专利名称：一种井下无线电磁发射装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油、矿山、地质勘探等领域地层信息的采集和传送， 尤其涉及一种井下无线电磁发射装置。
背景技术：
当前，在石油、矿山、地质勘探等钻井工程中，为了能使钻井轨迹更准 确的按照工程设计要求钻进，以及更及时、准确地掌握地层信息，就需要把 定向传感器和采集地质信息的传感器安装在靠近钻头的位置，这些传感器随 着钻机的钻进在井下进行测量。.与此同时，传感器采集到的数据还要实时传 输到地面，以便使工程技术人员及时了解井筒的轨�：偷夭阈畔⒌谋浠�。
钻井工程中井下测量信息的传输一般有两种方法， 一种是有线传输，另 一种泥浆脉冲传输。有线传输就是用一种铠装单芯电缆下端连接测量仪器， 通过钻柱的泥浆通道放入井下钻铤中，测量仪器获得的数据由这根铠装单芯
电缆传输到地面，然而，这种方法不能在旋转钻井和并斜角大于45度的井 中使用，因为电缆在钻柱的通道内，如果钻柱旋转电缆将被绞断，另外井斜 角大于45度时，仪器靠自身重量下放到井底将很困难。泥浆脉冲传输是利 用安装在钻铤中的脉冲发生器，在钻柱通道内的泥浆中，产生压力波，以这 种压力波为载体将数据传上来，然而，这种遥测方法只能用在以普通泥浆为 介质的钻井施工中，如果用在欠平衡钻井中，将无法传输井下数据，因为在 欠平衡钻井中，钻井液(介质)是气体或泡沬泥浆，气体和泡沫泥浆是可压 縮的，在这种介质中产生的压力脉冲会严重变形，导致接收传感器不能正确 地提取信号，因此，在气体钻井和泡沫钻井中，要将井下传感器的数据上传 到地面，就必须寻找新的方法。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提供一种井下无线电磁发射装置，实现将井 下测量信息通过无线电磁波信号的形式传输到地面，解决现有技术中传输方 式的缺陷。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下
本实用新型提供一种井下无线电磁发射装置，该装置包括供电电源电 路、工作电源电路、通讯电路、存储电路、主控单元、调压调流电路、初级 放大电路、功率放大电路以及无线电磁发射天线，其中供电电源电路将接 入的供电电源整流滤波，为工作电源电路和调压调流电路提供电源；工作电 源电路为调压调流电路、功率放大电路以及主控单元提供工作电源；调压调 流电路根据无线电磁发射天线负载的大小和供电电源电路提供的电压的大 �。鹘诠└β史糯蟮缏返牡缪购偷缌鳎恢骺氐ピ刂仆ㄑ兜缏吠ü� 场总线和井下检测仪器进行数据交换，将通过通讯电路接收到的检测仪器的 数据存储到存储电路；主控单元将接收到的检测仪器数据进行调制，经初级 放大电路和功率放大电路放大，输出到无线电磁发射天线，通过无线电磁发 射天线发射出去。
本实用新型可以广泛应用于以各种介质为钻井液的特殊工艺井和常规 钻井工程中，通过无线电磁发射装置产生无线电磁波信号，实现测量数据实 时准确地传输到地面。
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的 一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中-
图1为本实用新型实施例的井下无线电磁发射装置的电路功能示意图； 图2为本实用新型实施例的调压调流电路的电路图； 图3为本实用新型实施例的主控单元的电路图； 图4为本实用新型实施例的通讯电路的电路图；图5为本实用新型实施例的存储电路的电路图6为本实用新型实施例的调制放大电路的电路图7为本实用新型实施例的工作电源电路的电路图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结 合实施例和附图，对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新 型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型 的限定。
为了解决上述现有技术中的问题，本实用新型提供一种井下无线电磁发 射装置，以在石油、矿山、地质勘探等随钻测量或非随钻测量钻井仪器设备 中，将井下测量仪器检测到的数据，通过本实用新型的井下无线电磁发射装 置调制、放大并传输到井下无线电磁发射天线，在井下空间产生无线电磁信 号，通过该无线电磁信号将井下测量信息传输到地面。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。 请参照图1，其为根据本实用新型的井下无线电磁发射装置的结构示意 图，如图所示，本实用新型实施例的井下无线电磁发射装置包括供电电源电
