电缆收放装置、井下信息传输装置和方法.pdf

一种井下信息传输装置和方法，包括供电系统、井下信息处理机、地面信息处理机以及用于在井下信息处理机和地面信息处理机之间传输数据的电缆，其特征是还包括一电缆收放装置，设于井内空心钻柱内，该电缆收放装置包括：电缆筒，用于收放所述电缆，所述电缆筒包括一空心柱体，电缆的上、下端分别从空心柱体伸出，电缆上端与地面信息处理机之间采用无线通讯或有缆可拆卸连接，电缆下端连接井下信息处理机，空心柱体内设有电缆收卷机构；浮筒，与所述电缆筒相连，用于给电缆筒提供浮力，在浮筒上浮时，电缆被不断卷出，在浮筒下浮时，由所述电缆收卷机构将电缆收卷入电缆筒内。本发明能解决有缆传输装置在接续钻柱时必须反复上提或下入电缆而中断正常施工作业、占用较多钻机时间的技术问题。

1.  一种电缆收放装置，其特征在于，该电缆收放装置设于井筒内的空心钻柱内，包括：
电缆筒，用于收放电缆，所述电缆筒包括一空心柱体，电缆的两端分别从空心柱体伸出，在空心柱体内设有电缆收卷机构；
浮筒，与所述电缆筒相连，用于给电缆筒提供浮力，在浮筒上浮时，电缆被不断卷出，在浮筒下浮时，由所述电缆收卷机构将电缆收卷入电缆筒内。

2.  如权利要求1所述的电缆收放装置，其特征在于，该电缆收卷机构包括：
绕线轴，沿空心柱体的轴向可旋转地设置，用于排绕电缆，电缆的两端分别从空心柱体的两端伸出；
自动收缆机构，设在所述绕线轴的一端，该自动收缆机构与所述绕线轴的一端相连动而可驱动所述绕线轴旋转，以将电缆卷绕在所述绕线轴之上；
换向排绕机构，与所述绕线轴的另一端相连动，用于在电缆从绕线轴一端排绕至另一端时变换排绕方向，以使电缆被逐层排绕在绕线轴上；
在浮筒上浮时，由电缆带动绕线轴旋转而使电缆被不断卷出，在浮筒下浮时，由自动收缆机构带动绕线轴旋转，并在换向排绕机构的配合下，共同将电缆逐层排绕在绕线轴之上。

3.  如权利要求2所述的电缆收放装置，其特征在于，所述自动收缆机构包括：设在绕线轴下端的被动齿轮，与该被动齿轮啮合的中间齿轮，与该中间齿轮啮合的主动齿轮，主动齿轮的齿轮轴穿过空心柱体的下端盖且在齿轮轴的下端面设有单向棘轮，该单向棘轮配合有一扭力柔杆，在空心柱体上设有槽口，所述扭力柔杆从所述槽口中伸出，在扭力柔杆伸出的外端设有摩擦轮，所述摩擦轮与枢接在空心柱体的筒壁上的摇臂相连接，所述摇臂连接有弹性压缩元件，以向外顶撑摇臂。

4.  如权利要求3所述的电缆收放装置，其特征在于，所述自动收缆机构还包括有卷缆紧度调节装置，能控制电缆卷入速度，确保电缆被及时卷入而不会发生绕结，所述卷缆紧度调节装置包括：与所述中间齿轮相连接的弹性支撑元件，所述弹性支撑元件的弹力使中间齿轮保持在与所述主动齿轮啮合的位置，所述弹性支撑元件还连接至一滑轮，电缆绕置在滑轮上，由电缆的张力带动滑轮移动，滑轮再带动弹性支撑元件移动，进一步带动中间齿轮远离主动齿轮而处于非啮合状态，在所述滑轮的下方设有一对导绳辊，用于压紧电缆。

5.  如权利要求2所述的电缆收放装置，其特征在于，所述换向排绕机构包括：
换向机构，位于所述绕线轴上与自动收缆机构相对的一端，且位于上端盖与第二支撑板之间，该换向机构包括：
换向齿轮组，换向齿轮组包括双联半齿轮和设在其两侧的第一、第二双联切换齿轮，双联半齿轮、第一、第二双联切换齿轮分别具有小径齿部和大径齿部，第一、第二双联切换齿轮的小径齿部当中的一者与双联半齿轮的小径齿部啮合，第一、第二双联切换齿轮的大径齿部相啮合；
加速齿轮组，与第一双联切换齿轮相连动，加速齿轮组的输出齿轮连接一排缆丝杠，用于在换向后使排缆丝杠加速转动；
减速齿轮组，与双联半齿轮的大径齿部相连动，减速齿轮组的输入齿轮与绕线轴连接而可随绕线轴转动，由该减速齿轮组确保在电缆从绕线轴一端排绕至另一端时，双联半齿轮刚好旋转半周以切换排缆丝杠的旋转方向；以及
排绕机构，该排绕机构包括：
所述排缆丝杠，该排缆丝杠穿过第二支撑板而延伸至绕线轴的底端，所述排缆丝杠的下端枢接在第三支撑板上；
固定滑杆，固定在第二、第三支撑板之间且与所述排缆丝杠平行；
排缆滑块，同时套设在所述排缆丝杠和固定滑杆上，在所述排缆滑块设有排缆滑轮和排缆导轮，用于导引电缆，所述排缆滑块随着排缆丝杠的转动而沿着固定滑杆在绕线轴的两端往复移动，以将电缆逐层排绕在所述绕线轴上。

