一种井下泥浆脉冲发生器的控制系统及方法与流程

本发明属于钻井，更进一步涉及一种井下泥浆脉冲发生器的控制系统及方法。

背景技术：

1、无线随钻测井系统是在定向钻井无线随钻测量仪的基础上发展起来的一种装备，可随钻进过程实时上传井眼轨迹、地层参数以及井下工程参数。随钻测量的无线信息传输方式有多种，其中泥浆脉冲数据传输技术因高可靠性、经济性而应用最为广泛。泥浆脉冲信号传输系统利用井下泥浆脉冲发生器产生一定频率的压力载波信号，将信号编码在其频率或者相位上以实现井下和地面之间的通信。

2、泥浆脉冲发生器，例如schlumberger公司于1993推出的powerpulse mwd仪器使用的连续旋转阀式脉冲发生器，其核心组件是垂直于泥浆流道、以微小间距重叠安装的定子与转子所组成的节流阀，转子相对定子进行旋转或往复运动，使泥浆流道面积不断变化，在阀口处产生变化的压力波。

3、压力波的幅值大小对泥浆脉冲信号传输的质量至关重要，优质的压力波幅值能够在地表检测到，同时又有较明显的特性，使之能与各种噪声区别开来，增加信噪比。

技术实现思路

1、但是压力波信号的传输过程是一个能量交换的过程，由于钻柱的弹性、泥浆压缩性、管壁对泥浆运动质点的摩擦以及泥浆质点之间的摩擦，泥浆信号能量在传输过程中会产生很大的损失。随钻井深度的增加，泥浆脉冲信号的压力波幅呈衰减的情况，影响地面有效识别信号。为此，本技术提供了一种井下泥浆脉冲发生器控制系统及方法，能够产生不同幅值大小的泥浆脉冲信号，以便地面对泥浆脉冲信号进行高效识别。

2、本发明提供了一种井下泥浆脉冲发生器的控制系统，包括地面控制中心、井下控制中心、地面传感模块、泥浆流道、设置于泥浆流道中的泥浆脉冲发生器本体；所述泥浆脉冲发生器本体包括转子、定子、用于驱动转子相对定子旋转的旋转电机、用于调整转子和定子之间间隙的间隙调整单元；所述地面传感模块包括设置于泥浆流道内的地面泥浆压力传感器，所述地面传感模块与所述地面控制中心信号连接，所述地面控制中心用于向井下控制中心输出泥浆脉冲发生器本体工作状态调整信号；所述井下控制中心与间隙调整单元信号连接。

3、如上所述，本技术提供了一种井下泥浆脉冲发生器的控制系统，地面泥浆压力传感器读取传输至地面的压力脉冲信号，地面控制中心通过压力脉冲信号读取井下数据。但是，如果信号幅值过低，不利于信号的有效读取。与现有技术不同的是，本控制系统还有井下控制中心以及与井下控制中心信号连接的间隙调整单元。当地面控制中心识别判断传输至地面的泥浆脉冲信号不满足要求时，对井下发出指令，井下控制中心接收到指令信号之后，分析处理，再通过间隙调整单元调整转子和定子之间的轴向间隙。减小定子和转子的轴向间隙提高压力波幅值，便于地面更高效准确地识别信号。在某些实施方式中，间隙调整单元可以采用旋转电机驱动丝杆传动的形式来驱动转子的在轴向方向移动，以改变转子和定子之间的轴向间隙。

4、更进一步的技术方案为：

5、除了幅值之外，泥浆脉冲信号的频率也非常关键。在本方案中，控制系统还包括井下传感模块，所述井下传感模块与井下控制中心信号连接，所述井下传感模块包括设置于泥浆流道内的井下泥浆压力传感器，所述井下泥浆压力传感器位于泥浆脉冲发生器本体的上游段。靠近泥浆脉冲发生器本体的井下泥浆压力传感器实时监测刚刚产生的泥浆脉冲波形，如果其频率等信号特征不符合规范，井下信号控制中心为核心的井下闭环控制系统能够迅速反馈调整旋转电机转速，以实现产生更为优良的泥浆脉冲信号。

6、为更进一步地监测转子的旋转状态，设置为，所述井下传感器模块还包括转速传感器，所述转速传感器用于测量所述转子的转速；所述井下传感器模块还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器用于测量所述旋转电机输出的转矩。

