CN103225505B - 一种高速泥浆脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

一种高速泥浆脉冲发生器由1个流筒总成，1个主阀总成，1个驱动总成，1个贯通轴总成和1个悬挂钻铤组成。流筒总成安装在悬挂钻铤内部，主阀总成安装在流筒总成上部，驱动总成安装在流筒总成下部，贯通轴总成连接主阀总成和驱动总成。该装置利用高速泥浆流过流筒总成内的节流环时产生的压差，由驱动总成控制主阀总成，调节节流面积，产生压力脉冲。该装置结合了上悬挂式泥浆脉冲发生器下部可串接其它仪器，坐键式泥浆脉冲发生器主阀总成位于节流环上部时装置直径小、驱动功耗低的优势。驱动器采用电磁铁时，可产生脉冲压力波；驱动器采用减速电机时，可产生连续压力波。利用该装置产生的可控压力波进行随钻无线数据传输。

Description

一种高速泥浆脉冲发生器

技术领域

本发明属于石油钻井工程领域，涉及一种泥浆压力脉冲发生装置，具体是一种高速泥浆脉冲发生器。

背景技术

在石油钻井作业中，随着随钻测量、随钻测井、地质导向、旋转导向技术的应用越来越普及，需要将井下测量装置采集到的地质数据和井下装置的状态数据等信息实时的传送到地面，使地面工程师及时的掌控来自井下的数据与信息，从而高效高质量的完成钻井作业。目前从井下向地面传输这些数据与信息的装置主要是泥浆脉冲发生器。

基于钻井作业施工的特点，无法采用有线电缆连接地面与井下之间的仪器及设备，通常都使用泥浆脉冲发生器，利用钻井过程中必须使用的高压、高速、高流量的钻井泥浆为传输媒介，用泥浆脉冲发生器对钻井泥浆进行节流控制，在钻井管柱中产生人为的压力脉冲，通过这些压力脉冲在井下与地面之间传递数据与信息。

业内使用的泥浆脉冲发生器主要有泥浆正脉冲发生器、泥浆负脉冲发生器和连续波泥浆脉冲发生器。目前国内主要采用的是泥浆正脉冲发生器，常见的有上悬挂式SDI泥浆脉冲发生器和坐键式QDT泥浆脉冲发生器。QDT型泥浆脉冲发生器的驱动总成及主阀总成在节流环上部，特点是直径小，驱动功耗低，但下部无法串接其它仪器。SDI型泥浆脉冲发生器的驱动总成及主阀总成在节流环下部，特点是下部可串接其它仪器，但直径和驱动功耗较大。这类产品多为国外淘汰技术而来，存在可靠性不高、高温新能差、传输速率低、脉冲信号弱等问题，迫切需要采用新技术的产品替代和更新。另一方面，随着国内钻井工程领域已经由采用随钻测量技术的定向井工艺，向采用地质导向技术或随钻测井技术的水平井工艺过度，并且国内已经开展效率更高的，技术更先进的旋转导向技术及随钻成像测井研究和试验，对地面与井下之间的数据传输速度和质量有着越来高的要求和需求。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种结构合理、可靠性高，传输速度高，实效性强的高速泥浆脉冲发生器。该装置结合了上悬挂式泥浆脉冲发生器下部可串接其它仪器，坐键式泥浆脉冲发生器主阀总成位于节流环上部时装置直径小、驱动功耗低的优势。

其技术方案是：该高速泥浆脉冲发生器由1个流筒总成，1个主阀总成，1个驱动总成，1个贯通轴总成和1个悬挂钻铤组成；流筒总成由1个流筒，1个节流环，1个上部安装盘，1个下部安装盘组成；主阀总成由1个泥浆过滤器，1个活塞仓上部接头，1个活塞仓，1个始力弹簧，1个活塞，1个活塞连杆，1个活动阀组成；驱动总成由1个驱动器，1个驱动器仓组成；贯通轴总成由1个控制阀，1个驱动轴，1个贯通轴组成。流筒总成安装在悬挂钻铤内部，主阀总成安装于流筒总成上部，驱动总成安装在流筒总成下部，贯通轴总成位于该装置的中心，连接主阀总成和驱动总成。

