CN104481518A - 一种振荡剪切式泥浆脉冲发生器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振荡剪切式泥浆脉冲发生器及控制方法，打捞头置于泥浆上游，电气组件置于泥浆下游，打捞头与定子悬挂筒连接，转阀定子与转阀转子均安装在定子悬挂筒内部；转阀定子由导流定子压盖压紧在定子悬挂筒中，转阀转子通过驱动轴驱动；在抗压筒内部分别安装有压力平衡密封模块、电机、转角检测模块及驱动轴，压力平衡密封模块位于抗压筒中部，安装在驱动轴与抗压筒之间；驱动轴通过轴承组件固定到抗压筒中，驱动轴一端与转阀转子连接，一端与电机输出轴连接；转角检测模块安装在电机另一侧的输出轴上；且电机通过电气组件供电；转阀转子由转子叶片、导流叶片与轮毂构成，转子叶片和导流叶均安装在轮毂上，导流叶片位于转子叶片的下游。

Description

一种振荡剪切式泥浆脉冲发生器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种振荡剪切式泥浆脉冲发生器及控制方法，适用于随钻测量、随钻测井的井下数据无线传输系统，具有控制简单、水力转矩小、省电的优点。

背景技术

实时传输近钻头井下信息是提高钻井安全性、可靠性、最大化节省钻井成本的关键因素。近30多年来，井下信息实时检测技术发展较为迅速，而井下数据传输技术却发展缓慢，阻碍了随钻测量、测井技术的发展，其主要表现为信息传输速率低、传输距离短等。

井下数据传输方法主要包括有线电缆法、钻井液脉冲法、声波法、电磁波法及光纤法，每种方法均有其适用范围及局限性，其中泥浆脉冲法应用最为广泛、鲁棒性更好，目前在深井中的应用很难被取代。泥浆脉冲方式主要包括正脉冲、负脉冲、连续波，其中正脉冲、负脉冲传输速率低，属于低频脉冲信号，技术比较成熟，但随着井下信息量越来越大，对数据传输速率的要求也越来越高，正\负脉冲信号发生器已经不能满足实际的需求。而连续波传输速率高，属于高频脉冲信号，其相关理论技术基础较薄弱。泥浆脉冲高速数据传输技术主要被斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯三大公司所垄断，而且发展很迅速。

由于国外的技术封锁以及国内起步晚等原因，国内尚未推出高速率泥浆脉冲发生器的产品，对泥浆脉冲高速数据传输技术的研究还处于理论基础研究探索的初级阶段，如泥浆脉冲发生器设备、泥浆脉冲在泥浆信道中的传输特性、连续波信号检测等关键技术方面还没有取得实质性的进展，严重制约了我国泥浆脉冲高速数据传输技术的发展，严重阻碍了该项先进技术在我国石油勘探开发领域的应用范围和应用规模。

