CN101718195B - 泥浆脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下泥浆脉冲发生器，主要解决现有连续波脉冲发生器在产生水力正压脉冲值过小，地面检测困难，蘑菇头型正脉冲发生器的脉冲速率低的问题。本发明的泥浆脉冲发生器被安装在钻铤(1)内，包括驱动装置、磁力耦合装置及脉冲发生装置，驱动装置用于将动力传动给所述磁力耦合装置。所述脉冲发生装置包括定子筒(15)、转子筒(16)；当转子筒(16)旋转时能够使定子筒(15)上的侧液孔(3)间隔性地关闭和打开。该泥浆脉冲发生器在钻井施工中不仅能够产生高压差幅值的连续波脉冲，并因其足够的机械强度可以以正脉冲方式工作。

Description

泥浆脉冲发生器

技术领域：

本发明涉及油田钻井领域钻定向井井下信息传输所用的泥浆脉冲发生器，尤其是泥浆脉冲发生器。

背景技术：

在油气田勘探、开发过程中，为了及时准确获得钻井资料，进一步了解地层的含油气情况，让钻头长上“眼睛”，一边钻进一边就获取地层的各种资料，这就是随钻测井。随钻测井不仅对任何状况的井，特别是水平井可以进行测井，而且利用测得的钻井参数和地层参数及时调整钻头轨迹，使之沿目的层方向钻进。由于随钻测井获得的地层参数是刚钻开的地层参数，它最接近地层的原始状态，用于对复杂地层的含油、气评价比一般电缆测井更有利。随钻测井仪器放在钻铤内，除测量电阻率、声速、中子孔隙度、密度等常规测井和某些成像测井外，还测量钻压、扭矩、转速、环空压力等钻井参数。随钻测井的关键技术是信号传输，目前广泛使用的是泥浆脉冲发生器传输泥浆压力脉冲，这是目前随钻测井仪器普遍采用的方法，它是将被测参数转变成泥浆压力脉冲，随泥浆循环传送到地面。被测参数经数字化编码后，变成高“1”、低“0”电信号，由它控制泥浆脉冲发生器的蘑菇头，当编码为“1”时，蘑菇头上移，使流经锥形口的泥浆阻力增加，产生附加压力。当编码为“0”时，蘑菇头向下回到原位，压力降至正常。这是正脉冲传输系统，这类系统的问题是传输数据的速率较低，仅几个比特每秒，不适应现在井下多参数随钻信息的传送。类似的还有负脉冲传输系统，连续波传输系统。

连续波传输系统，是在井下钻铤上用轴向旋转阀开闭的原理产生泥浆的压力波动，地面检测这被调制的泥浆压力信号进行解码而获得井下数据，其优点是数据传输快信息量大，可达几十比特每秒的速率，现有问题是泥浆信号的压力波动值太小了，井深及泥浆恶劣都会淹没压力信号，国内外都想了各种办法来提高产生井下连续压力波幅值的机械方法，即针对旋转阀的改进及间隙配合，都不成功，只能达到0.7MPa的幅值，大了就坏，下井前还要做阀间隙的选配，非常不便。

泥浆脉冲发生器是随钻测井技术设备中的重要组成部分。而现有的连续波脉冲发生器采用控制轴向过液孔，产生的脉冲，对脉冲发生器的机械部件产生的水力冲击非常复杂，并因钻井泥浆性能的变化而恶化，而在钻柱内部径向空间是有限，控制轴向过液孔需要径向空间大才能在机械上做的结实可靠。

发明内容：

为了解决现有连续波脉冲发生器在产生水力正压脉冲值过小，地面检测困难，蘑菇头型正脉冲发生器的脉冲速率低，水力脉冲压力对机械部件损伤的问题，本发明提供一种泥浆脉冲发生器，该泥浆脉冲发生器在钻井施工中不仅能够产生高压差幅值的连续波脉冲，并因其足够的机械强度可以以正脉冲方式工作。

