随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器的制作方法

本发明涉及石油钻探设备领域，尤其是一种随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器。

背景技术：

随着定向井、大位移井、水平井技术的发展，对随钻测量技术的要求越来越高，而想要及时获得随钻测量参数则需要先将测量参数编码，然后依靠钻井液脉冲传输技术将电信号转换为钻井液压力脉冲信号，并上传至地面接收设备。钻井液脉冲发生器是钻井液脉冲传输技术的核心，是随钻测量仪器重要的组成部分。钻井液脉冲传输方式主要有负脉冲、正脉冲、连续波三种。正脉冲信号发生器信号稳定，井下仪器结构简单，使用操作和维修方便，是目前普遍使用的一种井下信号传输方式。

目前，正脉冲发生器的工作原理是通过改变主阀与限流环的相对位置来改变钻井液流道的截面积，引起钻柱内部钻井液压力升高，从而产生正压力脉冲信号。在施工过程中，最困扰工程技术人员的问题就是在钻进过程中随钻测量仪器失去钻井液脉冲信号，尤其在大排量、高含砂量、大尺寸岩屑颗粒的钻井液环境下，采用上述结构的普通脉冲发生器零部件极易磨损，导致脉冲信号幅值减弱，工作寿命降低。而且，这种脉冲发生器结构极易堵塞，导致其无法动作，从而造成脉冲发生器的失效。失去信号之后，如果再继续施工，则井下信息无法获知，这就使钻井工程施工具有极大的盲目性。因此只有起钻，检修和更换测量仪器。这就严重影响了钻井速度。

因此，亟待开发一种新型钻井液脉冲发生器，能够适应大排量、高含砂量、携带大尺寸岩屑颗粒的钻井液，减缓钻井液对脉冲器零部件的冲蚀作用，以延长脉冲发生器的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述技术问题而提供一种随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器，可以利用液压系统使核心部件产生弹性变形，由此来缩小钻具内水眼的过流截面面积，从而产生钻井液正压力脉冲信号，能够适应大排量、高含砂量、携带大尺寸岩屑颗粒的钻井液，减缓钻井液对脉冲器零部件的冲蚀作用，以延长脉冲发生器的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器，包括脉冲发生器本体，该脉冲发生器本体中轴线处贯穿形成有水眼，所述脉冲发生器本体包括控制阀短节和主脉冲器，且两者之间采用钻具接头螺纹连接；

所述控制阀短节内部开有一个主液路孔，外侧开有控制阀仓，所述主液路孔以两个径向分支孔为界分为两部分，其中上半部分为高压液路，下半部分为输出液路，且这两部分在主液路孔上不连通，所述高压液路与水眼连通设置，所述控制阀仓内部安装有包括控制阀芯和电机在内的控制阀核心部件，该控制阀仓上面覆盖有盖板，且盖板上开有一个泄压孔，所述泄压孔与井眼环空连通，所述控制阀芯和电机用于将输出液路在高压液路和泄压孔之间切换连通；

所述主脉冲器包括喉阀短节、活塞、活塞套、喉阀管和喉阀弹性体，其中活塞和活塞套共同组成液压系统，喉阀管和喉阀弹性体共同组成喉阀，喉阀短节用于安装包括液压系统和喉阀在内的核心零部件；所述活塞外径较小的下端装配在活塞套内腔中并形成活塞腔，外径较大的上端与喉阀短节内壁配合，该活塞与喉阀短节内壁、活塞套之间形成压力补偿腔，所述压力补偿腔通过喉阀短节壁上的压力补偿孔与井眼环空连通；

所述输出液路中所输送的液力作用在活塞的上端面以促使活塞在活塞套内腔中沿轴线方向上下滑动，所述活塞腔中的液压油通过活塞套上的过油孔作用在喉阀弹性体的外壁，活塞向下滑动可以挤压液压油为喉阀提供液力，喉阀弹性体在液力作用下可以产生弹性变形，且变形部分可以从喉阀管上的三个截流孔中伸出，以缩小水眼截流处过流截面面积，从而发出钻井液正压力脉冲。

