智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路的制作方法

智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路，包括依次連接的泥漿渦輪發電機、三相整流濾波電路、穩壓電路、探管、信號采集電路、控制電路和驅動電路，所述穩壓電路為n個獨立的穩壓電源的并聯結構，每個所述穩壓電源均包括由反激式變壓器、半波整流濾波電路、反饋電路、脈寬調制電路依次連接構成的回路電路，所述半波整流濾波電路的輸出端連接探管。本實用新型具有以下優勢：基于脈寬調制技術設計井下電源及脈沖驅動系統，根據負載用電需求由反激式開關穩壓電源進行電能變換，獲得穩定的直流電能輸出，由微處理器脈寬調制端口輸出一定占空比值的脈寬調制波形，保證脈沖信號發生器驅動電流的穩定。
【專利說明】
智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路
技術領域
[0001] 本實用新型屬于石油、天然氣鉆井技術領域，尤其是設及一種智能鉆井工具井下 電源及脈沖驅動電路。
【背景技術】
[0002] 石油鉆井工具中，鉆井液泥漿沖刷滿輪發電機的轉子，滿輪發電機產生低頻=相 交流電能，用于為石油鉆井工具電子控制單元等用電負載供電，同時，鉆井液泥漿作為傳輸 介質，采用脈沖信號發生器按照編碼要求通過改變泥漿流道的橫截面積實現井下探管測量 信號與地面控制信號的雙向傳輸。然而，由于在鉆進過程中，鉆井液泥漿排量波動較大，導 致由泥漿滿輪發電機轉換出的電能存在較大的波動，造成用電負載工作的穩定性差，脈沖 信號發生器產生脈沖信號時，供電電壓不穩定會造成脈沖信號發生器驅動能力不足，信號 傳輸過程中存在丟帖或信號斷續，從而導致地面解碼錯誤或無信號，影響智能鉆井工具的 工作性能和使用壽命。
[0003] 脈寬調制技術作為一種通過控制功率器件通斷時間的比率來維持穩定電壓輸出 的技術，具有輸入電壓范圍寬、體積小、效率高等優點，將其應用于井下電源系統的設計中， 將泥漿滿輪發電機轉換出的寬輸入范圍交流電能根據不同負載需求轉換成合適的穩定直 流電能輸出，提高用電負載工作的穩定性和安全性;針對泥漿滿輪發電機轉換電能范圍寬 的特點，采用脈寬調制技術對脈沖信號發生器的供電電壓進行合理分配，保證脈沖信號發 生器驅動電流的穩定性W使其具有足夠的驅動能力，提高泥漿脈沖信號傳輸的穩定性和準 確性，降低因信號傳輸過程中存在的丟帖、無信號現象造成的井下測量數據丟失的風險。

【發明內容】

[0004] 有鑒于此，本實用新型旨在提出一種智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路，W 解決泥漿流量波動大造成的井下電源系統供電穩定性差、脈沖信號發生器驅動能力不足的 問題。
[0005] 為達到上述目的，本實用新型的技術方案是運樣實現的：
[0006] -種智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路，包括依次連接的泥漿滿輪發電機、 =相整流濾波電路、穩壓電路、探管、信號采集電路、控制電路和驅動電路，
[0007] 所述穩壓電路為n個獨立的穩壓電源的并聯結構，每個所述穩壓電源均包括由反 激式變壓器、半波整流濾波電路、反饋電路、脈寬調制電路依次連接構成的回路電路，所述 反激式變壓器的輸入端連接=相整流濾波電路，所述半波整流濾波電路的輸出端連接探 管;其中，n為大于等于1的自然數；
[000引所述信號采集電路的輸入端連接整流濾波電路的輸出端信號、穩壓電路的輸出端 信號、探管的輸出端信號；
[0009] 所述控制電路包括微處理器，所述微處理器連接信號采集電路的輸出端；
[0010] 所述驅動電路還連接=相整流濾波電路的輸出端信號。
[0011] 進一步的，所述=相整流濾波電路和穩壓電路的脈寬調制電路之間設有保護電 路，所述保護電路包括電壓保護電路和電流保護電路，電壓保護電路包括欠壓保護電路和 過壓保護電路。
[0012] 進一步的，每個所述半波整流濾波電路和探管之間均設有均流電路，所述均流電 路連接信號采集電路和反饋電路。
[0013] 進一步的，所述=相整流濾波電路和穩壓電路之間設有消振電路，消振電路可將 采樣的振蕩電壓通過消振電阻導入接地端。