本发明的技术方案是：该泥浆脉冲发生器其被安装在钻铤内，其包括驱动装置、磁力耦合装置及脉冲发生装置，驱动装置用于将动力传动给所述磁力耦合装置。所述脉冲发生装置具有定子筒和转子筒，转子筒的侧壁上设置有一个或多个侧液孔，当转子筒在旋转过程中泥浆间隔地从侧液孔流出时产生泥浆脉冲。

所述脉冲发生装置包括固定法兰、上端与磁力耦合装置相连的转子轴、定子筒、转子筒；所述转子轴的下端连接转子筒并能够带动转子筒旋转；固定法兰周边设有连续向钻头提供泥浆的过液孔，固定法兰上还设有能够使泥浆进入定子筒内的过液通道；当转子筒旋转时，转子筒上的侧液孔能够使定子筒上的侧孔间隔性地关闭和打开。

所述转子筒的侧壁上设置有侧液孔，在转子筒旋转过程中侧液孔能够间隔性地对准侧孔。

本发明具有的有益效果是：该泥浆脉冲发生器由于采用钻铤内下部固定有起驱动作用的驱动装置、起密封和耦合作用的磁力耦合装置及产生连续正波侧进液脉冲的泥浆脉冲发生装置，驱动装置带动磁力耦合装置转动，磁力耦合装置带动泥浆脉冲发生装置，驱动装置、磁力耦合装置及泥浆脉冲发生装置周边轴向分别设置有液道及过液孔，脉冲装置壁上径向有侧孔和侧液孔结构。利用电源给步进电机供电，由步进电机带动耦合轴转动，耦合轴与外磁桶耦合，并带动外磁桶转动，外磁桶由转子轴带动转子筒转动，通过转子筒上侧液孔不断开关定子筒上对应侧孔，使泥浆产生压力脉冲，地面设备通过连续地检测立管压力的变化，经译码即可转换成不同的测量数据。由于波源是由转子筒上侧液孔不断开关定子筒上对应侧孔，其产生的水力波动力主要是径向力，机械上支撑径向力需要钻柱内部的轴向空间，是充分富裕的，在机械上可以做的很强。由此，该泥浆脉冲发生器在钻井施工中能够高波动压差地连续产生脉冲波和单个的正脉冲。

附图说明：

附图1是该泥浆脉冲发生器置于钻铤内的结构视图；

附图2是本发明结构示意图；

附图3是本发明驱动装置结构示意图；

附图4是本发明磁力耦合装置结构示意图；

附图5是本发明泥浆脉冲发生装置结构示意图。

图中1-钻铤，2-过液孔，3-侧孔，4-密封壳体，5-电源，6-步进电机，7-小齿轮，8-齿轮轴，9-耦合轴，10-隔离套，11-外磁桶，12-磁块，13-固定法兰，14-转子轴，15-定子筒，16-转子筒，17-保护套，18-硬质合金环，19-合金套，20-密封端盖，21-大齿轮，22-齿轮，23-侧液孔，24-过液通道，25-合金环，26-过线通孔，27-导线密封保护接头，28-上支板，29-下支板。

具体实施方式：

下面结合附图将对本发明作进一步说明：

由附图1所示，该泥浆脉冲发生器其被安装在钻铤1内，其包括起驱动作用的驱动装置、起密封和耦合作用的磁力耦合装置及产生连续正波侧进液脉冲的泥浆脉冲发生装置，驱动装置带动磁力耦合装置转动，磁力耦合装置带动泥浆脉冲发生装置产生高压差幅值的连续波脉冲及正脉冲；

