一种单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器的制作方法

本发明属于石油钻井技术领域，尤其涉及一种单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器。

背景技术：

随着自动化钻井技术的发展，人们需要越来越快的获取尽可能多的井下信息，这对井下信息传输技术提出了更高的要求。井下信息传输技术按传输介质的不同可分为有线电缆法、声波法、钻井液脉冲法和电磁波法等，而钻井液脉冲法在随钻测量技术中应用最为广泛，其中连续波传输方式属于频带传输，速率相对较高，抗干扰能力较强，因此具有广阔的应用前景。

产生连续波的核心部件是连续波信号发生器，按工作原理主要分为剪切阀式和旋转阀式。剪切阀式连续波信号发生器的转阀转子往复旋转摆动，产生的信号可以具有更高的传输速率，并且具有较好的防堵塞能力，可有效降低设备维护成本，因此，剪切阀式连续波信号发生器具有更好的应用前景。当剪切阀式连续波信号发生器工作时，电机通过驱动轴带动转阀转子，使其在阀口全开和全闭之间摆动，从而周期性地改变钻井液的流通面积，进而产生具有不同特征的钻井液压力波。目前，国内外关于剪切阀型连续波信号发生器的研究主要集中在剪切阀阀口形状及电机控制方面，而对于电机和转阀转子的连接方式均采用传统的直接连接方式，这使得剪切阀式连续波信号发生器在工作时，转阀转子需要频繁高速正转和反转，进而实现转阀转子相对于定子的快速摆动，使得驱动电机频繁从静止加速和减速至静止，这种方式会导致电机高速旋转下的位置和速度控制难度变大，进而不易产生高频的连续波信号，同时也会大幅度增加井下驱动功耗和降低驱动电机的寿命，不利于连续波信号发生器长时间的井下工作。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器，通过在电机和转阀之间增加齿轮轴摆和摆动盘，使齿轮轴摆与摆动盘组成曲柄摇杆机构，从而通过齿轮轴摆带动摆动盘控制转阀转子在阀口全开和全闭之间摆动，而电机可以实现单向连续旋转。这种方式可减小电机的控制难度，同时延长电机的使用寿命，适用于随钻测量和随钻测井的井下数据无线传输系统，具有结构简单、易于控制、使用时间长、产生信号质量高的特点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器，包括驱动部分、电机运动转换装置和转阀部分；

其中驱动部分包括电机和传动轴，所述传动轴的下轴端通过联轴器与电机的输出轴端相连；

电机运动转换装置包括摆动盘、齿轮轴摆和齿轮组以及中连接筒；所述中连接筒罩于摆动盘、齿轮轴摆和齿轮组的外周；

所述摆动盘的盘体下表面设置有过轴心的径向滑槽，所述摆动盘的盘体上表面设置有过轴心的垂直连接轴筒；

所述传动轴的上轴端通过轴承插接于摆动盘的盘体中心轴孔处；

所述齿轮轴摆有两个，对称地设置在传动轴的两侧，所述传动轴和两个齿轮轴摆均通过轴承支座相对中连接筒可转动固定；

所述齿轮组包括三个齿轮，且三个齿轮并排相邻啮合地分别固定在传动轴和两个齿轮轴摆上，所述齿轮轴摆的上端设置有一平台，所述平台的上表面靠近边缘设置有一偏心凸起，所述偏心凸起与摆动盘盘体下表面的径向滑槽滑动配合；

转阀部分包括转阀定子、转阀转子和驱动轴；所述驱动轴的下轴端插接于摆动盘盘体上表面的垂直连接轴筒中，所述驱动轴的上轴端与转阀转子插接相连，所述转阀定子与转阀转子相互配合。

进一步优选地，所述转阀部分还包括靠近驱动轴上端设置的导流套，所述导流套内绕驱动轴安装有旋转密封套，所述旋转密封套采用橡胶耐冲蚀材料。

进一步优选地，所述中连接筒内设置有一孔台，所述孔台上对应传动轴和两个齿轮轴摆并排开有三个孔，三个孔内均放置有轴承组，所述传动轴和两个齿轮轴摆对应分别穿过三个孔内的轴承组进而相对中连接筒可转动固定。

