CN101881158A - 一种管道内流体压力脉冲信号发生器 - Google Patents

Abstract

一种管道内流体压力脉冲信号发生器，涉及一种压力脉冲信号发生器。它解决现有的井内脉冲信号发生器发生波形不好，以及功耗较高的问题。它的外筒中安装有同轴内筒，内筒从上到下依次安装有控制电路、电磁铁运动机构、脉冲活塞，脉冲活塞用于打开与关闭导流孔与节流口，内筒下部安装有膨胀环。脉冲活塞在电磁铁驱动下可以上下运动，从而导致膨胀环膨胀与收缩。本发明适用于管道内流体压力脉冲信号的发生场合。

Description

一种管道内流体压力脉冲信号发生器

技术领域

本发明涉及一种压力脉冲信号发生器。

背景技术

在钻井过程中，为了感知钻头处的信息，需要在钻头处进行测量，目前，测量数据最好的传输方式是利用泥浆压力波实现井下信号的传递。压力波的类型有正波、负波和连续波三种，使用最多的是正波。目前能够产生正波的方法有多种，其基本原理均是减小泥浆通道中某个位置的截面面积，在维持稳定泥浆流量的情况下，使泥浆入口端压力增大，从而产生压力波动。

在井下，泥浆信号发生器的使用环境是处于高温、高压、强震动的情况下，这就要求其适应性强、可靠性高、信号质量好并且维修简单，如果泥浆脉冲器的脉冲信号质量差，会造成上传数据错误；如果可靠性差，会导致因仪器故障起钻，加大钻井成本。现有的石油钻井中使用的泥浆信号发生器主要有正负脉冲型泥浆脉冲器和节流环正脉冲发生器以及电磁阀结构正脉冲型泥浆脉冲器，正负脉冲发生器存在泄露泥浆、冲蚀井壁等问题，导致发生波形的形状不好；电磁阀式正脉冲器结构简单，但是其功耗高，在井下电池容量有限的情况下，不能长时间使用。

发明内容

本发明是为了解决现有的井内脉冲信号发生器发生波形不好，以及功耗较高的问题，从而提供一种管道内流体压力脉冲信号发生器。

一种管道内流体压力脉冲信号发生器，它包括外筒、内筒、内筒堵头、X型支架、测量与控制电路、电源、电磁铁运动机构、密封堵头、连杆、圆盘、活塞、膨胀环、底座、筒套和外筒套；

内筒堵头将内筒的上端密封，密封堵头将内筒的下端密封，内筒堵头、内筒和密封堵头形成密封腔体，所述密封腔体由上至下分为第一腔体、第二腔体和第三腔体，测量与控制电路设置在第一腔体中，电源设置在第二腔体中，电磁铁运动机构设置在第三腔体中；测量与控制电路的电源信号输入端与电源的电源信号输出端连接，所述测量与控制电路的电源信号输出端与电磁铁运动机构的电源信号输入端连接；

密封堵头的中心开有通孔，连杆密封穿过所述密封堵头的通孔与电磁铁运动机构的传动部件的下端固定连接，并且电磁铁运动机构的传动部件带动连杆沿轴向方向上下运动，圆盘的中心开有通孔，连杆的下端穿过所述圆盘的通孔与活塞的根部固定连接；所述电磁铁运动机构的传动部件、连杆、圆盘和活塞为一体件；所述圆盘沿其厚度方向开有两个弧形通孔，所述两个弧形通孔沿沿圆盘的直径方向对称；

筒套的上端内侧壁固定连接密封堵头的外侧壁，所述筒套的侧壁上对称开有四个导流通孔，圆盘的外边缘与筒套的内壁滑动连接，电磁铁运动机构断电状态圆盘的侧面密封筒套侧壁上的四个通孔；电磁铁运动机构通电状态圆盘的侧面打开筒套侧壁上的四个通孔；

筒套的下端内侧壁固定连接底座的内侧壁；底座与筒套之间开有膨胀环凹槽，膨胀环设置在膨胀环凹槽中，所述底座的中心开有节流孔，电磁铁运动机构通电状态，活塞密封节流孔20；电磁铁运动机构断电状态，活塞打开节流孔；