很多专家学者研究了连续波泥浆脉冲发生器，其结构主要有两种。一种如美国专利US 5740126描述的涡轮汽笛脉冲发生器，涡轮汽笛脉冲发生器包括一个涡轮导流板，它位于转子的上游，转子又位于定子的上游。钻井泥浆流经涡轮导流板带动转子连续不停的旋转，转子和定子类似，至少包括一个叶片和一个阀口，通过周期性改变转子与定子之间的缝隙大小，阻碍泥浆流通，产生周期性压力波信号。另一种如美国APS公司的旋转脉冲发生器，其转子相对于定子来回摆动，从而产生压力脉冲信号。但是这些结构的泥浆脉冲发生器在井下工作时受到的水力转矩较大，如需高速传输数据，则需要大功率电机及大容量电源，由于井下电源容量有限，所以不利于脉冲发生器在井下的应用，如果采用井下涡轮发电机供电，将会大大增加服务成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种振荡剪切式泥浆脉冲发生器及控制方法，通过在转子叶片处采用增加导流叶，可以大大降低转子的扭矩，减小脉冲器驱动电机的功率、降低供电电源的功率及容量，同时能够减小电机控制的难度及降低井下能源的需求，适用于随钻测量、随钻测井的井下数据无线传输系统，具有控制简单、水力转矩小、省电的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种振荡剪切式泥浆脉冲发生器，包括转阀定子、转阀转子、定子悬挂筒、抗压筒、驱动轴、压力平衡密封模块、电机、转角检测模块、打捞头和电气组件，打捞头置于泥浆上游，电气组件置于泥浆下游，打捞头与定子悬挂筒连接，转阀定子与转阀转子均安装在定子悬挂筒内部；转阀定子由导流定子压盖压紧在定子悬挂筒中，转阀转子通过驱动轴驱动；在抗压筒内部分别安装有压力平衡密封模块、电机、转角检测模块及驱动轴，所述压力平衡密封模块位于抗压筒中部，安装在驱动轴与抗压筒之间；所述驱动轴通过轴承组件固定到抗压筒中，驱动轴一端与转阀转子连接，一端与电机输出轴连接；转角检测模块安装在电机另一侧的输出轴上；且电机通过电气组件供电；所述转阀转子由转子叶片、导流叶片与轮毂构成，转子叶片和导流叶均安装在轮毂上，导流叶片位于转子叶片的下游；用于减小转阀转子在转动的过程中所承受的水力转矩。所述减小扭矩的转阀转子结构不仅仅局限于增加导流叶，转阀转子在旋转一定角度并暂停一段时间后，返回至初始位置，产生一定强度和形状的泥浆脉冲。

所述的导流叶片沿轮毂的轴向面均匀设置一圈，每个导流叶片的过流面呈流线型，并与转阀转子阀口面相切，以减小涡流现象，导流叶片切向方向与轮毂轴向方向之间的夹角小于15°，导流叶片旋向与转阀转子的初始转动方向一致，每个转阀转子至少设置两个导流叶片，每个转子叶片处最多设置一个导流叶片。

在抗压筒的上游安装有旋转密封，旋转密封安装在驱动轴与抗压筒之间。

所述的打捞头与导流定子压盖通过螺纹连接，导流定子压盖与定子悬挂筒通过螺纹连接；转阀定子与定子悬挂筒之间安装有垫片，通过改变垫片的不同厚度，可以改变定转子之间的轴向间隙，使该装置可以适应不同的井深需求。

所述的压力平衡密封模块包括活塞内导向套、主平衡活塞、电机密封活塞、活塞外导向套，主平衡活塞靠近轴承安装在活塞内导向套上，活塞内导向套固定在活塞外导向筒内，主平衡活塞将活塞外导向筒分为上游与下游两个空间，在主平衡活塞上游活塞外导向筒上开有注油孔，下游活塞外导向筒上开有泥浆流通孔，用于平衡活塞外导向筒内外的压力，电机密封活塞将电机独立隔离，并由活塞导向套限制其轴向移动，起到二次密封的作用。

所述的电机通过高压堵头模块与电气组件相连，所述高压堵头模块包括高压堵头、高压堵头支撑、外高压堵头座、内高压堵头座、外转换接头、内转换接头，内转换接头与抗压筒采用螺纹联接，高压堵头支撑由两半片套筒组成，安装于内转换接头上；高压堵头一端安装于高压堵头支撑上，另一端安装于内高压堵头座上，然后安装于抗压筒内；内高压堵头座通过螺钉与外高压堵头座联接。

所述驱动轴是由传动轴、动力轴与联轴器组成，联轴器用于传动轴与动力轴之间的连接。

所述轴承组件包括轴端支撑轴承、推力轴承、扶正支撑轴承、中间支撑轴承与轴承，轴端支撑轴承安装在旋转密封内部，推力轴承靠近旋转密封安装，扶正支撑轴承安装在推力轴承的下游，并采用锁紧螺母锁定，用于扶正传动轴，所述中间支撑轴承安装在传动轴下游，并用挡圈限制轴向移动，所述轴承安装在轴承座中，并用轴承端盖轴向压紧，用于支撑驱动轴旋转。