6.  如权利要求1～5中任意一项所述的电缆收放装置，其特征在于，所述浮筒连接在所述电缆筒的上端。

7.  如权利要求6所述的电缆收放装置，其特征在于，所述空心柱体的下端盖上设有出口密封装置，所述出口密封装置的密封性随钻井用流体的压力增加而增加。

8.  如权利要求7所述的电缆收放装置，其特征在于，所述出口密封装置包括：具有锥形密封腔室的密封座，所述密封座连接在空心柱体的下端盖上；一个锥形的密封胶塞配合在所述密封腔室内，在密封胶塞与空心柱体的下端盖之间设有弹性压缩元件，该弹性压缩元件以向朝密封座外部的方向顶持密封胶塞，所述锥形密封腔室和锥形的密封胶塞的锥形孔径沿密封座外部指向里部的方向渐渐缩小；在密封胶塞的外侧设有卡固元件，能将密封胶塞限制在密封腔室内；电缆穿经弹性压缩元件后从密封胶塞中穿伸而出。

9.  如权利要求8所述的电缆收放装置，其特征在于，在所述浮筒的上端连接有锁紧装置，在注入流体时由所述锁紧装置将电缆收放装置把持在井口附近的钻柱内壁上。

10.  如权利要求9所述的电缆收放装置，其特征在于，所述锁紧装置包括：具有多个槽口的锁紧筒；在锁紧筒上端滑动的贯穿有一推杆，在推杆穿出锁紧筒的上端固定有压盘，在推杆位于锁紧筒内的部分由上至下固定有锥形推盘和压板，该压板连接有解锁弹簧以给压板提供向上的回复力；在锁紧筒具有多个槽口的位置沿周向分别枢接有曲柄，各曲柄内端与锥形推盘的锥面配合，外端从各槽口中伸出至锁紧筒之外且设有摩擦轮，在各摩擦轮上设有锁孔，多个与各锁孔配合的锁销分别通过锁紧钢丝连接在压板上。

11.  一种井下信息传输装置，包括供电系统、井下信息处理机、地面信息处理机以及用于在井下信息处理机和地面信息处理机之间传输数据的电缆，其特征在于，该井下信息传输装置包括了权利要求1～10中任意一项的电缆收放装置，由电缆收放装置引出的电缆上端与地面信息处理机之间采用无线通讯或有缆可拆卸连接，电缆下部连接井下信息处理机。

12.  如权利要求11所述的井下信息传输装置，其特征在于，还包括有一无线转发器，连接在所述电缆收放装置上，所述无线转发器与所述电缆上端相连接，电缆上端通过所述无线转发器与地面信息处理机之间进行无线通讯；所述井下信息处理机包括井下收发器，所述地面信息处理机包括有天线阵列；电缆下端与所述井下信息处理机的井下收发器相连接，以使无线转发器与井下收发器之间进行数据传输，所述无线转发器与地面信息处理机的天线阵列之间进行通讯；所述供电系统为井下供电系统，所述井下供电系统给井下收发器供电，并通过所述电缆给无线转发器供电。

13.  如权利要求12所述的井下信息传输装置，其特征在于，所述无线转发器与井下收发器均采用高频信号传输。

14.  如权利要求12所述的井下信息传输装置，其特征在于，所述井下收发器设在一密封壳体内，在密封壳体的下端设有转换接头，在转换接头上设有通讯插头，所述井下收发器包括相连接的主控模块和调制解调器，所述主控模块与密封壳体下端的转换接头上的通讯插头相连接，该通讯插头与信号线连接，所述调制解调器与电缆收放装置下端引出的电缆相连接。

15.  如权利要求12所述的井下信息传输装置，其特征在于，所述无线转发器设置在位于锁紧装置和浮筒之间的一个转发器壳体内；所述浮筒的上下端盖均为带有通讯插头的转换接头，在浮筒上下端盖上的通讯插头由浮筒导线相连接；空心柱体的上端盖为带有通讯接头的转换接头，所述电缆筒的绕线轴内设有电缆引出滑环，所述滑环通过连接导线与空心柱体上端的通讯插头相接，而该空心柱体上端的通讯接头与浮筒下端盖上的通讯插头相连接，浮筒上端盖上的通讯插头连接至无线转发器。

16.  如权利要求15所述的井下信息传输装置，其特征在于，所述无线转发器包括：与浮筒上端盖上的通讯插头相连接的调制解调器、与调制解调器相连接的无线电转发模块、与无线电转发模块相连接的发射天线，所述转发器壳体由非屏蔽材料制成。

17.  如权利要求12所述的井下信息传输装置，其特征在于，所述天线阵列包括对空天线、埋地天线、导管天线和水龙头天线。

18.  如权利要求11所述的井下信息传输装置，其特征在于，从电缆收放装置上端引出的电缆穿经浮筒、锁紧筒后从所述锁紧装置的推杆的顶端引出而构成井下对接通讯接头，所述电缆上端通过该井下对接通讯接头与地面信息处理机之间构成有缆可拆卸连接，从电缆收放装置下端引出的电缆与所述井下信息处理机相连接；所述供电系统为地面供电系统；所述地面信息处理机包括地面电缆及与地面电缆相连接的对接装置，所述对接装置与该井下对接通讯接头可拆卸的对接以实现有缆传输，且在需要时将二者断开。

19.  如权利要求18所述的井下信息传输装置，其特征在于，所述对接装置包括：一壳体，在壳体的顶端设有连接头，地面电缆经由水龙头的侧入接头、循环头与该壳体顶端的连接头相连接，该连接头的另一端连接依次设在壳体内的对接控制与驱动模块、对接马达、驱动轴、非旋转式或旋转式的对接通讯接头，对接控制与驱动模块设有对接感应器，该非旋转式或旋转式的对接通讯接头与处于井内的推杆顶端的井下对接通讯接头可自动对接或脱离。

20.  如权利要求18所述的井下信息传输装置，其特征在于，所述电缆收放装置可以包括多个，其中置于下方的电缆收放装置由位于其上部锁紧装置上端的推杆顶端的井下对接通讯接头和置于其上方的另一个电缆收放装置下端引出的电缆依序串接，以满足更大的井深需求。

