CN106411095A - 一种无线随钻测斜仪井下仪器供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线随钻测斜仪井下仪器供电系统，包括呈轴向布置的变向定子和磁力转子，所述磁力转子耦合一磁力主轴，所述磁力主轴上连接一磁力法兰，所述磁力法兰与一线圈组轴向相对但不接触，所述线圈组连接一调整电路，所述调整电路连接仪器电源总线；其中：变向定子表面带有倾斜叶片，且倾斜角度可调；磁力法兰与线圈组至今具有一定的可调间隙；调整电路中包含有判断电路和稳压电路，线圈组发出的电经由判断电路判断，再经稳压电路稳压后输出在仪器适用电压范围内。本发明可以实现10L/S～70L/S泥浆排量范围内的发电输出。

Description

一种无线随钻测斜仪井下仪器供电系统

技术领域

本发明涉及一种石油钻井测斜仪，特别是关于一种无线随钻测斜仪井下仪器的供电系统。

背景技术

一种安全可靠稳定的供电系统是保证无线随钻测斜仪井下仪器正常工作的必要条件之一。一直以来，国内外主流系列的无线随钻测斜仪都用锂电池短节供电，采用锂电池短节供电，有如下一些突出的问题无法克服：

1.锂电池的安全性保证不了，众所周知，锂电池在强烈冲击、过热、短路等情况下，会发生爆炸，威力相当巨大：一般我们的手机电池的能量为3Ah，爆炸的破坏力已经很惊人，而我们仪器中用的锂电池组为28Ah*8＝224Ah，威力是手机电池的几十倍，近几年在各大油田也发生过锂电池爆炸造成设备损毁或人员伤亡的现象；

2.锂电池的大量使用，会给生态环境造成重大污染，不利于环保：锂电池是消耗品，钻井过程中，一般150h左右就会用掉一组电池，完成一口3000米的井少说也得四、五组电池，据不完全统计，全国各大油田的仪器总量为6000多套，如果按每套仪器每年完成10口井(比较保守)来计算，那么一年的电池消耗量大约为30万组，大部分用掉的锂电池被使用者丢弃或掩埋在井场附近，而电池中的电解液为化学药品，会给环境造成极大的破坏；

3.无法满足高温作业的要求：随着钻探水平的日益提高，钻井深度越来越深，175℃以上的高温井也不断涌现，而锂电池的安全使用温度一般为低于150℃，所以无法满足使用要求；

4.影响施工进度、增加施工成本：每当一组电池使用完毕，就得起钻换电池，这样势必会影响施工进度，增加施工成本；

5.造成资源浪费、增加施工成本：因为每口井的施工时间不同，所以不可能把每根电池的电量都用完，比如说一根电池可以使用150h，在完成一口井时用了120h，剩余30h的电量在下次又用不了多长时间，一般就不用了，这样这部分电量就浪费了。

虽然现在也有厂家推出了用涡轮泥浆发电机，但是由于设计问题也存在如下一些缺陷：

1.由于发电机要放在钻铤内使用，而钻铤的内径很小(常用规格为71mm)，这就决定了传统结构的发电机功率太小，一般为5W左右，仅仅能够满足测斜仪部分的供电，在接入伽玛等地质参数模块时，电量不够；

2.适应性太窄，只能在一定范围的泥浆排量下使用；

3.由于传统结构无法避免采用动密封机构，在高温、高压的泥浆中使用动密封结构寿命很短，极容易失效，发电机经常发生故障，无法大面积推广使用。

发明内容

基于以上原因，为了更好的解决无线随钻测斜仪井下仪器的供电问题，本发明目的是提供一种安全环保、适用性强、稳定可靠的井下仪器供电系统。该系统通过利用可变的定、转子配套规格，能够适应不同的泥浆排量，同时也能输出不同的功率，从而发出高低不同的电压；同时利用调整电路可调整为仪器可用的电压；同时多余的电量还可为备用电池组充电。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种无线随钻测斜仪井下仪器供电系统，包括呈轴向布置的变向定子和磁力转子，所述变向定子固定不动，所述磁力转子可旋转，所述磁力转子耦合一磁力主轴，所述磁力主轴上连接一磁力法兰，所述磁力法兰与一线圈组轴向相对但不接触，所述线圈组连接一调整电路，所述调整电路连接仪器电源总线；其中：

