钻具压力脉冲恒幅度调节方法及调节系统与流程

本发明涉及一种钻具压力脉冲恒幅度调节方法及调节系统，属于钻井技术领域。

背景技术：

随钻测量(mwd)技术可实现在钻井过程中将随钻地质测井参数、井眼轨迹参数、钻井参数等数据实时传输至地面监控系统，钻井工程师和地质分析工程师根据当前实时获得的井眼轨迹参数和钻头附近地层地质参数，及时做出决策，实时调整井眼轨迹，使钻头始终在油气层中钻进，以实现油气储层的钻遇率和采收率最大化。

现有技术中，在钻铤部设置有压力脉冲发生器，当泥浆流经压力脉冲发生器时，压力脉冲发生器会产生压力脉冲波，地面设备接收到压力脉冲波后对其进行解码，从而获知地下油井的井眼轨迹以及油藏地质信息。

目前，在钻井过程中，受钻井工艺的影响，泥浆流量需要调整，这就造成压力脉冲波的振幅发生变化，由于钻井深度通常较深，当压力脉冲波振幅变小时，传输到地面后给解码工作增加困难，影响解码速度，以及准确度。常规的压力脉冲发生器的开度需要在钻井前预先调节好，钻井过程中无法自动进行调节，需要下传通信，这就需要占用一定的钻井时间。因此，亟需开发一种能够适应井场流量变化的泥浆脉冲压力波恒幅度自动保持技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钻具压力脉冲恒幅度调节方法，它能够根据泥浆流速的变化，调节压力脉冲发生器的开度大小，从而使其产生恒幅的压力脉冲波，以解决现有技术中的难题。

本发明的另一目的是提供一种钻具压力脉冲恒幅度调节系统，它能够实现上述调节方法，使压力脉冲发生器的开度可根据需求进行调整，以保证压力脉冲波恒幅。

本发明提供了一种钻具压力脉冲恒幅度调节方法，包括以下步骤：

步骤a，获取钻具内压力脉冲发生器后方的泥浆当前流速值，并将所述当前流速值发送给控制器，

步骤b，所述控制器将所述当前流速值与预设流速值进行比较，根据比较结果向所述压力脉冲发生器发送调节指令，

步骤c，根据所述控制器的调节指令，所述压力脉冲发生器调节开度大小。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节方法中，优选地，在所述步骤b中：

所述当前流速值等于所述预设流速值时，重复执行步骤a和步骤b；

所述当前流速值小于所述预设流速值时，所述控制器向所述压力脉冲发生器发送开度调大指令；

所述当前流速值大于所述预设流速值时，所述控制器向所述压力脉冲发生器发送开度调小指令。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节方法中，优选地，还包括步骤d，完成步骤c后，获取所述钻具内压力脉冲发生器后方的泥浆的当前压力值，并将所述当前压力值发送给所述控制器，所述控制器将所述当前压力值与预设压力值进行比较，根据比较结果向所述压力脉冲发生器发送调节指令，根据所述控制器的调节指令，所述压力脉冲发生器再次调节开度大小。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节方法中，优选地，在所述步骤d中，

