CN104612670B - 一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置 - Google Patents

一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置 Download PDF

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Abstract

一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置，利用两个带有半圆孔的旋转编码盘通过改变截面积大小的方法而改变钻柱内的泥浆压力，将井下多个传感器所采集到的数据，编码调制后快速传输到地面，包括调制编码盘、编码盘驱动电机、磁动力传输，磁支撑轴承，抗压筒、泥浆涡轮发电机其抗压筒内部动力源与抗压筒外部编码盘之间动力传输全部采用了磁传动，使抗压筒内、外隔离，抗压筒外部的旋转部分采用了磁支撑悬浮轴承，双电机分别通过磁传动驱动两个编码盘，实现了无缝隙连续波2DPSK压力波编码调制快速数据传输，与传统的泥浆压力波脉冲器相比，传输速率高，寿命长、传输速率快，误码率低，适应井下高压、高温、高震动之特点。

Description

一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置
技术领域
本发明涉及石油定向井钻探、地质勘探、地下盐业、煤田等地下资源钻探技术领域。
技术背景
随着现代化石油定向井钻探技术的发展，井下测量数据的信息量不断增加，从单一的(MWD)采集的方位角、井斜角、工具面、重力和、磁场和、电池电压、温度定向信息，发展到目前(LWD)在此基础上增加了自然伽玛、电阻率、声波测量、中子、密度、井下压力等测井信息。
随钻通信就是将地下钻头附近多个传感器采集到的数据经过编码后传输到地面的过程，泥浆压力波通信是无线随钻通信方式其中的一种，基本原理是利用编码控制管柱内泥浆压力的变化并传输到地面的过程，在地面立管上的压力传感器接收到压力波，转变成电信号后，经过放大、整形、译码等一系列处理，还原出井底传感器所采集到的数据，再传输到司钻显示仪，便于司钻及时控制钻进轨迹和进行数据分析。
传统的正、负脉冲产生器是采用了电磁阀门的原理，将传感器的编码脉冲驱动电磁铁(小蘑菇头)进行机械式开关动作，并巧妙地利用了地面泥浆泵注入到管柱内泥浆的压力驱动大阀门(大蘑菇头)进行阀门式开关动作，迫使管住内的泥浆压力随编码脉冲的改变而改变。由于该装置是机械式阀门开关动作进行编码，传输速率非常慢，耗电多，需要经常保养。
近年来，国内以650脉冲器为代表的泥浆脉冲器利用涡轮和磁传动驱动液压装置，使驱动功率大为减小，可靠性有所提高。使用了泥浆发电机供电，节约了电池。同时对编码方式进行了改进，传输速率也有所提高，但是仍然不能满足高速数据传输的需要。
随着泥浆通信技术的不断发展，国外出现了多种连续波泥浆信号发生器，采用了定子盘与转子盘流道截面积的改变的方式，迫使管柱内压力波成线性变化，达到实现正弦波调制快速传输数据的目的，基本满足快速通信的要求。但是存在轴承隔离问题，由于抗压筒外有40MPa左右的泥浆压力，使得抗压筒内外的隔离难度大，密封轴承阻力大,磨损大,寿命短的严重问题。
目前公开的泥浆压力波快速传输装置存有共性的问题：1、数据传输速率慢，正、负脉冲器传输一组完整的数据大约需要4--5分钟的时间，无法满足高速数据传输的要求，误码率高，很多情况下需要打印波形进行人工比对，大大影响了工作效率；2、存在密封轴承，抗泥浆压力能力差；3、轴承在泥浆中直接摩擦寿命短，维护工作量大。
发明内容
为了解决上述不足，本发明抗压筒内部动力源与抗压筒外部编码盘之间动力传输部分全部采用了磁传动，使抗压筒内、外全部隔离。抗压筒外部的旋转部分采用了磁支撑悬浮轴承。采用了双电机分别通过磁传动驱动两个编码盘，实现了无缝隙连续波2DPSK压力波编码调制快速数据传输，与其传统的泥浆压力波脉冲器相比，传输速率高出10倍以上，具有寿命长、传输速率快，误码率低，适应井下高压力、高温度、抗震动之特点。本发明的目的就是为现场提供一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置.
本发明是这样实现的,一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置:包括管柱、加速环、支撑A、支撑B、发电机涡轮磁极、发电机定子、驱动电机A、导流环、编码盘A、编码盘B、下固定环、驱动电机B、抗压筒，编码盘A内孔装有外磁铁A，编码盘A套装在抗压筒中间部位，驱动电机A安装在抗压筒的中上部，传动轴A上部装有内磁铁A，并与外磁铁A相耦合，编码盘B安装在编码盘A的下部，编码盘B内孔装有外磁铁B并套装在抗压筒中下部，驱动电机B安装在下固定环的下面抗压筒内，传动轴B上部安装有内磁铁B与外磁铁B相耦合。
发电机涡轮磁铁安装在发电机涡轮中心孔内，并套装在抗压筒上部，加速环和支撑B之下，发电机定子为线圈，安装在抗压筒内，并与涡轮磁铁相耦合，传动轴A与驱动电机A相连，传动轴B与驱动电机B相连。
加速环的下部、导流环上部分别安装有支撑A与支撑B，支撑A、支撑B均为磁支撑轴承，支撑A、支撑B套装在抗压筒上。
