一种直线电机驱动的连续波正脉冲发生器的制作方法

发明属于石油钻井工程技术领域，特别是涉及井下数据向地面高速传输的装置中的一种直线电机驱动的连续波正脉冲发生器。

背景技术：
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随着世界上各主要油气田相继进入开发后期，油气藏开发的难度逐年增加，钻遇地层日益复杂，对钻井、测井和录井过程的自动化、智能化技术的要求越来越高。为了及时准确获得钻井资料，进一步了解地层的含油气情况，及时获取地层的各种资料，实现所谓的随钻测量与随钻测井（MWD/LWD）。

MWD/LWD的最终目的是准确利用测得的钻井参数和地层参数及时调整钻头轨迹，使之沿目的层方向钻进。由于随钻测井获得的地层参数是刚钻开的地层参数，它最接近地层的原始状态，用于对复杂地层的含油、气评价比一般电缆测井更加准确可靠。此外，MWD/LWD除测量电阻率、声速、中子孔隙度、密度等常规测井和某些成像测井以外，还可以测量钻压、扭矩、转速、环空压力等钻井参数，实现钻井过程的安全与高效。

MWD/LWD的关键技术是井下信号向地面系统的实时传输，目前的信号传输方式分为有线与无线两种，有线传输包括：电缆传输、特种钻杆传输及光纤传输等，无线传输包括：泥浆脉冲、电磁波、声波等。泥浆脉冲可用于深井以及较低的开发成本，使得泥浆脉冲成为目前广泛采用的传输方式。泥浆脉冲器是将被测参数转变成泥浆压力脉冲，随泥浆循环传送到地面。泥浆脉冲发生器作为随钻测量的核心部分，按其工作原理可分为：正脉冲、负脉冲以及连续波脉冲发生器。负脉冲由于对井壁破坏严重，下井仪器的结构复杂，组装、操作和维修不便，现已很少使用。泥浆正脉冲发生器使用普遍，但是传输速率较低，随着技术的发展，已不能满足大数据量传输的需要。连续波泥浆脉冲发生器的优点是传输速度快，是目前重点发展的技术之一。

带有先导控制的液压驱动往复式信号发生器是泥浆正脉冲传输最实用、最普遍的方式，尤其是以钻井液为介质的往复节流式信号发生器应用最多。目前普遍采用的方法是被测参数经数字化编码后，变成高“1”、低“0”电信号，由它控制泥浆脉冲发生器的蘑菇头，当编码为“1”时，蘑菇头上移，使流经锥形口的泥浆阻力增加，产生附加压力。当编码为“0”时，蘑菇头向下回到原位，压力降至正常。这是正脉冲传输系统，这类系统的问题是传输数据的速率较低，仅几个比特每秒，很难适应现在井下多参数随钻信息的传送。

连续波泥浆脉冲传输系统是在井下钻挺上用轴向旋转阀开闭的原理产生泥浆的压力波动，地面检测被调制的泥浆压力信号进行解码而获得井下数据，其优点是数据传输快信息量大，可达几十比特每秒的速率，现有问题是泥浆信号的压力波动值太小了，井深及泥浆恶劣都会淹没泥浆压力脉冲信号。现有的连续波正脉冲发生器存在着诸多问题，如：针孔连接方式在井下振动环境下引起的电气虚连接，平衡油囊被腐蚀或漏油而导致压力不足不能平衡井下压力，井斜过大或者下钻速度过快造成仪器脱键而导致无信号的问题，仪器不可打捞，出现卡钻时仪器报废等。现有连续波泥浆脉冲发生器信号相对较弱，受噪声干扰影响相对较大，对信号处理系统要求较高。

国内外相关技术背景与发展历程分析：20世纪50年代，由美国人发明了泥浆脉冲的传输方法，使泥浆脉冲技术在钻井工程中开始应用。60年代贝克休斯公司研制的钻井液压力脉冲系统成功地应用于钻井过程，随后陆续制定了随钻测量的性能与可靠性标准。1973年贝克休斯公司研制出了无线随钻测斜仪，1979年斯伦贝谢公司研制出钻井液压力传输系统。1983年Wilson C.利用风洞模拟测试了脉冲发生器的动力场特性，利用有限元分析软件仿真了脉冲发生器的基础数据与变化特性，得到了连续泥浆脉冲器可靠理论数据。1986年斯伦贝谢公司为他的Pressure Pulse Generator申请了专利。1994年Wilson C.又为哈里伯顿公司申请了Turbo Siren Signal Generator的专利。相关的专利主要有：美国斯伦贝谢公司的发明专利“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；美国贝克休斯公司的发明专利“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 telemetry）”，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，但是尚未查到利用已有的正脉冲发生器结构形式实现连续波脉冲器的专利。

国内尚无连续波泥浆脉冲器产品，国内研究人员对连续波泥浆脉冲器的脉冲产生的机理、脉冲器的基本结构等进行了研究，并且参考国外连续钻井液脉冲发生器的技术现状，确定了连续波钻井液脉冲发生器的技术指标与可能的实现方式，陆续申请了部分专利。如：西安斯坦仪器股份有限公司的发明专利“井下连续波泥浆脉冲发生器（申请号：201210575409.7）”，其结构形式与控制方法几乎与斯伦贝谢公司的专利一样；斯伦贝谢金地伟业油田技术（山东）有限公司的发明专利“连续波泥浆脉冲发生器（申请号：201110452486.9）、旋转阀式泥浆脉冲发生器（申请号：201120194307.1）”，该专利实际上就是斯伦贝谢公司专利的中国版；中石油渤海钻探公司的发明专利“一种基于三角形阀体的连续波发生器转阀（申请号：201310 755292.5）”，对连续波脉冲器的阀体结构进行了改进，使其输出信号更符合正弦波的形式，以减小泥浆脉冲信号的传输衰减。

