专利名称：一种井下定向探管的储能与电源变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油勘探、开采技术领域，尤其是一种用于无线随钻测量井下定向探管的储能与电源变换装置。
背景技术：
目前，在石油勘探开发领域，随着定向井和水平井施工越来越多，无线随钻测量施工设备需求增加，MWD无线随钻测量仪使用涡轮发电的泥浆脉冲器，由泥浆驱动涡轮发电机发电，提供仪器所需电源，没有更换电池的麻烦。然而存在的问题是在停泵过程中或停泵后，由于涡轮发电机的转速变换较大，容易引起电源电压的波动，直接影响了采集到的定向数据和存储数据的有效性，特别是发电机转速为零时则完全没有电压，这时就无法完成停泵后静态测量定向数据和实时数据的存储。现有技术的MWD无线随钻测量仪的电源装置存在着测量数据的准确性低，探管本身的可靠性差，故障率高，对钻井定向施工影响大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种井下定向探管的储能与电源变换装置，它采用升压与储能电路，达到电源变换与储能目的，实现了在停泵后，在无外部电源的静止状态下，仍然可以提供测量电路的工作电源，完成静态方向数据测量和实时数据的存储，保证控制测量电路完成正常定向数据采集和有效性。本发明的目的是这样实现的一种井下定向探管的储能与电源变换装置，包括由整流稳压电路、过载保护电路和DC/DC电源转换电路组成的电源变换装置，整流稳压电路的输出与过载保护电路的输入连接，过载保护电路的输出与DC/DC电源转换电路的输入连接，其特点是该电源变换装置上设有升压与储能电路和控制电路，升压与储能电路的输入与过载保护电路的输出连接，升压与储能电路的输出与DC/DC电源转换电路的另一输入端连接，控制电路分别与升压与储能电路和DC/DC电源转换电路连接；由泥浆驱动的涡轮发电机产生的三相交流电接入整流稳压电路，三相交流电经整流稳压电路的全波整流和稳压后为电压V1输出一级直流电源并接入过载保护电路，过载保护电路对输人的电压V1进行箝位和限流保护后以电压V2输出，升压与储能电路对输入的电压V2进行升压和储能后由控制电路自动切换以电压V3向DC/DC电源转换电路提供备用电源，DC/DC电源转换电路对输入的电压V2或电压V3进行直流/直流转换成电压V4输出，电压V4为随钻仪器停泵或开泵测量提供直流工作电源。所述升压与储能电路由控制器U8、MOS管T1和电容组C组成，控制器U8的7脚与电容C11和稳压管D11正极并接，稳压管D11负极接电感L1的一端；控制器U8的2脚与电阻 R16> R19> R22和电容C12的一端并接；控制器U8的1脚与电阻R19的一端和电容C12的另一端并接；控制器U8的8脚与电阻R25和电容C16的一端并接；控制器U8的4脚与电阻R25的另一端和电容C18的一端并接；控制器U8的6脚与电阻R20, R24串接；控制器U8的3脚与电阻R21的一端和电容C17的一端并接，电阻R21的另一端与电阻I^23的一端和MOS管T1的S端并接；MOS管T1的G端与电阻R24, R20并接；MOS管T1的D端与电感L15的另一端和二极管D12 正极并接，二极管D12负极与二极管D13正极、电容C14正极和电阻R16的另一端并接；二极管 D13负极和电容C14负极与电容组C并接；电容组C和电容C14的负极、电容C11、C12, C16, C17, C18 C14的另一端、控制器U8的5脚、电阻&2、R23> R24的另一端共接电源地。所述电容组C由数个电容(；并联而成，其中η=2(Γ44。本发明与现有技术相比具有无外部电源的静止状态下仍可以提供测量电路的工作电源，完成静态方向数据测量和实时数据的存储，尤其在涡轮发电机转速变换较大且容易引起电源电压的波动情况下，确保了控制测量电路完成正常定向数据采集，大大提高了测量数据的准确性、有效性和可靠性。