所述当前压力值大于所述预设压力值时，所述控制器控制所述压力脉冲发生器将开度调小，

所述当前压力值小于所述预设压力值时，所述控制器控制所述压力脉冲发生器将开度调大，

所述当前压力值等于所述预设压力值时，执行步骤a。

一种钻具压力脉冲恒幅度调节系统，包括：

压力脉冲发生器，设于钻铤内，用于产生压力脉冲波，且开度大小可调；

流量测量装置，设于所述压力脉冲发生器的后方，用于测量所述压力脉冲发生器后方的泥浆当前流速值；

控制器，用于接收所述流量测量装置测量的所述当前流速值，并与预设流速值进行比较，根据比较结果向所述压力脉冲发生器发送开度调节指令。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节系统中，优选地，所述流量测量装置包括叶轮和第一角度传感器，所述第一角度传感器安装在所述叶轮内。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节系统中，优选地，还包括发电机组件，所述发电机组件与所述控制器电连接，所述发电机组件的转子与所述叶轮固定连接。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节系统中，优选地，所述压力脉冲发生器包括电机、阀座、阀芯、丝杆和安装套，所述钻铤内具有电机安装腔，所述电机安装在所述电机安装腔内，所述丝杆固定安装在所述电机的转轴上，所述安装套与所述丝杆螺纹连接，所述阀芯与所述安装套固定连接，所述阀座固定在所述钻铤内，所述钻铤内设置安装座，所述安装套与所述安装座活动连接，所述安装座用于限制所述安装套的周向自由度。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节系统中，优选地，所述压力脉冲发生器包括电机、阀座和调节盘，所述钻铤内具有电机安装腔，所述电机安装在所述电机安装腔内，所述阀座固定在所述钻铤内，所述调节盘固定安装在所述电机的转轴上，所述阀座和所述调节盘均设有通孔。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节系统中，优选地，所述转轴的尾端安装有第二角度传感器。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节系统中，优选地，还包括压力测量机构，所述压力测量机构设置在所述钻铤外侧壁上，所述压力测量机构包括传感器组件和密封件，所述钻铤的外侧壁上开设有安装槽，所述密封件扣合在所述安装槽上并通过螺栓进行固定，所述传感器组件固定安装在所述安装槽内，所述安装槽内设有与所述钻铤的中心流道连通的进液孔，所述传感器组件的进液端与所述进液孔连通。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节系统中，优选地，所述安装槽包括第一槽体和第二槽体，所述第二槽体开设在所述第一槽体的槽底上，所述密封件包括一体式结构的盖板部和限位部，所述盖板部与所述第一槽体的形状大小相同，所述限位部与所述第二槽体的形状大小相同，所述盖板部的两端分别开设有一个台阶孔，所述第一槽体内设有与所述台阶孔相对设置的螺纹孔。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节系统中，优选地，所述第二槽体的底部设有下容纳槽，所述限位部的底部设有上容纳槽，所述上容纳槽与所述下容纳槽相对设置，所述传感器组件安装在所述上容纳槽与所述下容纳槽构成的空间内，所述进液孔的一端位于所述下容纳槽内，另一端与所述中心流道连通。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节系统中，优选地，还包括线束孔，所述线束孔的一端位于所述下容纳槽内，另一端与所述钻铤的走线孔连通。

前述的钻具压力脉冲恒幅度调节系统中，优选地，所述传感器组件包括护套、连接头和传感器，所述护套的一端的侧壁上沿径向开设有第一安装孔，所述护套另一端沿轴向开设有第二安装孔，所述第一安装孔与所述第二安装孔通过流道连通，所述连接头的一端固定安装在所述第一安装孔内，所述传感器固定安装在所述第二安装孔内。

与现有技术相比，本发明提供了一种钻具压力脉冲恒幅度调节方法，通过实时测量钻具内的泥浆流速来判断应该如何对压力脉冲发生器的开度进行调节，通过对压力脉冲发生器的开度调节实现压力脉冲波的振幅恒定，以解决现有技术中压力脉冲波振幅不稳定增加解码难度的问题。

本发明还提供了一种钻具压力脉冲恒幅度调节系统，包括：压力脉冲发生器、流量测量装置和控制器，控制器接收流量测量装置测量的泥浆当前流速值，并与预设流速值进行比较，并向所述压力脉冲发生器发送开度调节指令，实现压力脉冲发生器开度调节，以使压力脉冲发生器产生的压力脉冲波恒幅。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是图1中压力测量机构的放大图；

图3是压力脉冲发生器的一种结构示意图；

图4是压力脉冲发生器的另一种结构示意图；

图5是钻铤安装压力测量机构部位的剖视图；

图6是密封件的轴测图；

图7是密封件的仰视图；

图8是传感器组件剖视图。

附图标记说明：1-压力脉冲发生器，2-钻铤，3-流量测量装置，4-控制器，5-叶轮，6-第一角度传感器，7-发电机组件，8-转子，9-电机，10-阀座，11-阀芯，12-丝杆，13-安装套，14-电机安装腔，15-转轴，16-安装座，17-调节盘，18-通孔，19-第二角度传感器，20-压力测量机构，21-传感器组件，22-密封件，23-安装槽，24-进液孔，25-第一槽体，26-第二槽体，27-盖板部，28-限位部，29-台阶孔，30-螺纹孔，31-中心流道，32-下容纳槽，33-上容纳槽，34-走线孔，35-护套，36-连接头，37-传感器，38-第一安装孔，39-第二安装孔，40-流道，41-线束孔，42-联轴器，43-导向槽，44-导向轨，45-密封圈，46-拆卸孔，47-第二定位孔，48-第一定位孔，49-环槽，50-限位卡簧，51-通孔，52-限位销。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明的实施例：一种钻具压力脉冲恒幅度调节方法，包括以下步骤：