所述装置的控制方法，如下：

钻井泥浆从转阀定子上游向转阀转子方向流动，初始位置时，转阀定子与转阀转子之间的流通面积最大，然后采用电气组件驱动电机，通过驱动轴、联轴器、传动轴带动转阀转子加速运动，经过t1时间后至最大转速，然后开始匀速转动，经过时间t2后开始减速运动，再经过时间t3后停止在极限位置；等待时间t4后，开始反方向加速运动，经时间t5后到达最大转速，然后开始匀速运动，经时间t6后开始减速运动，并经过时间t7后到达初始位置停止。

在转阀转子转动的过程中，转阀转子相对于转阀定子之间的通流面积不断变化，从而产生泥浆压力脉冲，如此周期性往复摆动，能够产生周期性泥浆脉冲压力，通过控制初始位置到一定角度的各时间宽度，产生不同频率或相位变化的泥浆脉冲信号，用于传输测量短节检测的井下数据；

在转阀转子关闭过程中，转子叶片承受一定水力转矩，而导流叶提供一个相反方向的水力转矩，补偿了部分电机输出轴的扭矩；旋转密封、主平衡活塞、活塞外导向筒、电机密封支撑、高压堵头、高压堵头外支撑、内转换接头、电机防护筒、轴承座组成了油腔，该腔体内充满了液压油；泥浆压力通过活塞外导向筒上泥浆流通孔作用在主平衡活塞上，使活塞外导向筒内的压力与泥浆压力保持平衡；当泥浆压力增加，活塞外导向筒内压力小于泥浆压力，主平衡活塞向上游微量移动，活塞外导向筒内少量的液压油从旋转密封上部挤出，从而阻止了泥浆进入油腔；当泥浆压力减小，油腔内的压力大于泥浆压力，油腔内少量的液压油从旋转密封挤出，阻止了泥浆进入油腔，这时主平衡活塞会向下游小幅移动。

上述的上游和下游用来描述钻井液流动的方向，上游是指钻井液从一个地方流向另一个地方时，钻井液首先经过的位置；下游是指钻井液后流过的位置；上面的上部、下部是用来确认井筒中相对位置的高低，现以井底作为基准，井底以上的部分即为井底的上游。

本发明所述的振荡剪切式泥浆脉冲发生器具有的有益效果是：

1.本发明的转阀转子与电机直联，且两侧均有限位，只需控制其转到一定角度即可，其控制简单；

2.因本发明的转阀转子部分增加了降低扭矩的结构，能够减小转阀转子所受水力转矩，从而降低了井下系统能源供应需求及井下电机的设计难度；

3.调节定、转子之间垫片厚度，能够产生不同幅度的压力信号，可以使该装置适应不同的井深要求。

附图说明

图1为本发明的主剖视图；

图2为本发明的抗压筒主视图；

图3为本发明的压力平衡密封模块主视图；

图4为本发明的驱动轴主视图；

图5为本发明的轴承组件安装图；

图6为本发明的高压堵头模块主视图；

图7为本发明的转子等轴测图；

图8为电机带动转子转动时的角度（中间曲线）随时间（下面的曲线）变化的关系图，及该脉冲发生器所产生的压力脉冲ΔP QUOTE曲线（上部曲线）。

       其中：1为抗压筒，2为压力平衡密封模块，3为驱动轴，4为轴承组件，5为高压堵头模块，6为密封端盖，7为电气安装筒，8为外转换接头，8′为内转换接头，9为高压堵头外支撑，10为电机防护筒，11为轴承座，12为电机密封支撑，13为活塞外导向筒，14为轴承支撑座，15为活塞导向套，16为电机密封活塞，17为挡圈，18为中间支撑轴承，19为活塞内导向套，20为主平衡活塞，21为传动轴，22为联轴器，23为动力轴，24为轴端支撑轴承，25为推力轴承 ，26为扶正支撑轴承，27为锁紧螺母，29为外高压堵头座，29′为内高压堵头座，30为高压堵头，31为高压堵头支撑，32为转角检测模块，33为电机，34为电机安装板，35为轴承端盖，36为旋转密封，37为定子悬挂筒，38为转阀转子，39为垫片，40为转阀定子，41为导流定子压盖，42为打捞头，43为转子叶片，44为导流叶片，45为轮毂，46为泥浆流通孔，47为注油孔，48为电气组件。

