CN115290284B - 一种高传输速率连续波脉冲发生器实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高传输速率连续波脉冲发生器实验装置及实验方法，所述实验装置包括钻井泵、实验介质循环单元、井深模拟单元、动力组单元、上游紊流发生器、下游紊流发生器、前端节流阀、后端节流阀、脉冲发生器、压力传感器、振动模拟器和计算机单元。所述实验方法通过所述实验装置实现，实验方法包括步骤：向实验介质循环单元中注入实验介质并进行调配，通过钻井泵向实验管线内泵送调配好的实验介质并按梯度增大排量，脉冲发生器发射压力信号，在实验稳定后读取实验数据，改变实验条件多次重复实验并记录实验数据。本发明提供的实验装置能够完整模拟压力信号传输。本发明提供的方法能获取不同实验条件下的压力信号，达到信号高传输速率的目的。

Description

一种高传输速率连续波脉冲发生器实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及模拟井下泥浆连续波信号发生和检测的实验装置技术领域，具体的，涉及一种高传输速率连续波脉冲发生器实验装置及实验方法。

背景技术

随着勘探开发向数字化、智能化进军，各种井下新型测量仪器层出不穷。测量参数从井斜、方位、工具面等几何参数发展到钻压、振动、压力、电阻率等多个工程、地质参数，对传输速率要求越来越高。高传输速率的随钻测量系统将成为研究的必然方向。目前，连续波泥浆脉冲传输系统在应用上已形成了以斯伦贝谢(Schlumberger)和贝克休斯(BakerHughes)为领头羊的国外大型油服公司对该领域产品和技术的垄断格局，他们各自的旋转阀和剪切阀连续波泥浆脉冲传输系统代表了当前国际上的最高水平，但产品服务费高昂，只租不售，并采用严格的技术垄断政策。而国内大多是采用正脉冲泥浆压力波传输的方式，对连续波信号发生和传输的研究还处于初级阶段，对高传输速率脉冲发生器的研究也仅处于理论和样机阶段，并未进行现场应用。

为达到信号高传输速率的目的，对脉冲发生器提出了以下技术要求：一是高转速旋转阀结构设计及高精度控制技术，二是微小信号识别和编解码技术。针对上述技术要求，在井下复杂的工作环境下，仅依靠数值分析很难真实模拟实际工况，因此开展连续波脉冲发生器实验装置及方法研究具有重要的意义。

现有的连续波脉冲发生器多采用风洞实验。申请号为“CN201520848942.5”、名称为“一种连续波脉冲发生器风洞实验装置”的中国专利公开了一种连续波脉冲发生器风洞实验装置。该装置主要包括鼓风机、旁通阀、流量计、法兰、压力传感器阵列、信号发生器转阀、压差传感器、传动装置、扭矩传感器、电机、模拟钻头、实验段外壳体、U型阻风罩。压力传感器阵列、压差传感器、扭矩传感器测量的数据通过数据采集系统与上位机连接。信号发生器转阀包括转子和定子，它与压力传感器阵列、压差传感器、传动装置、扭矩传感器、电机及实验段外壳体构成了信号发生实验段。该装置可以模拟连续波脉冲发生器的设计与控制过程，同时模拟井下钻头反射状况，从而缩短设计和实验周期，节约实验成本。但该装置结构较为简单，采用风作为压力信号实现较为简单，只能在一定程度上模拟压力信号，并不能模拟钻井液紊流等条件。

申请号为“CN201610374245.X”、名称为“一种泥浆脉冲发生器转子测试装置”的中国专利公开了一种泥浆脉冲发生器转子测试装置。该装置主要包括外筒及泥浆循环系统，外筒两端设有上、下密封盖，外筒内部设有密封保护外壳，密封保护外壳通过上、下扶正器固定在外筒内，密封保护外壳外部设有转子，内部设有磁轴，磁轴由大功率电机驱动，磁轴转动，转子与磁轴形成磁力耦合，转子随磁轴一起转动；泥浆循环系统包括泥浆池和循环泵，泥浆池中的泥浆被循环泵经泥浆入口输送至外筒中，再经过泥浆出口回流至泥浆池中。该装置可以实现对转子的筛选，用于转子的生产工艺改进，从而提高水润橡胶轴承转子的耐磨性，解决转子工作过程中的偏磨现象，进而改进泥浆脉冲发生器结构设计，避免不合格产品井上应用产生的生产事故。但该装置仅能对转子进行模拟改进，不能完整模拟压力信号传输，也不能用于模拟高传输速率的连续波脉冲发生器。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目在于提供一种能够完整模拟不同条件下压力信号高速率传输的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置及实验方法。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，所述高传输速率连续波脉冲发生器实验装置主要包括钻井泵、实验介质循环单元、井深模拟单元、动力组单元、上游紊流发生器、下游紊流发生器、前端节流阀、后端节流阀、脉冲发生器、压力传感器、振动模拟器和计算机单元，其中，