密封堵头、筒套和底座为一体件；

其中，密封堵头的通孔、圆盘的通孔和底座的节流孔中心位于内筒的轴心线上；

外筒套的上端与外筒的下端紧密连接，所述外筒套中部的内壁紧缩，使外筒套的上端腔体大于下端腔体，内筒通过多个X型支架固定在外筒和外筒套中，内筒与外筒套和外筒之间的通道为泥浆通道。

本发明的装置在测量和控制电路的控制下，有效的利用泥浆循环过程和压力产生正脉冲信号，产生脉冲时对电池工作电流要求低，功耗较低；同时，脉冲波形产生时装置处于正反馈状态，波形形状好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是本发明中的膨胀环收缩状态的结构示意图；图3是本发明中的膨胀环扩张状态的结构示意图；图4是本发明的导流孔与圆盘之间的结构关系示意图；图5是图1的A部放大图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，一种管道内流体压力脉冲信号发生器，它包括外筒1、内筒2、内筒堵头3、X型支架4、测量与控制电路5、电源6、电磁铁运动机构8、密封堵头12、连杆13、圆盘14、活塞15、膨胀环18、底座19、筒套22和外筒套23；

内筒堵头3将内筒2的上端密封，密封堵头12将内筒2的下端密封，内筒堵头3、内筒2和密封堵头12形成密封腔体，所述密封腔体由上至下分为第一腔体、第二腔体和第三腔体，测量与控制电路5设置在第一腔体中，电源6设置在第二腔体中，电磁铁运动机构8设置在第三腔体中；测量与控制电路5的电源信号输入端与电源6的电源信号输出端连接，所述测量与控制电路5的电源信号输出端与电磁铁运动机构8的电源信号输入端连接；

密封堵头12的中心开有通孔，连杆13密封穿过所述密封堵头12的通孔与电磁铁运动机构8的传动部件的下端固定连接，并且电磁铁运动机构8的传动部件带动连杆13沿轴向方向上下运动，圆盘14的中心开有通孔，连杆13的下端穿过所述圆盘14的通孔与活塞15的根部固定连接；所述电磁铁运动机构8的传动部件、连杆13、圆盘14和活塞15为一体件；所述圆盘14沿其厚度方向开有两个弧形通孔，所述两个弧形通孔沿沿圆盘14的直径方向对称；

筒套22的上端内侧壁固定连接密封堵头12的外侧壁，所述筒套22的侧壁上对称开有四个导流通孔，圆盘14的外边缘与筒套22的内壁滑动连接，电磁铁运动机构断电状态圆盘14的侧面密封筒套22侧壁上的四个通孔；电磁铁运动机构通电状态圆盘14的侧面打开筒套22侧壁上的四个通孔；

筒套22的下端内侧壁固定连接底座19的内侧壁；底座19与筒套22之间开有膨胀环凹槽，膨胀环18设置在膨胀环凹槽中，所述底座19的中心开有节流孔20，电磁铁运动机构8通电状态，活塞15密封节流孔20；电磁铁运动机构8断电状态，活塞15打开节流孔20；

密封堵头12、筒套22和底座19为一体件；

其中，密封堵头12的通孔、圆盘14的通孔和底座19的节流孔20中心位于内筒2的轴心线上；

外筒套23的上端与外筒1的下端紧密连接，所述外筒套23中部的内壁紧缩，使外筒套23的上端腔体大于下端腔体，内筒2通过多个X型支架4固定在外筒1和外筒套23中，内筒2与外筒套23和外筒1之间的通道为泥浆通道。

工作原理：本装置是流体力学的伯努利方程的原理为基础设计的。流体力学的伯努利方程表明在同一管道的任一处，压力头、速度头、水头之和是一常量，对于稳定流动的流体，这个方程能够确定流体内部压力和流速。本装置主要用于石油钻井现场，安装于近钻头位置。本装置的主体由双筒结构组成，电池6与测量和控制电路5用于控制脉冲电磁铁动铁芯带动活塞15在内筒2中上下运动，使导流孔10和节流口分别打开和关闭；当活塞15向下运动时，导流孔10打开，同时节流口关闭，由于泥浆处于静止状态，根据流体力学的伯努利方程，此时腔内压力增大，导致膨胀环18膨胀，从而导致内筒2与外筒3之间的泥浆通道截面面积减小，从而导致导流孔10入口处压力变大，产生压力波的上升沿，在压力上升的过程中，由于膨胀环18的膨胀，而导致内筒2压力急剧升高，这种特征提供正反馈控制过程，可以形成好的波形上升沿，此状态一直持续到膨胀环18的极限状态。此平衡位置对应于二元通信系统中装置的开脉冲状态。当脉冲活塞向上运动时，节流口打开，导流孔10关闭，腔内泥浆压力下降为外筒1出口处压力，此压力远小膨胀环18收到的管道压力，此时膨胀环18受力快速收缩，从而产生管道压力波的下降沿。膨胀环18的膨胀与收缩形成了管道内的压力脉冲。为了减小膨胀环18的膨胀与收缩过程中对控制电磁铁的能量需求，要求导流孔10和节流口的截面面积要在保证不堵塞的情况下尽量小，如果是不含杂质的流体，就可以将导流孔10和节流口做到很小，从而极大的延长电池使用时间。