21.  如权利要求11所述的井下信息传输装置，其特征在于，所述电缆直径小于1mm。

22.  一种井下信息传输方法，通过电缆来使井下信息处理机和地面信息处理机之间进行数据传输，以进行随钻测量，其特征在于，在接续钻柱时包括如下步骤：先将井口附近以上的电缆断开；再接续钻柱；在接续钻柱完毕后，再将被断开的电缆连接起来。

23.  一种利用权利要求1～10中任一项电缆收放装置完成的井下信息传输方法，通过电缆来使井下信息处理机和地面信息处理机之间进行数据传输，以进行随钻测量，其特征在于，所述地面信息处理机设置接收天线阵列，并在井内电缆收放装置上设置一无线转发器，该无线转发器与电缆收放装置引出的电缆上端相连接，随电缆收放装置的上下浮动，由电缆收放装置自动收放井内的电缆，从而将无线收发器从井底延伸至井口附近，以缩短钻柱内的无线收发器与地面接收天线阵列的距离，实现高频信号高速通讯。

电缆收放装置、井下信息传输装置和方法
技术领域
本发明有关一种用于井下信息遥测的传输装置和方法，特别是指用于石油、天然气、煤层气等矿产钻井作业过程中进行随钻测量或随钻测井的井下信息传输装置、传输方法及电缆收放装置。
背景技术
在油、气等矿产钻井作业过程中，常常需要把井底的测量信息传输到地面，把地面的操作指令传输到井底。目前现有的传输方式有泥浆压力脉冲方式传输、电磁波传输、电缆传输、声波传输和智能钻杆传输等。其中：
电缆传输方式采用电缆来完成井下仪器与地面仪器的数据通信。现有的电缆传输设备，其数千米长的测井电缆一端连接地面仪器，另一端连接井下仪器，中段经位于地面上的井口滑轮导向后缠绕在电缆绞盘上，通过电缆绞盘可以收放电缆来实现井下仪器的下降和提升。但在钻井过程中，随着井深不断增加，需要不断的续接钻柱，而此时待续接的钻柱将无法越过电缆而连接在当前钻柱上，必须通过转动电缆绞盘将已经下入至井内的全部长度的电缆从井中提升起来，再将续接的钻柱接续在钻柱最底端，之后再将更长长度的电缆下入井内，而在上提或下入电缆的过程当中就需要中断正常的施工作业，占用了较多的钻机时间，效率差，在随钻作业中有被逐渐淘汰的趋势。
目前应用较多的是泥浆压力脉冲方式传输和电磁波传输，不会存在占用钻机时间的问题。但由于井深通常有数千米，高频信号由井底经过数公里的长途跋涉到达井口时很容易被衰减掉，因此这两种传输通道不适合高频信号长距离传输，目前这两种传输方式均以低频信号进行传输，从而导致数据传输速率很低，一般只有1～3bps(位/秒)，通常难以超过30bps，这种低速传输通道严重制约了信息化钻井技术的发展。
声波传输方式尚不具备商用能力，智能钻杆传输虽然有工业化应用，但由于其高昂的成本和操作复杂性、可靠性的问题，也制约了其应用范围，并没有被广泛采用。
可见，寻找简单易行、稳定可靠的高速传输装置和方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电缆收放装置，能解决有缆传输装置在接续钻柱时必须反复上提或下入电缆而需中断正常施工作业、占用较多钻机时间的技术问题。
本发明的目的还在于提供一种井下信息传输装置和方法，能解决有缆传输装置在接续钻柱时必须反复上提或下入电缆而需中断正常施工作业、占用较多钻机时间的技术问题。
本发明的目的还在于提供一种井下信息传输装置和方法，能突破长期以来在井下信息传输中所存在的无线通讯速率较低、有线通讯低效这一问题的困扰，可以将井下信息传输速率提高数个数量级，实现高达数万bps甚至百万bps的高速通讯。
本发明采用的技术方案是提供一种电缆收放装置，设于井筒内的钻柱内，其包括：电缆筒，用于收放电缆，所述电缆筒包括一空心柱体，电缆的两端分别从空心柱体伸出，在空心柱体内设有电缆收卷机构；浮筒，与所述电缆筒相连，用于给电缆筒提供浮力，在浮筒上浮时，电缆被不断卷出，而在浮筒下浮时，由所述电缆收卷机构将电缆收卷入电缆筒内。根据上述方案，使电缆可以在钻柱串内自由伸缩而不会发生缠扭，该电缆收放装置可用于改造已知有缆传输设备，使用时只需将由电缆收放装置引出的电缆上下端分别连接地面信息处理机的地面电缆和井下信息处理机即可，由于本发明中用于传输数据的被下入井内的电缆基本被全部卷绕在电缆筒内，因此电缆上端与地面电缆的连接处不必卷入电缆筒内，这样在接续钻柱时，可随时解开电缆连接处，在钻柱接续完毕后再将电缆连接起来，这样在续接钻柱时，不必将全部电缆上提或下入井内，不需中断正常施工作业，占用钻机时间非常短。相对于已知有缆传输设备，因全部的电缆是由地面绞盘所盘绕，如果根据本发明的前述构思，通过将地面电缆断开再连接的方式来达到方便接续钻柱的操作的目的，会出现因现有设备缺少本发明的电缆收放装置，使得地面上的电缆连接头会随着井深增加而必须被下入井内，这样经过多次接钻柱的操作以后，处于井内的电缆将产生多处接头，一方面严重影响了电缆强度和传输信息的稳定性，是不可行的；另一方面，电缆也不能旋转钻进，仍然必须上提电缆，还是存在需中断正常施工作业、占用钻机时间长的缺陷。
相应的，本发明提供了一种井下信息传输方法，通过电缆来使井下信息处理机和地面信息处理机之间进行数据传输，以进行随钻测量，在接续钻柱时包括如下步骤：先将井口附近以上的电缆断开；再接续钻柱；在接续钻柱完毕后，再将被断开的电缆连接起来。
