連續波壓力脈衝發生器的製作方法

2023-06-03 13:49:41

專利名稱：連續波壓力脈衝發生器的製作方法
技術領域：
本實用新型是有關於一種無線傳輸井下信息的工具，特別是有關於一種連 續波壓力脈衝發生器，其能把測得的定向數據(井斜角、方位角、工具面角)、 地層特性(伽瑪射線、電阻率等)和鑽井參數(井底鑽壓、扭矩等)的數據由 鑽柱內的泥漿作為傳播介質傳到地面。
背景技術：
在石油鑽井過程中，隨鑽測量和隨鑽測井的技術方法是將井下測量的數據 快速又準確地傳送到地面上來，以保證井身質量，提高鑽井效率。目前，隨鑽 測量和隨鑽測井的技術方法有泥漿壓力脈衝方式傳輸，電磁波傳輸，聲波傳 輸，智能鑽杆傳輸，電纜傳輸等。其中電纜傳輸方式，需要中斷正常鑽進工作， 佔用較多鑽機時間，因此在隨鑽作業中有被逐漸淘汰的趨勢，而聲波傳輸方式 尚不具備商用能力，智能鑽杆雖有工業化應用，但由於其高昂的成本和操作復 雜性及可靠性問題，制約了其應用範圍。目前應用較多的是泥漿壓力脈衝方式 傳輸和電磁波傳輸，而泥漿壓力脈衝這種傳輸方式，用的更多的是泥漿壓力的 正脈衝，但由於正脈衝發生器閥的結構及其運動方式，決定了其數據傳輸速率 較低。這種低速傳輸通道嚴重製約了信息化鑽井技術的發展，因此簡單易行、 穩定可靠的高速傳輸的連續波壓力脈衝發生器是解決問題的途徑。
第3309656 ， 3764968， 4914637， 5182731號美國專利都是有關於連 續波壓力脈衝發生器的，但是這些儀器結構複雜，龐大且用電量大，從而制約 了它們的使用範圍。
ZL200620030709.7中國專利公開了一種旋轉閥式泥漿正脈衝發生器，該連
續波壓力脈衝發生器的轉子轉動的轉動動力扭矩來源於泥漿，所以信號的傳輸 數率隨著泥漿排量的大小而變化；另外，壓力波的幅值也較小。因此，有必要提供一種新型的連續波壓力脈衝發生器，以克服上述缺陷。 上述技術內容以引入的方式合併於本申請。

實用新型內容
本實用新型的目的是，提供一種連續波壓力脈衝發生器，其結構簡單、使 用及維護成本低、耗電量較少，且信號的傳輸率不受泥漿排量大小影響。
本實用新型的上述目的可採用下列技術方案來實現， 一種連續波壓力脈衝 發生器，所述脈衝發生器包括外殼組件，所述外殼組件內部容設有脈衝發生器 閥和執行機構，所述脈衝發生器閥包括能旋轉設置的轉子和固定設置的定子， 所述定子設置在所述轉子的軸向上方，所述執行機構帶動轉子旋轉，所述轉子 和定子的外側均開設有複數個葉槽，所述脈衝發生器閥的流道面積隨著轉子的 轉動而變化設置。
在優選的實施方式中，所述脈衝發生器還包括分流器，所述分流器固定設 置在上述外殼組件上，所述定子固定在分流器上，所述分流器位於外殼組件與 定子之間。
在優選的實施方式中，所述分流器包括一個橫截面中央具有一圓孔的管壁， 在該管壁的軸向上設有複數個槽孔。
在優選的實施方式中，所述外殼組件上環繞設置有一圈調節墊片，該調節 墊片位於分流器的突出部與外殼組件之間。
在優選的實施方式中，所述分流器與定子之間朝向轉子的端面上放置有波 紋管式軸套。
在優選的實施方式中，所述執行機構包括電機，所述電機的輸出軸與上述 轉子相連接，所述轉子位於電機的上方。
在優選的實施方式中，所述執行機構還包括用於控制上述電機的轉動狀態 的電機控制單元，所述電機控制單元連接在該電機的下方。
在優選的實施方式中，所述執行機構內部具有相互獨立的且上下設置的高壓腔和低壓腔，所述電機控制單元包括圓盤式磁性驅動器和光電編碼器，所述 圓盤式磁性驅動器的兩極面對面地分別容設在上述高壓腔和低壓腔內，所述圓 盤式磁性驅動器的其中一極與上述電機連接，另一極與光電編碼器連接。
