CN105863622A - 剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统及其工作模式 - Google Patents

Abstract

剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统及其切换电动机的工作模式，工作系统包括：测量传感器；数据编码器；控制电路；驱动电路；实时解调单元，在地表采集压力传感器数据并实施解调；电动机，与控制电路相连接；通讯电路，连接驱动电路、电源及滤波单元、供电单元和测内压传感器，电源及滤波单元连接控制电路；地面指令下传装置，由气动驱动以快速响应，其分流变化可由涡发检测到。本发明通过改变泥浆泵向井下的供液量，改变钻柱内的流量及压力，井下涡轮发电机或者压力传感器能够检测到这样的改变，并向泥浆脉冲发生器的控制电路发出指令，驱动电路驱动电动机、实现工作模式切换。

Description

剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统及其工作模式

技术领域

本发明涉及石油开采设备技术，尤指一种剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统及其工作模式。

背景技术

泥浆脉冲发生器遥传系统是随钻测量(Measure While Drilling:MWD)和随钻测井(Logging While Drilling:LWD)设备中的重要组成部分，是井下信息实时地传输到地面的重要手段。随着地层评价技术的不断发展，井下数据量在逐渐增大，需要更高传输速率的脉冲发生器。MWD系统的传输速率逐渐成为制约井下数据上传的瓶颈。

钻井系统示意图见附图1，主要包括泥浆池1，泥浆泵2，数据采集处理系统3，井架4，大钩5，钻杆6，转盘7，环空流道8，滤网9，下行泥浆10，上下脉冲信号11，无磁钻铤12，泥浆脉冲发生器13，钻头14，涡轮发电机15，环空上行泥浆16，泥浆回流管道17等部分。

专利所述的泥浆脉冲发生器在附图1中标号13处。该种泥浆脉冲发生器脉冲发生机构的转子既可连续旋转剪切流体，也可往复摆动剪切流体，这种连续旋转或往复摆动剪切流体的转子运动速度较快，载波频率高，基于此种原理的泥浆脉冲发生器属于高速率泥浆脉冲发生器，由高速率泥浆脉冲发生器、地面数据采集及解调软件组成完整的系统称为高速率泥浆脉冲遥传系统。

高速率泥浆脉冲遥传系统的原理图如附图2所示。在钻进过程中，井下测量传感器测得工程参数及地层参数，这些测得的模拟信号，通过数据编码器，转换为数字信号。数字信号经过控制电路调制，调制后控制信号将传递给驱动电路，驱动电路从供电短节(涡轮发电机或电池组，一般为涡轮发电机)取电驱动控制电动机运动，涡轮发电机供电时要经过通讯电路，通讯电路可根据工程需要实现脉冲发生器的其他功能，电动机按着控制电路给定的控制信号进行运动，带动泥浆脉冲发生器转子旋转或摆动，脉冲发生器的定转子剪切流经的流体，产生脉冲信号，这些脉冲压力信号，经过钻杆传输到地面立管上，数据采集系统对地面立管上压力传感器进行压力信号采集，通过解调系统对井下的压力信号进行解析，传输上来的泥浆脉冲信号转换为井下工程参数和地层参数。

井下泥浆脉冲发生器工作时，电动机带动转子作旋转或往复摆动剪切流体，产生泥浆脉冲信号，泥浆脉冲信号是否可检测到并能够解调，取决于原始压力幅值大小，以及最终信噪比。影响脉冲发生器压力波压力幅值及传播的因素很多，其中影响原始信号大小，即压力波幅值的有脉冲发生器定转子间隙，脉冲发生器定转子与定转子护套的环隙，转子的运动频率，对往复摆动型式的有定转子的开合度等等。影响信号传播因素主要有地质条件，泥浆泵排量，泥浆粘度，井深等工况。

在钻进过程中，随着地质条件，钻进深度变化，相应的泥浆泵排量，泥浆粘度等也要随其变化。为了能够产生出易于地表解调的压力波形，保证压力波的压力幅值，以及每个压力波的一致性是必须的。流体在钻柱内的流动状态多为紊流状态。钻柱内的泥浆压力会产生波动。转子剪切流体时所受的水力转矩有波动，造成脉冲发生器对电动机转矩和瞬时功率需求较大。