根据上述构思，本发明提供了一种包含前述电缆收放装置的井下信息传输装置，包括供电系统、井下信息处理机、地面信息处理机以及用于在井下信息处理机和地面信息处理机之间传输数据的电缆，使电缆上端与地面信息处理机之间采用无线通讯或有缆可拆卸连接，电缆下端连接井下信息处理机。
在本发明中，能实现电缆上端与地面信息处理机之间的通讯且不影响续接钻柱的方式，可以理解为本发明中将井口附近以上的电缆“断开”的方案，包括两种：
第一种是无线传输方式，即电缆上端与地面信息处理机之间采用无线通讯，可以理解为将上部电缆永久的断开。具体方案是：还包括有一无线转发器，连接在所述电缆收放装置上，所述无线转发器与所述电缆上端相连接，电缆上端通过所述无线转发器与地面信息处理机之间进行无线通讯；所述井下信息处理机包括井下收发器，所述地面信息处理机包括天线阵列；电缆下端与所述井下收发器相连接，以使无线转发器与井下收发器之间进行数据传输，所述井下收发器进一步通过信号线与井下测量装置相连接以进行数据传输；所述无线转发器与地面信息处理机的天线阵列之间进行通讯；所述供电系统为井下供电系统，所述井下供电系统给井下收发器供电，并通过所述电缆给无线转发器供电。
无线传输方式中，可以仍然使用低频信号传输。但最优选的是无线转发器与井下收发器均采用高频信号传输。在该优选的方案中，随着电缆收放装置的浮筒的上下浮动，使电缆筒内的电缆自由伸出或缩回，从而能将钻柱内的无线收发器从井底延伸至井口附近，由于缩短了钻柱内的无线收发器与位于地面上天线阵列的距离，因此高频信号的衰减将不再那么严重，可以用高频信号实现高速通讯，突破了长期以来在井下信息无线传输中所存在的通讯速率较低这一问题的困扰，可以将井下信息传输速率提高数个数量级，实现高达数万bps甚至百万bps的高速通讯。
同时，本发明还提供了一种利用前述电缆收放装置完成的井下信息传输方法，使一无线转发器设在电缆收放装置上并与电缆收放装置引出的电缆上端相连接，随电缆收放装置的上下浮动，电缆收放装置自动伸出和缩回其中的电缆，从而将无线收发器从井底延伸至井口附近，以缩短钻柱内的无线收发器与地面天线阵列的距离，实现高频信号高速通讯。
第二种是有缆传输方式，即电缆上端与地面信息处理机之间采用有缆可拆卸连接，可以理解为将上部电缆临时反复断开。具体方案是：从电缆收放装置上端引出的电缆穿经浮筒、锁紧筒、从所述锁紧装置的推杆的顶端引出而构成井下对接通讯接头，所述电缆上端通过该井下对接通讯接头与地面信息处理机之间构成有缆可拆卸连接，从电缆收放装置下端引出的电缆与所述井下信息处理机相连接；所述供电系统为地面供电系统；所述地面信息处理机包括地面电缆及与地面电缆相连接的对接装置，所述对接装置与该井下对接通讯接头可拆卸的对接以实现有缆传输，且在需要时将二者断开。
优选的，所述对接装置包括：一壳体，在壳体的顶端设有连接头，地面电缆经由水龙头的侧入接头、循环头与该壳体顶端的连接头相连接，该连接头的另一端连接依次设在壳体内的对接控制与驱动模块、对接马达、驱动轴、对接通讯接头，对接控制与驱动模块设有对接感应器，该对接通讯接头与处于井内的推杆顶端的井下对接通讯接头可自动对接或脱离。优选的，该对接通讯接头为可旋转接头，在与井下对接通讯接头连接后，相对于壳体仍可自由旋转，这样可以保证钻柱旋转时也可用。该方案的效果是显著的：通过该对接装置与井下对接通讯接头之间的自动对接或断开，构成了一种灵活的、具有较高通讯质量的有缆传输装置，不仅定向时可用，钻柱旋转时也可用，且在接单根时可由对接装置保证上部电缆自动脱离，由于上部电缆较短，上提和下放上部电缆几乎不占用钻机时间，具有更高的灵活性和适用性。
附图说明
图1为本发明的井下信息传输装置的示意图。
图2为本发明井下信息传输装置采用无线传输的实施例局部示意图。
图3为图2中井下信息传输装置的井下收发器与供电系统的示意图。
图4为本发明中换向半齿轮的主视图。
图5为本发明的锁紧装置的一个实施例的局部示意图。
图6为本发明井下信息传输装置为有缆传输实施例的局部放大示意图。
图7为本发明图6中的电缆自动对接装置的示意图。
图8为本发明提供的电缆收放装置的一个实施例的示意图。
具体实施方式
实施方式1
如图1所示，本发明提供了一种采用电缆和无线传输相结合的井下信息传输装置，其主要包括：井下供电系统100、井下信息处理机101、地面信息处理机102、以及用于在井下信息处理机101和地面信息处理机102之间传输数据的电缆103。本发明的改进之处是还包括一个电缆收放装置10，该电缆收放装置10设于井筒中的钻柱104内，以用于收卷电缆103。
如图2所示，该电缆收放装置10包括：电缆筒1，用于收放电缆103，电缆筒1为空心柱体，在空心柱体内设有电缆收卷机构；浮筒2，与电缆筒1相连，是一个用于给电缆筒1提供浮力的装置，在浮筒2上浮时，电缆103从电缆筒1下部被不断卷出，在浮筒2下浮时，由电缆收卷机构将电缆103收卷入电缆筒1内，浮筒2基本上呈一空心筒体，优选的使浮筒2连接在电缆筒1的上方，浮筒2上下两端分别设有转换接头21、22，在转换接头21、22上设有通讯接头210、220，通讯接头210、220可由浮筒导线23连接，该通讯接头220再与电缆筒1上端盖11上的通讯接头110相连接。浮筒2还可呈空心环形体，而环绕在电缆筒1的外环，只要能由浮筒2带动电缆筒1浮动即可。