所述变向定子和磁力转子的表面环周带有倾斜叶片，且倾斜角度可调；

所述磁力法兰与线圈组之间具有一定的调整间隙；

所述调整电路中包含有判断电路和稳压电路，所述线圈组发出的电经由所述判断电路判断，再经所述稳压电路稳压后输出在仪器适用电压范围内。

进一步地，所述变向定子上的叶片和所述磁力转子上的叶片倾斜方向相反。

进一步地，所述变向定子上的叶片相互平行，所述磁力转子上的叶片也相互平行。

进一步地，所述变向定子上的叶片角度与对应的泥浆排量范围如下：

35～45度定子配合35度转子，适应泥浆排量范围10L/s～22L/s；

25～35度定子配合35度转子，适应泥浆排量范围18L/s～30L/s；

14～25度定子配合35度转子，适应泥浆排量范围25L/s～40L/s；

10度以下定子配合35度转子，适应泥浆排量范围大于38L/s。

进一步地，在所述磁力转子的内圈上和磁力主轴的外圈上对应安装数量相同的磁钢块，磁力转子上的磁钢与磁力主轴上的磁钢一一对应，磁极相反。

进一步地，所述磁力法兰上环周设置一圈磁钢块，相邻磁钢块之间磁极布置方向相反；所述线圈组上设置有至少三组线圈。

进一步地，所述磁力法兰与线圈组之间的调整间隙由磁力法兰一侧加装的垫片调整。

进一步地，所述调整电路中还含有整流滤波电路，由所述线圈组发出的交流电先经过整流滤波电路进行整流、滤波变为直流电输出，然后再经由所述判断电路判断电压的高低；

所述判断电路中设置有CPU处理器、电压采集模块以及三个电源切换通道，所述稳压电路中包含有高压稳压电路、低压稳压电路、基本稳压电路；所述判断电路的三个电源切换通道分别连接高压稳压电路、低压稳压电路、基本稳压电路。

进一步地，所述高压稳压电路、低压稳压电路中都包括有场效应管、变压器和稳压二极管。

本发明相对于现有技术，可以体现在如下优点：

1.本发明充分利用了钻井液(泥浆)的能量，提供安全、环保、可持续利用的电能；

2.通过调整变向定子和磁力转子的叶片角度及配合形式，满足不同泥浆排量的供电，从10L/S～70L/S均可以覆盖，实现所有井况全覆盖；

3.通过调整磁力法兰和线圈组的气隙，可以调整发电机的功率，从5W～15W可变；

4.通过判断电路，实现和电池的并存状态，为用户提供了多种供电方式选择；

5.通过改变法兰柱形磁钢的数量及磁感应强度以及线圈数量，可以调整发电机功率及相数；

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分特征从说明书中显而易见，或者通过实施本发明了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是发电系统总体结构图；

图2a是变向定子、磁力转子、磁力主轴之间的结构关系图；

图2b是图2a的A-A截面图，展示磁力转子与磁力主轴之间的磁力耦合关系；

图3a是图3b的B-B截面图，展示磁力法兰的结构；

图3b是磁力法兰与线圈组之间的结构关系图；

图3c是图3b的A-A截面图，展示线圈组的结构；

图4是发电系统调整电路的结构原理图；

图5是稳压电路的结构原理图。

图中，1-变向定子、2-磁力转子、3-磁力主轴、4-磁力法兰、5-线圈组、6-调整电路、7-打捞头、8-定子支撑套、9-固定键、10-外筒、11-垫片、12-上轴承套、13-下轴承套、14-轴承、601-整流滤波电路601、602-判断电路、603-稳压电路、604-高压稳压电路、605-低压稳压电路、606-基本稳压电路、607-场效应管、608-变压器、609-稳压二极管、610-稳压电阻。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