为了能够稳定控制转子，使转子的运动轨迹符合设计要求。就需要根据井深，井况改变井下泥浆脉冲发生器的调制方式，工作频率，定转子开合角度等。包含了调试方式，工作频率，定转子开合角度等参数的一组命令称为工作模式。

所谓的改变工作模式，综合起来，主要指改变泥浆脉冲发生器转子的工作频率(即载波频率)，调制方式(调频，调相)，转子往复运动时的工作角度等。

此外，由于钻井过程中，需要接入钻杆钻具，或遇有不同地质条件，也需要有仪器初始或定位的指令。当仪器在井下工作时，需要存储仪器本身的工作信息，工作完成后，便于对仪器工作状态、性能进行分析。

井下的泥浆脉冲压力波幅值大些，压力波形的一致性，波形稳定性好些，有利于解调。但泥浆脉冲压力波幅值大，会造成井下电动机功率增大，运动件过快磨损等问题。设计者希望，在得到合理的，即能够解调脉冲幅值的前提下，使转子摆动实际消耗的功率更小，最大限度地控制井下仪器的功率，降低脉冲发生器功耗。因此，希望可以根据解调情况，在地面控制调整转子运动的频率，改变定转子开合角度，调制方式等。

在随钻测井系统中，载有地层参数，钻井工程参数的泥浆压力信号不是通过线缆上传，而是通过钻柱内泥浆上传至地表，通过压力传感器到达数据采集箱，由地面处理系统进行解调，进而得到井下信息。

当然，就地面解码系统来讲，更好地滤除泵噪，提高信噪比，是解调努力的方向。

由于钻杆内没有下行线缆，地面的指令需要下传到泥浆脉冲发生器时，一般需要通过改变泥浆的排量，排量变化会使钻柱内的压力也产生变化，井下传感器检测到排量或压力的变化，以切换的方式，改变泥浆脉冲发生器预置的工作模式。

随钻测井系统在钻进过程中，能够与井下沟通的只有泥浆。通过地面管汇，电磁分流装置短时间内分流出部分泥浆。相应地改变钻柱内泥浆的排量或者压力。井下传感器感受到压力或者排量的变化，会给井下驱动控制电路发出指令，实现工作模式切换。

基本方式一：排量变化泥浆脉冲发生器在井下属于大功率的仪器，井下的供电一般使用涡轮发电机发电的方式。涡轮发电机的转速受排量变化影响，一般呈线性关系，为了改变泥浆脉冲发生器的工作模式，可以通过改变泥浆泵向井下供液的流量，比如通过阀门分走一部分泥浆，使流向钻柱内泥浆流量降低，流量降低会使涡轮发电机的涡轮转速降低，检测涡轮发电机三相电流的变化频率，当频率变化降低到某个数值以下时，涡轮发电机的控制电路，会发出一个指令给高速泥浆脉冲发生器的驱动控制芯片，实现泥浆脉冲发生器工作模式的切换。见专利：CN104929611A。