如图2、3所示，井下信息处理机101包括井下收发器5。本发明为使电缆103上端与地面信息处理机102之间进行无线传输，还包括一个无线转发器3，其连接在电缆收放装置10上并与电缆103上端相连接，这样电缆103的上端就可通过该无线转发器3与地面信息处理机102之间进行无线通讯；在一个优选的实施例中，可将无线转发器3设在浮筒2上方，当然无线转发器3显然也可以设在电缆筒1和浮筒2之间，或者整合在电缆筒1内，无线转发器3可以设在电缆收放装置10任意方便的位置，只要能连接电缆收放装置10引出的电缆103上端即可。电缆收放装置10下端伸出的电缆103与井下收发器5相连接，以使无线转发器3与井下收发器5之间进行数据传输；井下收发器5再通过信号线51与井下测量装置(图中未示)相连接以进行数据传输。
无线转发器3设在一个转发器壳体31内。无线转发器3包括调制解调器32、与调制解调器32相连接的无线电转发模块33、与无线电转发模块33相连接的发射天线34。转发器壳体31的下端盖35为转换接头，其上设有与调制解调器32相连接的通讯接头36，浮筒2上端盖21上的通讯插头210通过转发器壳体31的下端盖35上的转换接头36与无线转发器3的调制解调器32相连接，而浮筒2下端盖22上的通讯插头220则与电缆筒1顶部引出的电缆103相连接。转发器壳体31优选使用非屏蔽材料制成，否则发射天线34需要引出。优选的，在井口使用无磁钻杆或非屏蔽钻杆，可提高无线接收信号强度。
井下收发器5安装在密封壳体52内，并由密封端盖53密封，密封壳体52的下端盖54为转换接头，其上设有通讯接头540。该井下收发器5由相连接的主控模块55与调制解调器56组成，主控模块55与下端盖54上的通讯插头540连接，并通过信号线51与井下测量装置进行通讯并采集井下信息，调制解调器56与从电缆收放装置10下端伸出的电缆103相连接。
井下供电系统100可以是井下液动发电机，也可以是电池筒1001，以给井下收发器5供电，并通过电缆103给无线转发器3供电。
地面信息处理机102的接收天线阵列包括对空天线105、埋地天线106、导管天线107和水龙头天线108。导管天线107接在井口导管上，参考图7，水龙头天线108可接在水龙头1091的非旋转循环头1092上，若屏蔽现象严重，可将水龙头天线108引入钻柱104内部。
上行通讯时，将井下测量装置采集的信息通过信号线51传输给井下收发器5的主控模块55，主控模块55将信息编码后通过调制解调器56发出，经过连接井下收发器5与无线转发器3的电缆103将信息发送给位于井口附近上部钻柱104内的电缆收放装置10内的无线转发器3的调制解调器32，再由无线电转发模块33进行无线电调制并经发射天线34发出，地面信息处理机102将其感应天线阵列的对空天线105、埋地天线106、导管天线107和水龙头天线108接收到的信号放大、滤波、解调及进行其它处理。
下行通讯时，地面信息处理机102可由同样的通道向井下发送指令信息，先由地面信息处理机102将信号进行无线电调制，通过其天线阵列发出，位于钻柱104内井口附近的无线转发器3的发射天线34感应到信号，该信号经过无线电转发模块33的放大、滤波、解调后，再经调制解调器32调制到电缆103中传输到位于井底的井下信息处理机101的井下收发器5，以实现双向通讯。
本发明的重点改进之处是电缆收放装置10，能将处于井内的电缆103自动收放。如前所述，该电缆收放装置10主要包括电缆筒1和浮筒2，并且可以进一步包括锁紧装置4和密封装置6，该锁紧装置4和密封装置6虽然不是必须的结构，但优选的包括这些结构。电缆筒1的空心柱体包括数个支撑板，即上端盖11(第一支撑板)、设在空心柱体内邻近上端盖11的第二支撑板12、第三支撑板13以及下端盖14，在该空心体内设置的电缆收卷机构包括绕线轴15、自动收缆机构7和换向排绕机构8。其中：
绕线轴15，沿空心柱体的轴向可旋转地设置，用于排绕电缆103，电缆103的两端分别从空心柱体的上下两端伸出，法兰盘150固定于绕线轴15的两端，可与绕线轴15一起旋转，电缆103在绕线轴15内通过滑环与导线151连接到空心柱体上端盖11上的通讯接头110，以进一步连接浮筒2下端的转换接头22上的通讯接头220。
自动收缆机构7，设在绕线轴15的下端，该自动收缆机构7与绕线轴15的下端相连动而可驱动所述绕线轴15旋转，该自动收缆机构7包括：设在绕线轴15下端的被动齿轮71，与该被动齿轮71啮合的中间齿轮72，与该中间齿轮72啮合的主动齿轮73，主动齿轮73的齿轮轴穿过空心柱体的下端盖14且在齿轮轴的下端面设有单向棘轮74，该单向棘轮74配合有一能传递扭矩的扭力柔杆75，扭力柔杆75从空心柱体的槽口中伸出且在扭力柔杆75伸出的外端设有摩擦轮76，摩擦轮76与枢接在空心柱体的筒壁上的摇臂77相连接，摇臂77连接有弹性压缩元件78例如压缩弹簧，以向外顶撑摇臂77。
自动收缆机构7还可以进一步包括有卷缆紧度调节装置9，以控制电缆103的卷入速度，该卷缆紧度调节装置9包括：与所述中间齿轮72相连接的弹性支撑元件91，所述弹性支撑元件91的弹力使中间齿轮72保持在与所述主动齿轮73啮合的位置，所述弹性支撑元件91还连接至一滑轮92，电缆103绕置在滑轮92上，由电缆103的张力带动滑轮92移动，滑轮92再带动弹性支撑元件91移动，进一步带动中间齿轮72远离主动齿轮73而处于非啮合状态，在滑轮的下方设有一对导绳辊93，用于压紧电缆103。