进一步地，所述控制阀短节中轴线处为水眼并贯穿整个控制阀短节，控制阀短节上、下两端分别有上、下接头螺纹，其中下接头螺纹与主脉冲器喉阀短节的上接头螺纹相连接，下接头螺纹下端延伸出一部分且该部分为转换器，所述转换器上面开有绕线槽和导流槽；

控制阀短节的短节壁一侧内部沿轴向开有一个主液路孔，外侧开有控制阀仓，该主液路孔中部开有两个径向分支孔并与控制阀仓内部连通，主液路孔下端延伸至转换器处并开有一个径向连通孔以连通主液路孔与导流槽；主液路孔以两个径向分支孔为界分为两部分，上半部分为高压液路，下半部分为输出液路，这两部分在主液路孔上不连通；所述水眼上端为滤网槽，安装有钻井液滤网，滤网槽与主液路孔连通；

控制阀仓内部安装有包括控制阀芯和电机在内的控制阀核心部件，所述控制阀芯通过联轴器与电机相连接，并可以在电机的带动下旋转，控制阀仓上面覆盖有盖板，盖板上开有一个泄压孔。

进一步地，所述主脉冲器主要由喉阀短节、活塞、活塞套、喉阀管、喉阀弹性体组成。所述活塞和活塞套共同组成液压系统。所述喉阀管和喉阀弹性体共同组成喉阀。

进一步地，所述喉阀短节内部为通径空腔，用来安装包括液压系统和喉阀在内的核心零部件；喉阀短节的通径空腔下端与水眼连通，喉阀短节上、下两端分别有上、下接头螺纹，其中上接头螺纹与控制阀短节的下接头螺纹相连接，喉阀短节壁一侧内部沿轴向开有过线孔，过线孔两端均设有接线孔，在使用时两个接线孔中安装有承压堵头，喉阀短节壁另一侧开有4个径向通孔使喉阀短节内部与外界连通，其中包括2个注油孔、1个排污孔和1个压力补偿孔。

进一步地，所述液压系统包括活塞套和活塞，所述活塞套内腔为变径台阶孔结构并贯穿整个活塞套，所述活塞套内腔内径较大的上端与活塞配合并形成有活塞腔，活塞腔根部均布数个径向通孔且为过油孔，过油孔将活塞套内腔与外部相连通，所述活塞套内腔内径较小的下端与所述喉阀管固定在一起；所述活塞为变径台阶结构回转体且其中轴线处为通孔，活塞安装在所述喉阀管上端外壁上，所述活塞外径较小的下端装配在活塞套内腔中，外径较大的上端与喉阀短节内壁配合，活塞与喉阀短节内壁、活塞套之间形成压力补偿腔，所述压力补偿腔通过喉阀短节壁上的压力补偿孔与井眼环空连通，所述活塞在液力作用下可以沿轴线方向上下滑动，同时活塞下端始终在活塞套内腔中滑动，不会滑脱出来。

进一步地，所述喉阀包括喉阀管和喉阀弹性体，所述喉阀管为一个薄壁管状体，内部为水眼并贯穿整个喉阀管，所述喉阀管上端由控制阀短节定位，下端由喉阀短节内孔台阶定位，在喉阀短节中固定不可移动，所述喉阀管下半部分管壁上沿圆周方向均布三个椭圆形径向通孔且为截流孔，截流孔将喉阀管内部水眼与外部相连通，所述喉阀弹性体为橡胶材质的圆柱状薄壁中空回转体且其中轴线处为通孔，喉阀弹性体安装在所述喉阀管下端外壁上并与所述三个截流孔位置对应，所述喉阀弹性体在液力作用下可以产生弹性变形，变形部分可以从三个截流孔中伸出，缩小水眼截流处过流截面面积。

本发明的有益效果是：本发明随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器具有结构紧凑、安装简便、耐磨损、易损件少、不易堵塞的特点，其主要功能为利用控制阀短节将电信号转换为压力控制信号，并输出给主脉冲器内部的液压系统，液压系统根据控制信号推动喉阀产生弹性变形，缩小水眼截流处过流截面面积，从而发出钻井液正压力脉冲，能够适应大排量、高含砂量、携带大尺寸岩屑颗粒的钻井液，减缓钻井液对脉冲器零部件的冲蚀作用，以延长脉冲发生器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器的结构示意图；