图1为本发明结构示意图； 图2为升压与储能电路示意图。
具体实施例方式参阅附图1，本发明由整流稳压电路1、过载保护电路2、升压与储能电路3、DC/DC 电源转换电路4和控制电路5组成，整流稳压电路1的输出与过载保护电路2的输入连接， 过载保护电路2的输出分别与DC/DC电源转换电路4和升压与储能电路3的输入连接，控制电路5分别连接升压与储能电路3和DC/DC电源转换电路4。参阅附图2，升压与储能电路3由控制器U8、MOS管T1和电容组C组成，控制器U8 的7脚与电容C11和稳压管D11正极并接，稳压管D11负极接电感L1的一端；控制器U8的2 脚与电阻R16> R19> R22和电容C12的一端并接；控制器U8的1脚与电阻R19的一端和电容C12 的另一端并接；控制器U8的8脚与电阻R25和电容C16的一端并接；控制器U8的4脚与电阻R25的另一端和电容C18的一端并接；控制器U8的6脚与电阻R20^R24串接；控制器U8的3 脚与电阻I^21的一端和电容C17的一端并接，电阻Ii21的另一端与电阻I^23的一端和MOS管T1 的S端并接；MOS管T1的G端与电阻1 24、1 2(|并接；MOS管T1的D端与电感L15的另一端和二极管D12正极并接，二极管管D12负极与二极管D13正极、电容C14正极和电阻Rni的另一端并接；二极管D13负极和电容C14负极与电容组C并接，电容组C由数个电容Cn并联而成，其中 η=2(Γ44 ；电容组C和电容C14的负极、电容C11、C12、C16、C17、C18 C14的另一端、控制器U8的5 脚、电阻I^22、R23> R24的另一端共接电源地。以下将通过涡轮发电的泥浆脉冲器工作的具体实施例对本发明做进一步的阐述
实施例1
MWD随钻测量仪，在使用涡轮发电的泥浆脉冲器时，泥浆泵开启时，杆内泥浆推动发电机的转子叶片旋转，从而带动驱动磁铁旋转，驱动磁铁带动从动磁铁及固定连接在其上的主轴及旋转斜盘转动，旋转斜盘的转动使柱塞泵的柱塞产生往复运动，实现泵的工作，发电线圈产生随转子转速变化的三相交流电接入整流稳压电路1，三相交流电经整流稳压电路 1的全波整流和稳压后为电压A输出一级直流电源，电压V1接入过载保护电路2，过载保护电路2对输人的电压V1进行箝位和限流保护后以电压V2输出正常工作电源，电压V2分别接入升压与储能电路3和DC/DC电源转换电路4，由泥浆驱动的涡轮发电机产生的三相交流电接入整流稳压电路1，三相交流电经整流稳压电路1的全波整流和稳压后为电压V1输出一级直流电源并接入过载保护电路2，过载保护电路2对输人的电压V1进行箝位和限流保护后，以电压V2输出正常工作电源，过载保护电路2可保护后续电路不因过压、过流而损坏；升压与储能电路3对接入电压V2的直流电源进行升压与变换，将输入的电能储存到电容组C，并由电容组C在停泵后即涡轮发电机转速为零时输出电压V3,升压与储能电路3对输入的电压V2进行升压和储能后，由控制电路5自动切换以电压V3向DC/DC电源转换电路 4提供备用直流电源，DC/DC电源转换电路4对输入的电压V2或电压V3进行直流/直流转换成电压V4输出，电压V4为无线随钻测量仪停泵或开泵测量提供直流工作电源。电压V2连接稳压二极管D11, 二极管D11的另一端接PWM控制器U8的7脚，其7脚同时接去耦电容C11到电源地，控制器U8的5脚接电源地；
电压V2同时连接储能电感L1,电感L1的另一端接肖特基二极管D12的正极和MOS管T1 的D端漏极，二极管D12的负极接肖特基二极管D13的正极，同时接极性电容C14的正极，电容 C14的负极接电源地；