自动收缆机构7的工作原理是：当钻柱104内液面相对于钻柱下降时，带有无线转发器3的电缆收放装置10在自身重量的作用下，相对于钻柱104向下移动，摩擦轮76在摩擦力作用下转动，并带动与其连接的扭力柔杆75转动，单向棘轮74锁紧，带动主动齿轮73旋转，主动齿轮73与中间齿轮72啮合，中间齿轮72与被动齿轮71啮合，带动绕线轴15旋转，电缆103被卷入电缆筒1。当卷入速度过快时，电缆103张力增大，卷缆紧度调节装置9的滑轮92在电缆103的张力作用下，克服弹性支撑元件91的支撑弹力向左下方移动，弹性支撑元件91将中间齿轮72向下推，与主动齿轮73脱离啮合，电缆103暂停卷入；当电缆103松弛时，弹性支撑元件91的弹性回复力将中间齿轮72上推，再度与主动齿轮73恢复啮合，电缆103继续卷入。设计最小卷入速度要比电缆103松弛速度稍快，就可以确保电缆103被及时卷入电缆筒1而不会发生绕结，同时也可确保上浮时不会发生单向棘轮74锁紧问题。
换向排绕机构8，与绕线轴15的上端相连动，用于在电缆103从绕线轴15一端排绕至另一端时变换排绕方向，以使电缆103被逐层排绕在绕线轴15上。换向排绕机构8包括换向机构81及排绕机构82。其中：
换向机构81，设在绕线轴15上与自动收缆机构7相对的一端且位于在上端盖11与第二支撑板12之间，换向机构81包括切换齿轮组83、加速齿轮组84和减速齿轮组85；其中：切换齿轮组83包括双联半齿轮831和设在双联半齿轮831两侧的第一、第二双联切换齿轮832、833，双联半齿轮831、第一、第二双联切换齿轮832、833分别具有小径齿部和大径齿部，第一、第二双联切换齿轮832、833的小径齿部当中的一者与双联半齿轮831的小径齿部啮合，而第一、第二双联切换齿轮832、833的大径齿部相啮合。加速齿轮组84包括齿轮841～843，第一双联切换齿轮832与双联齿轮842的小径齿部相啮合、再经双联齿轮842的大径齿部啮合双联齿轮843的小径齿部、双联齿轮843的大径齿部与输出齿轮841啮合，而该输出齿轮841与排电缆丝杠821固接，从而可使二者同步转动，该加速齿轮组84用于在换向后使排缆丝杠821加速转动，当然，如果第一双联切换齿轮832直接与输出齿轮841啮合能够达到加速比要求，可以省略双联齿轮842、843，此时该加速齿轮组84将仅包括一个与排缆丝杠821固接的输出齿轮841，但通常受限于电缆筒1的可用空间，建议在传动链中增加中间过渡齿轮即双联齿轮842、843，以获得更大的加速比同时减小对电缆筒直径尺寸的要求。减速齿轮组85包括齿轮852～855，其中双联齿轮852的小径齿部与双联半齿轮831的大径齿部相啮合，双联齿轮852的大径齿部与双联齿轮853的小径齿部啮合、双联齿轮853的大径齿部与双联齿轮854的小径齿部啮合、双联齿轮854的大径齿部与齿轮855啮合，而齿轮855与绕线轴15固接从而随绕线轴15转动，该减速齿轮组85的目的是为了使双联半齿轮831转动相对较慢，以保证在电缆103从绕线轴15一端排绕到另一端时，双联半齿轮831刚刚好转动半周，以变换排缆方向；与所述前面的加速齿轮组84类似，如果双联半齿轮831仅经过一个双联齿轮852的大径齿部直接啮合齿轮855就能够达到预定的减速比，也可以省略双联齿轮853、854，但为了保证适应的减速比，建议采用中间过渡的双联齿轮853、854。换向过程是：双联半齿轮831的小径齿部与左侧的第一双联切换齿轮832的小径齿部啮合传动时，由该第一双联切换齿轮832的大径齿部经加速齿轮组84驱动排缆丝杠821加速转动，此时第一双联切换齿轮832的大径齿部同时也与双联半齿轮831右侧的第二双联切换齿轮833啮合，双联半齿轮831的大径齿部与减速齿轮组85连动，绕线轴15的高速转动经减速齿轮组85减速后驱动双联半齿轮831转动，例如当电缆103从绕轴线15的上端排绕到下端时，双联半齿轮831刚好旋转半周，双联半齿轮831的小径齿部的无齿部分将邻近第一双联切换齿轮832而与其脱离啮合，双联半齿轮831的小径齿部的有齿部分切换为与第二双联切换齿轮833啮合，这样经第二双联切换齿轮833的大径齿部的反向旋转即可变换第一双联切换齿轮832的旋转方向，从而变换排缆丝杠821的旋转方向，使电缆103开始由下端向上端排绕，这个过程中，绕线轴15依原方向持续转动，并经减速齿轮组85驱动双联半齿轮831的依原方向持续转动，当电缆103从绕轴线15的下端排绕到上端时，双联半齿轮831又刚好旋转半周，接着再度切换与其左侧的第一双联切换齿轮832啮合。这样周而复始，持续将电缆103卷入电缆筒1内的绕线轴15上。在此，双联齿轮是指具有两个可以同步动作的齿部的齿轮，双联齿轮可以是一体的，也可以是两个齿轮固定连接构成的。设置适当的加速、减速传动比，取决于排缆丝杠821的螺距、绕线轴15的长度、电缆103的直径等因素，本领域技术人员可根据实际要求来设计传动比，不再详述。
