CN201254984Y - 一种井下旋转设备及其转速测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种井下旋转设备及其转速测量装置，该井下旋转设备包括进行同轴的相对转动的第一轴及第一轴套，该转速测量装置包括：安装于第一轴上的永磁性第二轴，该第二轴上非轴线的位置设置有一个或多个空腔或凹槽；第二轴套，安装于所述第一轴套上并位于所述第二轴的外部，该第二轴套内侧设置有一开口的电路仓体；磁敏传感器，设置于所述第二轴套的电路仓体中，用于感应所述第二轴和第二轴套相对转动时磁场的变化，并产生脉冲信号；以及转速计算单元，设置于所述第二轴套的电路仓体中并连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号进行计数，并根据计数结果计算所述旋转设备的转速。

Description

一种井下旋转设备及其转速测量装置

技术领域

本实用新型涉及石油和地质勘探钻井作业中的井下旋转设备，特别是涉及一种井下旋转设备及其转速、转向测量装置。

背景技术

目前国内没有井下马达转速实时测量装置，国外也没有类似装置的专利及有关文献的报道。在地面上进行马达转速测量是一种很成熟的技术，例如可以通过光学式、磁式、感应式或电容式的编码器，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。也可以使用传统的转速表(离心式转速表、磁性转速表、电动转速表、磁电转速表、闪光测速仪等)或单独的传感器(磁电传感器、磁敏传感器、霍尔传感器、光电传感器等)进行马达转速的测量。

由于井下仪器安装空间小，而且环境恶劣，存在高温、高压、强震动、腐蚀性和强冲蚀等问题，地面上现有的转速表和传感器无法直接在井下使用，加之以前没有对于井下马达转向转速的迫切需要，所以到目前为止还没有能够进行井下马达转速测量的装置出现。同时，对井下马达旋转方向(转向)的测量也是目前还没有解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于提供一种井下旋转设备，该设备能够对转速实现实时测量。

本实用新型的另一目的在于提供一种井下旋转设备的转速测量装置，以通过该测量装置实时测量井下旋转设备的转速。

为了实现上述目的，本实用新型一实施例提供一种井下旋转设备，该设备包括：轴及轴套，该轴与轴套进行同轴的相对转动；所述轴上非轴线的位置设置有一个或多个空腔或凹槽，其中所述多个空腔或凹槽处于与所述轴线垂直的同一个平面上；所述轴套内侧设置有一开口的电路仓体；所述电路仓体中靠近所述轴线的位置设置有磁敏传感器，该磁敏传感器用于感应所述轴和轴套相对转动时磁场的变化，并产生脉冲信号；以及所述轴套的电路仓体中还设置有转速计算单元，该转速计算单元连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号进行计数，并根据计数结果计算所述旋转设备的转速。

本实用新型另一实施例提供一种井下旋转设备，该设备包括：轴及轴套，该轴与轴套进行同轴的相对转动；所述轴上非轴线的位置嵌入有一个或多个永磁体块，其中所述多个永磁体块处于与所述轴线垂直的同一个平面上；所述轴套内侧设置有一开口的电路仓体；所述电路仓体中靠近所述轴线的位置设置有磁敏传感器，该磁敏传感器用于感应所述轴和轴套相对转动时磁场的变化，并产生脉冲信号；以及所述轴套的电路仓体中还设置有转速计算单元，该转速计算单元连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号进行计数，并根据计数结果计算所述旋转设备的转速。

