CN105626049B - 一种井下高频脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明创造涉及石油勘探和钻采技术领域，特别涉及一种井下高频脉冲发生器，该控制阀在推杆和堵头之间设置回力弹簧，当电磁驱动装置驱动推杆推动堵头封堵阀口时，弹簧会被压缩，此时弹簧力小于电磁驱动装置施加在推杆上的推力，大于泥浆压力对堵头的推力，它一端推着堵头抵住阀口处泥浆压力，另一端对推杆施加着反向推力，当要打开阀口而撤掉电磁驱动装置的控制信号电流时，虽然推杆对弹簧还因剩磁而存在部分推力，但是该剩磁推力大幅小于弹簧的反作用力，推杆就能够快速回退而摆脱剩磁推力，继而在泥浆压力推动下堵头和推杆完全复位，从而使得控制阀能够有效的进行高频响应。

Description

一种井下高频脉冲发生器

技术领域

本发明创造涉及石油勘探和钻采技术领域，特别涉及一种井下高频脉冲发生器。

背景技术

在石油勘探、钻采过程中，钻井设备是必不可少的工具。钻井设备的核心在于钻头，因此需要随时监测钻头的钻探情况。然而，随着钻探的深入，钻头会深入地层中，在地面的工作人员难以直接观察钻头的情况，因此，需要在钻头处设置多种监测装置，例如方向传感器和温度传感器等，并将检测到的数据通过通信链路传递到地面，由地面的工作人员进行接收分析。

由于井下环境十分恶略，检测装置难以通过一般的通信线路与地面进行通信，也难以通过常规的无线方式与地面进行通信。目前，地面与井下通信的方式一般是采用一个脉冲发生器来控制通过泥浆输送管道来实现的，其原理是在泥浆流道中设置脉冲发生器，脉冲发生器按照一定规律来打通/阻断（实际应用中并非完成阻断，通常是缩小流道的孔径）泥浆流道，从而使泥浆流道产生有规律的脉冲，地面工作人员在地面检测并解码这些脉冲以获得检测数据。

具体的，脉冲发生器一般包括主阀和控制阀，主阀内设置滑阀和设置于滑阀外处的限流阀，主阀的尾端连接有控制阀，泥浆一部分经过滑阀内腔流至控制阀，并经过控制阀的泄流孔中流出，另一部分通过滑阀与限流阀之间的空隙，当控制阀的阀口关闭时，滑阀内腔的泥浆无法流出，内腔压力升高，从而推动滑阀滑动，缩小滑阀与限流阀之间的间隙，整个泥浆通道的孔径缩小，从而泥浆整体压力升高，产生一个脉冲。因此，只要控制阀根据检测装置的信号有序的通断控制阀的阀口，整个泥浆通道就可以产生一个有规律的脉冲。

然而实践中，脉冲发生器产生的机械波总是难以与检测装置发生的电磁波严格一致，特别是在高频的条件下。申请人经过研究发现，其中一个重要原因就是控制阀的剩磁问题。在控制阀中，通常需要一个电磁驱动装置（通常是线圈），电磁驱动装置根据检测装置发来的电信号，在需要封堵阀口时产生一个磁场，从而推动控制阀内的推杆，推杆再推动堵头封堵阀口，在需要解除对阀口的封堵时则取消磁场，阀口外的泥浆压力会推动堵头和推杆复位。然而实际上，在撤去电磁驱动装置的电信号后，导磁物质仍然会剩余有剩磁，磁场难以快速的完全消失，因此对推杆仍然会有一定的推力，该推力会在推杆复位过程中抵消一部分泥浆的压力的起始阶段抵消泥浆的压力，从而导致复位缓慢。而在复位缓慢的情况下，则难以快速的进行高频响应。

发明内容

本发明创造的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种能够减少电磁驱动装置的剩磁对推杆的复位影响，从而使得控制阀能够有效的进行高频响应。