排绕机构82，该排绕机构82包括所述排缆丝杠821、排缆滑块822及固定滑杆823；其中排缆丝杠821穿过第二支撑板12而延伸至绕线轴15的底端，且排缆丝杠821的下端枢接在一第三支撑板13上；固定滑杆823固定在第二、第三支撑板12、13之间且与所述排缆丝杠821平行；固定滑块822例如为螺母，套设在所述排缆丝杠821上，同时滑动地套置在固定滑杆823上，所述排缆滑块822随着排缆丝杠821的转动而沿着固定滑杆823在绕线轴15的两端往复移动，以将电缆103逐层排绕在所述绕线轴上。在所述固定滑块822上设有排缆滑轮824和排缆导轮825，用于导引电缆103。
在本发明中，虽然详细描述了电缆收卷机构的具体结构，但显然本发明中的电缆收卷机构并不局限于上述结构，现有技术中其它能够实现随浮筒2上下浮动来自动卷收或放出电缆103的结构均可采用。
出口密封装置6设在所述空心柱体的底端盖14上，包括：具有锥形密封腔室的密封座61，密封座61连接在空心柱体的底端盖14上；一个锥形的密封胶塞62配合在所述密封腔室内，在密封胶塞62与空心柱体的底端盖14之间设有弹性压缩元件63例如弹簧，该弹性压缩元件63以向朝密封座61外部的方向顶持密封胶塞62，所述锥形密封腔室和锥形的密封胶塞62的锥形孔径沿密封座61外部指向里部的方向渐渐缩小；在密封胶塞62的外侧设有卡固元件64例如为卡簧，能将密封胶塞62限制在密封腔室内；电缆103经过弹性压缩元件63后从密封胶塞62中穿伸而出。当泥浆泵109开泵循环时(见图1)，由于钻柱104内流体压力升高，密封胶塞62在压力差的作用下向上移动，密封胶塞62被密封座61挤紧，紧紧抱住电缆103，液体不会流入；停泵时，由于钻柱104内流体压力降低，密封胶塞62在弹性压缩元件63的作用下向外推出直到被卡固元件64例如卡簧所挡住，电缆103被松开，可以自由进出，但密封胶塞62仍然保留一定的密封力，可以阻止外部流体进入。
在本发明中，优选的采用了这种随着流体压力增加而使密封性能增加的密封装置，保证了可靠的密封性能。当然其它密封装置，例如密封圈、间隙密封等密封形式均可采用，不作限制。
该锁紧装置4设在无线转发器3上方，即转发器壳体31位于锁紧装置4和浮筒2之间。由该锁紧装置4可将电缆收放装置10把持在井口附近的钻柱104内，以避免在开泵循环时电缆收放装置10被流体冲走。所述锁紧装置4包括有锁紧筒41，锁紧筒41设有上盖板411和下盖板412，下盖板412为转换接头，其上设有通讯接头4120，以用于在不包括无线转发器3时由通讯接头4120接续浮筒2顶部的通讯接头210。在锁紧筒41内设置开有槽口的固紧上压筒413和固紧支撑筒414。在固紧上压筒413设有槽口的筒壁上设有多个曲柄42，曲柄42通过曲柄轴421枢接在固紧上压筒413的槽口的筒壁处，开有槽口的固紧上压筒413与开有槽口的固紧支撑筒414用于固定曲柄轴421；在锁紧筒41上盖板411上滑动的贯穿有一推杆43，在推杆43穿出锁紧筒41的上端固定有压盘44，在推杆位于锁紧筒41内的部分由上至下固定有锥形推盘45和压板46，压板46连接解锁弹性压缩元件461以给压板46提供向上的回复力；各曲柄42内端与锥形推盘45的锥面配合，外端从槽口中伸出至锁紧筒41之外且设有摩擦轮47，在各摩擦轮47上设有锁孔48，多个与各锁孔48配合的锁销49分别通过锁紧钢丝491连接在压板46上。如图5所示，是锁销49和锁孔48的一个实施例的局部示意图，由锁紧钢丝491和将锁销49连接在锁孔48内的弹性元件492共同牵制锁销49进入锁孔48和从锁孔48中退出。
本发明的锁紧装置4也并不局于所举出的具体结构，其它能够将电缆收放装置10把持在井口附近的钻柱104内的结构均可采用，例如可以采用简易的吸盘或挂钩等，当然，也可不设置锁紧装置4，由人工扶持也是可以的。
锁紧装置4的工作原理是：开泵时，压盘44在流体压力和冲击力的作用下推动锥形推盘45与压板46向下移动，锥形推盘45推动曲柄42绕其曲柄轴421向外侧转动，将摩擦轮47紧紧地推到钻柱104内壁上。压板46拉动锁紧钢丝491，锁紧钢丝491拉动锁销49，锁销49插入摩擦轮47的锁孔48内，摩擦轮47无法转动。因此锁紧装置4就将带有无线转发器3的电缆收放装置10紧紧地锁定在钻柱104的内壁上，不会上下移动。停泵后，压盘44上流体压力消失，解锁弹性压缩元件(弹簧)461推动压板46与锥形推盘45向上移动，曲柄42在压板46的推动下向内侧转动，摩擦轮47离开钻柱104内壁，锁紧钢丝491松开锁销49，锁销49退出摩擦轮47的锁孔48，摩擦轮47又可以自由转动了。
根据上述方案，下钻时，液面相对于钻柱104上升，当浮筒2带动装有无线转发器3的整个电缆收放装置10在钻柱104内流体浮力的作用下上浮时，电缆103在其张力的作用下带动绕线轴15旋转，电缆103不断被卷出，当浮筒2带动载有无线转发器3的整个电缆收放装置10上浮到钻柱104内液面附近时，浮力与整个电缆收放装置10的自重基本平衡时，电缆103的张力减小，当不足以带动绕线轴15转动时，整个电缆收放装置10不再上浮。这样，随着电缆收放装置10的浮筒2的上下浮动，使电缆筒1内的电缆103自由伸缩，能将钻柱104内的无线收发器3从井底延伸至井口附近，由于缩短了钻柱104内的井下收发器5与位于地面上接收天线阵列的距离，因此高频信号的衰减将不再那么严重，可以用高频信号实现高速通讯。电缆103上端的无线电转发器3有效解决了接单根与连续电缆的矛盾，与井底电磁波传输相比，大大提高无线电的可用带宽和通讯速率；可以轻而易举地实现双相通讯。本发明所提供的通讯通道可以提供的通讯速率高达几十kbps甚至到1Mbps。