进一步优选地，所述转阀部分还包括罩于转阀定子和转阀转子外周以及驱动轴上部外周的上悬挂筒，所述上悬挂筒的上端顶部配有定子压盖，所述定子压盖的外侧垂直设置有外伸打捞头。

进一步优选地，所述定子压盖与悬挂筒之间为螺纹连接，所述打捞头与定子压盖通过螺纹连接。

进一步优选地，所述转阀部分还包括靠近驱动轴下端设置的磁力耦合器。

进一步优选地，所述上悬挂筒的下端插接有连接件，所述连接件套于驱动轴下部外周以及磁力耦合器外周上。

进一步优选地，所述驱动部分还包括旋转变压器，所述旋转变压器与电机相连。

进一步优选地，所述旋转变压器和电机的外周罩有下保护筒，所述下保护筒的底部位于旋转变压器端设置有尾部密封结构。

进一步优选地，所述中连接筒的下端与下保护筒的上端插接，所述中连接筒的上端与连接件的下端插接。

本发明提供的单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器，采用三角型阀口时，产生的泥浆脉冲信号相对于其他泥浆脉冲信号幅值更大，且在钻井液高压状态持续的时间更长，信号具有较高的分辨率。

本发明提供的单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器，工作时，电机在驱动信号的驱动下连续旋转并通过联轴器和传动轴带动齿轮组啮合转动，齿轮组带动齿轮轴摆转动，而齿轮轴摆上端平台上的偏心凸起与摆动盘盘体下表面的径向滑槽配合滑动进而推动摆动盘转动，此时摆动盘通过驱动轴带动转阀转子相对转阀定子转动，当摆动盘达到最大旋转角度后转阀达到全闭位置，随后摆动盘在偏心凸起的推动下反向旋转，带动转阀旋转至反向全闭位置时停止，从而产生具有较高分辨率的泥浆脉冲信号。

本发明提供的单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器，驱动部分主要是在驱动信号的作用下通过电机的旋转从而为转阀部分的旋转提供动力；转阀部分主要是通过转阀转子的旋转实现钻井液流通面积的变换，从而产生钻井液压力波；电机运动转换装置主要是将电机的往复式旋转变为单向连续旋转；具体地，通过在电机和转阀之间增加齿轮轴摆和摆动盘，使齿轮轴摆与摆动盘组成曲柄摇杆机构，从而通过齿轮轴摆带动摆动盘控制转阀转子在阀口全开和全闭之间摆动，而电机可以实现单向连续旋转；其可减小电机的控制难度，同时延长电机的使用寿命，适用于随钻测量和随钻测井的井下数据无线传输系统，具有结构简单、易于控制、使用时间长、产生信号质量高的特点。

本发明提供的单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器，具有结构简单、易于控制、使用时间长、产生信号质量高等特点。具体地：

1)通过齿轮轴摆与摆动盘的组合，使电机由原先的往复式旋转变为单向连续旋转，降低了电机运动的复杂性，进而减小了电机的控制难度，同时也有利于高频信号的产生；

2)摆动盘与齿轮轴摆通过偏心凸起构成曲柄连杆机构，使得摆动盘在曲柄连杆机构的死点位置停留较长时间，该位置对应转阀转子全闭状态，这使得产生的钻井液脉冲具有较大的幅值且高压状态可持续较长时间，从而提高了钻井液脉冲信号的质量；

3)使用旋转密封套代替压力平衡装置，简化了泥浆脉冲发生器的结构，降低了泥浆脉冲发生器的成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明脉冲发生器的整体剖视图；

