材料，如銅鎢合金，其壽命可達10000次以上。

本發明利用高壓強流脈沖在水下發生放電時，會在水中產生強烈的電弧爆轟效應，由此形成的極強的沖擊壓力波，當激波向外傳播時就會衰減形成聲脈沖。再通過拋物線立體聚能裝置將產生的聲脈沖能量定向聚能傳輸到與之相連接的鉆桿，達到聲波傳輸的目的。所述拋物線立體聚能裝置固定在放電系統內部，而放電電極的中心位于拋物線立體聚能裝置聚焦面焦點處。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：