节流环安装在流筒内，用于节流。流筒上部安装有上部安装盘，流筒下部安装有下部安装盘，用于安装其它装置，上部安装盘和下部安装盘上有开孔，用于通过泥浆。

泥浆过滤器、活塞仓上部接头、活塞仓、上部安装盘依次连接，位于流筒上部；始力弹簧，活塞位于活塞仓内，始力弹簧位于活塞上部，为活塞提供初始力矩；活塞、活塞连杆、活动阀依次连接，活动阀位于流筒内，临近节流环，在节流环上部，是过流面积调节装置；下部安装盘、驱动器仓依次连接，位于流筒下部，驱动器位于驱动器仓内。

贯通轴贯穿流筒，是高压泥浆和低压泥浆的进出通道，也是活塞运动的内轴；贯通轴从上向下依次开有加压孔、泄压孔和限位孔，加压孔和泄压孔位于活塞上部区域，限位孔平时被活塞遮蔽，是活塞向下运动的限位孔。控制阀、驱动轴、驱动器依次连接，控制阀和驱动轴位于贯通轴内。驱动器驱动控制阀滑动或转动，开闭贯通轴上的加压孔和泄压孔，与始力弹簧配合，对活塞进行加压和减压操作，推拉活塞移动以及限位。

整个装置被安装在钻铤内，使泥浆从流筒中流过。节流环把管柱内的泥浆分成上下两部分，由于流过流筒的泥浆被节流环节流，在泥浆流过节流环时，节流环上下两部分会形成上高下低的压力差。活动阀在流筒内，临近节流环，当活动阀移动时，与节流环相对位置就会发生变化，从而改变过流面积，产生压力变化。

泥浆过滤器位于流筒的上端，其目的是引入高压泥浆，过滤杂质，改善控制阀的工作环境。上端的高压泥浆通过泥浆过滤器上开的缝隙进入其内部，通过活塞仓上部短节与贯通轴内孔联通；驱动器仓在流筒的下端，下端的低压泥浆通过驱动器仓上的开孔，与贯通轴内孔联通；控制阀和驱动轴在贯通轴内，控制阀把贯通轴内的泥浆隔离为高压和低压两个区域。活塞把活塞仓分成上、下两部分，上部安装有始力弹簧，通过加压孔或泄压孔，经控制阀与贯通轴内孔联通；活塞下部区域有开孔，与节流环上部的高压泥浆区域联通。

工作时，当移动控制阀关闭贯通轴上的泄压孔，打开加压孔时，上部的高压泥浆经过加压孔与活塞上部区域联通，活塞上下两端的泥浆压力平衡，活塞在始力弹簧的作用下向下运动，同时带动活塞连杆推动活动阀向下运动，活动阀与节流环接近，过流面变小，压差增大。当活塞向下移动到打开贯通轴上的限位孔位置时，下部的低压泥浆开始通过限位孔与活塞上部区域联通，活塞上部压力减小，活塞在泥浆压力和始力弹簧的平衡作用下停止移动，此时节流环两端压差最大。

当移动控制阀打开贯通轴上的泄压孔，关闭加压孔时，下部的低压泥浆通过贯通轴内腔和贯通轴上的泄压孔与活塞上部区域联通，活塞下端的泥浆压力大于上端的压力，活塞在泥浆压力的作用下，带动活塞连杆拉动活动阀向上运动，活动阀与节流环拉远，过流面变大，压差减小。当活塞向上移动关闭贯通轴上的泄压孔时，下部的低压泥浆与活塞上部区域隔离，活塞两端压力平衡，活塞在泥浆压力和始力弹簧的平衡作用下停止移动，此时节流环两端压差最小。驱动器通过驱动轴驱动控制阀，重复上述过程就会在管柱中产生变化的压力脉冲信号。