电容C14的正极接分压电阻礼6的一端，电阻礼6的另一端接分压电阻I^22和控制器U8的 2脚(误差放大器的反相输入端)，控制器U8的2脚同时连接电阻R19到控制器U8的1脚(误差放大器的输出端)用作环路补偿；电容C12和电阻Ii19并联；电阻Ii22的另一端接电源地； 控制器U8的4脚连接电阻Ii25和电容C18，电阻Ii25的另一端接控制器U8的8脚，控制器U8的8脚同时接电容C16，电容C16的另一端接电源地；电容C18的另一端接电源地；电阻R25和电容Cw决定振荡器的输出频率和占空比；
控制器U8的6脚接电阻1 2(|，电阻R2tl的另一端接MOS管T1的G端栅极，MOS管T1的 G端栅极接电阻&4，电阻I^24的另一端接电源地；
MOS管T1的S端源极接电阻Ii23和1 21，电阻Ii23的另一端接电源地，电阻R21的另一端接控制器U8的3脚(电流取样端)，正比于电感电流的电压接至该引脚，控制器U8的3脚同时接电容C17，电容C17的另一端接电源地；
电容组C由M个440uF的电容并联而成，C20, C21到C44，电容容量为10560uF，电容组 C的正极与肖特基二极管D13的负端和升压储能电路3的电压输出V3并接；
由控制器U8控制MOS管T1的导通与断开，电感L1在MOS管T1的D端漏极电压升高，通过两级肖特基二极管D12和D13的单向传输到反馈取样和储能电容电路，完成升压储能功能， 最终输出电压V3为60伏。DC/DC电源转换电路4将输入的两路电压V2和V3,转换成无线随钻测量仪停泵或开泵测量提供直流工作电源v4，正常发电时，由电压V2向DC/DC电源转换电路4提供工作电源，停泵或发电机转速低时，由升压与储能电路3提供的电压V3向DC/DC电源转换电路4 提供备用的工作电源，升压与储能电路3对输入的电压V2进行升压和储能后，由控制电路5 自动切换以电压V3向DC/DC电源转换电路提供备用直流电源，DC/DC电源转换电路4对输入的电压V2或电压V3进行直流/直流转换成电压V4输出，电压V4为无线随钻测量仪停泵或开泵测量提供直流工作电源。在泥浆驱动的涡轮发电机正常工作时，本发明输出测量和驱动电路所需的工作电源，在泥浆泵停泵后即涡轮发电机转速为零时，在一定时间内仍然可以提供定向测量电路工作电源。在正常钻进时，泥浆泵工作，泥浆驱动的涡轮发电机产生的三相交流电经过整流稳压电路1的全波整流并稳压成电压νι=30伏的一级直流电源输出，(其电压大小与涡轮发电机的转速有关)，过载保护电路3对整流稳压电路1输出的电压V1进行箝位和限流保护后以电压V2S^伏电源输出，以保护后续电路不因过压、过流而损坏。升压与储能电路 3对输入的电压V2进行直流电源的升压变换，其升压的开启由控制电路5控制其电能转移到电容组C的储能组件上，升压与储能电路3以电压V3=60伏的直流电源输出，电压V2 ^ 28伏和电压V3=60伏的两路直流电源分别接入DC/DC电源转换电路4，DC/DC电源转换电路4对其中一路输入的电压V2转换成无线随钻测量仪采集所需电压V4=+12伏的工作电源和控制电路5所用的+5伏电源，另一路输入的电压V3则自动断开，升压与储能电路3则进行升压、充电和储能。当井场定向施工时，需要停泵或由于泥浆流量的变化发电机转速低于800转/分， 此时由升压与储能电路3和DC/DC电源转换电路4受控制电路5的自动切换，向DC/DC电源转换电路4提供备用电源V3,保证DC/DC电源转换电路4为无线随钻测量仪提供采集工作电压V4，升压与储能电路3进行升压提高其储能容量。试验数据与计算分析表明，电压从 U1 降到 U2 放电时间T=C* ( 2- 2)/2P，假定电压从 60V 降到 12V，P=O. 6W，C=10560 uf， 则T=57. 