基本方式二：压力变化可以通过高速泥浆脉冲发生器中内置的压力传感器，检测钻柱内泥浆压力变化。比如通过阀门分走一部分泥浆，使流向钻柱内泥浆流量降低，流量降低会使钻柱内泥浆压力降低，当泥浆压力降低到某个临界值，也会给高速泥浆脉冲发生器的驱动控制芯片一个指令，泥浆脉冲发生器开始切换工作模式。见专利：CN201420548。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少之一，本发明提供了一种剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统，通过改变泥浆泵向井下的供液量，改变钻柱内的流量及压力，井下涡轮发电机或者压力传感器能够及时地检测到这样的改变，进而向泥浆脉冲发生器的驱动电路、控制电路发出指令，实现泥浆脉冲发生器工作模式切换。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统，包括：测量传感器；数据编码器，其一端连接测量传感器、另一端连接控制电路，所述测量传感器可向所述数据编码器传输模拟信号，所述数据编码器可向所述控制电路传输数字信号；所述控制电路，写入有调制方法单元；驱动电路，一端与所述控制电路相连接、另一端与电动机的开关相连接，所述控制电路可向所述驱动电路传输控制信号；实时解调单元，在地表采集压力传感器数据并实施解调；具有泥浆脉冲发生器的所述电动机，与所述控制电路相连接，可将转子位置反馈给所述控制电路；通讯电路，连接所述驱动电路、电源及滤波单元、供电单元和所述泥浆脉冲发生器的内测压传感器，所述电源及滤波单元连接所述控制电路；地面指令下传装置，由气动驱动以快速响应，其分流变化可由涡发检测到，即可向所述供电单元传输钻柱内流量变化信号。

可选地，所述供电单元包括稳压整流器和涡流发电机。

本发明还提供了一种剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统切换电动机的工作模式，地面指令下传装置发出指令，通过改变泥浆泵向下供液量来实现改变钻柱内泥浆的流量及压力，测量传感器检测钻柱内泥浆的流量及压力的信息、并传输给控制单元，控制单元根据接收到的该信息来判断“是”或“否”改变电动机的工作模式、且在“是”改变电动机的工作模式时通过控制驱动电路来执行。

可选地，所述控制单元为控制电路或中央处理器。

本发明提供的剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统，通过改变泥浆泵向井下的供液量，改变钻柱内的流量及压力，井下涡轮发电机或者压力传感器能够及时地检测到这样的改变，进而向泥浆脉冲发生器的驱动电路、控制电路发出指令，实现泥浆脉冲发生器工作模式切换。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为相关技术中的钻进系统原理图；

图2为本发明所述的剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统的流程图；

图3为涡发转速变化传递到驱动电路的控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图描述本发明一些实施例的剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统及其切换电动机的工作模式。

本发明提供的剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统，如图2所示，包括：测量传感器；数据编码器，其一端连接测量传感器、另一端连接控制电路，测量传感器可向数据编码器传输模拟信号，数据编码器可向控制电路传输数字信号；控制电路；驱动电路，一端与控制电路相连接、另一端与电动机的开关相连接，控制电路可向驱动电路传输控制信号；实时解调单元，在地表采集压力传感器数据并实施解调(实时解调单元在地表，采集图1中泥浆脉冲发生器13中的压力传感器压力)；具有泥浆脉冲发生器的电动机，与控制电路相连接，可将转子位置反馈给控制电路；通讯电路，连接驱动电路、电源及滤波单元、供电单元和泥浆脉冲发生器的内测压传感器，电源及滤波单元连接控制电路；地面指令下传装置，由气动驱动以快速响应，其分流变化可由涡发检测到，即可向供电单元传输钻柱内流量变化信号；调制方法单元写入控制电路芯片。

可选地，供电单元包括稳压整流器和涡流发电机。

本发明还提供的剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统切换电动机的工作模式，地面指令下传装置发出指令，通过改变泥浆泵向下供液量来实现改变钻柱内泥浆的流量及压力，测量传感器检测钻柱内泥浆的流量及压力的信息、并传输给控制单元，控制单元根据接收到的该信息来判断“是”或“否”改变电动机的工作模式、且在“是”改变电动机的工作模式时通过控制驱动电路来执行。

优选地，控制单元为控制电路或中央处理器。

在泥浆脉冲发生器中预置工作模式，实钻中，由地面控制井下高速泥浆脉冲发生器切换工作模式，节约钻进成本，提高生产效率。该套工作模式包括转子的运动方式，运动频率，运动角度等。通过程序实现每个参数的连续变化。这套工作模式除了改变波形，改变频率和改变幅值外，还包括扫频，电动机位置初始化，电动机复位等指令。主要通过改变泥浆泵向井下的供液量，改变钻柱内的流量及压力，井下涡轮发电机或者压力传感器能够及时地检测到这样的改变，进而向泥浆脉冲发生器的驱动电路和控制电路发出指令，实现高速泥浆脉冲发生器工作模式切换。