步骤a，获取钻具内压力脉冲发生器后方的泥浆当前流速值，并将当前流速值发送给控制器，

步骤b，控制器将当前流速值与预设流速值进行比较，根据比较结果向压力脉冲发生器发送调节指令，当前流速值与预设流速值的具体比较方法为：

当前流速值等于预设流速值时，重复执行步骤a和步骤b；

当前流速值小于预设流速值时，控制器向压力脉冲发生器发送开度调大指令；

当前流速值大于预设流速值时，控制器向压力脉冲发生器发送开度调小指令；

步骤c，根据控制器的调节指令，压力脉冲发生器调节开度大小。

通常来说，完成步骤c后已经可以实现压力脉冲波的恒幅，但为了提高本发明的工作精度，在一种优选地实施方式中，还增加了微调方法，具体包括步骤d，完成步骤c后，获取钻具内压力脉冲发生器后方的泥浆当前压力值，并将当前压力值发送给控制器，控制器将当前压力值与预设压力值进行比较，根据比较结果向压力脉冲发生器发送调节指令，根据控制器的调节指令，压力脉冲发生器再次调节开度大小；

当前压力值大于预设压力值时，控制器控制压力脉冲发生器将开度调小，

当前压力值小于预设压力值时，控制器控制压力脉冲发生器将开度调大，

当前压力值等于预设压力值时，执行步骤a进入下一个调节循环。

下面本发明提供一种实现上述调节方法的具体调节系统。

如图1所示，一种钻具压力脉冲恒幅度调节系统，包括：

压力脉冲发生器1，设于钻铤2内，用于产生压力脉冲波，且开度大小可调；

流量测量装置3，同样设于钻铤2内，位于压力脉冲发生器1的后方，本实施例中所述的前方和后方是针对于钻铤2来说的，钻铤2设有钻头的一端为前方，另一端为后方，流量测量装置3用于测量压力脉冲发生器1后方的泥浆当前流速值；

控制器4，设置在钻铤2的外侧壁上，用于接收流量测量装置3测量的当前流速值，并与预设流速值进行比较，并向压力脉冲发生器1发送开度调节指令。

钻铤2内部的泥浆流经流量测量装置3时，流量测量装置3测出泥浆的当前流速值，并将其发送给控制器4，控制器4将获取的当前流速值与预设流速值进行比较，当前流速值等于预设流速值时，压力脉冲发生器1无需调整，当前流速值小于预设流速值时，控制器向压力脉冲发生器1发送开度调大指令，压力脉冲发生器1将开度调大；当前流速值大于预设流速值时，控制器向压力脉冲发生器1发送开度调小指令，压力脉冲发生器1将开度调小。通过对压力脉冲发生器1开度的调节，使钻铤2内的泥浆流速等于预设值，当钻铤2内的泥浆流速相同时则流经压力脉冲发生器1的泥浆流速是稳定的，则压力脉冲发生器1产生的压力脉冲波为恒幅的。

具体地，流量测量装置3包括叶轮5和第一角度传感器6，第一角度传感器6安装在叶轮5内。当泥浆流过叶轮5时，带动叶轮5旋转，叶轮5带动第一角度传感器6旋转，第一角度传感器6测出叶轮5的转速，控制器4则可将转速信息转换成当前的泥浆流速。

由于本发明的控制器4和压力脉冲发生器1均需要用电，如果单独设置电池则存在需要更换电池的问题，如果从电源引线供电则需要对钻铤2的结构做特殊处理，提高了加工难度，因此为了解决供电问题，本实施例还设置了发电机组件7，发电机组件7设置在钻铤2的内部，其与控制器4电连接，控制器4与压力脉冲传感器1电连接，发电机组件7的转子8与叶轮5固定连接。叶轮5在旋转的同时，会带着发电机组件7的转子8旋转，从而使发电机组件7发电。这样就有效降低了钻铤2的加工难度，还解决了供电问题。