6S。延时时间可以满足停泵后对定向静态数据的测量和存储，相比未停泵或停泵过程中的动态条件下，测量数据的准确性与可靠性得到增强和提高。以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施， 均应包含于本专利的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种井下定向探管的储能与电源变换装置，包括由整流稳压电路、过载保护电路和 DC/DC电源转换电路组成的电源变换装置，整流稳压电路的输出与过载保护电路的输入连接，过载保护电路的输出与DC/DC电源转换电路的输入连接，其特征在于该电源变换装置上设有升压与储能电路和控制电路，升压与储能电路的输入与过载保护电路的输出连接， 升压与储能电路的输出与DC/DC电源转换电路的另一输入端连接，控制电路分别与升压与储能电路和DC/DC电源转换电路连接；由泥浆驱动的涡轮发电机产生的三相交流电接入整流稳压电路，三相交流电经整流稳压电路的全波整流和稳压后为电压V1输出一级直流电源并接入过载保护电路，过载保护电路对输人的电压V1进行箝位和限流保护后以电压V2输出，升压与储能电路对输入的电压V2进行升压和储能后由控制电路自动切换以电压V3向 DC/DC电源转换电路提供备用电源，DC/DC电源转换电路对输入的电压V2或电压V3进行直流/直流转换成电压V4输出，电压V4为随钻仪器停泵或开泵测量提供直流工作电源。
2.根据权利要求1所述井下定向探管的储能与电源变换装置，其特征在于所述升压与储能电路由控制器U8、MOS管T1和电容组C组成，控制器U8的7脚与电容C11和稳压管D11 正极并接，稳压管D11负极接电感L1的一端；控制器U8的2脚与电阻R16, R19, R22和电容C12 的一端并接；控制器U8的1脚与电阻R19的一端和电容C12的另一端并接；控制器U8的8脚与电阻Rm和电容C16的一端并接；控制器U8的4脚与电阻Ii25的另一端和电容C18的一端并接；控制器U8的6脚与电阻1 2(|、R24串接；控制器U8的3脚与电阻R21的一端和电容C17的一端并接，电阻&的另一端与电阻&的一端和MOS管T1的S端并接；MOS管T1的G端与电阻R24、R2(1并接；MOS管T1的D端与电感L15的另一端和二极管D12正极并接，二极管D12负极与二极管D13正极、电容C14正极和电阻R16的另一端并接；二极管D13负极和电容C14负极与电容组C并接；电容组C和电容C14的负极、电容Cn、C12、C16、C17、(^ C14的另一端、控制器 U8的5脚、电阻Ii22、R23> R24的另一端共接电源地。
3.根据权利要求2所述井下定向探管的储能与电源变换装置，其特征在于所述电容组 C由数个电容Cn并联而成，其中η=2(Γ44。
全文摘要
本发明公开了一种井下定向探管的储能与电源变换装置，其特点是该装置由整流稳压电路依次串接过载保护电路、升压与储能电路、电源转换电路和控制电路组成，升压与储能电路对输入的电压进行升压和储能后，由控制电路自动切换向电源转换电路提供备用直流电源，为无线随钻测量仪停泵或开泵测量提供可靠的直流工作电源。本发明与现有技术相比具有无外部电源的情况下仍可以提供测量电路的工作电源，完成静态方向数据测量和实时数据的存储，大大提高了测量数据的准确性、有效性和可靠性。
文档编号H02M3/06GK102291012SQ20111020809
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月25日 优先权日2011年7月25日
发明者倪初明, 彭文, 禹荣 申请人:上海科油石油仪器制造有限公司