具体实施方式

如图1-7所示，本发明包括导流定子压盖41，调整垫片39，转阀转子38，旋转密封36，轴端支撑轴承24，推力轴承25，扶正支撑轴承26，锁紧螺母27，主平衡活塞20，中间支撑轴承18，电机密封活塞16，联轴器22，活塞导向套15，电机密封支撑12，挡圈17，活塞内导向套19，活塞外导向筒13，轴承支撑座14，传动轴21，定子悬挂筒37，转阀定子40，打捞头42，动力轴23，电机安装板34，电机33，转角检测模块32，高压堵头支撑31，内高压堵头座29′，高压堵头30，外高压堵头座29，电气组件48，密封端盖6，电气安装筒7，外转换接头8，高压堵头外支撑9，内转换接头8′，电机防护筒10，轴承座11，轴承28，轴承端盖35。

打捞头42置于泥浆上游，电气组件48置于泥浆下游，打捞头22与导流定子压盖41通过螺纹连接，导流定子压盖41与定子悬挂筒37通过螺纹连接，转阀定子40与转阀转子38均安装在定子悬挂筒37内部，转阀定子40由导流定子压盖41压紧在定子悬挂筒20中，转阀定子40与定子悬挂筒37之间安装有调整垫片39，转阀转子38与传动轴21通过轴向螺纹连接，并通过键传递扭矩，推力轴承25安装在传动轴21的轴肩上，并一同安装至轴承支撑座14中，旋转密封36通过轴端支撑轴承24与传动轴21连接，并一同安装至轴承支撑座14中，扶正支撑轴承26安装在轴承支撑座14的另一端，并采用锁紧螺母27压紧，活塞外导向筒13与轴承支撑座14直连，主平衡活塞20安装到活塞内导向套19后，压入活塞外导向筒13中，中间支撑轴承18安装在活塞内导向套19中，并用挡圈17限制中间支撑轴承18的轴向移动，电机密封支撑12将活塞内导向套19压紧在活塞外导向筒13中，电机密封活塞16安装在活塞导向套15上，并一同安装到电机密封支撑12中，电机密封支撑12的另一端与轴承座11连接，传动轴21与驱动轴23通过联轴器12连接，驱动轴23另一端与电机33的输出轴连接，在驱动轴23上安装有两个轴承39，并通过轴承端盖40安装在轴承座11中，轴承端盖40与轴承座11通过螺纹连接，电机安装板34安装在轴承座11中，电机33安装在电机安装板34上，转角检测模块32安装在电机33另一侧的输出轴上，电机防护筒10一侧与轴承座11连接，另一侧与内转换接头8′连接，电气线通过内转换接头8′引出，通过高压堵头30连接到外转换接头8上，内转换接头8′与电机防护筒10连接，内高压堵头座29′与高压堵头支撑31将高压堵头30固定，安装在高压堵头外支撑9中，高压堵头外支撑9与内转换接头8′连接，外高压堵头座30安装于高压堵头外支撑9中，外转换接头8与高压堵头外支撑9连接，并将外高压堵头座30压紧，电气组件48安装在电气安装筒7中，电气安装筒7与外转换接头8连接，电气安装筒7另一端与密封端盖6连接。

如图2所示，所述抗压筒1由电机防护筒10、轴承座11、电机密封支撑12、活塞外导向筒13与轴承支撑座14组成，相互之间采用螺纹连接，在螺纹连接处由高压密封，所述的13中有泥浆流通孔46、注油孔47，通过泥浆流通孔46，井下压力可以传递到主平衡活塞20上，实现油压密封，注油孔47用于向抗压桶内灌注液压油，可以采用单向阀结构。

如图7所示，所述转阀转子3由转子叶片41、凸台42与导流叶43构成，导流叶43位于转子叶片41的下游，用于减小转阀转子3在转动的过程中所承受的水力转矩，述减小扭矩的转阀转子3结构不仅仅局限于增加导流叶43。