发明思路：发明人发现，在高频情况下，为了快速、有效的封堵阀口，在封堵阀口的过程中，优选的电磁驱动装置施加在推杆上的应当较大幅度的大于泥浆的压力，也正是由于封堵过程中需要施加较大的推动力，因此撤销电流后剩磁产生的推力仍然较大。这也说明，在封堵阶段，电磁驱动装置提供的能量是过剩的，因此如果能够将该过剩的能量在封堵阶段暂时的存储起来，并在解除封堵的时候用于抵消剩磁带来的推力，则能够有效的减少电磁驱动装置的剩磁对推杆和堵头的复位影响，提高推杆和堵头的复位速度。

本发明创造的目的通过以下技术方案实现：

提供了一种井下高频脉冲发生器，包括阀口、泄流孔、堵头、推杆和电磁驱动装置，所述阀口与所述泄流孔连通，所述电磁驱动装置根据接收到的控制信号驱动所述推杆朝向所述阀口运动，以使所述堵头封堵/打开所述阀口，还包括回力弹簧，回力弹簧一端与推杆连接，另一端与堵头连接，所述推杆使所述回力弹簧形变进而驱动所述堵头封堵所述阀口，所述堵头封锁所述阀口时，所述回力弹簧对推杆和堵头的作用力大于流质对阀口堵头的压力。

其中，所述堵头开设有内腔，所述推杆朝向阀口的一端插设于所述内腔中。

其中，所述堵头的内腔腔壁或者外侧壁开设有凹槽，所述推杆前端设置有限位销轴，所述限位销轴插设于所述凹槽中，沿推杆往复运动方向所述凹槽的宽度大于所述限位销轴的宽度，从而使得推杆往复运动时所述限位销轴能够在凹槽中往复运动。

其中，所述堵头远离阀口的一端设置有第一阶台，所述推杆设置有第二阶台，所述回力弹簧一端固定于第一阶台，另一端固定于第二阶台。

其中，所述电磁驱动装置包括电磁线圈、导磁座和设置于导磁座中的活动衔铁，所述电磁线圈根据电控制信号产生驱动磁场，所述驱动磁场经控制阀的外壳传递至所述导磁座从而驱动活动衔铁朝向阀口运动，活动衔铁连接所述推杆。

其中，所述控制阀外壳的矫顽力Hc≤35A/m，最大导磁率μm≥0.012H/m，磁场强度为300A/m时磁感应强度B300≥1.1T。

其中，所述控制阀外壳喷涂有硬质合金层。

其中，所述硬质合金层的硬度大于等于1200HV0.3。

其中，所述硬质涂层与控制阀外壳的结合强度大于等于120Mpa。

其中，所述硬质涂层的厚度小于等于0.2mm。

本发明创造的有益效果：本发明创造通过在控制阀的推杆和堵头之间设置回力弹簧，当电磁驱动装置驱动推杆推动堵头封堵阀口时，弹簧会被压缩，此时弹簧力小于电磁驱动装置施加在推杆上的推力，大于泥浆压力对堵头的推力，它一端推着堵头抵住阀口处泥浆压力，另一端对推杆施加着反向推力，当要打开阀口而撤掉电磁驱动装置的控制信号电流时，虽然推杆对弹簧还因剩磁而存在部分推力，但是该剩磁推力大幅小于弹簧的反作用力，推杆就能够快速回退而摆脱剩磁推力，继而在泥浆压力推动下堵头和推杆完全复位，从而使得控制阀能够有效的进行高频响应。

附图说明

利用附图对本发明创造作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明创造的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明创造一种井下高频脉冲发生器的结构示意图。

图2为本发明创造一种井下高频脉冲发生器的控制阀的结构示意图

在图1中包括有：

1——泄流孔、2——泄流孔、3——堵头、31——内腔、32——凹槽、33——第一阶台、4——推杆、41——限位销轴、42——第二阶台、5——回力弹簧、6——电磁线圈、7——外壳、8——导磁座、9——活动衔、11——主阀、111——限流管、112——主滑阀、12——控制阀。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明创造作进一步描述。