在優選的實施方式中，所述高壓腔中徑向一側具有一個通孔， 一個浮動式 活塞能移動地密封設置在該通孔內。
在優選的實施方式中，所述高壓腔中徑向一側還設有一個油孔，該油孔中 密封連接有一個油堵。
本實用新型的特點及優點是
本實用新型是涉及石油、礦山、地質勘探等隨鑽測量和隨鑽測井中的泥漿 壓力脈衝，更具體是涉及一種連續波壓力脈衝發生器，其結構形狀簡單，所需 的轉動扭矩較小，從而耗電量較少。


以下附圖僅旨在於對本實用新型做示意性說明和解釋，並不限定本實用新 型的範圍。其中，
圖1是本實用新型的連續波壓力脈衝發生器的總圖2A是本實用新型的脈衝發生器閥的放大示意圖，其顯示一種調節轉子和 定子之間的間隙的結構；
圖2B是本實用新型的脈衝發生器閥的放大示意圖，其顯示另一種調節轉子 和定子之間的間隙的結構；
圖3是本實用新型的執行機構的示意圖4A是本實用新型的分流器的主視圖4B是沿圖4A中的B-B線的剖面的示意圖5A是本實用新型的定子的主視圖5B是沿圖5A中的C-C線剖面的示意圖6A是本實用新型的轉子的主視圖；圖6B是沿圖6A中的D-D線剖面的示意圖。
具體實施方式

為了對本實用新型的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附 圖說明本實用新型的具體實施方式
，相同的部件採用相同的標號。其中，本文 中的"上方"、"下方"是針對圖1中的相對位置而言。
首先需要說明的是，轉子和定子的葉槽形狀及兩者之間的間隙決定了脈衝 發生器閥的流道面積的大小，進而決定了壓力脈衝波幅值的大小；其中，轉子 和定子之間的間隙的n次方與壓力脈衝波幅值成反比。
實施方式l
本實用新型涉及一種連續波壓力脈衝發生器，如圖l-6B所示，其包括外殼 組件1，所述外殼組件1內部容設有脈衝發生器閥2和執行機構3,所述脈衝發 生器閥2包括可旋轉設置的轉子21和固定設置的定子22，所述定子22設置在 轉子21的軸向上方，所述執行機構3帶動轉子21旋轉，所述轉子21和定子 22的外側均開設有複數個葉槽，所述脈衝發生器閥2的流道面積(即泥漿的流 通面積)隨著轉子21的轉動而變化設置。
也就是說，轉子21在執行機構3的驅動下旋轉，定子22靜止不動，使得 脈衝發生器閥2的流道面積發生改變，從而產生出壓力脈衝波，即當轉子21 轉動一周時，就會產生與定子22和轉子21的葉片相應數目的脈衝波，由於脈 衝發生器閥2的流道面積大小的改變頻率高，產生的壓力脈衝波能夠連接起來， 從而在鑽柱內形成連續的壓力脈衝波，這些壓力脈衝波代表著井底狀況的信息。
在較佳的實施方式中，上述脈衝發生器還包括分流器4，當泥漿流經脈衝 發生器時，通過該分流器4能使一大部分的泥漿被分流而不流經脈衝發生器閥 2;該分流器4固定設置在外殼組件1上，且分流器4作為定子22的固定座， 而使定子22固定在分流器4上。更具體而言，如圖4A-4B所示，該分流器4 較佳是呈中空的圓柱形，即其包括一個橫截面中央具有一圓孔43的管壁41，在該管壁41的軸向上設有複數個槽孔42，當脈衝發生器閥2正常運轉而沒有 發生故障時， 一部分泥漿經圓孔43流入脈衝發生器閥2，其餘則被槽孔42分 流；而當脈衝發生器閥2發生故障而處於關閉狀態時，所有的泥漿則會都流經 槽孔42而不通過脈衝發生器閥2。其中，分流器4的上端具有一突出部44，該 突出部44用螺栓連接在外殼組件1上。