由图1可见本供电系统的结构全貌，该系统主要包括变向定子1、磁力转子2、磁力主轴3、磁力法兰4、线圈组5、调整电路6几部分。这些部件迎合测斜仪井下仪器的轴性结构特点，基本为轴向安装。变向定子1与磁力转子2呈前、后轴位关系，同轴线但并非在同一根轴上套设安装。变向定子1固定安装在测斜仪的打捞头7尾部，在钻井过程中，

打捞头7头部不断冲击泥浆，泥浆不断上涌，随着打捞头7在泥浆中的不断钻进，变向定子1不断被泥浆冲刷；泥浆流经变向定子1时，随定子上的叶片方向改变流向。泥浆经过变向定子1后涌向磁力转子2，磁力转子2套设在磁力主轴3上，磁力主轴3相对于变向定子1或者说是相对于打捞头7是可旋转的；经过变向转子1改变流向后的钻井液冲击在磁力转子2的倾斜叶片上，磁力转子2发生旋转，通过磁力钻子2与磁力主轴3间的磁力耦合关系，带动磁力主轴3发生旋转。

进一步讲，在变向定子1外表面环周均布一系列叶片，各叶片之间相互平行且与轴线方向成一定角度；同样，在磁力转子2外表面也环周均布一系列叶片，各叶片之间也相互平行且与轴线方向成一定角度，只是变向定子1上的叶片倾斜方向与磁力转子2上的叶片倾斜方向相反，比如图1所示，变向定子1上的叶片是沿左上至右下方向倾斜，而磁力转子2上的叶片是按左下至右上的方向倾斜。变向定子1上设置叶片的目的是为了给泥浆导向，使经过变向定子1的泥浆都沿一个方向流动，磁力转子2上叶片的目的是为了使转子转动起来。变向定子1和磁力转子2上的叶片角度互成反方向倾斜，是为了使泥浆被变向定子1导向后恰好正面冲击磁力转子2的叶片正面，这样才能使磁力转子2具有足够的旋转动力。

还进一步讲，变向定子1和磁力转子2的相对倾斜角度并非固定不变，无论变向定子1还是磁力转子2，都可改变其叶片的倾斜角度。正因为可以改变变向定子1与磁力转子2的叶片相对角度，所以可以用来改变磁力转子2的旋转速度，从而改变电机的发电量。

因此本发明与现有技术相比体现了如下不同：一，传统发电机的定、转子都是同轴套设的，要么定子在里转子在外，要么转子在里定子在外，定子带动转子旋转，而本发明中的定子与转子是分离的，互不影响，可以单独拆卸更换；二，此前有些设计中甚至是不用定子，而由泥浆直接冲刷转子外部的叶片，这样不能对泥浆起到很好的导流作用，对转子的冲刷力可能达不到理想效果，而本发明中将定子和转子外部设计成互成角度的倾斜叶片，这样经过定子的泥浆将更能直面冲刷转子叶片的表面，增大对转子的冲刷力；三，本发明将定、转子的叶片设计为多种规格角度，且是可更换的，可以根据井眼的大小，即泥浆排量的不同，更换适应的定子叶片，这样可以增加对钻井的适用范围，尤其是水平井。经过理论分析以及长期试验确定定子、转子的叶片角度可以对应如下的泥浆排量，以35度转子叶片为参考：

35～45度定子配合35度转子，适应泥浆排量范围10L/s～22L/s；

25～35度定子配合35度转子，适应泥浆排量范围18L/s～30L/s；

14～25度定子配合35度转子，适应泥浆排量范围25L/s～40L/s；

10度以下定子配合35度转子，适应泥浆排量范围大于38L/s。

变向定子1的叶片角度可以变换，定子上的叶片可以是与定子本体分体安装，每当变换一种定子时，可以将叶片拆卸；叶片与定子本体也可以一体制作，这样更换时需要将整个定子全部拆卸。