上述专利基本上都以斯伦贝谢公司的专利为蓝本而进行改进，这些改进包括：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限；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。目前尚未检索到与本发明专利内容相关的信息。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题, 提供一种为井下数据向地面系统高速传输可靠的直线电机驱动的连续波正脉冲发生器。

为实现此目的，本发明提供一种直线电机驱动的连续波正脉冲发生器，包括钻铤短节1，在钻铤短节1内从上而下依次包括节流阀座3、蘑菇头6、直线电机转子15、直线电机定子8、驱动电路板9、主控电路板10、电池组12和抗压筒17；其中,抗压筒17通过抗压筒扶正器18连接到钻铤内壁上，直线电机转子15的部分、直线电机定子8、驱动板9、主控板10从上而下依次固定在抗压筒17内部；蘑菇头6位于节流阀座3和抗压筒17之间的空间内，蘑菇头6与直线电机转子15构成滑动配合，并通过固定在直线电机转子15上的上限位点4和下限位点5限位配合，蘑菇头6和节流阀座3之间构成间隙配合。

上述方案还包括：在抗压筒17壁上设有注油孔13和平衡活塞14。直线电机转子15和直线电机定子8之间还装有减速器7，在节流阀座3上方还装有泥浆过滤器2。蘑菇头6和节流阀座3间隙配合面为锥形。

本发明的直线电机驱动的连续波正脉冲发生器工作机理和有益效果是：

通过控制直线电机的往复快速运动，可以实现高速的、连续波的正脉冲的产生，即用传统正脉冲发生器的原理实现了连续波脉冲器的功能。利用直线电机直接驱动蘑菇头，消除了常规正脉冲发生器的诸多机械故障。直线电机的最大速度可以达到5m/s，为高速数据传输提供了可能，蘑菇头的动作频率可以达到200Hz以上。直线电机的速度调节既可以通过减速器实现，也可以通过逆变电源的控制来实现。在硬件电路不变的情况下，可以通过软件控制方法，实现脉冲器直线电机的速度调节，简化脉冲器的机械结构设计，甚至省略减速器。本发明充分利用了正脉冲发生器能够产生高压差幅值的泥浆脉冲、机械强度高等特点和连续波脉冲器传输速度快的优点，主要解决现有连续波脉冲发生器在产生水力正压脉冲值过小，地面检测困难，蘑菇头型正脉冲发生器的脉冲速率低，水力脉冲压力对机械部件损伤的问题。

附图说明

图1为本发明的一种实施例整体结构图。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。

图1表示连续波脉冲器的总体结构图，脉冲器的主体结构直接安装在一段钻铤短节1中，脉冲器整体可以作为一段钻铤1连接在井下工具组合当中。其中：抗压筒17通过抗压筒扶正器18连接到钻铤内壁上，直线电机定子8、主控电路板10以及驱动电路板9、减速器7等主要部件都安装在抗压筒17内部，方便拆装和现场应用。

图1中，钻井泥浆首先由钻铤短节1的上部流入，经过泥浆过滤器2进入脉冲器内部，然后经节流阀座3与蘑菇头6之间的环形空间向下流动，最后泥浆从钻铤短节1和抗压筒17之间的环形空间流出脉冲器。由主控电路板10和驱动电路板9控制直线电机8带动蘑菇头6有规律地上下运动，从而有规律地改变节流阀座3与蘑菇头6之间的泥浆流通面积，产生一列泥浆脉冲信号，实现井下数据向地面的传输。

图1中，通过调节直线电机8的速度控制，可以实现脉冲器的工作频率的调节，从而适应井深的变化；在井深较浅时，可以采用高速的泥浆脉冲进行数据传输；随着井深的增加，逐渐减小电机的转速，减小脉冲器的频率，减小脉冲信号的衰减，提高地面系统的检测能力，保证泥浆脉冲信号的传输效率。

图1中，通过上限位点4和下限位点5限制蘑菇头6的运动范围；泥浆过滤器2的作用是阻止大的固体颗粒进入脉冲器蘑菇头6与节流阀座3之间的间隙，保证脉冲器的安全；图中采用电池组12为整个系统供电，也可以采用连接电缆11外接井下涡轮发电机为脉冲器供电，连接电缆11的另一个作用是与其他井下设备进行互联。

当发生由于机械故障或者钻井异常导致蘑菇头6控制失灵的例外情况时，有以下几种方式保证正常的钻井过程：① 通过选择蘑菇头6的材料为高硬度、脆性材料进行防止泥浆通道堵塞；② 直线电机失电情况下可以自由运动，蘑菇头6在钻井液的冲击作用下，自动移到下限位点5，泥浆通道自动解堵。

本发明优选的实现方式是用直线电机来驱动蘑菇头6，主要考虑直线电机调速方便、动作快速，更有利于高速脉冲器的实现。除此之外，还可以利用曲柄连杆机构、滚珠丝杠等将旋转运动转变为直线运动的方式实现上述功能。