本装置在电源6供电状态下，测量和控制电路5定时完成进行信息测量并将信息进行二进制编码，通过驱动放大电磁铁线圈中电流状态（通电状态对应与二元通信系统的关脉冲状态，断电状态对应于二元系统的开脉冲状态），在电磁铁线圈通电状态下，脉冲活塞15向下运动，节流口20关闭，同时导流孔10打开，泥浆进入内腔，腔内压力升高，膨胀环18膨胀，使泥浆通道截面减小，压力升高，而压力升高有进一步导致腔内压力升高，进入正反馈状态。在开脉冲状态下，电磁铁线圈中电流减小为零，电磁铁动铁芯在弹簧10的作用下向上运动，导流孔10被圆盘14件关闭，同时节流口20打开，腔内压力减小，膨胀环18收缩，泥浆通道截面面积变大，管道压力减小。膨胀环18与外筒套23之间形成外泥浆通道，节流口20是内泥浆通道，膨胀环18分为两个部分，安装在内筒底部的膨胀环环沟槽内，膨胀环一端与外泥浆通道接触，另一端位于内筒的泥浆通道相接触，由两个通道的压力差控制膨胀环的移动。

本实施方式中，导流孔10和节流孔20的内径远远小于活塞15的内径。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器的区别在于，电磁铁运动机构8由电磁铁动铁芯81、电磁铁静铁芯82、电磁铁线圈83和弹簧84组成，所述电磁铁动铁芯81同轴穿过电磁铁静铁芯82，并且电磁铁动铁芯81的下端与连杆13上端连接，弹簧84位于电磁铁静铁芯82中，且弹簧84套在电磁铁动铁芯81上，所述弹簧84的上端与电磁铁动铁芯81上的档板紧密接触，所述弹簧84的下端与密封堵头的上端面紧密接触；电磁铁线圈83埋在电磁铁静铁芯82的上沿内部，电磁铁线圈83的输入端是电磁铁运动机构8的电源信号输入端；电磁铁动铁芯81是电磁铁运动机构8的传动部件。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器的区别在于，测量与控制电路5的电源信号输入端与电源6的电源信号输出端通过防水电缆7连接。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器的区别在于，测量与控制电路5的电源信号输出端与电磁铁线圈的电源信号输入端通过防水电缆7连接。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一、二或四所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器的区别在于，X型支架的数量为四个，其中两个X型支架分别位于内筒2外侧壁上部与内筒1的内侧壁之间；另外两个位于套筒23的外侧壁与外筒套23的内侧壁之间。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器的区别在于，密封堵头12与电磁铁动铁芯之间通过密封圈连接。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式一、二、四或六所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器的区别在于，膨胀环18的下部内径大于其上部内径。

本实施方式中，膨胀环18膨胀时，其下部膨胀后阻断膨胀环18与外筒套23之间形成的泥浆通道。

具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式七所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器的区别在于，膨胀环18为双向膨胀环。

Claims (8)

1.一种管道内流体压力脉冲信号发生器，其特征是：它包括外筒（1）、内筒（2）、内筒堵头（3）、X型支架（4）、测量与控制电路（5）、电源（6）、电磁铁运动机构（8）、密封堵头（12）、连杆（13）、圆盘（14）、活塞（15）、膨胀环（18）、底座（19）、筒套（22）和外筒套（23）；