图2为本发明随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器控制阀短节结构示意图；

图3为本发明随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器控制阀仓内部结构示意图；

图4为本发明随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器主脉冲器内部结构示意图；

图5为本发明随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器喉阀在不产生钻井液正压力脉冲时的工作示意图；

图6为本发明随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器喉阀在产生钻井液正压力脉冲时的工作示意图。

图中：1-脉冲发生器本体；2-控制阀短节；21-转换器；22-绕线槽；23-导流槽；24-钻井液滤网；3-主脉冲器；31-喉阀短节；311-压力补偿孔；3121-注油孔1；3122-注油孔2；313-排污孔；314-接线孔；4-水眼；5-控制阀仓；51-控制阀芯；52-电机；6-主液路孔；61-高压液路；62-输出液路；631-上径向分支孔；632-下径向分支孔；64-径向连通孔；7-液压系统；71-活塞；72-活塞套；73-过油孔；8-喉阀；81-喉阀弹性体；82-喉阀管；821-截流孔；822-水眼截流处过流截面；9-过线孔；h-活塞腔；f-滤网槽；x-泄压孔；c-压力补偿腔；q-钻井液流体；p-液压油压力。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

如图1所示，本发明公开了一种随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器，包括脉冲发生器本体1，该脉冲发生器本体1主要由控制阀短节2和主脉冲器3两部分组成，二者之间采用钻具接头螺纹连接。所述脉冲发生器本体1中轴线处为水眼4，贯穿整个脉冲发生器本体1。所述控制阀短节2利用短节本体作为控制阀体，为主脉冲器3内部的液压系统7提供压力控制信号。所述主脉冲器3利用内部的液压系统7推动喉阀8产生动作，发出钻井液正压力脉冲。

在本实施方式中，如图1、图2、图3所示，所述控制阀短节2中轴线处为水眼4，贯穿整个短节。控制阀短节2上、下两端分别有上、下接头螺纹，下接头螺纹与主脉冲器3喉阀短节31的上接头螺纹相连接，下接头螺纹下端延伸出一部分，为转换器21，上面开有绕线槽22和导流槽23。控制阀短节2的短节壁一侧内部沿轴向开有一个主液路孔6，外侧开有控制阀仓5，中部开有两个径向分支孔631、632与控制阀仓5内部连通，下端延伸至转换器处并开有一个径向连通孔64，连通所述主液路孔6与导流槽23。主液路孔6以两个径向分支孔631、632为界分为两部分，上半部分为高压液路61，下半部分为输出液路62，这两部分在主液路孔6上不连通。所述水眼上端为滤网槽f，安装有钻井液滤网24，滤网槽f与所述主液路孔6连通。控制阀仓5内部安装有包括控制阀芯51、电机52在内的控制阀核心部件。所述控制阀芯51通过联轴器与电机52相连接，并可以在电机52的带动下旋转。控制阀仓5上面覆盖有盖板53，盖板53上开有一个泄压孔x。

在本实施方式中，如图1、图4所示，所述主脉冲器3主要由喉阀短节31、活塞71、活塞套72、喉阀管82、喉阀弹性体81组成。所述活塞71和活塞套72共同组成液压系统7。所述喉阀管82和喉阀弹性体81共同组成喉阀8。

在本实施方式中，如图4所示，所述喉阀短节31内部为通径空腔，用来安装液压系统7、喉阀8等核心零部件。喉阀短节31上、下两端分别有上、下接头螺纹，上接头螺纹与控制阀短节2的下接头螺纹相连接。喉阀短节31的短节壁一侧内部沿轴向开有过线孔9，过线孔两端设有接线孔314。短节壁另一侧开有4个径向通孔使短节内部与外界连通，其中包括2个注油孔3121和3122、1个排污孔313、1个压力补偿孔311。注油孔3121和3122的作用主要是在装配结束后为喉阀短节3内部的液压系统7注油，注油后会安装承压堵头防止液压油泄漏，另外也可以用于在拆卸液压系统7之前放油。排污孔的主要作用是在拆卸孔喉式脉冲发生器的过程中，在分离控制阀短节2和主脉冲器3喉阀短节31之前，将控制阀短节2液路中残存的钻井液排放掉，防止在拆卸过程中流出残存钻井液污染接线孔314和工作台，同时也防止含有细砂的钻井液残留在主脉冲器3喉阀短节31内壁上给液压系统7的拆卸造成阻碍。

