一種直線電機驅動的連續波正脈沖發生器的制作方法

發明屬于石油鉆井工程技術領域，特別是涉及井下數據向地面高速傳輸的裝置中的一種直線電機驅動的連續波正脈沖發生器。

背景技術：
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隨著世界上各主要油氣田相繼進入開發后期，油氣藏開發的難度逐年增加，鉆遇地層日益復雜，對鉆井、測井和錄井過程的自動化、智能化技術的要求越來越高。為了及時準確獲得鉆井資料，進一步了解地層的含油氣情況，及時獲取地層的各種資料，實現所謂的隨鉆測量與隨鉆測井（MWD/LWD）。

MWD/LWD的最終目的是準確利用測得的鉆井參數和地層參數及時調整鉆頭軌跡，使之沿目的層方向鉆進。由于隨鉆測井獲得的地層參數是剛鉆開的地層參數，它最接近地層的原始狀態，用于對復雜地層的含油、氣評價比一般電纜測井更加準確可靠。此外，MWD/LWD除測量電阻率、聲速、中子孔隙度、密度等常規測井和某些成像測井以外，還可以測量鉆壓、扭矩、轉速、環空壓力等鉆井參數，實現鉆井過程的安全與高效。

MWD/LWD的關鍵技術是井下信號向地面系統的實時傳輸，目前的信號傳輸方式分為有線與無線兩種，有線傳輸包括：電纜傳輸、特種鉆桿傳輸及光纖傳輸等，無線傳輸包括：泥漿脈沖、電磁波、聲波等。泥漿脈沖可用于深井以及較低的開發成本，使得泥漿脈沖成為目前廣泛采用的傳輸方式。泥漿脈沖器是將被測參數轉變成泥漿壓力脈沖，隨泥漿循環傳送到地面。泥漿脈沖發生器作為隨鉆測量的核心部分，按其工作原理可分為：正脈沖、負脈沖以及連續波脈沖發生器。負脈沖由于對井壁破壞嚴重，下井儀器的結構復雜，組裝、操作和維修不便，現已很少使用。泥漿正脈沖發生器使用普遍，但是傳輸速率較低，隨著技術的發展，已不能滿足大數據量傳輸的需要。連續波泥漿脈沖發生器的優點是傳輸速度快，是目前重點發展的技術之一。

帶有先導控制的液壓驅動往復式信號發生器是泥漿正脈沖傳輸最實用、最普遍的方式，尤其是以鉆井液為介質的往復節流式信號發生器應用最多。目前普遍采用的方法是被測參數經數字化編碼后，變成高“1”、低“0”電信號，由它控制泥漿脈沖發生器的蘑菇頭，當編碼為“1”時，蘑菇頭上移，使流經錐形口的泥漿阻力增加，產生附加壓力。當編碼為“0”時，蘑菇頭向下回到原位，壓力降至正常。這是正脈沖傳輸系統，這類系統的問題是傳輸數據的速率較低，僅幾個比特每秒，很難適應現在井下多參數隨鉆信息的傳送。

連續波泥漿脈沖傳輸系統是在井下鉆挺上用軸向旋轉閥開閉的原理產生泥漿的壓力波動，地面檢測被調制的泥漿壓力信號進行解碼而獲得井下數據，其優點是數據傳輸快信息量大，可達幾十比特每秒的速率，現有問題是泥漿信號的壓力波動值太小了，井深及泥漿惡劣都會淹沒泥漿壓力脈沖信號。現有的連續波正脈沖發生器存在著諸多問題，如：針孔連接方式在井下振動環境下引起的電氣虛連接，平衡油囊被腐蝕或漏油而導致壓力不足不能平衡井下壓力，井斜過大或者下鉆速度過快造成儀器脫鍵而導致無信號的問題，儀器不可打撈，出現卡鉆時儀器報廢等。現有連續波泥漿脈沖發生器信號相對較弱，受噪聲干擾影響相對較大，對信號處理系統要求較高。