该装置利用节流环形成的压差做功，能耗低，推力大。通过设定贯通轴上的泄压孔与限位孔的位置与距离，决定活动阀移动的位置与距离，从而设定了该装置的最大和最小过流面积；通过设定较高的初始压差，增大活塞的初始推力，提高活塞的工作频率，从而提高泥浆脉冲发送速率。

驱动器采用电磁铁时，可对控制阀进行滑动开闭控制，产生脉冲压力波；驱动器采用减速电机时，可对控制阀进行连续旋转开闭控制，产生连续压力波。利用这些压力波，可进行随钻无线数据传输。

附图说明

附图1是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

一种高速泥浆脉冲发生器其技术方案是：该高速泥浆脉冲发生器由1个流筒总成，1个主阀总成，1个驱动总成，1个贯通轴总成和1个悬挂钻铤组成；流筒总成由1个流筒，1个节流环，1个上部安装盘，1个下部安装盘组成；主阀总成由1个泥浆过滤器，1个活塞仓上部接头，1个活塞仓，1个始力弹簧，1个活塞，1个活塞连杆，1个活动阀组成；驱动总成由1个驱动器，1个驱动器仓组成；贯通轴总成由1个控制阀，1个驱动轴，1个贯通轴组成。流筒总成安装在悬挂钻铤内部，主阀总成安装于流筒总成上部，驱动总成安装在流筒总成下部，贯通轴总成位于该装置的中心，连接主阀总成和驱动总成。

如图1所示，整个装置被安装在钻铤1内，节流环6安装在流筒2内，流筒2上部安装有上部安装盘3，流筒2下部安装有下部安装盘4，上部安装盘3，和下部安装盘4有开孔5，用于通过泥浆。钻铤1内的泥浆经上部安装盘3上的开孔5，节流环6的内孔，下部安装盘4上的开孔5，从流筒2内流过。节流环6将泥浆隔离为两个压力区，其上部为高压泥浆区域，下部为低压泥浆区域。

泥浆过滤器7、活塞仓上部接头8、活塞仓9、上部安装盘依次连接，安装于流筒2上部，活塞仓9上有开缝10，将外部的泥浆过滤后流入内腔，经过活塞仓上部接头8送入贯通轴15内。始力弹簧11位于活塞12上部，与活塞12安装在活塞仓9内，活塞12、活塞连杆13、活动阀14依次连接。活塞仓下部开有孔23，用于活塞12下部区域与高压泥浆区域联通。

下部安装盘4、驱动器仓19依次连接，安装于流筒2下部，驱动器18位于驱动器仓19内。贯通轴15贯穿流筒2，下端通过驱动器仓19上的开孔24，跟低压泥浆区域联通；上端通过活塞仓上部接头8的内孔，泥浆过滤器7上的开缝10与高压泥浆区域联通。贯通轴15从上向下依次开有加压孔20、泄压孔21和限位孔22，加压孔20和泄压孔21位于活塞12上部区域，限位孔22平时被活塞12遮蔽，是活塞12向下运动的限位孔，贯通轴15也是活塞12的内轴。控制阀16、驱动轴17、驱动器18依次连接，控制阀16和驱动轴17位于贯通轴15内，控制阀16把贯通轴15的内腔分为上下两个区域，控制阀16通过驱动器18，驱动轴17进行滑动或转动操作，经过加压孔20和泄压孔21，对活塞12进行加压和减压操作，推拉活塞12移动，经过活塞连杆13，带动活动阀14运动。活动阀14位于流筒2内，在节流环6的上部，临近节流环6，与节流环6配合，调节过流面积，形成压力变化。驱动器18采用电磁铁时，可对控制阀16进行滑动开闭操作，产生脉冲压力波；驱动器18采用减速电机时，可对控制阀16进行连续旋转开闭操作，可产生连续压力波；