在本实施方式中，如图4所示，所述液压系统7由活塞套72和活塞71两部分组成。所述活塞套72内腔为变径台阶孔结构，贯穿整个活塞套。所述活塞套72内腔内径较大的上端与活塞71配合，为活塞腔h。活塞腔h根部均布数个径向通孔，为过油孔73，该孔将活塞套72内腔与外部相连通。所述活塞套72内腔内径较小的下端与所述喉阀管82固定在一起。所述活塞71为变径台阶结构回转体，中轴线处为通孔，安装在所述喉阀管82上端外壁上。所述活塞71外径较小的下端装配在活塞套72内腔中，外径较大的上端与喉阀短节31内壁配合，并与喉阀短节31内壁、活塞套72之间形成压力补偿腔c。所述压力补偿腔c通过喉阀短节31壁上的压力补偿孔311与井眼环空连通。所述活塞71在液力作用下可以沿轴线方向上下滑动，同时活塞71下端始终在活塞套72内腔中滑动，不会滑脱出来。

在本实施方式中，如图4所示，所述喉阀8由喉阀管82和喉阀弹性体81两部分组成。所述喉阀管82为一个薄壁管状体，内部为水眼4，贯穿整个喉阀管82。所述喉阀管82上端由控制阀短节2定位，下端由喉阀短节31内孔台阶定位，在喉阀短节中固定不可移动。所述喉阀管82下半部分管壁上沿圆周方向均布三个椭圆形径向通孔，为截流孔821，该孔将喉阀管82内部水眼4与外部相连通。所述喉阀弹性体81为橡胶材质的圆柱状薄壁中空回转体，中轴线处为通孔，安装在所述喉阀管82下端外壁上，与所述三个截流孔821位置对应。所述喉阀弹性体81在液力作用下可以产生弹性变形，变形部分可以从三个截流孔821中伸出，缩小水眼截流处过流截面面积。

下面对本发明的工作过程进行详细说明：

本发明随钻测量仪器用孔喉式钻井液脉冲发生器能够适应大排量、高含砂量、携带大尺寸岩屑颗粒的钻井液，减缓钻井液对脉冲器零部件的冲蚀作用。如图3所示，在井下工作时，控制阀短节2控制阀仓5盖板53上的泄压孔x始终保持与井眼环空连通，泄压孔x处压力始终与井眼环空钻井液液柱压力相等；同时，控制阀短节2高压液路61通过滤网槽f始终保持与水眼4连通，高压液路61压力始终与钻柱内钻井液压力相等。

如图4所示，压力补偿腔c通过喉阀短节31壁上的压力补偿孔311与井眼环空连通，其内部压力与井眼环空钻井液液柱压力相等。

设井眼环空钻井液液柱压力为p1，钻柱内钻井液压力为p2，压力补偿腔c对应的活塞环形承压面面积为ac，活塞上端承压面面积a1，活塞下端承压面面积为a2。由于压力补偿腔c对应的活塞环形承压面面积ac与活塞下端承压面面积a2之和等于活塞上端承压面面积a1，可以得到ac+a2＝a1(公式1)。由于井眼环空钻井液液柱压力p1小于钻柱内钻井液压力p2，可以得到p1＜p2(公式2)。

在不需要产生钻井液正压力脉冲时，控制阀短节2中的输出液路62通过下径向分支孔632、控制阀芯51与泄压孔x连通，从而与井眼环空导通，此时输出液路62压力与井眼环空钻井液液柱压力p1相等，其所输出的压力控制信号为低压控制信号。如图2、图3所示，低压控制信号(环空钻井液液柱压力p1)通过输出液路62、径向连通孔64、导流槽23传导至主脉冲器3内部的液压系统7中。如图4所示，低压控制信号作用在活塞71的上端承压面，而此时由于喉阀弹性体81的压力传导作用，活塞腔h中的液压油压力p与钻柱内钻井液压力p2相等，该压力作用在活塞71的下端承压面，另外，压力补偿腔c内部压力作用在其对应的活塞环形承压面。结合公式1和公式2，可知此时条件满足p1×a1＜p1×ac+p2×a2，即活塞71下端所受压力大于上端所受压力。此时，活塞71被控制阀短节2挡住，保持不动，不会引起喉阀弹性体81动作，如图5所示。