如圖2A所示，在外殼組件1上環繞設置有一圈調節墊片5，該調節墊片5 恰好位於分流器4的突出部44與外殼組件1之間，通過更換不同厚度的調節墊 片5，可使分流器4與外殼組件1之間的軸向距離發生變化，而由於定子22與 分流器4固定設置，轉子21與外殼組件1在軸向方向固定，進而可調節轉子 21和定子22之間的間隙。進一步而言，由於脈衝波的衰減隨著井的測量深度 的增加而增大，所以一定間隙所產生的脈衝波適合一定測深，當測深較大時， 需要使轉子21和定子22之間的間隙較小，進而獲得幅值相對較大的壓力脈衝 波。
在分流器4與定子22之間的朝向轉子21的端面上，放置有波紋管式軸套 6，由於軸23上軸承的各零件在安裝時會產生誤差，該波紋管式軸套6也可平 衡抵消這種誤差帶來的間隙。
上述執行機構3包括電機31和用於控制電機31轉動狀態的電機控制單元， 執行機構3內部具有相互獨立且上下設置的高壓腔32和低壓腔33，高壓腔32 內部充滿了油，且其內裝有電機等元件；低壓腔33內部充滿空氣，且其內裝有 電路等元件。所述電機31的輸出軸與轉子21連接，以驅動轉子21旋轉，轉子 21位於電機31的上方。
電機控制單元連接在電機31的下方，其包括圓盤式磁性驅動器34和光電 編碼器35，所述圓盤式磁性驅動器34的兩極36、 37面對面地分別容設在上述 高壓腔32和低壓腔33內，如此能確保高、低壓腔32、 33之間的絕對密封，以 避免由於動密封可能帶來的問題。更具體而言，圓盤式磁性驅動器34的其中一 極36與上述電機31連接，另一極37與光電編碼器35連接，使得光電編碼器35通過圓盤式磁性驅動器34來控制電機31的轉動狀態，由於電機的轉速與井 下數據的傳輸率相近，所以轉子21與電機31之間沒有設置調速機構，也就是 說，光電編碼器35控制電機31的轉動狀態，進而控制數據傳輸率，該數據傳 輸率與電機31的轉速有關，而與泥漿的排量大小無關，本實用新型的數據傳輸 能力可達到10 bps。其中光電編碼器35的結構及原理已為本領域技術人員所 熟知，故不再詳細說明。
另外，在高壓腔32中徑向一側具有一個通孔38， 一個浮動式活塞39可移 動地密封設置在該通孔38內，該浮動式活塞39可以平衡高壓腔32內部與外界 泥漿的壓力，減少高壓腔32的內外壓力差，滿足機械密封使用要求，即密封兩 邊壓力的差僅為幾個兆帕(因為執行機構3中採用了機械密封，例如軸23與座 24的動密封，機械密封兩邊的壓力差較小，僅為幾個兆帕)。
高壓腔32的徑向一側還設有一個油孔，該油孔中密封連接有一個油堵7， 當需要往高壓腔32內加油時，可去除油堵7，通過該油孔往高壓腔32內加油。
本實用新型的操作過程如下-
當泥漿順著箭頭A的方向流動，由於電機31帶動轉子21相對於定子22 轉動，其流道面積進行變化，從而產生壓力脈衝波，該壓力脈衝波將井底的信 息傳播到地面，從而實現井下測量數據向地面的無線傳輸。
本實用新型採用分流器後具有下述優點
1、 如果脈衝發生器閥2出現故障時，由於分流器4的槽孔42將泥漿分流 不經過脈衝發生器閥，因此仍然留有足夠面積的泥漿流道保證鑽井作業的正常 進行；
2、 當脈衝發生器閥2關閉時，在滿足系統承受壓力能力的條件下，壓力波 的幅值可以儘可能的大，從而能解決了波在傳播過程中由於損耗，造成地面接 收不到信號的難題。經試驗，本實用新型的壓力波的幅值220 psi。