压力脉冲发生器1是本发明的核心部件，其可采用多种结构形式，本发明介绍两种优选方案：

方案一：如图1和图3所示，压力脉冲发生器1包括电机9、阀座10、阀芯11、丝杆12和安装套13，钻铤2内具有圆筒结构的电机安装腔14，电机安装腔14沿钻铤2的轴向布置，其外壁与钻铤2的内壁之间为流道，流经压力脉冲传感器1的泥浆通过所述流道向钻铤2的后方流去，电机9安装在电机安装腔14内，电机9与控制器4电连接，丝杆12通过联轴器42固定安装在电机9的转轴15上，安装套13的中心位置具有内螺纹孔，安装套13通过螺纹与丝杆12螺接，阀芯11与安装套13固定连接，阀座10固定在钻铤2内，阀座10的中心具有供泥浆流过的通孔，钻铤2内设置安装座16，安装套13与安装座16插接连接，且可沿安装座16的轴向移动，安装座16还用于限制安装套13的周向自由度，安装座16上具有沿轴向布置的导向槽43，安装套13的外壁上具有沿其长度方向布置的导向轨44，通过导向轨44与导向槽43的配合限制安装套13的周向自由度，即安装套13相对于安装座16无法转动，当然这只是限制周向自由度的一种方式，也可通过其他方式来实现，例如将安装套13的外形做成多边形，安装座16上开设与安装座13配合的多边形孔。转轴15的尾端安装有第二角度传感器19。

工作原理：当电机9收到控制器4的调节指令后，开始工作，当转轴15转动时，带动丝杠12转动，丝杠12驱动安装套13沿轴向移动，从而改变阀芯11的位置，当阀芯11相对于阀座10的位置发生改变时，则会改变阀座10上通孔的可流通面积，从而实现开度大小的调节。通过丝杠12和第二角度传感器19的设置，可以对阀芯11的位置做精准控制，通过第二角度传感器19可以测量出转轴15的旋转角度及旋转圈数，丝杠12上的螺距是固定的，因此转轴15转动一圈阀芯11的位移是固定的，这样便可实现对阀芯11的精准调整。

方案二：如图4所示，压力脉冲发生器1包括电机9、阀座10和调节盘17，钻铤2内具有圆筒状电机安装腔14，电机9安装在电机安装腔14内，电机9与控制器4电连接，阀座10固定在钻铤2内，调节盘17固定安装在电机9的转轴15上，阀座10和调节盘17均设有通孔18。转轴15的尾端安装有第二角度传感器19(第二角度传感器19在图4中未示出，可参考方案一的图1)。

工作原理：电机9收到控制器4的调节指令后，根据指令旋转相应的角度，随着转轴15的旋转，安装在其端部的调节盘17也随之旋转，随着调节盘17的旋转，其上的通孔18与阀座10上的通孔18重合面积发生变化，从而实现开度大小的调节。本方案具有调节精准，结构更加简单的优点。

为了提高本发明的调节精度，还设置了微调装置，请结合图1和图2，还包括压力测量机构20，压力测量机构20设置在钻铤2的外侧壁上，压力测量机构20包括传感器组件21和密封件22，钻铤2的外侧壁上开设有安装槽23，密封件22扣合在安装槽23上并通过螺栓进行固定，传感器组件21固定安装在安装槽23内，安装槽23内设有与钻铤2的中心流道31连通的进液孔24，传感器组件21的进液端与进液孔24连通。传感器组件21与控制器4电连接。

当压力脉冲发生器1完成初步调整后，需要对其进行微调，如果压力脉冲发生器1的调整符合要求，则钻铤2内的泥浆压力应当与预设压力值相等，如果不相等则需要对压力脉冲发生器1进行微调。泥浆通过中心流道31进入到进液孔24内，并流入传感器组件21的测压力端，当传感器组件21测到泥浆当前压力值时，将其传递给控制器4，控制器4判断如何对压力脉冲发生器1做进一步调整。此处需要说明的是，传感器组件21既可采用有线式传感器，也可采用无线式传感器，为了保证数据传输的准确度，本实施例优选采用有线式传感器。