工程师从地面发出的指令，就能够被泥浆脉冲发生器检测到，并能够切换工作模式。通常工作模式被预置在井下泥浆脉冲发生器的驱动芯片中。

一、主要特征

剪切阀泥浆脉冲发生器转子的运动方式，包括频率，波形，幅值等不同参数。控制转子的初始位置，初始运动形式等由驱动电路、控制电路的电路板中芯片内预置的程序完成。

内置的工作模式程序为参数化程序，可对某一参数进行连续改变，多种参数的组合可以满足井下泥浆脉冲发生器的工作需要。

钻进时，泥浆泵通过地面管汇，经钻杆向井下供泥浆，泥浆有维持井下围岩的压力平衡，冷却钻头，携带岩屑等作用。同时泥浆在泥浆泵至井底钻头之间的钻柱内处于高速、高压状态。在地面管汇加装一个三通阀门，旁通处加一个改变流量的电磁气动阀，快速执行实现对流向孔底的泥浆分流。

井下泥浆脉冲发生器工作时，由涡轮发电机提供电能，涡轮发电机是将流体的动能，转换为机械能，进而转化为电能的装置，是通过导轮和涡轮实现的。当地面管汇的流体通过指令下传装置分流后，会导致钻杆内部流向井下的流体排量减小，进而涡轮发电机涡轮转速降低。涡轮发电机内电路板检测到涡轮转速降低临界值，会给产生一组指令，传给脉冲发生器内通讯电路。这样的指令使用二进制的方式下传，命令可多达上万条。

或者是：通过井下压力传感器，检测到钻柱内的泥浆压力变化，由中央处理器给泥浆脉冲发生器发出指令，给泥浆脉冲发生器的通讯电路。

通讯板将编译后的指令传给泥浆脉冲发生器电动机的控制板。泥浆脉冲发生器转子运动由电动机驱动，电动机输出的运动轨迹和规律由驱动电路和控制电路进行驱动控制。

芯片中预置的程序需要由一条特定的指令触发，这条特定的指令可由专门的通讯电路板芯片发出。

二、主要效果

能够根据地质条件，钻井参数切换工作模式。根据钻进过程中地质条件的不同，例如围岩的压力，地层的渗漏情况等，需要配备不同粘度，或者密度的泥浆。泥浆脉冲发生器要根据这些参数的变化切换工作模式。

扫频：通过地面指令下传装置，触发剪切阀泥浆脉冲发生器进入扫频模式，当然该扫频需要在驱动电动机工作能力内，通过扫频获取适合当前泥浆条件，即粘度、密度下的载波频率。

改变频率：压力波在不同粘度和密度的泥浆中，其传播特性是不同的，如幅值衰减速度，传播速度等。通过地面指令下传装置，修改井下泥浆脉冲发生器的工作频率，使波形更易于解调。

改变幅值：定转子开合角度减小，能够有效降低高速泥浆脉冲发生器系统的功率。随钻测井系统有时会与旋转导向系统一同作业，当这些大功率的一起共同使用时，根据各仪器的工作制度，已有的涡轮发电机电能或许就要有合理分配。根据地质条件，钻进条件来切换井下高速泥浆脉冲发生器的工作模式，在波形满足解调的前提下，使泥浆脉冲发生器消耗的功率最小。

改变波形：是指改变井下脉冲发生器的调制方式，使泥浆脉冲发生器产生的压力波，在一致性等特征上更加明显。地面解调系统能否成功解调，取决于信噪比，泥浆压力波的质量至关重要，当一种包含有调制方式，运动频率等工作模式的信号不能很好解调时，要试着切换另一种工作模式，以便使产生的压力波易于地面解调系统进行解调。

电动机位置初始化及电动机定位：当井底需要大流量的泥浆供入时，需要保持泥浆脉冲发生器的定转子持续保持在全开或者某一角度的开启状态时，需要通过地面指令下传方式触发此命令。