本发明创造一种井下高频脉冲发生器的具体实施方式，如图1所示，包括主阀11和控制阀12，所述主阀11包括限流管111和设置于限流管111中的主滑阀112，所述控制阀12连接于主滑阀112的尾端，控制阀12控制主滑阀112尾端的导通/截止，以此驱动主滑阀112在限流管111中往复运动，从而改变主滑阀112与限流管111的间隙以产生脉冲，

如图2所示，控制阀12包括：阀口1、泄流孔2、堵头3、推杆4和电磁驱动装置，所述阀口1与所述泄流孔2连通，所述电磁驱动装置根据接收到的控制信号驱动所述推杆4朝向所述阀口运动。

所述堵头3开设有内腔31，所述推杆4朝向阀口1的一端插设于所述内腔31中，所述推杆4带动所述堵头3封堵/打开所述阀口1，堵头3的内腔31腔壁开设有凹槽32，所述推杆4前端设置有限位销轴41，所述限位销轴41插设于所述凹槽32中，沿推杆4往复运动方向所述凹槽32的宽度大于所述限位销轴41的的宽度，从而使得推杆4往复运动时所述限位销轴41能够在凹槽32中往复运动。

还包括回力弹簧5，堵头3远离阀口1的一端设置有第一阶台33，推杆4设置有第二阶台42，所述回力弹簧5一端固定于第一阶台33，另一端固定于第二阶台42。

当电磁驱动装置驱动推杆4朝向阀口1移动时，推杆4推动回力弹簧5，进而推动堵头3朝向阀口1移动，当堵头3抵住阀口1时，此时由于作用于推杆4的推力大于泥浆对堵头3的压力，并且限位销轴41能够在凹槽32中往复运动，因此此时推杆4会继续前移，使得回力弹簧5压缩；当电磁驱动装置的电流撤去，电磁驱动装置对推杆4的推力会快速下降，此时虽然还会因为剩磁而对推杆4存在一定的推力，但是该推力必然大幅小于回力弹簧5对推杆4的推力，推杆4能够快速复位，而由于限位销轴41插设于凹槽32中，因此推杆4复位到一定程度后又会快速的带动堵头3复位，从而避免推杆4脱离堵头3，也避免推杆4拉伸回力弹簧5导致的震荡。推杆4能够快速回退，直到限位销轴41接触到凹槽32的内壁为止，因为这时已经摆脱了剩磁，堵头3和推杆4就可以继续在泥浆压力推动下迅速完全复位了。

与现有技术相比，本技术不再完全依赖于泥浆对堵头3的压力来促使推杆4复位，并且的，电磁驱动装置以大幅大于泥浆压力的推力来驱动推杆4和堵头3，从而实现对阀口1的快速封堵，解除对阀口1封堵时弹簧对推杆4的作用力也大于泥浆压力，能够大幅的降低剩磁的影响，从而快速对阀口1解除封堵，控制阀12完成封堵——解除封堵这一动作周期所需的时间大幅缩小，响应速度得到有效提高，因此该控制阀12能够更加有效的响应高频信号。

本实施例中，所述电磁驱动装置包括电磁线圈6、导磁座8和设置于导磁座8中的活动衔铁9，所述电磁线圈6根据电控制信号产生驱动磁场，所述驱动磁场经控制阀12的外壳7传递至所述导磁座8从而驱动活动衔铁9朝向阀口1运动，活动衔铁9连接所述推杆4，所述控制阀12外壳7的矫顽力Hc≤35A/m，最大导磁率μm≥0.012H/m，磁场强度为300A/m时磁感应强度B300≥1.1T。由于控制阀12外壳7属于电磁驱动装置中重要的导磁器件，因此控制阀12外壳7的性能会严重影响剩磁的情况，从而影响控制阀12的响应速度。然而，目前在考虑电磁阀的外壳7的用料时，一般是只考虑其硬度需求，而不会考虑其导磁率，本申请由于意识到剩磁对控制阀12响应能力的影响，因此优选符合上述指标的的材料作为控制阀12外壳7的材料。