当需要产生钻井液正压力脉冲时，首先电脉冲信号传递给脉冲信号驱动控制电路，然后电路将会对电机52输出驱动电能，使电机52通过联轴器带动控制阀芯51旋转180°，此时控制阀短节2中的输出液路62通过下径向分支孔632、控制阀芯51、上径向分支孔631与高压液路61连通，从而与钻柱内水眼4导通，此时输出液路62压力与钻柱内钻井液压力p2相等，其所输出的压力控制信号为高压控制信号。如图2、图3所示，高压控制信号(钻柱内钻井液压力p2)通过输出液路62、径向连通孔64、导流槽23传导至主脉冲器3内部的液压系统7中。如图4所示，高压控制信号作用在活塞71的上端承压面，而此时由于喉阀弹性体81的压力传导作用，活塞腔h中的液压油压力p与钻柱内钻井液压力p2相等，该压力作用在活塞71的下端承压面，另外，压力补偿腔c内部压力作用在其对应的活塞环形承压面。结合公式1和公式2，可知此时条件满足p2×a1＞p1×ac+p2×a2，即活塞71上端所受压力大于下端所受压力。此时，活塞71沿轴线方向在活塞套72中向下滑动，挤压活塞腔h中的液压油通过活塞套72上的过油孔73不断向喉阀弹性体81外壁聚集，从四周向中轴线方向挤压喉阀弹性体81外壁，如图6所示，在此过程中，随着液压油不断挤压喉阀弹性体81外壁，液压油压力p不断升高，超过作用在喉阀弹性体81内壁上的钻柱内钻井液压力p2，使喉阀弹性体81产生弹性变形，变形部分从三个截流孔821中伸出，缩小水眼截流处过流截面822的截面积，限制钻井液流体q的流动，从而使钻柱内钻井液压力升高，产生钻井液正压力脉冲。

随后，脉冲信号驱动控制电路再次对电机52输出驱动电能，使电机52通过联轴器再次带动控制阀芯51旋转180°，控制阀芯51回复到不产生钻井液正压力脉冲的状态，此时控制阀短节2中的输出液路62通过下径向分支孔632、控制阀芯51与泄压孔x再次连通，从而与井眼环空导通，此时输出液路62压力与井眼环空钻井液液柱压力p1相等，其所输出的压力控制信号再次变为低压控制信号。与不需要产生钻井液正压力脉冲时相同，低压控制信号(环空钻井液液柱压力p1)传导至主脉冲器3内部的液压系统7中，作用在活塞71的上端承压面，此时活塞腔h中的液压油压力p仍为产生钻井液正压力脉冲时受活塞71挤压升高后的压力，等于钻井液正压力脉冲峰值压力，作用在活塞71的下端承压面，另外，压力补偿腔c内部压力作用在其对应的活塞环形承压面。结合公式1和公式2，可知此时条件满足p1×a1＜p1×ac+p×a2，即活塞71下端所受压力大于上端所受压力。此时，活塞71沿轴线方向在活塞套72中向上滑动，直到活塞71被控制阀短节2挡住为止。在此过程中，随着活塞71向上滑动，活塞腔h逐渐增大，喉阀弹性体81外壁处的液压油逐渐回到活塞腔h中，不再挤压喉阀弹性体81外壁，液压油压力p降低，小于作用在喉阀弹性体81内壁上的钻井液正压力脉冲峰值压力，喉阀弹性体81开始逐渐恢复原状，水眼截流处过流截面822的截面积逐渐增大，不再限制钻井液流体q的流动，如图5所示，从而使钻柱内钻井液压力从脉冲峰值降低至与不产生钻井液正压力脉冲时相同，至此一个钻井液正压力脉冲产生完毕。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。