國內外相關技術背景與發展歷程分析：20世紀50年代，由美國人發明了泥漿脈沖的傳輸方法，使泥漿脈沖技術在鉆井工程中開始應用。60年代貝克休斯公司研制的鉆井液壓力脈沖系統成功地應用于鉆井過程，隨后陸續制定了隨鉆測量的性能與可靠性標準。1973年貝克休斯公司研制出了無線隨鉆測斜儀，1979年斯倫貝謝公司研制出鉆井液壓力傳輸系統。1983年Wilson C.利用風洞模擬測試了脈沖發生器的動力場特性，利用有限元分析軟件仿真了脈沖發生器的基礎數據與變化特性，得到了連續泥漿脈沖器可靠理論數據。1986年斯倫貝謝公司為他的Pressure Pulse Generator申請了專利。1994年Wilson C.又為哈里伯頓公司申請了Turbo Siren Signal Generator的專利。相關的專利主要有：美國斯倫貝謝公司的發明專利“用于隨鉆測量工具中的正弦壓力波發生器（Sinusoidal pressure pulse generator for measurement while drilling tool）”和“用于井下數據向地面傳輸的方法與系統（Method and system for wellbore communication）”公開了一種基于連續旋轉閥的連續波泥漿脈沖信號發生器；美國貝克休斯公司的發明專利“用于泥漿脈沖數據遠傳的振蕩剪切閥（Oscillating shear valve for mud pulse telemetry）”和“用于泥漿脈沖數據遠傳的井下脈沖信號發生器（Downlink pulser for mud pulse telemetry）”，公布了一種用于基于剪切振蕩原理工作的連續波泥漿脈沖發生器。兩種連續波脈沖器的不同之處僅僅在于脈沖器轉子的運動形式以及后續的脈沖調制與解碼方式，但是尚未查到利用已有的正脈沖發生器結構形式實現連續波脈沖器的專利。

國內尚無連續波泥漿脈沖器產品，國內研究人員對連續波泥漿脈沖器的脈沖產生的機理、脈沖器的基本結構等進行了研究，并且參考國外連續鉆井液脈沖發生器的技術現狀，確定了連續波鉆井液脈沖發生器的技術指標與可能的實現方式，陸續申請了部分專利。如：西安斯坦儀器股份有限公司的發明專利“井下連續波泥漿脈沖發生器（申請號：201210575409.7）”，其結構形式與控制方法幾乎與斯倫貝謝公司的專利一樣；斯倫貝謝金地偉業油田技術（山東）有限公司的發明專利“連續波泥漿脈沖發生器（申請號：201110452486.9）、旋轉閥式泥漿脈沖發生器（申請號：201120194307.1）”，該專利實際上就是斯倫貝謝公司專利的中國版；中石油渤海鉆探公司的發明專利“一種基于三角形閥體的連續波發生器轉閥（申請號：201310 755292.5）”，對連續波脈沖器的閥體結構進行了改進，使其輸出信號更符合正弦波的形式，以減小泥漿脈沖信號的傳輸衰減。

上述專利基本上都以斯倫貝謝公司的專利為藍本而進行改進，這些改進包括：脈沖器的閥體設計、密封以及傳動等機械結構部分，沒有檢索到關于脈沖器控制方式、供電方式等方面的專利。以上專利的共同之處在于：① 脈沖器轉子均由電機驅動，轉子的工作方式分為連續旋轉與剪切振蕩兩種形式；② 電機的電源來自井下渦輪發電機與井下電池組，工作時間與工作條件受限；③ 脈沖器的工作原理基本相同，都是通過周期性地改變鉆井液的流通面積來實現的。目前尚未檢索到與本發明專利內容相關的信息。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術存在的問題, 提供一種為井下數據向地面系統高速傳輸可靠的直線電機驅動的連續波正脈沖發生器。

為實現此目的，本發明提供一種直線電機驅動的連續波正脈沖發生器，包括鉆鋌短節1，在鉆鋌短節1內從上而下依次包括節流閥座3、蘑菇頭6、直線電機轉子15、直線電機定子8、驅動電路板9、主控電路板10、電池組12和抗壓筒17；其中,抗壓筒17通過抗壓筒扶正器18連接到鉆鋌內壁上，直線電機轉子15的部分、直線電機定子8、驅動板9、主控板10從上而下依次固定在抗壓筒17內部；蘑菇頭6位于節流閥座3和抗壓筒17之間的空間內，蘑菇頭6與直線電機轉子15構成滑動配合，并通過固定在直線電機轉子15上的上限位點4和下限位點5限位配合，蘑菇頭6和節流閥座3之間構成間隙配合。