实验介质循环单元被配置为供应并循环回收实验介质；钻井泵的进口与所述实验介质循环单元的出口连接，出口与井深模拟单元的入口连接；上游紊流发生器设置在钻井泵的出口管路上并能够模拟流体泵入井下时的流动状态；井深模拟单元的出口与动力组单元的入口连接，井深模拟单元能够等比例模拟不同深度井深；脉冲发生器包括脉冲发生器本体和支撑扶正单元，脉冲发生器本体设置在支撑扶正单元上并能够轴向旋转，脉冲发生器本体中设置有旋转阀能够发射压力信号；动力组单元的出口与脉冲发生器的入口连接，动力组单元能够驱动脉冲发生器本体旋转；振动模拟器设置在脉冲发生器的外壳上用于模拟脉冲发生器在井下所受振动；前端节流阀设置在井深模拟单元与动力组单元之间管路上，后端节流阀设置在脉冲发生器出口管路上；下游紊流发生器设置在脉冲发生器的进口管路上并能够模拟井筒反射及噪声干扰；压力传感器能够测量不同位置实验介质的压力；计算机单元能够采集所述压力传感器测量的压力信号。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述实验介质循环单元可包括蓄水池、水泵、水箱和回流管线，其中，所述水泵的进口与所述蓄水池相连，所述水泵的出口与所述钻井泵的进口相连；所述水箱的进口与所述后端节流阀的出口相连；所述回流管线将水箱的出口与蓄水池的进口相连。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述实验介质循环单元还可包括滤灌，所述滤罐设置在所述蓄水池与钻井泵之间的管路上，所述滤罐能够将蓄水池中的实验介质过滤后再进入钻进泵中。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述压力传感器可包括上段压力传感器、中段压力传感器和下段压力传感器。所述上段压力传感器设置在所述上游紊流发生器与井深模拟单元之间，所述中段压力传感器设置在所述井深模拟单元与前端节流阀之间，所述下段压力传感器设置在所述动力组单元与所述下游紊流发生器之间。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述实验装置还可包括移动台架，所述脉冲发生器和动力组单元均设置在所述移动台架上。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述实验装置还可包括液压泵站，所述液压泵站与所述动力组单元连接为动力组单元提供动力源。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述井深模拟单元可包括上游三通阀、下游三通阀、直通管线和实验长管线，其中，

所述上游三通阀和下游三通阀的一个直通端分别与直通管线的两端连接，上游三通阀的另一个直通端和钻井泵的出口管线连接，下游三通阀的另一个直通端和前端节流阀的入口管线连接；

所述实验长管线入口与上游三通阀的旁通端连接，出口与下游三通阀的旁通端连接，所述实验长管线的长度能够调节。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述支撑扶正单元可包括滚轮、支撑扶正架、调整弹簧、环形安装筒和侧面支撑架，其中，

所述侧面支撑架对称设置在所述支撑扶正架的两侧，侧面支撑架呈阶梯状；

所述滚轮对称设置在所述侧面支撑架下方内侧，滚轮上还设置有刹车；

所述支撑扶正架设置在所述侧面支撑架的阶梯中，支撑扶正架相对于中心轴对称设置有多个通槽；

所述环形安装筒设置在所述支撑扶正架中部以支撑扶正脉冲发生器；

所述调整弹簧设置在所述支撑扶正架中部且位于所述环形安装筒下方。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述前端节流阀内可设置有芯片，能够数字化精确调控其入口端的压力；

所述后端节流阀能够憋压，对井筒出口端限流进行压力调控，同时能够模拟井底、钻头等位置处的压力信号反射。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述动力组单元可包括钻杆安装件、动力水龙头组件、上部安装支架、下部安装支架和进水端管线安装件。其中，

所述钻杆安装件呈阶梯状，其表面带有锥螺纹，其左端能够安装不同尺寸管线，其右端通过法兰与所述动力水龙头组件连接，其内部呈中空以输送实验介质；

所述动力水龙头组件设置在所述上部安装支架上，其右端与所述进水端管线安装件连接，所述进水端管线安装件用以连接进水端管线；

所述下部安装支架上部通过螺栓与所述上部安装支架连接，其下部设置有滚轮。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述动力组单元还可包括链轮单元、电机减速单元、电机单元、链条、前端链条固定件、链条调整轴、后端链条固定件和下部安装支架附耳，其中，

所述链轮单元上端通过链轮链条与所述下部安装支架连接，其右端连接所述电机减速单元；

所述电机减速单元与所述电机单元连接，所述电机单元为所述动力组单元移动提供动力；

所述前端链条固定件呈圆筒状，其左端通过螺栓与所述链条连接，其右端通过所述链条调整轴与所述后端链条固定件连接，所述链条调整轴两端通过螺纹螺母连接且能够调整长度；

所述后端链条固定件的右端通过螺栓与所述下部安装支架附耳连接，所述下部安装支架附耳与所述下部安装支架连接。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述压力传感器可为高精度压力传感器；