内筒堵头（3）将内筒（2）的上端密封，密封堵头（12）将内筒（2）的下端密封，内筒堵头（3）、内筒（2）和密封堵头（12）形成密封腔体，所述密封腔体由上至下分为第一腔体、第二腔体和第三腔体，测量与控制电路（5）设置在第一腔体中，电源（6）设置在第二腔体中，电磁铁运动机构（8）设置在第三腔体中；测量与控制电路（5）的电源信号输入端与电源（6）的电源信号输出端连接，所述测量与控制电路（5）的电源信号输出端与电磁铁运动机构（8）的电源信号输入端连接；

密封堵头（12）的中心开有通孔，连杆（13）密封穿过所述密封堵头（12）的通孔与电磁铁运动机构（8）的传动部件的下端固定连接，并且电磁铁运动机构（8）的传动部件带动连杆（13）沿轴向方向上下运动，圆盘（14）的中心开有通孔，连杆（13）的下端穿过所述圆盘（14）的通孔与活塞（15）的根部固定连接；所述电磁铁运动机构（8）的传动部件、连杆（13）、圆盘（14）和活塞（15）为一体件；所述圆盘（14）沿其厚度方向开有两个弧形通孔，所述两个弧形通孔沿沿圆盘（14）的直径方向对称；

筒套（22）的上端内侧壁固定连接密封堵头（12）的外侧壁，所述筒套（22）的侧壁上对称开有四个导流通孔，圆盘（14）的外边缘与筒套（22）的内壁滑动连接，电磁铁运动机构断电状态圆盘（14）的侧面密封筒套（22）侧壁上的四个通孔；电磁铁运动机构通电状态圆盘（14）的侧面打开筒套（22）侧壁上的四个通孔；

筒套（22）的下端内侧壁固定连接底座（19）的内侧壁；底座（19）与筒套（22）之间开有膨胀环凹槽，膨胀环（18）设置在膨胀环凹槽中，所述底座（19）的中心开有节流孔（20），电磁铁运动机构（8）通电状态，活塞（15）密封节流孔20；电磁铁运动机构（8）断电状态，活塞（15）打开节流孔（20）；

密封堵头（12）、筒套（22）和底座（19）为一体件；

其中，密封堵头（12）的通孔、圆盘（14）的通孔和底座（19）的节流孔（20）中心位于内筒（2）的轴心线上；

外筒套（23）的上端与外筒（1）的下端紧密连接，所述外筒套（23）中部的内壁紧缩，使外筒套（23）的上端腔体大于下端腔体，内筒（2）通过多个X型支架（4）固定在外筒（1）和外筒套（23）中，内筒（2）与外筒套（23）和外筒（1）之间的通道为泥浆通道。

2.根据权利要求1所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器，其特征在于电磁铁运动机构（8）由电磁铁动铁芯（81）、电磁铁静铁芯（82）、电磁铁线圈（83）和弹簧（84）组成，所述电磁铁动铁芯（81）同轴穿过电磁铁静铁芯（82），并且电磁铁动铁芯（81）的下端与连杆（13）上端连接，弹簧（84）位于电磁铁静铁芯（82）中，且弹簧（84）套在电磁铁动铁芯（81）上，所述弹簧（84）的上端与电磁铁动铁芯（81）上的档板紧密接触，所述弹簧（84）的下端与密封堵头的上端面紧密接触；电磁铁线圈（83）埋在电磁铁静铁芯（82）的上沿内部，电磁铁线圈（83）的输入端是电磁铁运动机构（8）的电源信号输入端；电磁铁动铁芯（81）是电磁铁运动机构（8）的传动部件。

3.根据权利要求1或2所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器，其特征在于测量与控制电路（5）的电源信号输入端与电源（6）的电源信号输出端通过防水电缆（7）连接。

4.根据权利要求3所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器，其特征在于测量与控制电路（5）的电源信号输出端与电磁铁线圈的电源信号输入端通过防水电缆7连接。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器，其特征在于X型支架的数量为四个，其中两个X型支架分别位于内筒（2）外侧壁上部与内筒（1）的内侧壁之间；另外两个位于套筒（22）的外侧壁与外筒套（23）的内侧壁之间。

6.根据权利要求5所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器，其特征在于密封堵头（12）与电磁铁动铁芯之间通过密封圈连接。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器，其特征在于膨胀环（18）的下部内径大于其上部内径。

8.根据权利要求7所述的一种管道内流体压力脉冲信号发生器，其特征在于膨胀环（18）为双向膨胀环。

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