本发明中的电缆103优选采用高强度高导电性能超细电缆，一般其直径不超过1mm。单芯或多芯均可。举例说明，当绕线轴15直径为10mm，长度1000mm，法兰盘150直径30mm，电缆103直径0.5mm时，绕线轴15可盘电缆长度为2500m，因此使用长度2000mm的绕线轴15即可满足5000m井深的需要；如果使用的电缆直径为0.3mm，则在绕线轴15长度仍为1000mm的情况下，可容电缆接近7000m，完全满足目前多数情况下的应用。若电缆103不能够足够细，绕线轴15可容电缆103有限，可使用多个电缆收放装置10，由各电缆收放装置10上端的推杆43顶端的井下对接通讯接头98(见图6)和邻接的另一个电缆收放装置10下端引出的电缆103依序串接，实现电缆接力，以满足更大的井深需求。
在该实施方式中，揭示了一种井下信息传输方法，能使无线转发器3随电缆收放装置10的上下浮动，而将无线收发器3从井底延伸至井口附近，以缩短钻柱104内的无线收发器3与地面天线阵列的距离，实现高频信号高速通讯。
实施方式2
如图6、7所示，该实施方式与实施方式1的结构、原理和效果基本相同。区别仅在于：电缆上端与地面信息处理机102之间采用有缆可拆卸连接而实现高质量的有缆传输。基于此方案，可以省略实施方式1中的无线转发器3，将电缆收放装置10上方引出的电缆103上端构成一个井下对接通讯接头98，从而可依需要随时与地面信息处理机102的对接装置99对接或脱离，其它结构和原理与实施方式1完全相同，不再重述。在该实施方式中：
如图2、6所示，因没有无线转发器3，所以锁紧装置4直接连接在浮筒2上端，锁紧装置4的推杆43套置在一导杆981外，由定位螺母982将压盘44压在推杆43上端，保护套57(如图2所示)用于保护导杆58上端的通讯接头98，导杆981内有导线，导杆981内的导线连接其上端的通讯接头98以及其下端的位于下盖板412上的通讯接头4120，以用于使导杆981上端的通讯接头98与浮筒2上端的通讯接头210连接，从而连接电缆103上端。当然，在图2所示的实施例中，采用无线转发器3与地面信息处理机102之间进行通讯，导杆981上端的通讯接头98和下盖板412上的通讯接头4120将不起作用，仅用于在有缆传输时备用。
地面信息处理机102包括地面电缆991及与地面电缆991相连接的对接装置99。此时，供电系统100采用地面供电系统，不再需要井下供电系统。
如图7所示，对接装置99包括有一壳体992，在壳体992的顶端设有连接头993，地面电缆991穿经由水龙头1091的侧入接头1093、由水龙头1091上的循环头1092进入钻柱104内与对接装置99的连接头993连接，当泥浆泵109开始循环工作时，侧入接头1093自动在流体压力作用下自动密封。该连接头993的另一端依次连接设在壳体992内的对接控制与驱动模块998、对接马达994、驱动轴995、对接通讯接头996，对接控制与驱动模块998设有对接感应器997，该对接通讯接头996与处于钻柱104的推杆43顶端的井下对接通讯接头98对接或脱离。其中对接通讯接头996优选为可旋转接头，在与井下对接通讯接头98连接后，相对于壳体992仍可自由旋转，这样可以保证钻柱104旋转时也可用；显然如果对接通讯接头996为不可旋转式的接头，就需要使钻柱104停止转动，但仍然能达到在接续钻柱104时不需上提或下入电缆103的效果。
井下信息处理机101包括井下收发器5，电缆收放装置10下端引出的电缆103与井下收发器5连接，而从电缆收放装置10上端引出的电缆103穿经浮筒2、锁紧筒4、从所述锁紧装置4的推杆43的顶端引出而构成为前述井下对接通讯接头98。
需要对接时，电缆991下放，对接装置99的对接通讯接头996接近电缆收放装置10上端的井下对接通讯接头98，对接感应器997引导对接通讯头996与井下对接通讯接头98相连接，对接控制与驱动模块998驱动马达994旋转并带动驱动轴995旋转以使对接接通讯头996进行对接与脱离，对接感应器997还负责检测对接是否完成，完成对接后才接通电源。通过该对接装置99的对接通讯接头996以与井下对接通讯接头98之间的自动对接或断开，构成了一种灵活的、具有较高通讯质量的有缆传输装置，不仅定向时可用，钻柱旋转时也可用，且在接单根时可由对接装置99保证上部电缆自动脱离，由于上部电缆较短，上提和下放上部电缆几乎不占用钻机时间，具有更高的灵活性和适用性。这与常规的有线随钻根本不同，常规有线随钻在接单根时必须提出，会占用大量钻机时间。
实施方式3
如图8所示，该实施方式提供了一种电缆收放装置10，该电缆收放装置10的结构与实施方式1、2中的电缆收放装置基本相同，区别是：浮筒2上端未设置锁紧装置4；自动收缆机构7不包括卷缆紧度调节装置9；下端盖14上设置的密封装置6采用了简单的密封圈结构；浮筒2上未设置通讯接头，电缆筒1上端引出的103直接穿经浮筒2后引出，用于与地面电缆连接，可用于改造现有的有缆传输设备。其它与实施方式1、2当中相同的细部结构，不再重述。
以上具体实施方式及发明内容中的举例说明仅用于说明本发明，而非用于限制本发明，本发明附图中的机构不局限于所列出的形状，凡是具有类似功能及类似原理的其它形状的机构均视为本发明所涵盖的内容。