本实用新型另一实施例提供一种井下旋转设备的转速测量装置，该井下旋转设备包括第一轴及第一轴套，该第一轴与第一轴套进行同轴的相对转动，该转速测量装置包括：

永磁性第二轴，安装于所述第一轴上，该永磁性第二轴上非轴线的位置设置有一个或多个空腔或凹槽，其中所述多个空腔或凹槽处于与所述轴线垂直的同一个平面上；

第二轴套，安装于所述第一轴套上并位于所述第二轴的外部，该第二轴套内侧设置有一开口的电路仓体；

磁敏传感器，设置于所述第二轴套的电路仓体中靠近所述轴线的位置，用于感应所述第二轴和第二轴套随所述第一轴和第一轴相对转动时磁场的变化，并产生脉冲信号；以及

转速计算单元，设置于所述第二轴套的电路仓体中并连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号进行计数，并根据计数结果计算所述旋转设备的转速。

本实用新型另一实施例提供一种井下旋转设备的转速测量装置，该井下旋转设备包括第一轴及第一轴套，该第一轴与第一轴套进行同轴的相对转动，该转速测量装置包括：

第二轴，安装于所述第一轴上，该第二轴上非轴线的位置嵌入有一个或多个永磁体块，其中所述多个永磁体块处于与所述轴线垂直的同一个平面上；

第二轴套，安装于所述第一轴套上并位于所述第二轴的外部，该第二轴套内侧设置有一开口的电路仓体；

磁敏传感器，设置于所述第二轴套的电路仓体中靠近所述轴线的位置，用于感应所述第二轴和第二轴套随所述第一轴和第一轴相对转动时磁场的变化，并产生脉冲信号；以及

转速计算单元，设置于所述第二轴套的电路仓体中并连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号进行计数，并根据计数结果计算所述旋转设备的转速。

本实用新型实施例中，所述每一空腔或凹槽相对于经过所述轴线的面可设置为非对称形状。或者，所述每一永磁体块相对于经过所述轴线的面可设置为非对称形状。这样，所述电路仓体中可设置转向识别单元，该转向识别单元连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号的形状判断所述旋转设备中第一轴或第一轴套的旋转方向。

本实用新型可以实时的测量井下旋转设备(如井下马达、旋转导向等)的旋转速度。进一步的，通过识别磁敏传感器产生的脉冲信号的形状，可以检测出旋转的方向。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例的井下马达测量装置的轴向剖面原理图；

图2为图1所示的井下马达测量装置的沿垂直于轴的方向的剖面图；

图3为本实用新型实施例中永磁体块或凹槽的放大示意图；

图4为本实用新型实施例中马达的转动轴从右转到左时的传感器信号示意图；

图5为本实用新型实施例中马达的转动轴从左转到右时的传感器信号示意图；

图6为本实用新型实施例中转速测量装置的测量电路结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

本实用新型的目的主要是提供一种用于井下环境的、以非接触方式实时测量井下马达转向、转速和其他井下旋转工具(例如旋转导向)内与其相类似的相对转动的转向、转速的测量装置。测量得到的旋转工具内相对转向和转速可以存储或实时上传到地面，使得地面工程师能够了解旋转工具的运转情况，另外还可以通过在地面改变泥浆泵排量或转盘转速来调节、控制旋转工具内的相对转速和转向，以此下传信息给其他井下工具。

实施例1

下面以对井下马达的转速、转向测量为例来说明本实用新型的转速测量装置，本实施例中，马达的转子为一旋转轴，定子为套在旋转轴外测的轴套，在马达启动时，驱动旋转轴转动，并与所述轴套进行同轴的相对转动。当然，本实用新型也可以以轴作为定子，以轴套作为转子，只要转子和定子之间进行同轴的相对转动。为区别于本实施例中马达测量装置中的轴和轴套，本实施例中将马达的轴和轴套分别成为第一轴和第一轴套。