上述方案還包括：在抗壓筒17壁上設有注油孔13和平衡活塞14。直線電機轉子15和直線電機定子8之間還裝有減速器7，在節流閥座3上方還裝有泥漿過濾器2。蘑菇頭6和節流閥座3間隙配合面為錐形。

本發明的直線電機驅動的連續波正脈沖發生器工作機理和有益效果是：

通過控制直線電機的往復快速運動，可以實現高速的、連續波的正脈沖的產生，即用傳統正脈沖發生器的原理實現了連續波脈沖器的功能。利用直線電機直接驅動蘑菇頭，消除了常規正脈沖發生器的諸多機械故障。直線電機的最大速度可以達到5m/s，為高速數據傳輸提供了可能，蘑菇頭的動作頻率可以達到200Hz以上。直線電機的速度調節既可以通過減速器實現，也可以通過逆變電源的控制來實現。在硬件電路不變的情況下，可以通過軟件控制方法，實現脈沖器直線電機的速度調節，簡化脈沖器的機械結構設計，甚至省略減速器。本發明充分利用了正脈沖發生器能夠產生高壓差幅值的泥漿脈沖、機械強度高等特點和連續波脈沖器傳輸速度快的優點，主要解決現有連續波脈沖發生器在產生水力正壓脈沖值過小，地面檢測困難，蘑菇頭型正脈沖發生器的脈沖速率低，水力脈沖壓力對機械部件損傷的問題。

附圖說明

圖1為本發明的一種實施例整體結構圖。圖中：

具體實施方式

現結合說明書附圖1對本發明作進一步描述。

圖1表示連續波脈沖器的總體結構圖，脈沖器的主體結構直接安裝在一段鉆鋌短節1中，脈沖器整體可以作為一段鉆鋌1連接在井下工具組合當中。其中：抗壓筒17通過抗壓筒扶正器18連接到鉆鋌內壁上，直線電機定子8、主控電路板10以及驅動電路板9、減速器7等主要部件都安裝在抗壓筒17內部，方便拆裝和現場應用。

圖1中，鉆井泥漿首先由鉆鋌短節1的上部流入，經過泥漿過濾器2進入脈沖器內部，然后經節流閥座3與蘑菇頭6之間的環形空間向下流動，最后泥漿從鉆鋌短節1和抗壓筒17之間的環形空間流出脈沖器。由主控電路板10和驅動電路板9控制直線電機8帶動蘑菇頭6有規律地上下運動，從而有規律地改變節流閥座3與蘑菇頭6之間的泥漿流通面積，產生一列泥漿脈沖信號，實現井下數據向地面的傳輸。

圖1中，通過調節直線電機8的速度控制，可以實現脈沖器的工作頻率的調節，從而適應井深的變化；在井深較淺時，可以采用高速的泥漿脈沖進行數據傳輸；隨著井深的增加，逐漸減小電機的轉速，減小脈沖器的頻率，減小脈沖信號的衰減，提高地面系統的檢測能力，保證泥漿脈沖信號的傳輸效率。

圖1中，通過上限位點4和下限位點5限制蘑菇頭6的運動范圍；泥漿過濾器2的作用是阻止大的固體顆粒進入脈沖器蘑菇頭6與節流閥座3之間的間隙，保證脈沖器的安全；圖中采用電池組12為整個系統供電，也可以采用連接電纜11外接井下渦輪發電機為脈沖器供電，連接電纜11的另一個作用是與其他井下設備進行互聯。

當發生由于機械故障或者鉆井異常導致蘑菇頭6控制失靈的例外情況時，有以下幾種方式保證正常的鉆井過程：① 通過選擇蘑菇頭6的材料為高硬度、脆性材料進行防止泥漿通道堵塞；② 直線電機失電情況下可以自由運動，蘑菇頭6在鉆井液的沖擊作用下，自動移到下限位點5，泥漿通道自動解堵。

本發明優選的實現方式是用直線電機來驅動蘑菇頭6，主要考慮直線電機調速方便、動作快速，更有利于高速脈沖器的實現。除此之外，還可以利用曲柄連桿機構、滾珠絲杠等將旋轉運動轉變為直線運動的方式實現上述功能。