一种载波频率自动调整的自发电式连续波正脉冲发生器的制作方法

本发明属于石油钻井工程技术领域，特别是涉及一种井下数据向地面高速传输的装置。

背景技术：
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连续波泥浆脉冲发生器的优点是传输速度快，连续波泥浆脉冲连续波发生器的工作原理是：通过改变旋转转子与定子过流断面的相对位置而产生连续压力波信号，目前泥浆压力脉冲的发生方式有旋转阀和剪切阀两种。无论哪一种连续波脉冲发生器，都应该包括连续波脉冲发生单元、电机与驱动装置、控制电路以及压力平衡模块与密封模块等部分。对于旋转阀式连续波脉冲发生器，转子在电机驱动下沿固定方向连续转动，与定子产生节流作用。而在剪切阀式连续波发生器中，电机驱动的转子在与定子形成的最大、最小流通面积间往复摆动，周期振荡，产生节流作用。

目前国内外的相关技术现状是：美国Schlumberger公司的发明的 “用于随钻测量工具中的正弦压力波发生器（Sinusoidal pressure pulse generator for measurement while drilling tool）”和“用于井下数据向地面传输的方法与系统（Method and system for wellbore communication）”公开了一种基于连续旋转阀的连续波泥浆脉冲信号发生器；美国Baker Hughes公司的发明的“用于泥浆脉冲数据远传的振荡剪切阀（Oscillating shear valve for mud pulse telemetry）”和“用于泥浆脉冲数据远传的井下脉冲信号发生器（Downlink pulser for mud pulse telemetery）”，公布了一种用于基于剪切振荡原理工作的连续波泥浆脉冲发生器。两种连续波脉冲器的不同之处仅仅在于脉冲器转子的运动形式以及后续的脉冲调制与解码方式。

与国外的专利技术对比，国内连续波脉冲器专利的改进主要集中在：脉冲器的阀体设计、密封以及传动等机械结构部分，没有检索到关于脉冲器控制方式、供电方式等方面的专利。以上专利的共同之处在于：① 脉冲器转子均由电机驱动，转子的工作方式分为连续旋转与剪切振荡两种形式；② 电机的电源来自井下涡轮发电机与井下电池组，工作时间与工作条件受到一定的限制；③ 脉冲器的工作原理基本相同，都是通过周期性地改变钻井液的流通面积来实现的。以上专利的不同之处主要表现在：① 脉冲器转子结构；② 脉冲器转子的信号调制方式，以及与此对应的井下信号的编码与解码方式；③ 机械传动与密封技术。

技术实现要素：
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本发明的目的是针对现有技术存在的不足,提供一种为钻井过程中井下数据快速、准确地向地面系统高速传输的载波频率自动调整的自发电式连续波正脉冲发生器。

其技术方案是：

一种载波频率自动调整的自发电式连续波正脉冲发生器，包括：导流筒和置于导流筒内的定子、转子，以及抗压密封筒和设置在抗压密封筒内的联轴器、减速器、电动机，其中转子与联轴器驱动连接；所述的联轴器为电磁联轴器，并在减速器的两端分别设置，在转子与电磁联轴器连接端连接有电磁离合器，所述电动机在转子旋转时等效为一个发电机，在抗压密封筒内还设置有逆变与驱动电路、发电机输出信号的整流与滤波电路、主控电路板和可充电电池组；电动机、逆变与驱动电路、发电机输出信号的整流与滤波电路、主控电路板、可充电电池组之间均由电缆依次连接。

上述方案还包括：

在抗压密封筒上设有注油孔和平衡活塞。导流筒上方设有脉冲器打捞矛头、外周设有密封圈，在抗压密封筒下端设有与电缆连接的电缆接头。

本发明的脉冲器与现有两种泥浆脉冲器的主要不同表现在以下几个方面：

脉冲产生方式完全不同，本发明的脉冲器泥浆脉冲信号一直存在，数据传输的过程实际上是在已有脉冲信号基础上进行增速减速的调制过程，脉冲器的载波基频是随着钻井液的排量大小而自动变化的，脉冲器的转子一直处于旋转状态，但是所有速度变化均在现有速度基础上增减，脉冲器速度变化范围小，可以有效地提高脉冲器转子速度调节的动态过程，提高了数据传输的效率与精度，脉冲器速度变化范围小，需要的功率较小，电机功率可以选的小一些，有利于井下节能。

本发明的脉冲器控制电动机在转速与转矩的四象限内运行，即可以实现Schlumberger的连续旋转方式的信号调制，也可以实现Baker Hughes公司振荡剪切方式的信号调制。

本发明的脉冲器自带发电机，可以使脉冲器独立工作，省去了单独为脉冲器供电的井下发电机，系统效率高；同时消除了电池组工作时间受限的问题。并且本发明自带发电机和可充电电池组，既减少了对井下电源的依赖性，甚至可以向其他井下工具提供电源