[0014] 相對于現有技術，本實用新型智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路具有W下優 勢：
[0015] 基于脈寬調制技術設計井下電源及脈沖驅動系統，根據負載用電需求由反激式開 關穩壓電源進行電能變換，獲得穩定的直流電能輸出，由微處理器脈寬調制端口輸出一定 占空比值的脈寬調制波形，保證脈沖信號發生器驅動電流的穩定，滿足在井下高溫、振動、 沖擊等惡劣環境下智能鉆井工具電子控制單元等負載的用電需求，保證脈沖信號發生器工 作時具有足夠的驅動能力，提高了智能鉆井工具井下工作的穩定性、安全性和使用壽命。
【附圖說明】
[0016] 構成本實用新型的一部分的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新 型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。在 附圖中：
[0017] 圖1為本實用新型實施例所述智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動系統結構圖。
[0018] 圖2為本實用新型實施例所述智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動系統工作流程 圖。
[0019] 圖3為本實用新型實施例所述智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動系統一實施例的 輸入-輸出效率試驗曲線。
[0020] 圖4為本實用新型實施例所述智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動系統一實施例的 另一輸入-輸出效率試驗曲線。
[0021] 圖5為本實用新型實施例所述智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動系統一實施例的 高溫測試曲線。
[0022] 圖6為本實用新型實施例所述智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動系統一實施例的 另一高溫測試曲線。
[0023] 圖7為本實用新型實施例所述智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動系統一實施例的 另一高溫測試曲線。
【具體實施方式】
[0024] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本實用新型中的實施例及實施例中的特征可 W相互組合。
[0025] 下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本實用新型。
[0026] -種智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路，如圖1所示，包括依次連接的泥漿滿 輪發電機、=相整流濾波電路、穩壓電路、探管、信號采集電路、控制電路和驅動電路，
[0027] 所述泥漿滿輪發電機產生低頻=相交流電能，用于為智能鉆井工具供電；
[0028] 所述=相整流濾波電路，對泥漿滿輪發電機輸出的低頻=相交流電能進行二極管 全橋整流和電容濾波，輸出粗直流電能；
[0029] 所述穩壓電路為n個獨立的穩壓電源的并聯結構，每個所述穩壓電源均包括由反 激式變壓器、半波整流濾波電路、反饋電路、脈寬調制電路依次連接構成的回路電路，所述 反激式變壓器的輸入端連接=相整流濾波電路的輸出端信號，將=相整流濾波電路輸出的 粗直流電能轉換成高頻交流電能;所述半波整流濾波電路對高頻交流電能進行二極管半波 整流和電容濾波后輸出給探管;反饋電路采樣半波整流濾波電路的輸出電壓，脈寬調制電 路根據反饋電路的采樣值調整一個周期內輸出脈沖信號的占空比值，用于控制反激式變 壓器的電能轉換效率，達到穩定輸出電壓的目的；其中，n為大于等于1的自然數，n的值由驅 動負載所需的功率大小決定，實現根據負載需求將粗直流電能轉換成穩定的精細直流電 能；
[0030] 所述探管用于測量包括井斜、方位等鉆井參數信息及電阻率，還有伽馬等地層信 息，在內部對測量數據進行處理后進行編碼傳輸；