进一步讲，变向定子1可以是通过一定子支撑套8安装在打捞头7上，如图2a所示，将定子支撑套8先通过螺纹连接方式旋接在打捞头7的尾部，在定子支撑套8外部设置有定子固定键9，变向定子1通过键限位套装在定子支撑套8上，不可以在定子支撑套8上转动；定子支撑套8的两端都设挡，可防止定子轴向窜动。通过定子支撑套8过渡连接变向定子1而不是由打捞头7直接连接变向定子1，这样一是可以避免对打捞头的直接损伤，磨损后可以仅更换定子支撑套8；二是可以方便拆卸变向定子1。

进一步讲，本发明中磁力转子2套设在磁力主轴3上，磁力主轴3通过上轴承对接在打捞头7的尾端，磁力转子2带动磁力主轴3一起旋转，相对于打捞头7和变向定子1旋转。磁力转子2带动磁力主轴3一起旋转，在本发明中，优先选择磁力转子2与磁力主轴3以磁力耦合的方式配合组成一套磁力耦合器共同旋转。如图2a、2b所示，在磁力转子2的内圈上安装几块磁钢(图中表示为扇形磁钢)，一般为6～8块适合；同时在磁力主轴3的外圈上也安装对应数量的磁钢(图中表示为条形磁钢)，磁力转子2上的磁钢与磁力主轴3上的磁钢成对安装，磁极相反。如图3所示的例子，磁力主轴上的6块条形磁钢和磁力转子上的6块扇形磁钢一一对应组成6对磁极，相互吸引，这样当磁力转子2转动时，由于两者上的磁钢相吸作用，迫使磁力主轴3随之转动，从而达到磁力转子转动带动磁力主轴转动的目的。再进一步讲，磁力转子2自身的几块磁钢也是磁极一正一反地安装，磁力主轴3自身的几块磁钢同理，这样可以更加增强吸合力。之所以选择磁力耦合的方式，是因为该结构很好地解决了在高温高压的泥浆中高速旋转时的动密封问题。

进一步讲，磁力转子2不一定只设置一个，在不考虑成本的情况下可以设置两个或更多个，但所有磁力转子的叶片倾斜方向应该一致。

进一步讲，为了解决磁力主轴3的动密封问题，以及便于安装其他部件，可在磁力主轴3外部与磁力转子2之间穿设一外筒10，外筒10可从磁力转子2与磁力主轴3之间的空隙穿过连接到打捞头尾部，因此为了不妨碍转子与主轴之间的磁力吸引，外筒10为非导磁材料。磁力转子2通过上、下轴承套12、13安装在外筒的外部；磁力主轴3通过轴承14安装在打捞头7或定子支撑套8的内孔中。

在磁力主轴3远离打捞头的一端，连接有磁力法兰4，磁力法兰4与线圈组5相对，如图3a～3c所示，在磁力法兰4上沿周向排布有一圈柱形磁钢，柱形磁钢数量必须为偶数，布置时相邻磁钢极性相反；线圈组5安装在仪器的另一节装置上，与磁力法兰4相对，线圈组5中至少包含有三组，或三组的整数倍线圈(因为要产生三相电)。磁力法兰4通过螺纹连接在磁力主轴3上，当磁力主轴3旋转时一同带动磁力法兰4旋转，磁力法兰4旋转时就会产生对线圈组5的切割磁力线运动，线圈组5中就会产生电流，从而发出三相交流电，电就是由此而产生。