實施方式2如圖2B所示，其顯示另一種調節脈衝發生器閥2的轉子和定子之間的間隙 的結構。在本實施方式中，上述轉子21和定子22之間設置有調整墊片5'，該 調整墊片5'同樣可用於調整轉子21和定子22之間的間隙。
本實施方式的其他結構、工作原理和有益效果與實施方式1的相同，在此 不再贅述。
以上所述僅為本實用新型示意性的具體實施方式
，並非用以限定本實用新 型的範圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本實用新型的構思和原則的前提 下所作的等同變化與修改，均應屬於本實用新型保護的範圍。
權利要求1、一種連續波壓力脈衝發生器，其特徵在於，所述脈衝發生器包括外殼組件，所述外殼組件內部容設有脈衝發生器閥和執行機構，所述脈衝發生器閥包括能旋轉設置的轉子和固定設置的定子，所述定子設置在所述轉子的軸向上方，所述執行機構帶動轉子旋轉，所述轉子和定子的外側均開設有複數個葉槽，所述脈衝發生器閥的流道面積隨著轉子的轉動而變化設置。
2、 如權利要求1所述的連續波壓力脈衝發生器，其特徵在於，所述脈衝發 生器還包括分流器，所述分流器固定設置在上述外殼組件上，所述定子固定在 分流器上，所述分流器位於外殼組件與定子之間。
3、 如權利要求2所述的連續波壓力脈衝發生器，其特徵在於，所述分流器包括一個橫截面中央具有一圓孔的管壁，在該管壁的軸向上設有複數個槽孔。
4、 如權利要求2所述的連續波壓力脈衝發生器，其特徵在於，所述外殼組件上環繞設置有一圈調節墊片，該調節墊片位於分流器的突出部與外殼組件之 間。
5、 如權利要求2-4任一項所述的連續波壓力脈衝發生器，其特徵在於，所述分流器與定子之間朝向轉子的端面上放置有波紋管式軸套。
6、 如權利要求l-4任一項所述的連續波壓力脈衝發生器，其特徵在於，所述執行機構包括電機，所述電機的輸出軸與上述轉子相連接，所述轉子位於電 機的上方。
7、 如權利要求6所述的連續波壓力脈衝發生器，其特徵在於，所述執行機 構還包括用於控制上述電機的轉動狀態的電機控制單元，所述電機控制單元連 接在該電機的下方。
8、 如權利要求7所述的連續波壓力脈衝發生器，其特徵在於，所述執行機 構內部具有相互獨立的且上下設置的高壓腔和低壓腔，所述電機控制單元包括 圓盤式磁性驅動器和光電編碼器，所述圓盤式磁性驅動器的兩極面對面地分別 容設在上述高壓腔和低壓腔內，所述圓盤式磁性驅動器的其中一極與上述電機連接，另一極與光電編碼器連接。
9、 如權利要求8所述的連續波壓力脈衝發生器，其特徵在於，所述高壓腔 中徑向一側具有一個通孔， 一個浮動式活塞能移動地密封設置在該通孔內。
10、 如權利要求9所述的連續波壓力脈衝發生器，其特徵在於，所述高壓 腔中徑向一側還設有一個油孔，該油孔中密封連接有一個油堵。
專利摘要本實用新型公開了一種連續波壓力脈衝發生器，所述脈衝發生器包括外殼組件，所述外殼組件內部容設有脈衝發生器閥和執行機構，所述脈衝發生器閥包括能旋轉設置的轉子和固定設置的定子，所述定子設置在所述轉子的軸向上方，所述執行機構帶動轉子旋轉，所述轉子和定子的外側均開設有複數個葉槽，所述脈衝發生器閥的流道面積隨著轉子的轉動而變化設置。本實用新型結構簡單、使用及維護成本低、耗電量較少，且信號的傳輸率不隨泥漿排量大小影響。
文檔編號E21B49/00GK201221355SQ20082010851
公開日2009年4月15日 申請日期2008年6月11日 優先權日2008年6月11日
發明者張連成, 林 李, 榮 石, 禹德洲, 蘇義腦 申請人:中國石油集團鑽井工程技術研究院