存储：泥浆脉冲发生器工作时，需要将井下地层信息和井斜方位等信息上传至地面，同时脉冲发生器自身的工作信息，如电动机位置跟随情况，脉冲发生器定转子剪切流体时产生的压力波幅值，井下泥浆脉冲发生器工作时转子转矩，脉冲发生器功率等，需要存储在井下芯片中，由于仪器在工作中，并不是所有时间的信息都是有效信息，需要从地面通知井下何时存储。

存储覆盖方式：井下仪器空间狭小，存储芯片的空间也是有限的，当脉冲发生器长时间在井下工作时，芯片可能被存满，需要从地面通知井下，如何覆盖已经存储下来的数据。

开始发送数据：当井下泥浆脉冲发生器配置完成，正常钻进，仪器开始正常工作时，需要由地面通知井下开始发送数据。

高速泥浆脉冲发生器在井下作业过程中，需要根据钻井工程参数，对脉冲发生器的工作模式进行更改。例如需要改变调制方式，运动频率，工作角度(转子摆动工作时)等。设计的剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统将这些需要修改的参数变量化，可实现连续修改。这些参数变化的组合可以实现很多种。

泥浆脉冲发生器设计和制作时，充分考虑了钻井工程参数对井下泥浆脉冲发生器的工作状态的影响。考虑了改变波形，改变频率，改变幅值，扫频，电动机定位，初始位置、存储等工作状态和专有指令。

图3为涡发(涡流发电机)转速变化传递到驱动电路的控制流程图，由于地面指令下传装置分流，钻柱内来流流量降低，涡轮发电机转子转速会降低，此时，会触发涡发通讯板发出指令，发出的指令通过1553协议，传递给高速率泥浆脉冲器通讯板(通讯电路)，通讯板会通过485协议，把指令传给电动机的主控板(即：控制电路)。完成工作模式切换。

图3中涡发通讯电路在涡轮发电机框里，高速率泥浆脉冲器通讯板就是通讯电路，电动机主控板就是控制电路。

综上所述，本发明提供的剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统，通过改变泥浆泵向井下的供液量，改变钻柱内的流量及压力，井下涡轮发电机或者压力传感器能够及时地检测到这样的改变，进而向泥浆脉冲发生器的驱动电路、控制电路发出指令，实现泥浆脉冲发生器工作模式切换。

在本发明的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统，其特征在于，包括：

测量传感器；

数据编码器，其一端连接测量传感器、另一端连接控制电路，所述测量传感器可向所述数据编码器传输模拟信号，所述数据编码器可向所述控制电路传输数字信号；

所述控制电路，写入有调制方法单元；

驱动电路，一端与所述控制电路相连接、另一端与电动机的开关相连接，所述控制电路可向所述驱动电路传输控制信号；

实时解调单元，在地表采集压力传感器数据并实施解调；

具有泥浆脉冲发生器的所述电动机，与所述控制电路相连接，可将转子位置反馈给所述控制电路；

通讯电路，连接所述驱动电路、电源及滤波单元、供电单元和所述泥浆脉冲发生器的内测压传感器，所述电源及滤波单元连接所述控制电路；和

地面指令下传装置，由气动驱动以快速响应，其分流变化可由所述供电单元的检测到，即可向所述供电单元传输钻柱内流量变化信号。

2.根据权利要求1所述的剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统，其特征在于，所述供电单元包括稳压整流器和涡流发电机。

3.一种剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统切换电动机的工作模式，其特征在于，地面指令下传装置发出指令，通过改变泥浆泵向下供液量来实现改变钻柱内泥浆的流量及压力，测量传感器检测钻柱内泥浆的流量及压力的信息、并传输给控制单元，控制单元根据接收到的该信息来判断“是”或“否”改变电动机的工作模式、且在“是”改变电动机的工作模式时通过控制驱动电路来执行。

4.根据权利要求3所述的剪切阀泥浆脉冲发生器工作系统切换电动机的工作模式，其特征在于，所述控制单元为控制电路或中央处理器。