图2为本发明脉冲发生器中驱动部分的剖视图；

图3为本发明脉冲发生器中电机运动转换装置的剖视图；

图4为本发明脉冲发生器中电机运动转换装置的结构示意图；

图5为本发明脉冲发生器中电机运动转换装置的原理示意图；

图6为本发明脉冲发生器中转阀部分的剖视图；

图7为本发明脉冲发生器产生的连续波信号图。

其中：1、打捞头；2、定子压盖；3、上悬挂筒；4、转阀定子；5、转阀转子；6、导流套；7、旋转密封套；8、连接件；9、驱动轴；10、磁力耦合器；11、摆动盘；11a、径向滑槽；11b、垂直连接轴筒；12、中连接筒；13、齿轮轴摆；13a、平台；13b、偏心凸起；14、传动轴；15、联轴器；16、电机；17、旋转变压器；18、下保护筒；19、尾部密封装置；20.齿轮组。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在：采用传统的电机和转阀转子的连接方式，这使得剪切阀式连续波信号发生器在工作时，转阀转子需要频繁高速正转和反转，进而实现转阀转子相对于定子的快速摆动，使得驱动电机频繁从静止加速和减速至静止，这种方式会导致电机高速旋转下的位置和速度控制难度变大，进而不易产生高频的连续波信号，同时也会大幅度增加井下驱动功耗和降低驱动电机的寿命，不利于连续波信号发生器长时间的井下工作等不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出一种单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-6所示，一种单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器，包括驱动部分、电机运动转换装置和转阀部分；

其中驱动部分包括电机16和传动轴14，所述传动轴14的下轴端通过联轴器15与电机16的输出轴端相连；

电机运动转换装置包括摆动盘11、齿轮轴摆13和齿轮组20以及中连接筒12；所述中连接筒12罩于摆动盘11、齿轮轴摆13和齿轮组20的外周；

所述摆动盘11的盘体下表面设置有过轴心的径向滑槽11a，所述摆动盘11的盘体上表面设置有过轴心的垂直连接轴筒11b；

所述传动轴14的上轴端通过轴承插接于摆动盘11的盘体中心轴孔处；

所述齿轮轴摆13有两个，对称地设置在传动轴14的两侧，所述传动轴14和两个齿轮轴摆13均通过轴承支座相对中连接筒12可转动固定；具体地，所述中连接筒12内设置有一孔台，所述孔台上对应传动轴14和两个齿轮轴摆13并排开有三个孔，三个孔内均放置有轴承组，所述传动轴14和两个齿轮轴摆13对应分别穿过三个孔内的轴承组进而相对中连接筒12可转动固定；所述齿轮组20包括三个齿轮，且三个齿轮并排相邻啮合地分别固定在传动轴14和两个齿轮轴摆13上，所述齿轮轴摆13的上端设置有一平台13a，所述平台13a的上表面靠近边缘设置有一偏心凸起13b，所述偏心凸起13b与摆动盘11盘体下表面的径向滑槽11a滑动配合；在此，偏心凸起13b与径向滑槽11a之间的间隙很小，可有效降低偏心凸起13b与径向滑槽11a壁间的碰撞而产生的振动；在此，驱动部分与电机运动转换装置通过传动轴14连接，传动轴14与齿轮组20的中间齿轮之间为过盈配合，且传动轴14可通过其上的键传递扭矩从而带动齿轮组20的中间齿轮旋转；另外，当脉冲发生器工作时，传动轴14带动中间齿轮转动，中间齿轮通过齿轮间的啮合带动两侧齿轮转动，此时偏心凸起13b由于齿轮的转动从而在摆动盘11盘体下表面的径向滑槽11a内滑动并推动摆动盘11旋转，当偏心凸起13b推动摆动盘11旋转至22.5°时到达最大旋转角度，此时转阀为全闭状态，随后偏心凸起13b推动摆动盘11反向旋转45°，使转阀到达另一全闭状态，从而实现转阀转子的摆动；在此，偏心凸起13b设置在可推动摆动盘11相对水平位置最大旋转角度为22.5°的位置处；

转阀部分包括转阀定子4、转阀转子5和驱动轴9；所述驱动轴9的下轴端插接于摆动盘11盘体上表面的垂直连接轴筒11b中，所述驱动轴9的上轴端与转阀转子5插接相连，所述转阀定子4与转阀转子5相互配合。

优选地，所述转阀部分还包括靠近驱动轴9上端设置的导流套6，所述导流套6内绕驱动轴9安装有旋转密封套7，所述旋转密封套7采用橡胶材料，具有较好的柔性，可随驱动轴9的旋转发生相应的变形，且使得旋转密封套7与驱动轴9接触的部分无相对滑动，从而降低了旋转密封套7的磨损程度，同时旋转密封套7采用耐冲蚀的材料，可适应井下钻井液冲蚀的环境，以上特性可较大程度的延长旋转密封套7的使用寿命，进而增加脉冲发生器的工作时间。