所述上段压力传感器用于实时监测施加干扰后的压力波动状态；

所述中段压力传感器用于实时监测增加管线后压力波动状态；

所述下段压力传感器用于实时监测在各种干扰影响下所述脉冲发生器发射的压力信号。

根据本发明一方面的一个示例性实施例，所述计算机单元可包括USB数据传输接口、无线传输单元、信号处理软件和解码软件，其中，

所述USB数据传输接口通过传感器连接线连接采集卡采集所述压力传感器的信号；

所述无线传输单元能够传输采集的信号；

所述信号处理软件能够对噪声进行处理分析并得到有用的压力信号；

所述解码软件能够对压力信号进行解码处理并以数值或图像形式储存信号。

本发明的另一方面提供了一种高传输速率连续波脉冲发生器实验方法，所述方法通过所述高传输速率连续波脉冲发生器实验装置来实现，且所述方法主要包括步骤：

对脉冲发生器的旋转阀进行空转测试；

控制动力组单元为脉冲发生器提供动力；

向实验介质循环单元中注入实验介质并进行调配；

通过钻井泵向实验管线内泵送调配好的实验介质，并按梯度增大排量，最后令其排量稳定；

脉冲发生器发射压力信号；

实验介质在实验介质循环单元循环；

在实验稳定后读取实验数据，记录计算机单元、电源及压力传感器的数值；

改变实验条件，多次重复实验，记录实验数据。

根据本发明另一方面的一个示例性实施例，所述改变实验条件可包括开启紊流发生器、调整实验介质粘度、开启振动模拟器、调整节流阀或改变井深模拟单元的模拟长度中一种或多种。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中至少一项：

(1)本发明提供的实验装置配有紊流发生器，能够模拟井下流体的流动状态；

(2)本发明提供的实验装置配有高精度压力传感器，能够更准确调控实验条件并接收压力信号；

(3)本发明提供的实验装置配有动力组单元，能够提供脉冲发生器旋转的动力。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置的俯视图；

图2示出了图1中支撑扶正单元沿A-A方向的剖视示意图；

图3示出了根据本发明一个示例性实施例的动力组单元的结构示意图；

图4示出了图3中的B部分的结构示意图。

附图标记：

1-钻井泵；

2-实验介质循环单元，201-蓄水池，202-水泵，203-水箱，204-回流管线，205-滤灌，2051-三通，2052-截止阀；

3-井深模拟单元，301-上游三通阀，302-下游三通阀，303-直通管线，304-实验长管线；

4-动力组单元，401-钻杆安装件，402-动力水龙头组件，403-上部安装支架，404-下部安装支架，405-进水端管线安装件，406-链轮单元，407-电机减速单元，408-电机单元，409-链条，410-前端链条固定件，411-链条调整轴，412-后端链条固定件，413-下部安装支架附耳；

5-上游紊流发生器；

6-下游紊流发生器；

7-前端节流阀；

8-后端节流阀；

9-脉冲发生器，901-脉冲发生器本体，902-支撑扶正单元，9021-滚轮，9022-支撑扶正架，9023-调整弹簧，9024-环形安装筒，9025-侧面支撑架；

10-压力传感器，1001-上段压力传感器，1002-中段压力传感器，1003-下段压力传感器；

11-振动模拟器；

12-计算机单元；

13-传感器连接线；

14-移动台架；

15-液压泵站；

16-转换接头；

17-安全阀；

18-砂泵；

19-供电房。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的一种高传输速率连续波脉冲发生器实验装置及实验方法。

需要说明的是，“第一”、“第二”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”、“前”、“后”、“中”仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置的俯视图；图2示出了图1中支撑扶正单元沿A-A方向的剖视示意图；图3示出了根据本发明一个示例性实施例的动力组单元的结构示意图；图4示出了图3中的B部分的结构示意图。

在本发明的第一示例性实施例中，如图1中所示，高传输速率连续波脉冲发生器实验装置主要包括钻井泵1、实验介质循环单元2、井深模拟单元3、动力组单元4、上游紊流发生器5、下游紊流发生器6、前端节流阀7、后端节流阀8、脉冲发生器9、压力传感器10、振动模拟器11和计算机单元12。其中，实验介质循环单元为整个实验装置供应实验介质，实验介质经过整个实验装置模拟井下液体流动，实验介质循环单元能够循环利用实验介质，提高介质利用率。

在本实施例中，钻井泵能够向井深模拟单元输送实验介质，为实验介质在实验介质循环单元中的循环提供动力。如图1中所示，钻井泵1的进口与实验介质循环单元2的出口连接，钻井泵1的出口与井深模拟单元3的入口连接。在工作时，钻井泵将动力端传来的机械能转换为实验介质的液体能输出对外做功，完成实验介质的吸入与排出。例如，钻井泵可以是三缸钻井泵，其最大排量为46.54L/s，最大压力为35MPa。