加速环为圆盘状，套装在抗压筒外上部，并与管柱内壁固定，围绕加速环外圆周围加工有斜通孔。
导流环为圆柱状，套装在抗压筒外圆上，支撑A下部，导流环外圆与管柱内壁固定，围绕导流环外圆周围加工有直通孔。
下固定环为圆柱状，套装在抗压筒外圆的下部，驱动电机B以上，外围与管柱固定，围绕下固定环外圆周围加工有直通孔。
由于本发明动力传输部分全部采用了磁传输，使抗压筒内外全部隔离，改掉了抗压筒内电机与抗压筒外编码盘之间的高压轴承，减小了摩擦系数，抗压筒外部的旋转部分均采用了轴向磁支撑轴承，大大增加了轴承的使用寿命。采用了双电机驱动方式带动两个编码盘，实现了无缝隙连续波2DPSK编码调制，提高了数据通信的速率，使传输速率达到了20比特以上，比传统的泥浆脉冲器传输速率提高了10倍以上。
说明书附图
图1：一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置整体结构示意图。
附图说明1、管柱 2、加速环 3、支撑A 4、支撑B 5、发电机涡轮磁极 6、发电机定子7、驱动电机A 8、导流环9、外磁铁A 10、内磁铁A 11、编码盘A 12、编码盘B 13、外磁铁B 14、内磁铁B 15、下固定环 16、驱动电机B 17抗压筒
具体实施方式
现结合说明书附图1对本发明作进一步的描述，一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置，包括管柱1.加速环2.支撑A 3.支撑B 4.发电机涡轮磁极5.发电机定子6.驱动电机A 7.导流环8.外磁铁A 9.内磁铁A 10.编码盘A 11.编码盘B 12.编码盘B外磁铁13.内磁铁B 14.下固定环15.驱动电机B 16抗压筒17,编码盘A11内孔装有外磁铁A9，编码盘A11套装在抗压筒17中间部位，驱动电机A 7安装在抗压筒17的中上部，传动轴A上部装有内磁铁A10，并与外磁铁A9相耦合，编码盘B12安装在编码盘A11的下部，内孔装有编码盘B传动外磁铁13并套装在抗压筒17中下部，驱动电机B10安装在下固定环15的下面抗压筒17内，传动轴B上部安装有内磁铁B14前与外磁铁B13相耦合，传动轴A与驱动电机A7相连，传动轴B与驱动电机B16相连。
发电机涡轮磁铁5安装在发电机涡轮中心孔内，并套装在抗压筒17上部，加速环和支撑B之下，发电机定子为线圈，安装在抗压筒17内，并与涡轮磁铁5相耦合。
加速环2的下部、导流环8上部分别安装有支撑A3与支撑B4，支撑A3、支撑B4均为磁支撑轴承，支撑A3、支撑B4套装在抗压筒17上。
加速环2为圆盘状，套装在抗压筒17外上部，并与管柱1内壁固定，围绕加速环2外圆周围加工有斜通孔。
导流环8为圆柱状，套装在抗压筒17外圆上，支撑A3下部，导流环8外圆与管柱1内壁固定，围绕导流环8外圆周围加工有直通孔。
下固定环15为圆柱状，套装在抗压筒17外圆的下部，驱动电机B 16以上，外围与管柱1固定，围绕下固定环15外圆周围加工有直通孔。
本发明的原理是井下探管传感器的数据经过运算处理，进行编码后驱动编码盘作旋转动作，迫使泥浆使流道的截面积发生变化，压力波随管柱内的压力变化而变化。井柱内的泥浆压力受到两个编码盘孔重合时的大小决定的。Q为流过阀孔的流量m2/s,Cd为阀流系数,一般为Cd＝0.6-0.8{23},ρ为液体密度kg/m2,Δp为阀口的前后压差MPa,A为阀口截面积m2，变换得：可以看出，当Cd,ρ，Q确定后，阀口上下的压力变化，与编码盘截面积有关，并与流道孔的截面积A2成反比。
立管内的最小流道，也称为限流流道，也是压力波(正弦波)的最大值，它的设计为：必须保证最小流道面积Amin，防止压力过高导致憋泵。Amin的大小由管柱内泥浆的最大压力变量Δpmax来决定的：是由编码盘重叠后最小流道孔决定的。
管柱内最大流道孔Amax是由泥浆的最小压力变量Δpmin决定的，改变最大流道孔的面积Amax，可调整压力波的幅度。这时正弦波的幅度最小。
产生的正弦波的频率f，是由编码盘1的转速决定的，编码盘1每转一周为一个频率周期T，转速n越快，频率f则越高f＝n/s。根据钻井深度的不同，频率也随之改变，下井前需要进行设置。工作频率与发码速率是成正比的。
正弦波的相位由编码盘13进行控制，使其与编码盘12的相位相反，将需要传输的数据进行调制后，产生所需要的2DPSK码。地面立管的压力传感器将压力波转变为电信号，经过放大、滤波、译码还原出井下传感器采集到的数据送到司钻显示仪，达到快速数据传输之目的。
把上述仪器装入管柱1后，管柱1内由上向下流动的高压泥浆流和加速环2的作用下，使发电机涡轮磁极5做高速旋转，对发电机定子线圈6做切割磁力线，使其产生交变电压，通过导线把电输给整流滤波稳压器,经过整流滤波稳压后，再给仪器提供所需的电能。
仪器的传感器采集到的数据经过运算、编码后，驱动编码盘按照编码规则进行旋转，改变泥浆通道的截面积，同时改变编码盘上端泥浆压力，形成所需的压力波。通过管柱传到井上，井上立管的压力传感器将接收到的压力波转换为电信号还原出相对数据码的波形由计算机处理后进行显示。
本发明采用了磁传动隔离方式传动和磁支撑轴承，摩擦系数小，隔离后抗井下泥浆压力高，寿命长。产生的泥浆压力波为正弦波方式的2DPSK调制码，误码率低、比传统的压力波脉冲器传输速率高10倍以上，为随钻测井数据量的增加奠定了基础。