由附图2结合图3所示，所述的驱动装置由起密闭作用的下端连接有密封端盖20的密封壳体4、密封端盖20、电源5、步进电机6及减速传动装置组成，电源5、步进电机6及减速传动装置安装在由密封壳体4与密封端盖20组成的全密封体内，密封壳体4周边有液道，由液道保证泥浆顺利通过。密封壳体4通过螺钉固定在钻铤1内。密封壳体4内设置有上支板28及下支板29，下支板29可为密封壳体4的一部分(如图2所示)，电源5设置在上支板28上面，步进电机6设置在下支板29上面，电源5通过导线与步进电机6相连。减速传动装置由安装在步进电机6轴上的小齿轮7、安装齿轮轴8上端的大齿轮21和轴承座组成。轴承座连接在步进电机6一侧的下支板29上，齿轮轴8连接在轴承座上，小齿轮7与大齿轮21相啮合，齿轮轴8下端自身具有的传动齿，齿轮轴8通过传动齿与耦合轴9上端的齿轮22相啮合并输出动力。驱动装置是通过全密封的密封壳体4将减速动力传输给磁力耦合装置，这样不仅将步进电机6动力传给耦合轴9，而且还起了减速和密封的作用，缩短该泥浆脉冲发生器长度。

由附图2结合图4所示，所述的磁力耦合装置包括有耦合轴9、外磁桶11、隔离套10、保护套17、磁块12。耦合轴9上端安装有齿轮22，耦合轴9置于隔离套10内，耦合轴9穿越密封端盖20延伸到密封壳体4内，耦合轴9上端的齿轮22与齿轮轴8的传动齿相啮合，通过传动齿与耦合轴9上的齿轮22啮合实现二级减速，耦合轴9内轴向有用于穿越电缆线的过线通孔26。隔离套10套在耦合轴9外并与密封端盖20螺纹连接，隔离套10下端连接有用于连接保护导线的导线密封保护接头27。外磁桶11套在隔离套10外。磁块12对应安装在外磁桶11外和耦合轴9外起偶合作用。保护套17固定在外磁桶11外用于保护磁块12。隔离套10与外磁桶11上端对应设置有用于支撑连接的硬质合金环18，并组成运动副。外磁桶11与转子轴14相连。所述的磁力耦合装置周边有液道，由液道保证泥浆顺利通过。磁力耦合装置在通过外磁桶11密封和耦合，将动力传输给泥浆脉冲发生装置。

由附图2结合图5所示，所述的泥浆脉冲发生装置包括有固定法兰13、定子筒15、转子轴14、桶形转子筒16组成。固定法兰13固在钻铤1内，固定法兰13周边有过液孔2，过液孔2内镶有合金套19。定子筒15固定连接在固定法兰13下面，定子筒15外间隙配合有转子筒16，转子轴14周边固定法兰13上有与定子筒15内相通的过液通道24。转子筒16轴向连接有转子轴14，转子轴14内轴向有用于穿越电缆线的过线通孔26。转子轴14穿过固定法兰13与外磁桶11相连。转子轴14与定子筒15下端用于支撑连接处对应镶嵌有合金环25，并组成运动副，起扶正作用。定子筒15侧壁上有侧孔3，转子筒16侧壁上有侧液孔23，侧孔3与侧液孔23的个数和设置位置相对应，一般情况下，侧孔3与侧液孔23个数可为1或2或3个，它们均布在定子筒和转子筒的周向侧壁上，当然，为了获得不同的波形，数量还以更多，并且二者的数量也可以不完全一致。在转子筒16旋转过程中侧液孔23能够间隔性地对准侧孔3。通过步进电机6带动转子筒16转动，转子筒16上的侧液孔23间隔性地关闭和打开定子筒15上侧孔3，产生连续脉冲，还可通过控制步进电机6转速产生正脉冲。