进一步地，如图1中所示，实验装置还可包括电源，电源可以为供电房19。供电房修建在实验装置的安装场地中间，能够为钻井泵及实验装置中其他用电设备供电。

在本实施例中，如图1中所示，上游紊流发生器5设置在钻井泵1的出口管路上且距离钻井泵的出口端1～3m。上游紊流发生器能够模拟和调控流体泵入井下时的流动状态。上游紊流发生器是特制的带有芯片的紊流发生器，通过芯片对实验介质流体施加精确控制的干扰，可以将层流转变为紊流，能够模拟井下实际工况。

在本实施例中，如图1中所示，井深模拟单元3的出口与动力组单元4的入口连接。井深模拟单元能够通过改变实验介质通过的管线长度改变流动阻力从而等比例模拟不同深度井深。

在本实施例中，如图1中所示，脉冲发生器9包括脉冲发生器本体901和支撑扶正单元902。支撑扶正单元设置有两组，用于支撑和扶正脉冲发生器。脉冲发生器本体两端与支撑扶正单元适配且在原支撑扶正单元的基础上可更换不同型号的脉冲发生器本体。脉冲发生器本体能够在支撑扶正单元上轴向旋转。脉冲发生器本体中设置有旋转阀，脉冲发生器能够通过旋转阀发射压力信号。

进一步地，脉冲发生器的供电可由脉冲发生器本体自带的电池进行供电。由于脉冲发生器运动需要较大电量，因此电池数量可设置多组，也可通过供电房对脉冲发生器进行供电。

在本实施例中，如图1中所示，动力组单元4的出口与脉冲发生器9的入口连接。动力组单元能够为脉冲发生器本体提供移动和旋转的动力。动力组单元可带动脉冲发生器旋转，模拟井底钻杆旋转实际工况。

在本实施例中，如图1中所示，振动模拟器11设置在脉冲发生器9的外壳上。振动模拟器带有芯片，通过控制芯片可以对脉冲发生器施加数字化干扰，用于模拟脉冲发生器在井下受振动的状态。

在本实施例中，如图1中所示，前端节流阀7设置在井深模拟单元3与动力组单元4之间的管路上且距离动力组单元入口端1～3m。后端节流阀8设置在脉冲发生器9出口管路上。节流阀能够通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量。

在本实施例中，如图1中所示，下游紊流发生器6设置在脉冲发生器9的进口管路上且距离脉冲发生器入口端1～3m。下游紊流发生器是特制的带有芯片的紊流发生器，通过芯片能够更精确模拟井筒内反射和噪声对压力信号的干扰。

在本实施例中，如图1中所示，压力传感器10能够测量不同位置实验介质的压力。这里，不同位置实验介质的压力包括：受干扰后的压力、特定井深处的压力和在干扰影响下脉冲发生器发射的压力信号。

在本实施例中，如图1中所示，计算机单元12通过传感器连接线13连接压力传感器10。计算机单元能够采集压力传感器测量的压力信号并进行解码处理。

在本示例性实施例中，如图1中所示，实验介质循环单元2可包括蓄水池201、水泵202、水箱203和回流管线204。其中，蓄水池201可供应实验介质，蓄水池201通过回流管线204与水箱203连接，蓄水池201中设置有水泵202，水泵202的出口与钻井泵1的进口相连，水泵用于从蓄水池中抽取实验介质。水箱203的进口与后端节流阀8的出口连接且距离后端节流阀出口端3～5m。这里，水箱可呈露天式，容积为管线长度容积的两倍以上。水箱用于暂时存储实验介质，还可用于泄压排气、分离及存储实验介质等。回流管线采用普通管线，能够使实验介质回流到蓄水池中。

进一步地，实验装置还可包括砂泵。如图1中所示，砂泵18安装在水箱203出口端处，用于泵送实验介质。暂时存储在水箱中的实验介质通过砂泵回收，经回流管线204回到蓄水池201。这里，实验介质可为水、不同密度钻井液或含砂流体等。

在本示例性实施例中，如图1中所示，实验介质循环单元2还可包括滤灌205。滤罐205设置在连接蓄水池201与钻井泵1之间的管路上，该管路上设置有三通2051，滤罐205的入口与三通2051的旁通端连接。滤罐205与三通2051和钻井泵1间的管路之间设置有一段短管线，该管线上设置有截止阀2052，滤罐205的出口与截止阀2052的入口连接。滤罐能够过滤并存储液体，同时提供重力势能，其容积为管线长度容积的两倍以上。三通能够调控液体流向，控制液体流向滤罐或者直接流向钻井泵。截止阀能够控制滤罐开关液体。这里，滤罐过滤液体后可采用增加其他物质提高粘度等方法自主调配所需的实验介质。

在本示例性实施例中，如图1中所示，实验装置还可包括移动台架14。动力组单元4安装在移动台架14上，脉冲发生器9也设置在移动台架14上。设置移动台架可便于安装非标准长度的脉冲发生器和动力组单元，使实验装置更具适配性。

在本示例性实施例中，如图1中所示，实验装置还可包括液压泵站15。液压泵站15安装在计算机单元12旁边，与动力组单元4连接。液压泵站能够为动力组单元提供一定动力源，能够控制动力组单元。