工作时，当移动控制阀16关闭贯通轴15上的泄压孔21，打开加压孔20时，上部的高压泥浆经过加压孔20与活塞12上部区域联通，活塞12上下两端的泥浆压力平衡，活塞12在始力弹簧11的作用下向下运动，同时带动活塞连杆13推动活动阀14向下运动，活动阀14与节流环6接近，过流面变小，压差增大。当活塞12向下移动到打开贯通轴15上的限位孔22的位置时，下部的低压泥浆通过限位孔22与活塞12上部区域联通，活塞12上部区域压力减小，活塞12在泥浆压力和始力弹簧11的平衡作用下停止移动，此时节流环6两端压差最大。

当移动控制阀16打开贯通轴15上的泄压孔21，关闭加压孔20时，下部的低压泥浆通过贯通轴15内腔和贯通轴15上的泄压孔21与活塞12上部区域联通，活塞12下端的泥浆压力大于上端的压力，活塞12在泥浆压力的作用下，带动活塞连杆13拉动活动阀14向上运动，活动阀14与节流环6拉远，过流面变大，压差减小。当活塞12向上移动到关闭贯通轴15上的泄压孔21时，下部的低压泥浆与活塞12上部隔离，活塞12两端压力平衡，活塞12在泥浆压力和始力弹簧11的平衡作用下停止移动，此时节流环6两端压差最小。

Claims (7)

1.一种高速泥浆脉冲发生器，由1个流筒总成，1个主阀总成，1个驱动总成，1个贯通轴总成和1个悬挂钻铤组成，其特征是：流筒总成安装在悬挂钻铤内部，主阀总成安装在流筒总成上部，驱动总成安装在流筒总成下部，贯通轴总成位于该高速泥浆脉冲发生器的中心，连接主阀总成和驱动总成。

2.根据权利要求1所述的一种高速泥浆脉冲发生器，其特征是：流筒总成由1个流筒，1个节流环，1个上部安装盘，1个下部安装盘组成；节流环安装在流筒内部，用于节流；流筒上部安装有上部安装盘，流筒下部安装有下部安装盘，用于安装其它装置；上部安装盘和下部安装盘上有开孔，用于通过泥浆。

3.根据权利要求1所述的一种高速泥浆脉冲发生器，其特征是：主阀总成由1个泥浆过滤器，1个活塞仓上部接头，1个活塞仓，1个始力弹簧，1个活塞，1个活塞连杆，1个活动阀组成；泥浆过滤器、活塞仓上部接头、活塞仓、上部安装盘依次连接，位于流筒上部；始力弹簧位于活塞上部，与活塞安装在活塞仓内，活塞下部区域与泥浆高压区域联通；活塞、活塞连杆、活动阀依次连接，活动阀位于流筒内，临近节流环，在节流环上部，是过流面积调节装置。

4.根据权利要求1所述的一种高速泥浆脉冲发生器，其特征是：驱动总成由1个驱动器，1个驱动器仓组成；下部安装盘、驱动器仓依次连接，位于流筒下部，驱动器位于驱动器仓内。

5.根据权利要求1所述的一种高速泥浆脉冲发生器，其特征是：贯通轴总成由1个贯通轴，1个控制阀，1个驱动轴组成；贯通轴贯穿流筒，是高压泥浆和低压泥浆的进出通道，也是活塞运动的内轴；贯通轴从上向下依次开有加压孔、泄压孔和限位孔，加压孔和泄压孔位于活塞上部区域，限位孔平时被活塞遮蔽，是活塞向下运动的限位孔；控制阀、驱动轴位于贯通轴内。

6.根据权利要求4所述的一种高速泥浆脉冲发生器，其特征是：驱动器通过驱动轴对控制阀进行操作，驱动器驱动控制阀滑动或转动，开闭贯通轴上的加压孔和泄压孔，与始力弹簧配合，对活塞进行加压和减压操作，推拉活塞移动以及限位。

7.根据权利要求6所述的一种高速泥浆脉冲发生器，其特征是：驱动器采用电磁铁时，可对控制阀进行滑动开闭控制，产生脉冲压力波；驱动器采用减速电机时，可对控制阀进行连续旋转开闭控制，产生连续压力波。