路l、工作电源电路2、通讯电路3、存储电路4、主控单元5调压调流电路 6、功率放大电路7、初级放大电路8以及无线电磁发射天线9，其中
供电电源可以是单相、三相或直流电压供电电源；供电电源电路l可以 通过如图1所示的整流滤波电路实现，包括热保护器、整流桥、滤波电容等， 用于为工作电源电路2以及调压调流电路6提供电源。
工作电源电路2连接供电电源电路1以及调压调流电路6以及功率放大 电路7，用于为调压调流电路6和功率放大电路7以及主控单元提供稳定的 低压工作电源，根据本实用新型的一实施例，该工作电源电路2可以通过如 图7所示的工作电源电路来实现，具体将在下面进行说明。
调压调流电路6与供电电源电路1连接，根据井下无线电磁发射天线负载的大小和供电电源电路1提供的电压的大�。鹘谔峁└β史糯蟮缏�7 的电压和电流。当井下无线电磁发射天线9遇到低电阻率地层负载时，调压 调流电路6减小供给功率放大电路7的电压，以减小功率放大电路7输出给 井下无线电磁发射天线9的电流，避免因过大电流损坏功率放大电路7。当 井下无线电磁发射天线9遇到高电阻率地层负载时，调压调流电路6增大供 给功率放大电路7的电压，以增大调制放大电路6输出给井下无线电磁发射 天线9的电流，增强传输信号强度。
功率放大电路7还与初级放大电路8、无线电磁发射天线9相连。主控 单元5控制通讯电路3，通过现场总线和井下检测仪器进行数据交换，并将 接收到的井下检测仪器的数据存储到存储电路4;主控单元5将接收到的井 下检测仪器的数据进行调制，经初级放大电路8和功率放大电路7放大，输 出到无线电磁发射天线9。
根据本实用新型的一较佳实施例，调压调流电路51可以通过如图2所 示的电路图来实现，如图2所示，供电电源，如三相、单相或直流电压电源 等通过U、 V、 W三相输入端接入本实用新型实施例的井下无线电磁发射装 置，分别经保险F1、保险F2、保险F3过电流保护，二极管D2—D7全桥整 流和滤波电容C14成为直流电压。开关晶体管Q5、续流二极管D8、储能滤 波电感Ll、储能滤波电容C15组成BUCK降压变换电路。开关晶体管Q5 工作于开关状态，通过控制开关晶体管Q5的开通占空比对输入电压或电流 进行斩波，经储能滤波电感Ll和储能滤波电容C15将通过开关晶体管Q5 的脉冲电压或电流滤波成直流电压或电流，实现调电压和调电流功能。
再请参照图2，本实施例的调压调流电路包括外部关断电路，由1N117 运算放大器U1、电容C1、电容C2、 二极管D1组成；给定电压值电路，由 电阻R2、电阻R6、电容Cll、电容C3、电容C4、 OP293运算放大器U3A 组成；误差放大电路，由电阻R7、电阻R8、电阻Rll、电阻R15、电阻R12、 电阻R13、电容C12、电容C13、 OP293运算放大器U3B组成；反馈放大电路，由电阻R14、电阻R17、电阻R19、电阻R21、电阻R18、电阻R9、电 阻R20、电容C7、电容C9、电容C5、电容C6、 1N117运算放大器U2、 OP293 运算放大器U4A、 OP293运算放大器U4B组成；三角波发生电路，由SE555 集成电路U6、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻 R28、电容CIO、电容C8、 二极管DIO、 二极管Dll、 二极管D12、 二极管 D13、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q6组成；过电流保护电路，由LM119 比较器U5A、电阻R3、电阻R22、电阻RIO、电阻R16、 二极管D9、电阻 Rl、三极管Q1、三极管Q2组成；比较电路，由电阻R4、电阻R5、 LM119 比较器U5B组成；开关晶体管，在本实施例中，通过开关晶体管Q5来实现。
其中，给定电压值电路与反馈放大电路通过误差放大电路运算误差值并 放大，进行PI调节，误差放大电路的OP293运算放大器U3B的输出与三角 波发生电路输出的三角波信号通过比较电路进行电压比较，输出的脉沖信号 控制幵关晶体管Q5的开通与关断，以将POWER+至GND的电位调为 BPOWER+至GND的电位，提供给如图6所示的调制放大电路52，达到调 电压和调电流的目的。