在本示例性实施例中，如图1中所示，井深模拟单元3可包括上游三通阀301、下游三通阀302、直通管线303和实验长管线304。实验长管线304入口与上游三通阀301连接，实验长管线304出口与下游三通阀302连接。上游三通阀301设置在直通管线303左端，下游三通阀302设置在直通管线303右端，二者间隔3～5m。上游三通阀和下游三通阀用于改变液体流向。上游三通阀301和下游三通阀302中间安装的实验长管线304用于增加不同实验管线长度以等比例模拟不同井深。例如，实验长管线增加至10m以模拟1000m井深，实验长管线增加至20m以模拟2000m井深。实验长管线能够用于研究不同井深条件下脉冲发生器的信号传输速率，其耐压为15MPa。

在本示例性实施例中，如图1中所示，压力传感器10可包括上段压力传感器1001、中段压力传感器1002和下段压力传感器1003。上段压力传感器1001设置在上游紊流发生器5与井深模拟单元3之间且距离上游紊流发生器出口端0～1m，中段压力传感器1002设置在井深模拟单元3与前端节流阀7之间且距离下游三通阀302出口端0～1m，下段压力传感器1003设置在动力组单元4与下游紊流发生器6之间且距离动力组单元4出口端0～1m。上段压力传感器用于实时监测施加干扰后的压力波动状态，中段压力传感器用于实时监测增加管线后的压力波动状态，下段压力传感器用于实时监测在各种干扰影响下脉冲发生器发射的压力信号。

进一步地，上段压力传感器、中段压力传感器和下段压力传感器均可为高精度压力传感器，能够采集更微小的压力信号，能达到高传输速率脉冲发生器信号采集要求。

在本示例性实施例中，如图2中所示，支撑扶正单元902可包括滚轮9021、支撑扶正架9022、调整弹簧9023、环形安装筒9024和侧面支撑架9025。侧面支撑架9025对称设置在支撑扶正架9022的两侧，侧面支撑架呈阶梯状。滚轮9021对称设置在侧面支撑架9025下方内侧，与移动台架14配合。例如，可设置四个滚轮对称安装在侧面支撑架下方内侧，左侧和右侧均安装两个滚轮。滚轮上还设置有刹车，可将滚轮与移动台架固定，使脉冲发生器固定在移动台架上。因此，支撑扶正单元能够带动脉冲发生器本体在移动台架上移动，也可以固定在移动台架上。支撑扶正架9022固定设置在侧面支撑架9025的阶梯中，支撑扶正架相对于中心轴对称设置有多个通槽。这里，支撑扶正架可由两组工字钢拼接而成，上部由铁板焊接连接。环形安装筒9024呈圆筒状，与支撑扶正架9022固定连接，设置在支撑扶正架中部。此外，环形安装筒采用弹性耐磨材料(例如聚氨酯)制成，能够支撑扶正不同尺寸大小的脉冲发生器。调整弹簧9023设置在支撑扶正架9022中部且位于环形安装筒9024下方，用于缓冲减振。这里，调整弹簧可设置两组，每组四个。

在本示例性实施例中，前端节流阀内可设置有芯片，具备数字调控功能，能够根据实验所需，数字化精确调控实验介质在节流阀入口端的压力。后端节流阀能够进行憋压，对井筒出口端限流从而进行压力调控，进而满足实验压力要求。同时，后端节流阀还能够模拟井底、钻头等位置处的压力信号反射。

进一步地，如图1中所示，实验装置还可包括安全阀17。安全阀17安装在后端节流阀8与脉冲发生器9之间管路上且距离后端节流阀8入口端0～1m、距离脉冲发生器9出口端3～5m。安全阀能有效保证管线安全，在压力达到15MPa时自动开启泄压，保护设备。

进一步地，实验装置还可包括转换接头，用于连接动力组单元、脉冲发生器和管线。如图1中所示，转换接头16可设置有两组，一组位于下段压力传感器1003与下游紊流发生器6之间，另一组位于脉冲发生器9与安全阀17之间。转换接头可定制不同尺寸，用于方便拆卸以及在不更换两端管线前提下适配不同型号的脉冲发生器。

在本示例性实施例中，如图3中所示，动力组单元4可包括钻杆安装件401、动力水龙头组件402、上部安装支架403、下部安装支架404和进水端管线安装件405。钻杆安装件呈阶梯状，其左端表面带有锥螺纹(例如三层锥螺纹)，通过锥螺纹能够安装不同尺寸管线。钻杆安装件401右端通过法兰与动力水龙头组件402连接。钻杆安装件内部为中空腔室，用于输送实验介质。钻杆安装件可根据实验需要进行定制、更换。动力水龙头组件402设置在上部安装支架403上，为脉冲发生器旋转提供动力。动力水龙头组件402右端与进水端管线安装件405连接用以连接进水端管线。实验介质从动力组单元右端的进水端管线流入动力组单元，流经钻杆安装件内部的中空腔室，再到钻杆安装件左端的管线流出动力组单元。下部安装支架404呈T型，下部安装支架404的上部通过螺栓与上部安装支架403连接，下部安装支架404的下部设置有滚轮。动力组单元通过滚轮与移动台架配合，动力组单元可以在移动台架上移动。这里，滚轮可设置两组。