特别的，控制阀12外壳7喷涂有硬质合金层。所述硬质合金层的硬度大于等于1200HV0.3。所述硬质涂层与控制阀12外壳7的结合强度大于等于120Mpa。所述硬质涂层的厚度小于等于0.2mm。当选择导磁率较佳的材料来作为外壳7时，不可避免的，控制阀12的外壳7的硬度则会有所下降，这会导致控制阀12外表面容易遭受泥浆冲蚀而被破坏，因此，在控制阀12外壳7的外表面喷涂硬质合金层，从而确保控制阀12表面能够耐受泥浆冲蚀而不被破坏。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种井下高频脉冲发生器，包括主阀和控制阀，所述主阀包括限流管和设置于限流管中的主滑阀，所述控制阀连接于主滑阀的尾端，控制阀控制主滑阀尾端的导通/截止，以此驱动主滑阀在限流管中往复运动，从而改变主滑阀与限流管的间隙以产生脉冲，所述控制阀包括阀口、泄流孔、堵头、推杆和电磁驱动装置，所述阀口与所述泄流孔连通，所述电磁驱动装置根据接收到的控制信号驱动所述推杆朝向所述阀口运动，以使所述推杆带动所述堵头封堵所述阀口，其特征在于：还包括回力弹簧，回力弹簧一端与推杆连接，另一端与堵头连接，所述推杆使所述回力弹簧形变进而驱动所述堵头封堵所述阀口，所述堵头封锁所述阀口时，所述回力弹簧对推杆和堵头的作用力大于流质对阀口堵头的压力。

2.如权利要求1所述的一种井下高频脉冲发生器，其特征在于：所述堵头开设有内腔，所述推杆朝向阀口的一端插设于所述内腔中。

3.如权利要求1所述的一种井下高频脉冲发生器，其特征在于：所述堵头的内腔腔壁或者外侧壁开设有凹槽，所述推杆前端设置有限位销轴，所述限位销轴插设于所述凹槽中，沿推杆往复运动方向所述凹槽的宽度大于所述限位销轴的的宽度，从而使得推杆往复运动时所述限位销轴能够在凹槽中往复运动。

4.如权利要求1所述的一种井下高频脉冲发生器，其特征在于：所述堵头远离阀口的一端设置有第一阶台，所述推杆设置有第二阶台，所述回力弹簧一端固定于第一阶台，另一端固定于第二阶台。

5.如权利要求1所述的一种井下高频脉冲发生器，其特征在于：所述电磁驱动装置包括电磁线圈、导磁座和设置于导磁座中的活动衔铁，所述电磁线圈根据电控制信号产生驱动磁场，所述驱动磁场经控制阀的外壳传递至所述导磁座从而驱动活动衔铁朝向阀口运动，活动衔铁连接所述推杆。

6.如权利要求5所述的一种井下高频脉冲发生器，其特征在于：所述控制阀外壳的矫顽力Hc≤35A/m，最大导磁率μm≥0.012H/m，磁场强度为300A/m时磁感应强度B300≥1.1T。

7.如权利要求5所述的一种井下高频脉冲发生器，其特征在于：所述控制阀外壳喷涂有硬质合金层。

8.如权利要求7所述的一种井下高频脉冲发生器，其特征在于：所述硬质合金层的硬度大于等于1200HV0.3。

9.如权利要求7所述的一种井下高频脉冲发生器，其特征在于：所述硬质涂层与控制阀外壳的结合强度大于等于120MPa。

10.如权利要求7所述的一种井下高频脉冲发生器，其特征在于：所述硬质涂层的厚度小于等于0.2mm。