Claims (6)

1.一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置，包括管柱（1）、加速环（2）、支撑A（3）、支撑B(4)、发电机涡轮磁极（5）、发电机定子(6)、驱动电机A（7）、导流环（8）、编码盘A（11）、编码盘B(12）、下固定环（15）、驱动电机B（16）、抗压筒（17），其特征是：编码盘A（11）内孔装有外磁铁A(9)，编码盘A（11）套装在抗压筒（17）中间部位，驱动电机A（7）安装在抗压筒（17）的中上部，传动轴A上部装有内磁铁A（10），并与外磁铁A（9）相耦合，编码盘B（12）安装在编码盘A（11）的下部，编码盘B（12）内孔装有外磁铁B（13）并套装在抗压筒（17）中下部，驱动电机B（16）安装在下固定环（15）的下面抗压筒（17）内，传动轴B上部安装有内磁铁B（14）与编码盘B外磁铁（13）相耦合，传动轴A与驱动电机A（7）相连，传动轴B与驱动电机B（16）相连。
2.根据权利要求1所述的一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置，其特征是：发电机涡轮磁铁（5）安装在发电机涡轮中心孔内，并套装在抗压筒（17）上部，加速环（2）和支撑B之下，发电机定子(6)安装在抗压筒（17）内，并与涡轮磁铁（5）相耦合。
3.根据权利要求1所述的一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置，其特征是：加速环（2）的下部、导流环（8）上部分别安装有支撑A（3）与支撑B（4），支撑A（3）、支撑B（4）均为磁支撑轴承，支撑A（3）、支撑B（4）套装在抗压筒（17）上。
4.根据权利要求1所述的一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置，其特征为：加速环（2）为圆盘状，套装在抗压筒（17）外上部，并与管柱（1）内壁固定，围绕加速环（2）外圆周围加工有斜通孔。
5.根据权利要求1所述的一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置，其特征为：导流环（8）为圆柱状，套装在抗压筒（17）外圆上，支撑A（3）下部，导流环（8）外圆与管柱（1）内壁固定，围绕导流环（8）外圆周围加工有直通孔。
6.根据权利 要求1所述的一种石油钻井用磁传动隔离式泥浆压力波快速数据传输装置，其特征为：下固定环（15）为圆柱状，套装在抗压筒（17）外圆的下部，驱动电机B（16）以上，外围与管柱（1）固定，围绕下固定环（15）外圆周围加工有直通孔。
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