在本示例性实施例中，动力组单元还可包括链轮单元、电机减速单元、电机单元、链条、前端链条固定件、链条调整轴、后端链条固定件和下部安装支架附耳。其中，链轮单元安装在移动台架起始端。如图3中所示，链轮单元406上端通过链轮链条与下部安装支架404连接，其右端连接电机减速单元407，电机减速单元与电机单元408连接。电机单元能为动力组单元在移动台架上的移动提供动力。如图4中所示，前端链条固定件410呈圆筒状，其左端加工附耳通过螺栓与链条409连接，其右端通过链条调整轴411与后端链条固定件412连接。链条调整轴两端通过螺纹螺母连接，通过旋转螺母可调整链条调整轴的长度，便于安装链条。后端链条固定件412的右端通过螺栓与下部安装支架附耳413连接，下部安装支架附耳与下部安装支架连接。动力组单元可通过链轮链条带动在移动台架上进行前后移动，便于安装不同尺寸的脉冲发生器及各种干扰检测设备进行实验。

在本示例性实施例中，计算机单元可包括USB数据传输接口、无线传输单元、信号处理软件和解码软件。其中，USB数据传输接口通过传感器连接线连接压力传感器采集卡采集压力传感器的信号。无线传输单元能有效传输采集的压力信号。信号处理软件能对噪声进行处理分析并得到有用的压力信号。解码软件能够对压力信号进行解码处理，再通过数值或图像形式储存信号。这里，计算机单元内存大小至少为4GB，硬盘内存大于500GB。

高传输速率连续波脉冲发生器实验装置除了能够实现多种实验介质模拟、能对高传输速率的不同尺寸型号连续波脉冲发生器进行实验之外，使用高传输速率连续波脉冲发生器实验装置还可以开展以下研究：(1)脉冲发生器功能性研究；(2)高传输速率脉冲发生器中转阀尺寸、形状、转定子轴向间距等对压力信号影响；(3)最佳传输信号频率研究；(4)最佳编解码方式研究；(5)等比例模拟不同井深条件信号传输速率研究；(6)不同实验介质条件下信号传输对比分析。

本发明的第二示例性实施例提供了一种高传输速率连续波脉冲发生器实验方法，所述实验方法可通过上述第一示例性实施例所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置来实现，所述实验方法包括以下步骤：

对脉冲发生器的旋转阀进行空转测试。

脉冲发生器内部控制系统按实验方案的转速要求控制动力组单元的电机旋转为脉冲发生器提供动力。

向实验介质循环单元中注入实验介质并按实验要求进行调配。

通过钻井泵向实验管线内泵送调配好的实验介质，并按梯度增大排量，最后令其排量稳定。例如按照5L/s、15L/s、25L/s、35L/s、45L/s的顺序逐渐增大排量，最后令排量稳定在45L/s。

实验介质流经脉冲发生器，脉冲发生器旋转阀发射压力信号。

实验介质在实验介质循环单元循环。

在实验稳定后读取实验数据，记录计算机单元、电源及压力传感器的数值。

改变实验条件，多次重复实验，记录实验数据。这里，改变试验条件包括开启紊流发生器、在滤罐中调整实验介质粘度、开启振动模拟器、调整节流阀或改变井深模拟单元的模拟长度中一种或多种同时改变。