磁力法兰4与线圈组5之间有一定的间隙δ，进一步讲，不仅磁力法兰4的转速影响着线圈组5的发电量，磁力法兰4与线圈组5之间的间隙δ也影响着线圈组5发电量的大小，当磁力法兰4与线圈组5之间间隙较大时，磁场切割磁力线少，线圈组5发电量就较小，当磁力法兰4与线圈组5之间间隙较小时，磁场切割磁力线较多，线圈组5发电量就较大。如图3a所示，控制磁力法兰4与线圈组5之间间隙δ的方法是在磁力法兰4的背后与磁力主轴的轴肩之间加装一弹性垫片11，一方面弹性垫片既可以缓冲法兰对主轴的冲击挤压，另一方面通过调整垫片的厚度来调整磁力法兰4与线圈组5之间的间隙。

由于本发明可以通过改变变向定子1与磁力转子2的叶片相对角度来改变磁力转子2的旋转速度，从而改变磁力法兰4与线圈组5之间的切割磁力线速度，从而改变线圈组5的发电量，以及也可以通过改变磁力法兰4与线圈组5之间的间隙改变线圈组5的发电量，所以，在本发明来讲，线圈组5发出电的并不是固定不变的。而对于仪器来讲，可适用的电压范围是有限制的，而且是直流电，所以为了使所线圈产生的变化的交流电尽可能多地被应用于仪器工作中，在本发明中设置了一调整电路6。

如图4所示，调整电路6中含有整流滤波电路601、判断电路602和稳压电路603。测斜仪井下仪器部分要求的供电为直流电Vc21V～28V，因此由线圈组5发出的交流电先经过整流滤波电路601进行整流、滤波变为直流电输出；由于线圈组5发出的电压高低不等，为了保证供电效率，在整流、滤波后，应尽量使电能够被利用，因此由判断电路602时判断线圈发出的电是高压电(高于28V)还是低压电(低于21V)，如果是高压电则触发高压稳压电路，经过稳压后形成适合使用的电压(Vc21V～28V)输出；低压电也同理，如果是低压电则触发低压稳压电路，经过稳压后形成适合使用的电压(Vc21V～28V)输出；如果线圈发出的电是恰好是适合工作的电压，则直接由基础稳压电路供给仪器使用。

所以进一步讲，判断电路602中应设置有一CPU处理器、一电压采集模块，以及三个电源切换通道，包括高压电源切换通道、低压电源切换通道、基本电源切换通道，电压采集模块采集发电机经整流、滤波后输出的电压信息，然后发送给CPU处理器，由CPU处理器判断此电压是高于28V还是低于21V还是处于两者之间，如果是高于28V，则高压电源切换通道打开，高压稳压电路导通；如果是低于21V，则低压电源切换通道打开，低压稳压电路导通；如果是介于21V～28V之间，则基本电源切换通道打开，电压可直接输出。

所以进一步讲，稳压电路603中包含有高压稳压电路604、低压稳压电路605和基本稳压电路606。如图5所示，高、低压稳压电路的结构基本相同，都包括场效应管607、变压器608和稳压二极管609以及稳压电阻610，场效应管的三个极分别接整流滤波电路、判断电路以及由变压器和稳压二极管组成的串联电路，该串联电路接仪器电源总线，经高、低压稳压电路后的电，都可供给仪器使用；基本稳压电路606可以只设置场效应管而不需设置变压器，场效应管的三个极分别接接判断电路、电池组和仪器电源总线，由于经过基本稳压电路606的电是适合仪器工作的电，所以当线圈发电时可以由线圈发出的电直接供给仪器使用，当线圈不发电时可以由电池组供电给仪器使用。