[0031] 所述信號采集電路的輸入端連接整流濾波電路的輸出端信號、穩壓電路的輸出端 信號和探管的輸出端信號；用于采集=相整流濾波電路的輸出電壓、各獨立穩壓電源的輸 出電流、穩壓電源的輸出電壓W及探管編碼的測量數據；
[0032] 所述控制電路包括微處理器，所述微處理器連接信號采集電路的輸出端，還包括 與微處理器連接的存儲電路、監控電路和計算機，微處理器接收信號采集電路的采樣信號， 進行A/D轉換和計算后，由存儲電路進行保存，還產生脈寬調制波形;監控電路監控微處理 器的運行狀態，當微處理器工作異常時，由監控電路進行復位操作，通過串行通信接口，微 處理器和計算機之間可實現信息交互；
[0033] 所述驅動電路還連接=相整流濾波電路的輸出端信號，驅動電路在控制電路的脈 寬調制波形的控制下，驅動脈沖信號發生器動作，將探管編碼的測量數據W壓力波的形式 傳輸至地面立管處；
[0034] 所述探管編碼的測量數據經信號采集電路進入控制電路中的微處理器中，在微處 理器接收到有效測量信號后，在信號有效的時間段內，微處理器根據信號采集電路采集到 的當前=相整流濾波電路的輸出電壓值調節輸出脈沖波形的占空比值，驅動電路由=相整 流濾波電路輸出的寬范圍粗直流電能供電，在脈寬調制波形的控制下，驅動電路為脈沖信 號發生器提供穩定的驅動電流，保證在探管編碼的測量數據到來時，脈沖信號發生器的針 閥正常動作產生壓力脈沖，經鉆井液泥漿傳輸到地面立管處，解碼后顯示在計算機屏幕上， 供地面人員進行分析決策。
[0035] 每個所述穩壓電源和探管之間均設有均流電路，所述均流電路連接信號采集電路 和反饋電路，當負載需求功率較大，單個穩壓電源不能滿足要求時，均流電路采樣半波整流 濾波電路的輸出電流，輸出調節電壓到反饋電路，與反饋電路一起控制脈寬調制電路輸出 脈沖信號的占空比值，使n個穩壓電源模塊的輸出電流平均分布;通過調節n個穩壓電源的 輸出電流，使每個并聯的穩壓電源的輸出電流均衡分配，防止單個穩壓電源因功率過大而 燒毀；
[0036] 所述均流電路1至均流電路n通過均流母線連接，采用最大電流法，W最大采樣電 流為基準，n-1個均流電路調節各自的控制電壓，W均流電路I為例，均流電路I采樣穩壓電 源1的輸出電流，若該電流值最大采樣電流，則均流電路1無輸出，若該電流值不是最大采樣 電流，則均流電路1輸出控制電壓至穩壓電源1中的反饋電路，與反饋電壓一起控制脈寬調 制電路輸出脈沖波形的占空比值，通過調節反激式變壓器的電能轉換效率、調整穩壓電源1 的輸出電壓控制穩壓電源1的輸出功率與穩壓電源2至穩壓電源n保持均衡。
[0037] 所述=相整流濾波電路和穩壓電路之間設有保護電路，所述保護電路包括電壓保 護電路和電流保護電路，電壓保護電路包括欠壓保護電路和過壓保護電路，電壓保護電路 監控=相整流濾波電路的輸出電壓，輸出控制信號至穩壓電源1至穩壓電源n中的脈寬調制 電路中，當該電壓值低于欠壓保護電路的設定闊值或高于過壓保護電路的設定闊值時，穩 壓電源1至穩壓電源n中的脈寬調制電路均停止工作，穩壓電源輸出電壓為0;當該電壓值處 于電壓保護闊值范圍內時，穩壓電源1至穩壓電源n中的脈寬調制電路正常工作，穩壓電源 根據負載需求輸出穩定直流電能；電流保護電路監控井下電源及脈沖驅動系統的回路電 流，輸出控制信號至穩壓電源1至穩壓電源n中的脈寬調制電路中，當該電流值超出設定的 電流闊值范圍時，穩壓電源1至穩壓電源n中的脈寬調制電路均停止工作，穩壓電源輸出電 壓為0;當該電流值在設定的電流闊值范圍內時，穩壓電源1至穩壓電源n中的脈寬調制電路 均正常工作，穩壓電源根據負載需求輸出穩定直流電能。
[0038] 所述=相整流濾波電路和穩壓電路之間設有消振電路，用于消除負載變化引起的 泥漿滿輪發電機的振蕩和失步，減小輸出電壓波動，維持井下電源及脈沖驅動系統輸出電 壓的穩定;消振電路采樣=相整流濾波電路的輸出電壓，從中提取出交流波動成分，當該交 流波動成分達到設定的消振闊值時，將該振蕩電壓通過消振電阻導入接地端，W防止該自 激振蕩影響用電負載的正常工作。
[0039] 本實用新型實施例智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路的工作過程，如圖2所 示，包含如下步驟：
[0040] 步驟1:通過滿輪發電機產生低頻=相交流電能；
[0041] 步驟2:通過=相整流濾波電路對交流電能進行二極管全橋整流和電容濾波，將滿 輪發電機產生的低頻交流電能轉換成粗直流電能；