在本示例性实施例中，实验方法还可包括：停泵、清洗管线、回收水箱中的实验介质。

具体来讲，在试验场地中安装好实验装置中所有设备后，首先对脉冲发生器的旋转阀进行空转测试。空转测试是为查看旋转阀是否运转正常，温度是否过高，有无异味。测试的目的评估空载电流和空载损耗，与标准值比较，以此判断有无电路和机械故障。通过供电房对所有设备供电。向蓄水池中注入实验介质，实验介质经水泵流向三通，若无需调配实验介质，则控制三通流向、关闭截止阀使实验介质直接流向钻井泵；若需调配实验介质，则控制三通流向、关闭截止阀使实验介质流入滤罐，在滤罐中调配实验介质(例如改变实验介质粘度等)，之后再打开截止阀使调配好的实验介质流向钻井泵。通过钻井泵向管线内泵送实验介质，并按5L/s、15L/s、25L/s、35L/s、45L/s的顺序逐渐增大排量，最后令其稳定在45L/s。实验介质流出钻井泵流向上游紊流发生器，开启上游紊流发生器，可模拟流体泵入井下时的流动状态，层流变紊流。实验介质再流向上段压力传感器，开启上段压力传感器可实时监测施加干扰后的介质流体的压力波动状态。实验介质进入井深模拟单元，通过控制上游三通阀和下游三通阀流向，可以使实验介质流向直通管线，也可以使实验介质流向实验长管线。当需要模拟不同井深条件时，使实验介质流向实验长管线，通过增减实验长管线长度等比例模拟不同井深条件下流体状态。实验介质通过下游三通阀流出井深模拟单元经中段压力传感器流向前端节流阀，中段压力传感器可实时监测不同井深条件下流体的压力波动状态，开启前端节流阀调控实验介质入口压力。实验介质再从前端节流阀流向动力组单元。液压泵站和脉冲发生器内部控制系统可以按实验方案的转速要求控制动力组单元的电机旋转为脉冲发生器提供动力。液压泵站还能够为动力组单元提供一定动力。实验介质从动力组单元右端的进水端管线流入动力组单元，经钻杆安装件内部中空腔室从钻杆安装件左端的管线流出动力组单元。实验介质流出动力组单元后依次经过下段压力传感器、转换接头和下游紊流发生器流向脉冲发生器，脉冲发生器通过旋转阀发射压力信号。开启振动模拟器可以对脉冲发生器施加干扰，模拟脉冲发生器在井下受振动状态。下游紊流发生器能够模拟井筒内反射和噪声对压力信号的干扰。同时，下段压力传感器可实时监测在干扰影响下脉冲发生器发射的压力信号。实验介质流出脉冲发生器后依次经过转换接头、安全阀和后端节流阀流向水箱。当压力达到15MPa时，安全阀会自动开启泄压，保护管线安全。控制后端节流阀根据实验压力要求进行压力调控，同时模拟压力信号反射。实验介质可以在水箱中暂时储存，进行泄压排气、分离及存储实验介质等处理。实验介质流出水箱经砂泵泵送通过回流管线流回蓄水池。待实验稳定后，读取计算机单元、电源及压力传感器的数值，记录实验数据。然后进行停泵、清洗管线、回收实验介质处理，完成一次实验。利用同样的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，可以改变实验条件，进行多次实验，记录实验数据。改变实验条件的方法包括：调配不同的实验介质、调整振动模拟器频率、调整节流阀或改变井深模拟单元的实验长管线长度等。

综上所述，本发明提出的优点包括以下内容中至少一点：

(1)本发明提供的实验装置配备有高精度压力传感器，能够完整模拟压力信号传输；

(2)本发明提供的实验装置配备有滤罐，能够调配实验介质实现多种实验介质模拟；

(3)本发明提供的实验装置配备有支撑扶正单元，能够装配不同尺寸型号的高传输速率的连续波脉冲发生器进行实验；

(4)本发明提供的实验装置配有移动台架，便于安装非标准长度的脉冲发生器和紊流发生器等组件，实验装置更具适配性。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明的一种高传输速率连续波脉冲发生器实验装置及实验方法，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (14)

1.一种高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述高传输速率连续波脉冲发生器实验装置包括钻井泵、实验介质循环单元、井深模拟单元、动力组单元、上游紊流发生器、下游紊流发生器、前端节流阀、后端节流阀、脉冲发生器、压力传感器、振动模拟器和计算机单元，其中，

实验介质循环单元被配置为供应并循环回收实验介质；钻井泵的进口与实验介质循环单元的出口连接，出口与井深模拟单元的入口连接；上游紊流发生器设置在钻井泵的出口管路上并能够模拟流体泵入井下时的流动状态；井深模拟单元的出口与动力组单元的入口连接，井深模拟单元能够等比例模拟不同深度井深；脉冲发生器包括脉冲发生器本体和支撑扶正单元，脉冲发生器本体设置在支撑扶正单元上并能够轴向旋转，脉冲发生器本体中设置有旋转阀能够发射压力信号；动力组单元的出口与脉冲发生器的入口连接，动力组单元能够驱动脉冲发生器本体旋转；振动模拟器设置在脉冲发生器的外壳上用于模拟脉冲发生器在井下所受振动；前端节流阀设置在井深模拟单元与动力组单元之间管路上，后端节流阀设置在脉冲发生器出口管路上；下游紊流发生器设置在脉冲发生器的进口管路上并能够模拟井筒反射及噪声干扰；压力传感器能够测量不同位置实验介质的压力；所述压力传感器包括上段压力传感器、中段压力传感器和下段压力传感器，所述上段压力传感器设置在所述上游紊流发生器与井深模拟单元之间，所述中段压力传感器设置在所述井深模拟单元与前端节流阀之间，所述下段压力传感器设置在所述动力组单元与所述下游紊流发生器之间；计算机单元能够采集所述压力传感器测量的压力信号。

2.根据权利要求1所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述实验介质循环单元包括蓄水池、水泵、水箱和回流管线，其中，所述水泵的进口与所述蓄水池相连，所述水泵的出口与所述钻井泵的进口相连；所述水箱的进口与所述后端节流阀的出口相连；所述回流管线将水箱的出口与蓄水池的进口相连。