如图8所示，转阀转子3在旋转一定角度并暂停一段时间后，返回至初始位置，产生一定强度和形状的泥浆脉冲。

本发明的工作过程如下：

本发明需与测量短节、电机控制系统等配合使用，当本发明在工作状态时，钻井泥浆从转阀定子40上游向转阀转子38方向流动，初始位置时，转阀定子40与转阀转子38之间的流通面积最大，然后采用电气组件48驱动电机33，通过驱动轴23、联轴器12、传动轴21带动转阀转子加速运动，经过t1时间后至最大转速，然后开始匀速转动，经过时间t2后开始减速运动，再经过时间t3后停止在极限位置；等待时间t4后，开始反方向加速运动，经时间t5后到达最大转速，然后开始匀速运动，经时间t6后开始减速运动，并经过时间t7后到达初始位置停止。在转阀转子38转动的过程中，转阀转子38相对于转阀定子40之间的通流面积不断变化，从而产生泥浆压力脉冲，如此周期性往复摆动，能够产生周期性泥浆脉冲压力P，通过控制初始位置到一定角度的各时间宽度，可以产生不同频率或相位变化的泥浆脉冲信号，用于传输测量短节检测的井下数据。在转阀转子38关闭过程中，转子叶片43承受一定水力转矩，而导流叶44提供一个相反方向的水力转矩，补偿了部分电机33输出轴的扭矩。旋转密封36、主平衡活塞20、活塞外导向筒13、电机密封支撑12、高压堵头30、高压堵头外支撑9、内转换接头8′、电机防护筒10、轴承座11组成了油腔，该腔体内充满了液压油。泥浆压力通过活塞外导向筒13上泥浆流通孔46作用在主平衡活塞9上，使活塞外导向筒13内的压力与泥浆压力保持平衡。当泥浆压力增加，活塞外导向筒13内压力小于泥浆压力，主平衡活塞9向上游微量移动，活塞外导向筒13内少量的液压油从旋转密封36上部挤出，从而阻止了泥浆进入油腔；当泥浆压力减小，油腔内的压力大于泥浆压力，油腔内少量的液压油从旋转密封36挤出，也阻止了泥浆进入油腔，这时主平衡活塞9会向下游小幅移动。如果有微量泥浆泄漏至油腔中，电机密封活塞16可以再次起到密封作用，阻止其损害电机33，保证电机33的正常工作。

Claims (10)

1. 一种振荡剪切式泥浆脉冲发生器，其特征在于：包括转阀定子、转阀转子、定子悬挂筒、抗压筒、打捞头和电气组件，所述打捞头置于泥浆上游，电气组件置于泥浆下游，打捞头与定子悬挂筒连接，转阀定子与转阀转子均安装在定子悬挂筒内部；转阀定子由导流定子压盖压紧在定子悬挂筒中，转阀转子通过驱动轴驱动；在抗压筒内部分别安装有压力平衡密封模块、电机、转角检测模块及驱动轴，所述压力平衡密封模块位于抗压筒中部，安装在驱动轴与抗压筒之间；所述驱动轴通过轴承组件固定到抗压筒中，驱动轴一端与转阀转子连接，一端与电机输出轴连接；转角检测模块安装在电机另一侧的输出轴上；且电机通过电气组件供电；所述转阀转子由转子叶片、导流叶片与轮毂构成，转子叶片和导流叶均安装在轮毂上，导流叶片位于转子叶片的下游。

2.如权利要求1所述的振荡剪切式泥浆脉冲发生器，其特征在于：在抗压筒的上游安装有旋转密封，旋转密封安装在驱动轴与抗压筒之间。

3. 如权利要求1所述的振荡剪切式泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述的导流叶片沿轮毂的轴向面均匀设置一圈，每个导流叶片的过流面呈流线型，并与转阀转子阀口面相切，导流叶片切向方向与轮毂轴向方向之间的夹角小于15°，导流叶片旋向与转阀转子的初始转动方向一致，每个转阀转子至少设置两个导流叶片，每个转子叶片处最多设置一个导流叶片。

4. 如权利要求1所述的振荡剪切式泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述的打捞头与导流定子压盖通过螺纹连接，导流定子压盖与定子悬挂筒通过螺纹连接；转阀定子与定子悬挂筒之间安装有垫片，通过改变垫片的不同厚度，改变定转子之间的轴向间隙。