图1为实施例中井下马达测量装置的轴向剖面原理图。如图1所示，该装置包括：第二轴1，第二轴套2，凹槽或永磁体块3，保护壳4，磁敏传感器5以及电路仓体7。

其中，所述第二轴1安装于所述第一轴上，使第二轴1与第一轴相衔接，且轴线重合，在该第二轴的非轴线位置开有一个或多个凹槽，或者嵌入有一个或多个永磁体块(也可以是设置于所述第二轴内部的一个或多个空腔)，例如，当所述第二轴不具有永磁性时，该第二轴的非轴线位置可设置有一个或多个永磁体块；当所述第二轴具有永磁性时，该第二轴的非轴线位置可设置有一个或多个凹槽或设置有一个或多个与该第二轴具有不同磁性的永磁体块。其中所述多个永磁体块或凹槽处于与轴线垂直的同一个截面上，优选的所述多个永磁体块或凹槽设置于与轴线垂直的同一个截面上的外圆周上。

所述第二轴套2在对应与第二轴1的位置安装于所述第一轴套上，在该第二轴套2的内侧设置有一个开口的电路仓体7，该电路仓体7优选地设置在永磁体块或凹槽处于的截面上。

在该第二轴套2的电路仓体7中与第二轴1靠近的位置安装一个磁敏传感器5。该磁敏传感器例如可为霍尔传感器、磁阻传感器、磁敏二极管或磁敏三极管等。所述磁敏传感器5外有传感器保护壳4保护传感器免受第二轴1和第二轴套2之间液体的损害，同时也使液体无法进入电路仓体7。所述第二轴1被第一轴驱动而转动的过程中，当第二轴1上的永磁体块或凹槽3先接近然后远离磁敏传感器5时，传感器5产生脉冲信号。第二轴转动过程中当永磁体块或凹槽经过传感器时，产生脉冲信号，通过对脉冲信号计数可以得出转动速度，同时转动轴上永磁体块或凹槽的形状为非对称形状时，使得正反两个方向转动时所产生的信号的形状不同，通过识别信号形状可以得到转动方向。传感器产生的脉冲信号通过电路仓体7中检测电路6的处理可得到转动速度和转动方向。

所述检测电路包括转速计算单元，该转速计算单元连接所述磁敏传感器5，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号进行计数，并根据计数结果计算脉冲频率，从而根据脉冲频率得到所述旋转设备的转速。本实施例中，转速可以用信号脉冲频率除以圆周上永磁体块或凹槽3的个数得到。本实施例中，在第二轴的外圆周上均匀设置多个凹槽或永磁体的情况下，相对于设置一个凹槽或一个永磁体时，转速的测量精度会更高(例如设置1个凹槽时，转速的测量精度为1周，当设置3个凹槽时，转速的测量精度可为1/3周)。

当第二轴1上的每一凹槽或永磁体块相对于经过该第一或第二轴的轴线的面为非对称形状时，则可以通过对磁敏传感器产生的脉冲信号的形状的识别来判断马达的旋转轴旋转的方向。要实现对转向的测量，则检测电路还包括转向识别单元，该转向识别单元也连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号的形状判断所述旋转设备中第一轴或第一轴套的旋转方向。本实施例中，例如可以比较脉冲信号的上升时间和下降时间的长短来确定转向，如图3所示，永磁体块或凹槽3的形状是非对称的(比如可以采用三棱柱状)，这种形状使得轴从右向左转时产生的脉冲信号类似于图4，轴从左向右转时产生的脉冲信号类似于图5，两个转动方向产生的信号是不同的。因此，按照图3所示永磁体或凹槽的形状为三棱柱状，那么如果脉冲信号的上升时间比下降时间长则转动方向为从右向左；相反，如果脉冲信号的上升时间比下降时间短则转动方向为从左向右。

图6所示为本实用新型的转速测量装置的测量电路的结构示例图，该测量电路包括：磁敏传感器、转速计算单元、转向识别单元、存储单元及传输单元，该存储单元可以存储测量得到的旋转工具内相对转向和转速信息，该传输单元可以用于将测量得到的转向和转速信息实时或定期传输到地面。将信号传输到地面可使用现有的成熟技术，例如可用正脉冲钻井液传输系统、负脉冲钻井液传输系统、连续波钻井液传输系统、导线或电磁波传输系统等。