3.根据权利要求2所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述实验介质循环单元还包括滤罐，所述滤罐设置在所述蓄水池与钻井泵之间的管路上，所述滤罐能够将蓄水池中的实验介质过滤后再进入钻进泵中。

4.根据权利要求1所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括移动台架，所述脉冲发生器和动力组单元均设置在所述移动台架上。

5.根据权利要求1所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括液压泵站，所述液压泵站与所述动力组单元连接为动力组单元提供动力源。

6.根据权利要求1所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述井深模拟单元包括上游三通阀、下游三通阀、直通管线和实验长管线，其中，

所述上游三通阀和下游三通阀的一个直通端分别与直通管线的两端连接，上游三通阀的另一个直通端和钻井泵的出口管线连接，下游三通阀的另一个直通端和前端节流阀的入口管线连接；

所述实验长管线入口与上游三通阀的旁通端连接，出口与下游三通阀的旁通端连接，所述实验长管线的长度能够调节。

7.根据权利要求1所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述支撑扶正单元包括滚轮、支撑扶正架、调整弹簧、环形安装筒和侧面支撑架，其中，

所述侧面支撑架对称设置在所述支撑扶正架的两侧，侧面支撑架呈阶梯状；

所述滚轮对称设置在所述侧面支撑架下方内侧，滚轮上还设置有刹车；

所述支撑扶正架设置在所述侧面支撑架的阶梯中，支撑扶正架相对于中心轴对称设置有多个通槽；

所述环形安装筒设置在所述支撑扶正架中部以支撑扶正脉冲发生器；

所述调整弹簧设置在所述支撑扶正架中部且位于所述环形安装筒下方。

8.根据权利要求1所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述前端节流阀内设置有芯片，能够数字化精确调控其入口端的压力；

所述后端节流阀能够憋压，对井筒出口端限流进行压力调控，同时能够模拟井底、钻头处的压力信号反射。

9.根据权利要求1所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述动力组单元包括钻杆安装件、动力水龙头组件、上部安装支架、下部安装支架和进水端管线安装件，其中，

所述钻杆安装件呈阶梯状，其表面带有锥螺纹，其左端能够安装不同尺寸管线，其右端通过法兰与所述动力水龙头组件连接，其内部呈中空以输送实验介质；

所述动力水龙头组件设置在所述上部安装支架上，其右端与所述进水端管线安装件连接，所述进水端管线安装件用以连接进水端管线；

所述下部安装支架上部通过螺栓与所述上部安装支架连接，其下部设置有滚轮。

10.根据权利要求9所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述动力组单元还包括链轮单元、电机减速单元、电机单元、链条、前端链条固定件、链条调整轴、后端链条固定件和下部安装支架附耳，其中，

所述链轮单元上端通过链轮链条与所述下部安装支架连接，其右端连接所述电机减速单元；

所述电机减速单元与所述电机单元连接，所述电机单元为所述动力组单元移动提供动力；

所述前端链条固定件呈圆筒状，其左端通过螺栓与所述链条连接，其右端通过所述链条调整轴与所述后端链条固定件连接，所述链条调整轴两端通过螺纹螺母连接且能够调整长度；

所述后端链条固定件的右端通过螺栓与所述下部安装支架附耳连接，所述下部安装支架附耳与所述下部安装支架连接。

11.根据权利要求1所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述压力传感器为高精度压力传感器，所述上段压力传感器用于实时监测施加干扰后的压力波动状态；

所述中段压力传感器用于实时监测增加管线后压力波动状态；

所述下段压力传感器用于实时监测在各种干扰影响下所述脉冲发生器发射的压力信号。

12.根据权利要求1所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验装置，其特征在于，所述计算机单元包括USB数据传输接口、无线传输单元、信号处理软件和解码软件，其中，

所述USB数据传输接口通过传感器连接线连接采集卡采集所述压力传感器的信号；

所述无线传输单元能够传输采集的信号；

所述信号处理软件能够对噪声进行处理分析并得到有用的压力信号；

所述解码软件能够对压力信号进行解码处理并以数值或图像形式储存信号。

13.一种高传输速率连续波脉冲发生器实验方法，其特征在于，所述方法通过如权利要求1~12中任意一项所述高传输速率连续波脉冲发生器实验装置来实现，且所述方法包括步骤：

对脉冲发生器的旋转阀进行空转测试；

控制动力组单元为脉冲发生器提供动力；

向实验介质循环单元中注入实验介质并进行调配；

通过钻井泵向实验管线内泵送调配好的实验介质，并按梯度增大排量，最后令其排量稳定；

脉冲发生器发射压力信号；

实验介质在实验介质循环单元循环；

在实验稳定后读取实验数据，记录计算机单元、电源及压力传感器的数值；

改变实验条件，多次重复实验，记录实验数据。

14.根据权利要求13所述的高传输速率连续波脉冲发生器实验方法，其特征在于，所述改变实验条件包括开启紊流发生器、调整实验介质粘度、开启振动模拟器、调整节流阀或改变井深模拟单元的模拟长度中一种或多种。