本发明的脉冲器分别在转子与减速器之间、电机与减速器之间使用了两个电磁联轴器，电磁联轴器的使用使抗压筒的彻底密封成为可能，有利于电路安全；电磁联轴器的使用对过大的扭矩与过高的转速进行了过滤，有利于电机本身的安全。

综合以上所述，本发明所述的连续波脉冲器的有益效果是：不存在钻井液流通通道堵塞的可能性，脉冲器的实用性强；脉冲器的载波基频是随着钻井液的排量大小而自动变化的，脉冲器的转子一直处于旋转状态；脉冲器自带发电机，可使脉冲器独立工作；脉冲器速度变化范围小，提高了数据传输的效率与精度。

附图说明：

图1为连续波泥浆脉冲发生器的整体结构示意图。图中：

具体实施方式：

现结合说明书附图1对本发明作进一步描述。

附图1表示连续波脉冲器的总体结构示意图，图中的定子（3）与转子（4）叶片数量可以是相同的，也可以是不同的。本发明专利优选转子（4）叶片与定子（3）叶片相同的结构，其中：转子（4）叶片可以采用多种结构形式，如：叶片的数量可以是1~8的任何数，其结构形式也可以根据不同应用条件进行水力计算得到的摩阻特性，选择方形、三角形或者其它更为复杂的几何形状。

图1所示的脉冲器整体采用坐键安装方式安装在钻铤内部，脉冲器与钻铤之间装有密封圈（20），因此，钻井泥浆首先流入导流筒（2），经定子（3）进入脉冲器内部，然后流过定子（3）与转子（4）之间的间隙，通过有规律地改变转子（4）与定子（3）之间的流通面积，就可以在转子（4）前后产生按一定规律变化的泥浆压力脉冲信号，从而实现井下数据的调制。

当脉冲器不需要进行信号传输时，由主控电路板（12）控制电磁离合器（5）断开，电磁离合器（5）处于（5/501）的位置。转子（4）在钻井泥浆的冲击下，以与泥浆排量成正比的某一固定速度旋转，通过电磁联轴器（6）带动行星轮式减速器（7）、电磁联轴器（8）与电动机（9）一起旋转，此时的电动机（9）等效为一个发电机（9），发电机（9）的输出由整流与滤波电路（11）进行处理，整流与滤波电路（11）的输出，在主控板（12）的控制下为可充电锂离子电池组（13）进行充电，实现电能的储存。

当脉冲器需要进行数据传输时，由主控板（12）控制电磁离合器（5）闭合，电磁离合器（5）处于（5/502）的位置。在主控板（12）、逆变与驱动电路（10）的控制下，转子（4）由电动机（9）经电磁联轴器（8）、减速器（7）、电磁联轴器（6）驱动旋转，处于转子（4）与定子（3）之间的泥浆流通面积的变化规律由转子（4）或者电动机（9）的转动规律来决定，从而能够产生一列规则的泥浆脉冲信号，完成井下数据的调制过程。泥浆脉冲信号经由钻铤/钻杆内部的泥浆液柱到达地面钻机立管，实现井下向地面系统数据的发送，由地面检测与解码系统对井下数据进行解码还原。电动机（9）和主控板（12）的电源均来自可充电电池组（13），实现储存电能的利用。

图1中，主控电路板（12）的功能包括：① 实现电动机（9）与发电机（9）的切换；② 实现逆变与驱动电路（10）、整流与滤波电路（11）之间的控制；③ 实现电磁离合器（5）的控制；④ 实现对电池组（13）的充电与充电保护。充电保护可以由专门的硬件电路来实现，也可以结合充电电流的检测通过软件来实现。充电与充电保护电路的作用是在脉冲器不需要进行数据发送的时间段内，对井下高温锂离子电池组（13）进行充电，代替目前广泛应用的一次性高温锂电池。

电缆接头（14）实现连续波脉冲器与其他井下设备的连接，注油孔（15）与平衡活塞（16）的应用，一方面实现了控制部件、机械传动部件与钻井液的密封与隔离，另一方面对传动机构起到冷却与润滑作用。

电磁联轴器A（6）的作用是：当泥浆排量突变造成转子（4）的速度过大或者过小时，且电动机/发电机（9）处于发电机状态，保护减速器（7）速度变化不致过大，电子联轴器（6）保证前后转速在一定范围内可以实现速度跟踪；当电动机/发电机（9）处于电动机工作状态、转子（4）由于机械原因发生卡堵时，电磁联轴器（6）可以保护电动机（9）不会出现过电流的情形。

电磁联轴器B（8）的作用是：当减速器（7）故障时，对电动机（9）进行保护，消除因电机堵转烧毁电机的可能性；此外，当电动机用作发电机（9）时，消除减速器过大的速度波动，对转子（4）大的速度波动与大的泥浆排量突变有一个滤波作用，控制发电机/电动机（9）处于合理的速度与扭矩范围内。