另外，图2中外部关断电路与主控单元5相连，用于控制调压调流电路 6的工作或停止。当反馈放大电路的运算放大器U4B输出电压大于过电流保 护电路的电阻RIO、电阻R22分压后电阻R22上的电压时，过电流保护电路 的LM119比较器U5A输出高电平，误差放大电路的OP293运算放大器U3B 的输出通过三极管Q2接地，关断输出脉冲信号，同时通过旁路三极管Ql 使给定为0，达到过电流保护的目的。
根据本实用新型的一个较佳实施例，主控单元5可以通过如图3所示的 PIC16F876A单片机U4来实现，该主控单元是整个无线电磁发射装置的控 制核心。工作电源电路2通过三端稳压器U6给该主控单元5供入5V工作 电源。单片机U4与通讯电路3、存储电路4、调压调流电路6、初级放大电 路8通过接脚相连，控制通讯电路3、存储电路4、调压调流电路51、初级放大电路52的工作。根据本实用新型的一实施例，该5V电源电路由电容 C17、电容C13、电容C18、电容C14、三端稳压器U6组成。该主控单元5 还提供了编程用接口J1。
根据本实用新型的一较佳实施例，通讯电路3可以通过如图4所示的电 路组成实现，包括电阻R18、电阻R19、电阻R20、 MAX485芯片U5。存 储电路4可以通过如图5所示的25LC256非易失存储芯片U7来实现。初级 放大电路8和功率放大电路7可以通过如图6所示的电路图来实现，根据该 实施例，初级放大电路8由74HC04集成电路U1A、 74HC04集成电路U1B、 74HC04集成电路U1C、 74HC04集成电路U1D、电容C1、电容C2、电容 C3、电容C4、电阻R1、电阻R2、电阻R9、电阻R5、电阻R6、电阻Rll、 电阻R3、电阻R4、电阻RIO、电阻R7、电阻R8、电阻R12、三极管Q1、 三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4组成。功率放大电路包括H桥电路和H 桥电路的驱动电路,其中H桥电路，由开关晶体管Q5、开关晶体管Q6、 开关晶体管Q7、开关晶体管Q8组成；上桥臂Q5开关晶体管的驱动电路， 由电容C5、电容C9、 二极管Dl 、 二极管D3、 二极管D7、电阻R14、 IRF2110 驱动芯片U2组成；下桥臂Q7开关晶体管的驱动电路，由电容C7、电容Cll 、 二极管D5、 二极管D9、电阻R16、 IRF2110驱动芯片U2组成；上桥臂晶 体管Q6的驱动电路，由电容C6、电容CIO、 二极管D2、 二极管D4、 二极 管D8、电阻R15、 IRF2110驱动芯片U3组成；下桥臂Q8开关晶体管的驱 动电路，由电容C8、电容C12、 二极管D6、 二极管DIO、电阻R17、IRF2110 驱动芯片U3组成。
根据上述实施例，PIC16F876A单片机U4通过通讯电路3和井下仪器 及其它设备完成数据通讯，将数据存储于25LC256非易失存储芯片U7中， 单片机U4将数据进行调制，分别输出到的初级放大电路8。 H桥电路工作 于开关状态。上桥臂Q5开关晶体管的驱动电路、下桥臂Q7开关晶体管的 驱动电路、上桥臂晶体管Q6的驱动电路、下桥臂Q8开关晶体管的驱动电路，将初级放大的信号放大到BPOWER至GND的电位，放大后的信号从 XI和X2引出到井下无线电磁发射天线6。如此就完成了对传输数据的调制 和放大，通过无线电磁发射天线6即可发射出去，由地面接收装置接收。
根据本实用新型的一较佳实施例，工作电源电路2可以通过如图7所示 的电路图来实现，电源从图1中滤波电路处取电压POWER+，经过共模抑 制电感LI，滤波电感L6，电容C2、电容C3、电容C4滤波处理。根据本实 施例，电源电路包括电源振荡器，由电源控制芯片Ul、电容Cl、电容 C17、电阻R1组成，其中电源控制芯片U1为UC3842，采用反激式开关变 换器原理；原边吸收电路，由电阻R5、电容C5、 二极管D1、电阻R6、电 容C12组成；变压器T1;低通滤波器，由电阻R4、电容C20组成；第一整 流滤波电路，由二极管D2、 二极管D3、电容C6、电容C7、电容C9、电容 CIO、电容C14、电容C15和电感L2、电感L3组成；第二整流滤波电路， 由二极管D6、电容C18、电容C13、电容C16、电感L5组成。
当有电后，通过电阻R2给电容C19、电容C11充电，为UC3842电源 控制芯片Ul提供电源，UC3842电源控制芯片Ul工作后通过其6脚输出 PWM脉宽调制波，通过电阻R3驱动开关晶体管Ql，变压器Tl的原边中 有脉冲电流流过，变压器T1的原边吸收电路吸收开关晶体管Ql改变状态 瞬间产生的反向电压，Tl变压器的原边电流采样电阻Rll将采样到的瞬时 电压经电阻R4、电容C20组成的低通滤波器送入UC3842电源控制芯片Ul ， 保护电源不过流损坏。