如图5和图6所示，优选地，安装槽23包括沿钻铤2径向开设的第一槽体25和第二槽体26，第二槽体26开设在第一槽体25的槽底上，密封件22包括一体式结构的盖板部27和限位部28，盖板部27与第一槽体25的形状大小相同，限位部28与第二槽体26的形状大小相同，盖板部27的两端分别开设有一个台阶孔29，第一槽体25内设有与台阶孔29相对设置的螺纹孔30。限位部28的外壁上设有密封圈45。需要说明的是，第一槽体25和第二槽体26的形状无需做具体限制，只要能够满足使用需求即可，本实施例优选地，第一槽体25采用长方形槽，第二槽体26采用中间为长方形，两端为半圆形的槽。限位部28外壁上的密封圈45起密封作用，防止钻铤2外部的泥浆进入到第二槽体26内，一旦泥浆进入到第二槽体26内则会影响传感器组件21的正常工作。当然密封圈45也可设置在第二槽体26的侧壁上，为了提高密封效果，还可同时在第一槽体25的顶面或盖板部27的底面上设置密封圈。

此外，钻铤2在工作时是高速旋转的，因此盖板部27的顶面优选采用弧形面，也就是说，当盖板部27安装固定好后，盖板部27与钻铤2构成一个完整的圆柱形。这样在工作时，盖板部27的边缘不会受到泥浆的冲刷，有效保护密封件22。当然，采用这种结构存在不便拆卸的问题，为此，如图6所示，盖板部27的顶部设有至少两个拆卸孔46，本实施例优选设置4个拆卸孔46，盖板部27的四个角分别设置一个，拆卸孔46为盲孔。通过拆卸孔46的设置则可通过工具轻松拆卸密封件22。

为了保证传感器的正产工作，需要防止液体(泥浆)进入到第二槽体26内，做好密封工作是非常关键的，具体地，请结合图5和图7，第二槽体26的底部设有下容纳槽32，限位部28的底部设有上容纳槽33，上容纳槽33与下容纳槽32相对设置，传感器组件21安装在上容纳槽33与下容纳槽32构成的空间内，进液孔24的一端位于下容纳槽32内，另一端与中心流道31连通。由于本发明采用有线式传感器组件21，因此还设置了线束孔41，线束孔41的一端位于下容纳槽32内，另一端与钻铤2的走线孔34连通。

如图2和图8所示，传感器组件21包括护套35、连接头36和传感器37，护套35的一端的侧壁上沿径向开设有第一安装孔38，护套35另一端沿轴向开设有第二安装孔39，第一安装孔38与第二安装孔39通过流道40连通，连接头36的一端固定安装在第一安装孔38内，传感器37固定安装在第二安装孔39内。护套35优选采用绝缘防水材质，这样，即使液体意外进入到第二槽体26内，护套35也会保护传感器37，防止短路，使传感器37能够正常工作。优选地，连接头36的两端均设置有密封圈，防止液体从连接头36处泄漏。

由于液体(泥浆)与传感器37的感应端接触，因此传感器37的感应端与护套35应当密封安装，为了防止传感器37蹿动，优选在第二安装孔39的开口端内壁上开设环槽49，环槽49内安装有限位卡簧50。通过限位卡簧50可以固定传感器37，此外，更优选地，传感器37的外壁上具有限位孔，护套35上开设有通孔51，当传感器37在第二安装孔39内安装到位后，限位孔与通孔51相对，通孔51内安装有与限位孔配合的限位销52。通过限位销52的设置可以进一步定位传感器37，防止其沿轴向移动。

由于密封是重中之重，因此除了防止泥浆从传感器组件内部泄漏以外，还应防止泥浆从连接头36与进液孔24的连接处泄漏。如图5和图7所示，上容纳槽33内设有第一定位孔48，下容纳槽32内设有第二定位孔47；传感器组件21上设有与第一定位孔48配合的第一定位销，与第二定位孔47配合的第二定位销。

通过第一定位孔48、第二定位孔47、第一定位销和第二定位销可以有效定位传感器组件21，从而保证连接头36连接处的密封效果，防止漏液。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。