本实施例的马达转速测量装置不仅结构简单、牢固，能很好地在井下工作，为钻井工程师实时提供工具内转动部分的相对转向和转速，同时本实施例还提供了一种下传信息的手段。该下传信息的手段是指钻井工程师在地面改变泥浆泵排量或转盘转速来调节、控制旋转工具内的相对转速和转向，以相对转速或转向的变化作为提示信息下传给其他井下工具。

实施例2

本实施例中，实现转速及转向测量的结构可直接整合在马达上，以制成新的具有转速及转向测量功能的马达。

例如，本实施例中，马达的旋转轴上非轴线的位置可设置有一个或多个空腔或凹槽，或者嵌入有一个或多个永磁体块，其中所述多个空腔、凹槽或永磁体块处于与所述轴线垂直的同一个平面上；

所述轴套内侧设置有一开口的电路仓体；

所述电路仓体中靠近所述轴线的位置设置有磁敏传感器，该磁敏传感器用于感应所述轴和轴套相对转动时磁场的变化，并产生脉冲信号；以及

设置于所述轴套的电路仓体中还设置有转速计算单元，该转速计算单元连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号进行计数，并根据计数结果计算所述旋转设备的转速。

另外，当旋转轴上的每一凹槽或永磁体块相对于经过该旋转轴的轴线的面为非对称形状时，所述电路仓体中还可设置有转向识别单元，该转向识别单元连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号的形状判断所述旋转设备中轴或轴套的旋转方向。

本实用新型实施例的转速实时测量装置不仅能够测量马达的转速及转向，同样可以测量其他井下旋转工具(例如旋转导向)内与马达相类似的相对转动结构的转速以及转向。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种井下旋转设备的转速测量装置，该井下旋转设备包括第一轴及第一轴套，该第一轴与第一轴套进行同轴的相对转动，其特征在于，该转速测量装置包括：

永磁性第二轴，安装于所述第一轴上，并与第一轴相衔接，该永磁性第二轴上非轴线的位置设置有一个或多个空腔或凹槽，其中所述多个空腔或凹槽处于与所述轴线垂直的同一个平面上；

第二轴套，安装于所述第一轴套上并位于所述第二轴的外部，该第二轴套内侧设置有一开口的电路仓体；

磁敏传感器，设置于所述第二轴套的电路仓体中靠近所述轴线的位置，用于感应所述第二轴和第二轴套随所述第一轴和第一轴相对转动时磁场的变化，并产生脉冲信号；以及

转速计算单元，设置于所述第二轴套的电路仓体中并连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号进行计数，并根据计数结果计算所述旋转设备的转速。

2.根据权利要求1所述的井下旋转设备的转速测量装置，其特征在于，所述转速测量装置还包括：

保护壳，设置于所述电路仓体的开口处，以盖住所述的开口。

3.根据权利要求1所述的井下旋转设备的转速测量装置，其特征在于：

所述每一空腔或凹槽相对于经过所述轴线的面为非对称形状。

4.根据权利要求3所述的井下旋转设备的转速测量装置，其特征在于，所述转速测量装置还包括：

转向识别单元，设置于所述第二轴套的电路仓体中并连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号的形状判断所述旋转设备中第一轴或第一轴套的旋转方向。

5.根据权利要求1所述的井下旋转设备的转速测量装置，其特征在于：

所述井下旋转设备为井下马达或旋转导向。

6.一种井下旋转设备的转速测量装置，该井下旋转设备包括第一轴及第一轴套，该第一轴与第一轴套进行同轴的相对转动，其特征在于，该转速测量装置包括：

第二轴，安装于所述第一轴上，并与第一轴相衔接，该第二轴上非轴线的位置嵌入有一个或多个永磁体块，其中所述多个永磁体块处于与所述轴线垂直的同一个平面上；

第二轴套，安装于所述第一轴套上并位于所述第二轴的外部，该第二轴套内侧设置有一开口的电路仓体；

磁敏传感器，设置于所述第二轴套的电路仓体中靠近所述轴线的位置，用于感应所述第二轴和第二轴套随所述第一轴和第一轴相对转动时磁场的变化，并产生脉冲信号；以及

转速计算单元，设置于所述第二轴套的电路仓体中并连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号进行计数，并根据计数结果计算所述旋转设备的转速。