另外，根据本实施例，变压器T1有四组副边绕组，绕组3、 4的电压经 二极管D5整流，电阻RIO，电容C21成为直流电压，电源启动后为UC3842 电源控制芯片U1供电，电阻R7、电阻R8组成分压电路，为UC3842电源 控制芯片Ul提供电压反馈，电阻R9、电容C18是补偿电路。稳压二极管 D7用于防止电源控制芯片U1的电源电压过高。变压器T1的副边绕组5、6、 7、 8与整流滤波电路输出15VA禾n-15VA电源，供给调压调流电路51的工作电源。
另夕卜，变压器T1的副边绕组9、 IO经过第二整流滤波电路输出15V电 压，供给调制放大电路52的初级放大电路和H桥电路的驱动电路，同时通 过三端稳压器U6输出一路5V电压，对通讯电路3、存储电路4、单片机 U4供电。
本实用新型的井下无线电磁发射装置适应宽的输入电压变化和宽的负 载阻抗变化，通过调节其输出电压、电流，能够在各种地质环境中工作，建 立无线电磁波方式数据传输通道，以实现实时数据传输以及非常规和常规钻 井中工程的需要。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进 行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施 例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原 则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保 护范围之内。
权利要求1、一种井下无线电磁发射装置，其特征在于，该装置包括供电电源电路、工作电源电路、通讯电路、存储电路、主控单元、调压调流电路、初级放大电路、功率放大电路以及无线电磁发射天线，其中供电电源电路将接入的供电电源整流滤波，与工作电源电路和调压调流电路相连，为工作电源电路和调压调流电路提供电源；工作电源电路为调压调流电路、功率放大电路以及主控单元提供工作电源；调压调流电路根据无线电磁发射天线负载的大小和供电电源电路提供的电压的大�。鹘诠└β史糯蟮缏返牡缪购偷缌鳎恢骺氐ピ刂仆ㄑ兜缏吠ü殖∽芟吆途录觳庖瞧鹘惺萁换唬üㄑ兜缏方邮盏降募觳庖瞧鞯氖荽娲⒌酱娲⒌缏罚恢骺氐ピüㄑ兜缏方邮盏降募觳庖瞧鞯氖萁械髦疲腿氤跫斗糯蟮缏方谐跫斗糯螅偎腿牍β史糯蟮缏贩糯螅詈笫涑龅轿尴叩绱欧⑸涮煜撸ü尴叩绱欧⑸涮煜叻⑸涑鋈�。
2、 根据权利要求l所述的井下无线电磁发射装置，其特征在于，所述供 电电源为单相、三相或直流电压供电。
3、 根据权利要求1所述的井下无线电磁发射装置，其特征在于，所述调 压调流电路包括给定电压值电路、反馈放大电路、误差放大电路、三角波发 生电路、比较电路、外部关断电路、过电流保护电路、开关晶体管；其中-给定电压值电路和反馈放大电路连接误差放大电路；误差放大电路与三 角波发生电路连接比较电路；比较电路连接开关晶体管；反馈放大电路连接 过电流保护电路，过电流保护电路连接比较电路和给定电压值电路。
4、 根据权利要求l所述的井下无线电磁发射装置，其特征在于，所述主 控单元为单片机。
5、 根据权利要求l所述的井下无线电磁发射装置，其特征在于，所述通讯电路包括MAX485芯片。
6、 根据权利要求l所述的井下无线电磁发射装置，其特征在于，所述存 储电路为非易失存储芯片。
7、 根据权利要求1所述的井下无线电磁发射装置，其特征在于，所述功 率放大电路包括H桥电路以及H桥电路的驱动电路，其中-H桥驱动电路连接初级放大电路，H桥驱动电路连接H桥电路。
专利摘要本实用新型提供一种井下无线电磁发射装置，该装置包括供电电源电路、工作电源电路、通讯电路、存储电路、主控单元、调压调流电路、初级放大电路、功率放大电路以及无线电磁发射天线，其中供电电源电路将接入的供电电源整流滤波，为工作电源电路和调压调流电路提供电源；工作电源电路为调压调流电路、功率放大电路以及主控单元提供工作电源；调压调流电路根据天线负载的大小和供电电源电路提供的电压的大�。鹘诠└β史糯蟮缏返牡缪购偷缌鳎恢骺氐ピ刂仆ㄑ兜缏吠ü殖∽芟吆途录觳庖瞧鹘惺萁换唬娲⒌酱娲⒌缏罚恢骺氐ピ刂频餮沟髁鞯缏返墓ぷ饔胪Ｖ梗恢骺氐ピ邮盏降募觳庖瞧魇萃ü髦疲跫斗糯蟮缏泛凸β史糯蟮缏罚涑龅轿尴叩绱欧⑸涮煜叻⑸涑鋈ァ�
文档编号G01V3/18GK201221353SQ20082010850
公开日2009年4月15日 申请日期2008年6月11日 优先权日2008年6月11日
发明者冲 曹, 林 李, 陈文艺 申请人:中国石油集团钻井工程技术研究院
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