优选地，所述转阀部分还包括靠近驱动轴9下端设置的磁力耦合器10。在此，通过磁力耦合器10可使得转阀定子4与转阀转子5相互作用进而减小脉冲发生器的负载转矩，以致于减小电机输出轴端负载转矩，以期达到节能的目的。

优选地，所述转阀部分还包括罩于转阀定子4和转阀转子5外周以及驱动轴9上部外周的上悬挂筒3，所述上悬挂筒3的上端顶部配有定子压盖2，所述定子压盖2与悬挂筒3之间为螺纹连接，所述定子压盖2的外侧垂直设置有外伸打捞头1，所述打捞头1与定子压盖2通过螺纹连接；所述上悬挂筒3的下端插接有连接件8，所述连接件8套于驱动轴9下部外周以及磁力耦合器10外周上，且连接件8的下端与中连接筒12的上端与插接。

优选地，所述驱动部分还包括旋转变压器17，所述旋转变压器17与电机16相连，在此旋转变压器17为控制电机16提供编码信号，以控制电机16的精确旋转，所述旋转变压器17和电机16的外周罩有下保护筒18，所述下保护筒18的底部位于旋转变压器17端设置有尾部密封结构19。在此，下保护筒18和尾部密封结构19主要是为了保护置于其内的电机16和旋转变压器17，起到与外界隔绝密封的作用。

优选地，所述中连接筒12的下端与下保护筒18的上端插接，所述中连接筒12的上端与连接件8的下端插接。

本发明提供的单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器，采用三角型阀口时，产生的泥浆脉冲信号相对于其他泥浆脉冲信号幅值更大，且在钻井液高压状态持续的时间更长，信号具有较高的分辨率，如图7所示。

本发明提供的单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器，工作时，电机16在驱动信号的驱动下连续旋转并通过联轴器15和传动轴14带动齿轮组啮合转动，齿轮组20带动齿轮轴摆13转动，而齿轮轴摆13上端平台13a上的偏心凸起13b与摆动盘11盘体下表面的径向滑槽11a配合滑动进而推动摆动盘11转动，此时摆动盘11通过驱动轴9带动转阀转子5相对转阀定子4转动，当摆动盘11达到最大旋转角度后转阀达到全闭位置，随后摆动盘11在偏心凸起13b的推动下反向旋转，带动转阀旋转至反向全闭位置时停止，从而产生具有较高分辨率的泥浆脉冲信号。

本发明提供的单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器，驱动部分主要是在驱动信号的作用下通过电机的旋转从而为转阀部分的旋转提供动力；转阀部分主要是通过转阀转子的旋转实现钻井液流通面积的变换，从而产生钻井液压力波；电机运动转换装置主要是将电机的往复式旋转变为单向连续旋转；具体地，通过在电机和转阀之间增加齿轮轴摆和摆动盘，使齿轮轴摆与摆动盘组成曲柄摇杆机构，从而通过齿轮轴摆带动摆动盘控制转阀转子在阀口全开和全闭之间摆动，而电机可以实现单向连续旋转；其可减小电机的控制难度，同时延长电机的使用寿命，适用于随钻测量和随钻测井的井下数据无线传输系统，具有结构简单、易于控制、使用时间长、产生信号质量高的特点。

本发明提供的单向连续旋转电机驱动剪切阀式泥浆脉冲发生器，具有结构简单、易于控制、使用时间长、产生信号质量高等特点。具体地：

1)通过齿轮轴摆与摆动盘的组合，使电机由原先的往复式旋转变为单向连续旋转，降低了电机运动的复杂性，进而减小了电机的控制难度，同时也有利于高频信号的产生；

2)摆动盘与齿轮轴摆通过偏心凸起构成曲柄连杆机构，使得摆动盘在曲柄连杆机构的死点位置停留较长时间，该位置对应转阀转子全闭状态，这使得产生的钻井液脉冲具有较大的幅值且高压状态可持续较长时间，从而提高了钻井液脉冲信号的质量；

3)使用旋转密封套代替压力平衡装置，简化了泥浆脉冲发生器的结构，降低了泥浆脉冲发生器的成本。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“下”、“底”、“顶”、“内”、“外”、“正”、“反”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。