7.根据权利要求6所述的井下旋转设备的转速测量装置，其特征在于，所述转速测量装置还包括：

保护壳，设置于所述电路仓体的开口处，以盖住所述的开口。

8.根据权利要求6所述的井下旋转设备的转速测量装置，其特征在于：

所述每一永磁体块相对于经过所述轴线的面为非对称形状。

9.根据权利要求8所述的井下旋转设备的转速测量装置，其特征在于，所述转速测量装置还包括：

转向识别单元，设置于所述第二轴套的电路仓体中并连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号的形状判断所述旋转设备中第一轴或第一轴套的旋转方向。

10.根据权利要求6所述的井下旋转设备的转速测量装置，其特征在于：

所述井下旋转设备为井下马达或旋转导向。

11.一种井下旋转设备，该旋转设备包括轴及轴套，该轴与轴套进行同轴的相对转动，其特征在于：

所述轴上非轴线的位置设置有一个或多个空腔或凹槽，其中所述多个空腔或凹槽处于与所述轴线垂直的同一个平面上；

所述轴套内侧设置有一开口的电路仓体；

所述电路仓体中靠近所述轴线的位置设置有磁敏传感器，该磁敏传感器用于感应所述轴和轴套相对转动时磁场的变化，并产生脉冲信号；以及

所述轴套的电路仓体中还设置有转速计算单元，该转速计算单元连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号进行计数，并根据计数结果计算所述旋转设备的转速。

12.根据权利要求11所述的井下旋转设备，其特征在于：

所述电路仓体的开口处设置有保护壳，该保护壳盖住所述开口。

13.根据权利要求11所述的井下旋转设备，其特征在于：

所述每一空腔或凹槽相对于经过所述轴线的面为非对称形状。

14.根据权利要求13所述的井下旋转设备，其特征在于：

所述电路仓体中还设置有转向识别单元，该转向识别单元连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号的形状判断所述旋转设备中轴或轴套的旋转方向。

15.根据权利要求11所述的井下旋转设备，其特征在于：

该井下旋转设备为井下马达或旋转导向。

16.一种井下旋转设备，该旋转设备包括轴及轴套，该轴与轴套进行同轴的相对转动，其特征在于：

所述轴上非轴线的位置嵌入有一个或多个永磁体块，其中所述多个永磁体块处于与所述轴线垂直的同一个平面上；

所述轴套内侧设置有一开口的电路仓体；

所述电路仓体中靠近所述轴线的位置设置有磁敏传感器，该磁敏传感器用于感应所述轴和轴套相对转动时磁场的变化，并产生脉冲信号；以及

所述轴套的电路仓体中还设置有转速计算单元，该转速计算单元连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号进行计数，并根据计数结果计算所述旋转设备的转速。

17.根据权利要求16所述的井下旋转设备，其特征在于：

所述电路仓体的开口处设置有保护壳，该保护壳盖住所述开口。

18.根据权利要求16所述的井下旋转设备，其特征在于：

所述每一永磁体块相对于经过所述轴线的面为非对称形状。

19.根据权利要求18所述的井下旋转设备，其特征在于：

所述电路仓体中还设置有转向识别单元，该转向识别单元连接所述磁敏传感器，用于根据所述磁敏传感器产生的脉冲信号的形状判断所述旋转设备中轴或轴套的旋转方向。

20.根据权利要求16所述的井下旋转设备，其特征在于：

该井下旋转设备为井下马达或旋转导向。

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