工作原理：

该泥浆脉冲发生器在钻铤内的安装位置与现有的脉冲发生器在钻铤内安装位置相同。该泥浆脉冲发生器没有改变现有传输、检测和译码的方式。

由附图所示，首先该泥浆脉冲发生器由密封壳体4及固定法兰13通过螺钉固定连接在钻铤1内。

在钻井过程中，通过控制装置控制电源5给步进电机6送电，并控制步进电机6转速，步进电机6通过小齿轮7与齿轮轴8上端的大齿轮21相啮合，并带动齿轮轴8转动，齿轮轴8再通过传动齿与耦合轴9上齿轮22相啮合，并带动耦合轴9转动，耦合轴9与外磁桶11通过异极磁块12相耦合，使外磁桶11转动，外磁桶11通过转子轴14带动转子筒16转动，转子筒16上的侧液孔23间隔性地关闭和打开定子筒15上侧孔3，当侧孔3与侧液孔23相对正打开时，一路泥浆可经过液通道24、侧孔3及侧液孔23向下流动，当侧孔3与侧液孔23相错开关闭时，泥浆始终经过液孔2向下流动，使得泥浆的压力不断的变化，高压差幅值的连续波脉冲。并因其足够的机械强度和可控步进电机6的转速，可以以正脉冲方式工作。

Claims (12)

1.一种泥浆脉冲发生器，其被安装在钻铤(1)内，其特征在于：其包括驱动装置、磁力耦合装置及脉冲发生装置，驱动装置用于将动力传给所述磁力耦合装置；所述脉冲发生装置具有定子筒（15）和转子筒（16），转子筒（16）的侧壁上设置有一个或多个侧液孔（23），当转子筒（16）在旋转过程中泥浆间隔地从侧液孔（23）流出时产生泥浆脉冲，所述脉冲发生装置还包括固定法兰(13)、上端与磁力耦合装置相连的转子轴(14)；所述转子轴(14)的下端连接转子筒(16)并能够带动转子筒（16）旋转；固定法兰(13)周边设有连续向钻头提供泥浆的过液孔(2)，固定法兰(13)上还设有能够使泥浆进入定子筒(15)内的过液通道(24)，并且定子筒(15)的侧壁上具有一个或多个侧孔(3)，侧孔(3)的设置位置和数量与侧液孔（23）相同；当转子筒(16)旋转时，转子筒(16)上侧液孔(23)能够使定子筒(15)上的侧孔(3)间隔性地关闭和打开，所述磁力耦合装置包括耦合轴(9)、固定地套在耦合轴(9)上的隔离套(10)、外磁桶(11)；外磁桶(11)套于隔离套(10)外并且二者可相对转动；外磁桶(11)和隔离套(10)上对应设置有起磁力耦合作用的磁块(12)。

2.根据权利要求1所述的泥浆脉冲发生器，其特征在于：在转子筒(16)旋转过程中侧液孔(23)能够间隔性地对准侧孔(3)。

3.根据权利要求2所述的泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述定子筒(15)与转子筒(16)间隙配合。

4.根据权利要求3所述的泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述驱动装置包括电源(5)、步进电机(6)及减速传动装置。

5.根据权利要求4所述的泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述减速传动装置由安装在步进电机(6)轴上的小齿轮(7)、安装齿轮轴(8)上端的大齿轮(21)和轴承座组成，小齿轮(7)与大齿轮(21)相啮合；所述齿轮轴(8)的下端具有传动齿。

6.根据权利要求5所述的泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述耦合轴（9）上端设置有与齿轮轴（8）下端的传动齿相啮合的齿轮（22）。

7.根据权利要求6所述的泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述传动齿与耦合轴(9)上端的齿轮(22)产生二级减速。

8.据权利要求7述的泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述外磁桶(11)的底端与转子轴(14)连接。

9.根据权利要求8所述的泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述耦合轴(9)和转子轴(14)内具有通孔。

10.根据权利要求9所述的泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述磁力耦合装置还包括设置在外磁桶(11)外面的保护套(17)。

11.根据权利要求10所述的泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述侧液孔（23）的数量为1或2或3个。

12.根据权利要求11所述的泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述侧液孔（23）和侧孔（3）的数量均为1或2或3个。

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