[0042] 步驟3:通過電壓保護電路采樣=相整流濾波電路的輸出電壓，通過電流保護電路 采樣井下電源系統的回路電流，
[0043] 當S相整流濾波電路的輸出電壓、井下電源系統的回路電流處于安全闊值范圍內 時，通過反激式變壓器將=相整流濾波電路輸出的粗直流電能轉換成高頻交流電能，再由 半波整流濾波電路對高頻交流電能進行半波整流和電容濾波，同時通過反饋電路采樣半波 整流濾波電路的輸出電壓，送入脈寬調制電路，通過脈寬調制電路調整一個周期內脈沖信 號的占空比值，W控制反激式變壓器的電能轉換效率，達到穩定輸出電壓的目的；
[0044] 其中反激式變壓器、半波整流濾波電路、反饋電路、脈寬調制電路依次連接構成的 回路電路構成穩壓電源;其中當負載需求功率較大，單個穩壓電源不能滿足要求時，采用n 個穩壓電源并聯的結構；
[0045] 當檢測到電壓和電流值處于預先設定的闊值范圍之外時，穩壓電源中的脈寬調制 電路停止輸出脈沖信號，反激式變壓器停止工作，穩壓電源無電能輸出，智能鉆井工具停止 工作；
[0046] 步驟4:當負載需求功率較大，單個穩壓電源不能滿足要求時，通過均流電路采樣 穩壓電源的半波整流濾波電路的輸出電流，輸出調節電壓到反饋電路，與反饋電路一起控 制脈寬調制電路輸出脈沖信號的占空比值，一個穩壓電源對應一個均流電路，使n個穩壓電 源模塊的輸出電流平均分布；
[0047] 步驟5:通過探管測量鉆井參數信息及地層信息數據，并在其內部對測量數據進行 處理后進行編碼傳輸;穩壓電源對探管供電；
[0048] 步驟6:通過信號采集電路采樣=相整流濾波電路的輸出電壓、n個穩壓電源的輸 出電流、穩壓電源的輸出電壓W及探管編碼的測量數據；
[0049] 步驟7:判斷探管是否上傳有效編碼信號，若沒有上傳，則按設定的采樣時間間隔 由信號采集電路繼續采樣；
[0050] 步驟8:若探管上傳有效編碼信號，則該數據經信號采集電路送入控制電路中的微 處理器中；
[0051] 步驟9:通過控制電路中的微處理器對信號采集電路采集的的輸出電壓和測量數 據進行處理，并輸出調整一個周期內脈寬調制波形占空比的脈寬調制波形；
[0052] 步驟10:通過驅動電路接收微處理器輸出的脈寬調制波形，并驅動脈沖信號發生 器產生壓力脈沖，再經鉆井液泥漿傳輸至地面立管處，解碼后顯示在計算機屏幕上。
[0053] 步驟11:重復步驟4-10,在智能鉆井工具工作過程中，持續為用電負載提供穩定的 直流電能，并上傳探管編碼的測量數據。
[0054] 上述步驟3中當檢測到電壓和電流值在安全闊值范圍內，還要判斷是否因負載變 化存在自激振蕩，若存在，通過消振電路中的大功率電阻進行振蕩消除。
[0055]上述步驟4中：n個均流電路通過均流母線連接，義用最大電流法，W最大義樣電流 為基準，n-1個均流電路調節各自的控制電壓。
[0056] 上述步驟9中的微處理器將對信號采集電路采集的輸出電壓和測量數據進行處 理，并存儲至控制電路中的存儲電路中，再通過監控電路實時監控微處理器的運行狀態。
[0057] 如圖3、4所示為本發明一實施例的輸入-輸出效率試驗曲線，試驗條件為相整 流濾波電路的輸入端接S相交流電源，模擬泥漿滿輪發電機1轉速變化范圍2500rpm~ 55(K)rpm時輸入-輸出效率測試，設計輸出電壓37±1V，探管處用恒流型電子負載代替，電流 變化范圍為OA~3A，由信號發生器模擬探管編碼的測量數據，信號發生器設置為方波脈沖， 頻率0.1 Hz，脈沖幅值5V，占空比10%，驅動電路的輸出端接脈沖信號發生器，250化pm~ 550化pm輸出電壓曲線如圖3所示，250化pm~5500rpm輸入-輸出效率曲線如圖4所示，為區 分不同轉速下輸入-輸出曲線，對縱坐標W10%為單位進行偏移。其中5500rpm時的測試數 據如表3-1所示。
[0化引表3-1 550化pm輸入-輸出效率測試 [0化9]
[0060]
[0061] 圖3中，隨著負載電流的增大，負載電壓逐漸降低，其變化范圍在設計要求之內；圖 4中，隨著負載電流的增大，井下電源及脈沖驅動系統的輸入-輸出效率維持在80%左右，滿 足智能鉆井工具井下作業的要求。
[0062] 如圖5至7所示為本發明一實施例的高溫測試曲線，試驗條件為相整流濾波電 路的輸入端接S相交流電源，模擬泥漿滿輪發電機1轉速4000rpm時輸入-輸出效率測試，探 管處用恒流型電子負載代替，電流值設定為2A，溫度測試范圍為100°C~130°C，表4-1為高 溫測試數據，圖5為由表4-1繪制的高溫測試輸入特性曲線，圖6為由表4-1繪制的高溫測試 輸出特性曲線，圖7為由表4-1繪制的高溫測試輸入-輸出效率曲線。
