[发明专利]一种转矩检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及随钻测井技术，尤其涉及一种转矩检测装置和方法。

背景技术

随着石油钻进技术的发展，越来越多的钻井参数和地层评价参数需要从井底实时上传至地面，这种实时上传各种参数的工作方式称为随钻测井，用于随钻测井的仪器称为随钻测井仪器。随着井下挂接的地层评价参数仪器越来越多，对随钻测井中的数据传输率的要求也不断提高，需要传输速率更高，更为可靠的信号遥传系统。目前，利用泥浆脉冲传输的方法是众多井下信息传输方式中较为可靠，应用最为广泛的传输方式。

新一代的高速率泥浆脉冲发生器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两种，两种运动形式中，转子都是剪切流体产生压力脉冲，这样的泥浆脉冲发生器称为剪切阀式泥浆脉冲发生器。剪切阀式泥浆脉冲器因其载波频率高，使用多种调制方式的可能性大，数据传输速率快等优点，正在逐渐被世界各大油田服务公司采用。

国际上，采用剪切阀式的连续波泥浆脉冲发生器可实现7000m井深裸传15bps的数据传输速率，采用合适的数据压缩技术，数据传输速率会倍数增长，可实现40bps或超过40bps的数据传输率。国内目前的情况是，即便利用数据压缩技术，正作用脉冲发生器数据传输率能达到4bps。总的来讲，目前国内尚无自主研发的高速率泥浆脉冲发生器用于商业用途。从泥浆脉冲发生器的原理、制造、井下调制、数据压缩、滤波、降噪及解调等各个方面的技术，均存在较大的上升空间。

剪切阀式泥浆脉冲发生器的原理为电机带动转子剪切钻柱内的流体，电机以特定的调制方式(调幅、调相、调频)驱动转子运动，钻柱内的流体产生压力脉动，压力波经钻杆内部上传至地表，在地表检测并采集泥浆脉冲压力，经解调处理，获取井下信号，进而转化为各种工程参数。

在钻进过程中，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也有波动，造成脉冲器对电机额定转矩和瞬时转矩需求较大。剪切阀式泥浆脉冲发生器的供电一般采用涡轮发电机。

对于剪切阀泥浆脉冲器设计而言，要想提高数据传输速率，需要提高转子的剪切流体频率，同时还要考虑在提高剪切频率的同时，使转子剪切流体时实际消耗的功率小，最大限度地控制井下仪器的功率，降低脉冲器功耗。除了从转子的摆动轨迹，剪切方式等方面考虑外，要充分研究流体对转子水力转矩作用的情况。

泥浆脉冲压力波，由转子剪切钻柱内流体产生，泥浆脉冲器脉冲发生机构主要由一对定子、转子构成，驱动机构驱动转子按着调制方式预设的轨迹进行运动。钻进时，转子在气体、液体、固体多相流的作用下，受力较为复杂，对脉冲器设计而言，较为关心的是水力作用下转子的受力情况，即水力对转子的转矩，及轴向压力。

流体仿真结果表明，转子所受水力转矩基本沿同一方向分布，且水力转矩对转子的影响是使转子具有关闭趋势。如果这样的趋势是准确的，则可通过添加辅助装置的方法平衡部分转矩，降低电机额定和瞬时输出转矩。

基于上述问题，继续研发一种转矩检测装置，以验证水力转矩对转子的关闭趋势，准确测量在转子运动轨迹上，每个角度上转子所受的水力转矩数值，比对仿真结果，结合调制方式设计运动轨迹，进而指导剪切阀泥浆脉冲发生器传动系统以及结构设计，对泥浆脉冲器的工程实现有较大的意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种转矩检测装置和方法，能够准确测量每个转子转角上转子所受的水力转矩数值，验证水力转矩对转子的作用。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种转矩检测装置，该水力矩检测装置包括：剪切阀泥浆脉冲器等效装置以及依次相连的容置腔、转矩传感器和转轴末端装置。

剪切阀泥浆脉冲器等效装置，用于模拟剪切阀泥浆脉冲器剪切流经的循环流体。

容置腔，用于放置剪切阀泥浆脉冲器等效装置，并且作为循环流体的循环通道。

转矩传感器，用于测量剪切阀泥浆脉冲器等效装置在不同的转子转角状态下转轴受到的转矩，并将该转矩的转矩信号传递出去。

转轴末端装置，用于调节剪切阀泥浆脉冲器等效装置的转子转角。

可选地，容置腔包括：第一部分和第二部分；第一部分的第一端与预设的主循环通道相连通，第一部分的第二端与第二部分相连通。

第一部分具有第一直径，第二部分具有第二直径；第一直径大于第二直径。

第二部分上包括顶端，该顶端远离第一部分，并且顶端的端面上具有通孔；第二部分上靠近顶端的位置具有多个与第二部分连通的分支通道；其中，多个分支通道分别与主循环通道相连通。