7、由于井下控制中心可能位于地表以下几千米处，井下与地面通信困难、信号承载能力弱，为了记录井下传感器模块监测到的各种数据，设置为，所述井下控制中心包含存储模块。

8、为了使旋转电机的转速可调，设置为，所述旋转电机是伺服电机，所述旋转电机与井下控制中心信号连接。

9、本技术还提供了一种井下泥浆脉冲发生器的控制方法，基于前述的任一种井下泥浆脉冲发生器的控制系统，所述方法步骤如下：s1地面泥浆压力传感器实时测量泥浆流道内的泥浆压力大小，并将地面泥浆压力信号传输至地面控制中心；s2地面控制中心读取、分析判断测得的泥浆压力值大小，当判断泥浆压力信号的幅值过低时，向井下控制中心输出泥浆脉冲发生器本体工作状态第一调整信号；当判断泥浆压力信号的幅值过高时，向井下控制中心输出泥浆脉冲发生器本体工作状态第二调整信号；当判断泥浆压力信号的幅值适中时，不向井下控制中心输出工作状态调整信号；s3当井下控制中心接收到所述第一调整信号时，控制所述间隙调整单元减小转子和定子之间的间隙；当井下控制中心接收到所述第二调整信号时，控制所述间隙调整单元增大转子和定子之间的间隙；s4井下控制中心记录间隙调整方案。由此，当地面控制中心发现传输至地面的泥浆脉冲压力信号不满足要求、不够优质时候，通过向井下控制中心进行反馈，井下控制中心发出指令减小泥浆脉冲发生器本体的转子和定子之间的间隙，从而提高产生的泥浆压力脉冲波的信号幅值，进而使地面采集到更高幅值的压力脉冲信号，进行更精确的压力脉冲信号特征读取、识别与解析。但是过小的定子与转子之间的轴向间隙，使电机控制难度增大，同时，过小的轴向间隙，也会使定子和转子的附件的零件冲蚀过快，降低井下泥浆脉冲器的使用寿命。为此，在本技术提供的控制方法中，当地面控制中心判断泥浆压力信号的幅值过高时，向井下控制中心输出泥浆脉冲发生器本体工作状态第二调整信号，使得转子和定子之间的间隙增大，减小转子电机的负载、减少功耗，减小转子所受到的水力转矩与冲蚀，提高本控制系统的使用寿命。

10、所述泥浆压力信号幅值的判断过程包括：s2.1基于地面控制中心的历史泥浆脉冲信号解码正确率选取预设的泥浆脉冲压力信号的幅值区间；s2.2地面控制中心读取时间t范围内的泥浆压力脉冲信号，记录该时间范围内的所有压力脉冲波的幅值大小；s2.3取时间t范围内的所有压力脉冲波的幅值大小的平均值作为对比对象，与预设的泥浆脉冲压力信号的幅值区间进行对比。在本特征中，所参考的压力脉冲信号幅值区间基于所应用该方法的设备的地面控制中心的历史数据正确率选取，而非理论固定值，实现了因地制宜的优势效果。

11、所述间隙调整方案的步骤包括：s4.1井下泥浆压力传感器不断测量井下泥浆压力脉冲值大小、转速传感器不断测量转子的转速大小、扭矩传感器不断测量旋转电机的输出转矩大小，井下控制中心读取井下传感模块记录的各测量值并记录至存储模块中；s4.2井下控制中心收到调整信号并通过间隙调整单元完成转子和定子之间间隙的调整，当完成间隙调整后的时间t范围内没有再收到新的调整信号，判断定义为该次间隙调整为成功的间隙调整；s4.3当得到间隙调整成功的判断后，井下控制中心将收到调整信号之前的时间范围t内的所述井下泥浆压力脉冲值大小、转子转速大小、旋转电机输出扭矩大小定义为间隙调整触发条件，将调整完成后的间隙大小与所述间隙调整触发条件组合命名为间隙调整方案并记录存储至所述存储模块；s4.4当井下传感模块测量得到的各测量值发生变化时，井下控制中心读取存储模块，选取具有最接近的间隙调整触发条件的间隙调整方案，根据选取出的间隙调整方案进行间隙调整。本技术特征实现了井下闭环控制系统的自学习功能，在井下环境变化时，井下控制中心能够根据调取历史数据，选取最优的间隙调整方案进行率先调整。

12、当转子和定子之间的轴向间隙过小的时候，转子所受到的水力转矩可能会指数倍地增长，远超旋转电机所能够产生的最大转矩。为此，在本方法中，井下控制中心读取井下泥浆压力传感器测得的泥浆脉冲压力波信号、读取转速传感器测得的转子转速大小，若泥浆压力波频率减小且转子转速减小，井下控制中心控制所述间隙调整单元增加转子和定子之间的间隙大小。以优先使得产生的泥浆脉冲信号频率满足要求。

13、本发明的有益效果是：

14、本发明提供了一种井下泥浆脉冲发生器的控制系统及方法，能够产生不同幅值大小的泥浆脉冲信号，以便地面对泥浆脉冲信号进行高效识别。与现有技术不同的是，本控制系统具有井下控制中心以及与井下控制中心信号连接的间隙调整单元。当地面控制中心识别判断传输至地面的泥浆脉冲信号不满足要求时，对井下发出指令，井下控制中心接收到指令信号之后，分析处理，再通过间隙调整单元调整转子和定子之间的轴向间隙。减小定子和转子的轴向间隙提高压力波幅值，便于地面更高效准确地识别信号。在本技术提供的控制方法中，地面控制中心判断泥浆压力信号的幅值是否位于正确区间，向井下控制中心输出泥浆脉冲发生器本体工作状态调整信号，使得转子和定子之间的间隙改变，从而调整泥浆脉冲信号的幅值大小。