[0063] 表4-1井下電源及脈沖驅動系統高溫測試試驗
[0064]
[00 化]
[0066] 圖5中，隨著溫度升高，輸入電流從0.729A增大到0.766A，輸入電壓基本保持恒定； 圖6中，隨著溫度升高，負載電壓從36.86V上升到37.77V，負載電流保持恒定；圖7中，隨著溫 度升高，井下電源及脈沖驅動系統的輸入-輸出效率略有提升，維持在78%左右，滿足智能 鉆井工具井下工作的需求。
[0067] 工作時，泥漿滿輪發電機1產生的低頻=相交流電能經=相整流濾波電路進行全 波整流和電容濾波后輸出粗直流電能，穩壓電源對粗直流電能進行電能變換，采用均流電 路進行負載均衡，輸出穩定的直流電能提供給探管，保護電路對井下電源系統的電壓和電 流進行保護，其中，欠壓保護電路的闊值設為40V，過壓保護電路的闊值設為160V，過流保護 電路的闊值設為8A，消振電路用于消除負載變化造成的發電機的失步和振蕩現象，保證輸 出電能的穩定性，信號采集電路采集井下電源系統關鍵節點的電壓、電流信號W及探管上 傳的編碼信號送入控制電路中，控制電路對接收到的信號進行分析、處理后進行存儲，并根 據探管上傳的編碼信號由微處理器產生脈寬調制波形輸出給驅動電路，由驅動電路控制脈 沖信號發生器在編碼信號到來時動作，產生泥漿脈沖壓力波，經鉆井液泥漿上傳到地面立 管處，解碼后顯示在計算機屏幕上，供地面人員進行分析決策。
[0068] 本實用新型通過產生一系列不同占空比值的脈沖信號控制電能的轉換效率和分 配方案，從而為用電負載提供合適、穩定、安全的直流電能，提高智能鉆井工具井下工作的 穩定性、安全性和使用壽命。
[0069] 本實用新型的技術方案不僅局限于石油鉆井領域，本發明中各組成部分的結構和 連接方式可整體或部分應用于交流-直流變換的電源系統設計中，也可應用于對感性負載 的驅動設計中。
[0070] W上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用W限制本實用新型，凡在本 實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型 的保護范圍之內。
【主權項】
1. 智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路，其特征在于:包括依次連接的泥漿渦輪發 電機、三相整流濾波電路、穩壓電路、探管、信號采集電路、控制電路和驅動電路， 所述穩壓電路為η個獨立的穩壓電源的并聯結構，每個所述穩壓電源均包括由反激式 變壓器、半波整流濾波電路、反饋電路、脈寬調制電路依次連接構成的回路電路，所述反激 式變壓器的輸入端連接三相整流濾波電路，所述半波整流濾波電路的輸出端連接探管;其 中，η為大于等于1的自然數； 所述信號采集電路的輸入端連接整流濾波電路的輸出端信號、穩壓電路的輸出端信 號、探管的輸出端信號； 所述控制電路包括微處理器，所述微處理器連接信號采集電路的輸出端； 所述驅動電路還連接三相整流濾波電路的輸出端信號。2. 根據權利要求1所述的智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路，其特征在于:所述三 相整流濾波電路和穩壓電路的脈寬調制電路之間設有保護電路，所述保護電路包括電壓保 護電路和電流保護電路，電壓保護電路包括欠壓保護電路和過壓保護電路。3. 根據權利要求1所述的智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路，其特征在于:每個所 述半波整流濾波電路和探管之間均設有均流電路，所述均流電路連接信號采集電路和反饋 電路。4. 根據權利要求1所述的智能鉆井工具井下電源及脈沖驅動電路，其特征在于:所述三 相整流濾波電路和穩壓電路之間設有消振電路，消振電路可將采樣的振蕩電壓通過消振電 阻導入接地端。
【文檔編號】H02M7/23GK205584044SQ201620168114
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月4日
【發明人】李紹輝, 魏春明, 汝大軍, 王海巖, 馬哲, 韓曉文, 魏慶振, 郭佳, 白大鵬
【申請人】中國石油集團渤海鉆探工程有限公司