整体来讲，本发明供电系统主要由于变向定子的设置而形成了一套泥浆冲刷可变电输出的供电体系，应对该可变供电体系加上一电压调整电路，使得仪器工作电压得到稳定。该发电系统在井下仪器工作的同时与之同步工作，为仪器即时供电，无需中途停止工作单独提升仪器，即便无泥浆冲冲刷发电，电池组也可供电，保证仪器的正常工作。具体工作时，由打捞头7在前端工作，泥浆受到冲刷，泥浆在流经变向定子1时随变向定子的叶片角度改变方向，从而产生对磁力转子2的冲力，驱动磁力转子2高速旋转，磁力转子2与磁力主轴3间通过磁钢匹配形成磁力耦合器，进而带动磁力主轴3与磁力转子2以相同的速度旋转运动，磁力法兰4安装在磁力主轴3上，可以随磁力主轴3一起转动，这样在磁力法兰3旋转时就形成对线圈组5的切割磁力线运动，从而在线圈组中产生电流，发出三相交流电。线圈组5前端发出的电是三相交流电，通过整流电路变成直流电输出，再经过判断电路的判断，分别予以高压变低压的稳压处理，或低压变高压的稳压处理，变成可供仪器使用的电压，而介于21V和28V之间的电压可直接供仪器使用。

Claims (9)

1.一种无线随钻测斜仪井下仪器供电系统，其特征在于：包括呈轴向布置的变向定子和磁力转子，所述变向定子固定不动，所述磁力转子可旋转，所述磁力转子耦合一磁力主轴，所述磁力主轴上连接一磁力法兰，所述磁力法兰与一线圈组轴向相对但不接触，所述线圈组连接一调整电路，所述调整电路连接仪器电源总线；其中：

所述变向定子和磁力转子的表面环周带有倾斜叶片，且倾斜角度可调；

所述磁力法兰与线圈组之间具有一定的调整间隙；

所述调整电路中包含有判断电路和稳压电路，所述线圈组发出的电经由所述判断电路判断，再经所述稳压电路稳压后输出在仪器适用电压范围内。

2.根据权利要求1所述的无线随钻测斜仪井下仪器供电系统，其特征在于：所述变向定子上的叶片和所述磁力转子上的叶片倾斜方向相反。

3.根据权利要求1或2所述的无线随钻测斜仪井下仪器供电系统，其特征在于：所述变向定子上的叶片相互平行，所述磁力转子上的叶片也相互平行。

4.根据权利要求1或2或3所述的无线随钻测斜仪井下仪器供电系统，其特征在于：所述变向定子上的叶片角度与对应的泥浆排量范围如下：

35～45度定子配合35度转子，适应泥浆排量范围10L/s～22L/s；

25～35度定子配合35度转子，适应泥浆排量范围18L/s～30L/s；

14～25度定子配合35度转子，适应泥浆排量范围25L/s～40L/s；

10度以下定子配合35度转子，适应泥浆排量范围大于38L/s。

5.根据权利要求1所述的无线随钻测斜仪井下仪器供电系统，其特征在于：在所述磁力转子的内圈上和磁力主轴的外圈上对应安装数量相同的磁钢块，磁力转子上的磁钢与磁力主轴上的磁钢一一对应，磁极相反。

6.根据权利要求1所述的无线随钻测斜仪井下仪器供电系统，其特征在于：所述磁力法兰上环周设置一圈磁钢块，相邻磁钢块之间磁极布置方向相反；所述线圈组上设置有至少三组线圈。

7.根据权利要求1或6所述的无线随钻测斜仪井下仪器供电系统，其特征在于：所述磁力法兰与线圈组之间的调整间隙由磁力法兰一侧加装的垫片调整。

8.根据权利要求1所述的无线随钻测斜仪井下仪器供电系统，其特征在于：所述调整电路中还含有整流滤波电路，由所述线圈组发出的交流电先经过整流滤波电路进行整流、滤波变为直流电输出，然后再经由所述判断电路判断电压的高低；

所述判断电路中设置有CPU处理器、电压采集模块以及三个电源切换通道，所述稳压电路中包含有高压稳压电路、低压稳压电路、基本稳压电路；所述判断电路的三个电源切换通道分别连接高压稳压电路、低压稳压电路、基本稳压电路。

9.根据权利要求1所述的无线随钻测斜仪井下仪器供电系统，其特征在于：所述高压稳压电路、低压稳压电路中都包括有场效应管、变压器和稳压二极管。