[发明专利]摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统

说明书

技术领域

本发明涉及石油开采设备技术领域，尤指一种摆动阀泥浆脉冲发生器传 动系统。

背景技术

随钻测量(MeasureWhileDrilling:MWD)和随钻测井(LoggingWhile Drilling:LWD)是完成大角度及水平井钻井，实时井场数据采集、解释、现 场决策以及指导完成地质导向钻井的关键技术，其综合了录测井、钻井和油 藏描述等多种学科技术，可简化钻井作业程序，节约成本，提高钻井精度， 调整钻井设计和提高采收率。

泥浆脉冲发生器遥传系统是MWD、LWD设备中的最重要组成部分，是 井下信息实时地传输到地面的重要手段。随着地层评价技术的不断发展，井 下数据量在逐渐增大，需要更高传输速率的脉冲器，MWD系统的传输速率 成为制约井下数据上传的瓶颈。

泥浆脉冲发生器遥传系统中的工作原理一般为：井下数据压缩、编码， 电机驱动系统按照编码方式和传输数据控制转子转速和位置，电机输出轴带 动转子相对定子转动(或摆动)，周期性阻断流体通道，在井下产生压力波 动，由井口传感器检测压力脉冲。经地面系统对调制压力波进行解码，得到 井下传输上来的数据。

基于摆动阀原理的脉冲遥传系统由涡轮发电机供电系统，脉冲发生器本 体及其驱动控制系统，地面接收和信号解调处理系统三部分组成。

泥浆脉冲器工作需要电力。目前，井下供电有两种形式，一是泥浆涡轮 发电机供电，二是锂电池供电。涡轮发电机具有功率较大，供电时间长的特 点，目前涡轮发电机功率较低。考虑到包括随钻仪器，旋转导向仪器等整个 系统的供电，所设计的脉冲器功耗越小越好。

一般来讲，摆动阀原理的高速率脉冲发生器是泥浆脉冲遥传系统的重要 组成部分，其脉冲发生机构由转子和定子组成，转子的运动形式有旋转运动 和往复运动。通常把转子往复运动的脉冲器称为摆动阀式脉冲器，摆动阀式 泥浆脉冲器因其传输速率快，精度高正在逐渐被油田服务公司采用。

由于在钻进过程中，地层的地质条件随钻进深度不同而变化，钻柱内的 泥浆压力会产生波动，转子剪切流体时所受的水力转矩有波动，造成脉冲器 对电机转矩和瞬时功率需求较大，脉冲器能够较好地适应钻柱内水力负载多 变的特点至关重要。

相关的阀片式脉冲器，旋转阀的斯伦贝谢的连续波旋转阀原理的脉冲器， 往复运动的摆动阀原理脉冲器有APS公司的脉冲器(即：APS摆动阀脉冲 器)。该种APS摆动阀脉冲器，在传动系中有变速箱机构，所以其摆动速度 低，其数据传输速率相应也较低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种摆动阀泥浆脉冲发生器传动 系统，在同样的功率下，电机响应速度更快。

为使井下泥浆脉冲器产生高速泥浆压力波动，一般采用电动机驱动转子 旋转或摆动的方式。从系统的角度分析，传动系统设计原则主要有：

①机械，电子设计均围绕调制方式与实时解调开展；

②传动系，机械结构及定转子设计要结合流体分析结果；

③以功率消耗最小，仪器压降最小，压力幅值最大为目标寻优。

传动方案使用电动机直接驱动转子做往复摆动，剪切流体，压力补偿和 动密封使用胶囊的方案。电动机可选永磁式自复位摆动电机，或伺服电机， 步进电机，力矩电机以及所有能驱动转子运动的电机。该方案的优点是传动 链短，响应迅速。缺点是电机控制难，要定制低速电机。

摆动阀摆动剪切流体，与针阀正作用原理(哈里伯顿MK系列脉冲器) 的蘑菇头轴向顶出封闭流道，以及连续被原理的旋转阀连续剪切流体比较， 其功耗较小。

脉冲器工作时，转子摆动范围可在0～360度之间任选，以转子不连续旋 转，定转子配合能够产生地面能够解调的压力波形为准。因为泥浆脉冲器在 钻杆内泥浆中工作，需要考虑泥浆流动时对脉冲器定子和转子的作用力，以 此为依据进行脉冲器工作机构设计。通过对脉冲器定子和转子计算域的流体 分析，可以得到以下结论：

①力转矩基本沿同一方向分布，驱动转子向闭合方向运动；

②水力转矩与转子位置关系密切，与转子转动角速度及角加速度 关系较小；

③压力波变化主要与流量及阀口通流面积相关。

④转子转动角度对于水力转矩的影响是明显的，最大水力转矩出 现在定转子接近闭合的位置。