5. 如权利要求1所述的振荡剪切式泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述的压力平衡密封模块包括活塞内导向套、主平衡活塞、电机密封活塞、活塞外导向套，主平衡活塞靠近轴承安装在活塞内导向套上，活塞内导向套固定在活塞外导向筒内，主平衡活塞将活塞外导向筒分为上游与下游两个空间，在主平衡活塞上游活塞外导向筒上开有注油孔，下游活塞外导向筒上开有泥浆流通孔，用于平衡活塞外导向筒内外的压力，电机密封活塞将电机独立隔离，并由活塞导向套限制其轴向移动，起到二次密封的作用。

6. 如权利要求1所述的振荡剪切式泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述的电机通过高压堵头模块与电气组件相连，所述高压堵头模块包括高压堵头、高压堵头支撑、外高压堵头座、内高压堵头座、外转换接头、内转换接头，内转换接头与抗压筒采用螺纹联接，高压堵头支撑由两半片套筒组成，安装于内转换接头上；高压堵头一端安装于高压堵头支撑上，另一端安装于内高压堵头座上，然后安装于抗压筒内；内高压堵头座通过螺钉与外高压堵头座联接。

7. 如权利要求1所述的振荡剪切式泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述驱动轴是由传动轴、动力轴与联轴器组成，联轴器用于传动轴与动力轴之间的连接。

8. 如权利要求2所述的振荡剪切式泥浆脉冲发生器，其特征在于：所述轴承组件包括轴端支撑轴承、推力轴承、扶正支撑轴承、中间支撑轴承与轴承，轴端支撑轴承安装在旋转密封内部，推力轴承靠近旋转密封安装，扶正支撑轴承安装在推力轴承的下游，并采用锁紧螺母锁定，用于扶正传动轴，所述中间支撑轴承安装在传动轴下游，并用挡圈限制轴向移动，所述轴承安装在轴承座中，并用轴承端盖轴向压紧，用于支撑驱动轴旋转。

9.如权利要求1-8任一所述装置的控制方法，其特征在于，如下：

钻井泥浆从转阀定子上游向转阀转子方向流动，初始位置时，转阀定子与转阀转子之间的流通面积最大，然后采用电气组件驱动电机，通过驱动轴、联轴器、传动轴带动转阀转子加速运动，经过t1时间后至最大转速，然后开始匀速转动，经过时间t2后开始减速运动，再经过时间t3后停止在极限位置；等待时间t4后，开始反方向加速运动，经时间t5后到达最大转速，然后开始匀速运动，经时间t6后开始减速运动，并经过时间t7后到达初始位置停止。

10. 如权利要求9所述装置的控制方法，其特征在于，如下：

在转阀转子转动的过程中，转阀转子相对于转阀定子之间的通流面积不断变化，从而产生泥浆压力脉冲，如此周期性往复摆动，能够产生周期性泥浆脉冲压力，通过控制初始位置到一定角度的各时间宽度，产生不同频率或相位变化的泥浆脉冲信号，用于传输测量短节检测的井下数据；

在转阀转子关闭过程中，转子叶片承受一定水力转矩，而导流叶提供一个相反方向的水力转矩，补偿了部分电机输出轴的扭矩；旋转密封、主平衡活塞、活塞外导向筒、电机密封支撑、高压堵头、高压堵头外支撑、内转换接头、电机防护筒、轴承座组成了油腔，该腔体内充满了液压油；泥浆压力通过活塞外导向筒上泥浆流通孔作用在主平衡活塞上，使活塞外导向筒内的压力与泥浆压力保持平衡；当泥浆压力增加，活塞外导向筒内压力小于泥浆压力，主平衡活塞向上游微量移动，活塞外导向筒内少量的液压油从旋转密封上部挤出，从而阻止了泥浆进入油腔；当泥浆压力减小，油腔内的压力大于泥浆压力，油腔内少量的液压油从旋转密封挤出，阻止了泥浆进入油腔，这时主平衡活塞会向下游小幅移动。