一种连续波泥浆脉冲发生器

本发明涉及脉冲发生器，尤其涉及一种连续波泥浆脉冲发生器。

背景技术：

1、随着油田开发的深入、钻井技术的发展，定向井、水平井及特殊工艺井在钻井施工中的比例越来越高。为了满足准确掌握地层信息，精确控制定向井钻井轨迹，有效进行油藏评价等工程技术要求，无线随钻测量被广泛地应用于定向井钻井施工。无线随钻测量技术根据信号传输的途径不同分为三种不同的测量系统：泥浆脉冲测量系统、电磁波测量系统、声波测量系统。其中泥浆脉冲传输系统由于其稳定性好、成本较低、传输距离远等优点成为目前应用最广泛的传输方式。然而目前常规的泥浆脉冲传输系统其传输速率过低，井下测量信息不能全部实时地传输到地面，严重影响了钻井现场的技术决策、制约了钻井效率、增加了钻井风险和投资成本。连续波泥浆脉冲传输系统的传输速率是传统的泥浆脉冲传输系统的十倍以上，能够实时传送大量井下信息，很好的解决了井下信息传输速率瓶颈。钻井工程师则可以根据实时信息及时评价井下工况，有效避免钻井风险，提高决策准确性，大大提高钻井效率，创造客观的经济收益。随着技术的发展连续波泥浆脉冲传输技术将逐渐成为未来随钻测量的主流技术。

2、连续波泥浆脉冲传输系统的核心部件是连续波泥浆脉冲发生器，而现有的连续波泥浆脉冲发生器存在着诸多的问题。

3、其一：目前的脉冲器结构设计复杂，通常需要减速器、磁性联轴器、传动轴等诸多精密部件，这些部件均需要在润滑油中工作，任意部件发生损坏都可能导致脉冲器故障，严重情况会导致钻井作业中断，需要起下钻更换仪器。然而，起下钻作业必然影响钻井进度，大幅增加钻井作业成本。另一方面，起下钻作业是井控风险最大的作业过程，仪器故障导致的起下钻无疑也给钻井作业带来了巨大的安全风险。

4、其二：连续波脉冲器的转子转动的动力来源是井下永磁电机，由于电机需要安装在直径48mm左右的抗压筒内，所以电机尺寸必须很小，不能满足转子低转速高扭矩的参数需求。所以必须在转子与电机之间增加磁性联轴器、减速器、联轴器等部件，再加上尾部控制电路，势必造成整个脉冲器长度过长。上述现实问题一方面会造成电机性能要求过高，加工难度大。另一方面仪器长度过长，制约了无线随钻测量系统可挂接传感器的数量，造成可测量的信息有限，不能满足日益复杂的钻井信息要求。

5、综上所述，亟需发明一种简单可靠、维护方便的连续波泥浆脉冲发生器，以满足当前现代化钻井工程需要。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种结构简单、控制精确、维护方便的连续波泥浆脉冲发生器装置，通过水力转子旋转封堵经过水力定子的钻井液，产生泥浆脉冲压力信号，水力转子由电机转子通过空心轴承直接提供动力，通过不同的传感器布局实现精确的水力转子位置控制，大大提高泥浆脉冲信号调制精度的连续波泥浆脉冲发生器。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种连续波泥浆脉冲发生器，包括钻铤及安装在钻铤上的脉冲器总成和控制单元，其特征在于，所述脉冲器总成包括安装在钻铤上的水力定子、水力转子、驱动组件及轴承组件，所述驱动组件与钻铤固定连接，所述驱动组件安装在轴承组件外部，并通过轴承组件带动水力转子转动，所述水力定子固定安装在钻铤上，所述轴承组件内设有第一钻井液通道，所述钻铤内部设有第二钻井液通道，所述第一钻井液通道和第二钻井液通道构成钻井液通道，当水力转子在驱动组件的驱动下转动时，泥浆经过第一钻井液通道和第二钻井液通道间歇通过水力转子与水力定子，形成脉冲。

4、优选的，所述驱动组件通过轴承组件直接驱动水力转子旋转，使得水力转子周期性封堵水力定子的阀口，从而在钻井液通道中产生正弦变化的泥浆脉冲信号。

5、优选的，所述轴承组件包括空心轴承及套设在空心轴承外部的支撑轴承，所述空心轴承包括上部空心轴承和下部空心轴承，所述支撑轴承套设在上部空心轴承外部，第一钻井液通道由上部空心轴承和下部空心轴承内部连通构成。

6、优选的，所述水力定子为设有多个扇形定子阀口的圆盘，所述水力定子下部有凹槽与安装在钻铤内部的定位横销配合，所述水力定子在钻井液来流方设有圆形凹面，所述水力定子泥浆流出的方向内凹形成转子容纳腔体，所述水力转子为内开口式结构，表面设有多个扇形转子阀口，且所述转子阀口数量与定子阀口数量一致，所述水力转子的转子阀口与水力定子的定子阀口同轴，且所述转子阀口与定子阀口内弧半径相等，所述转子阀口外弧半径比定子阀口外弧半径小，所述水力定子下部设有调整垫片，所述水力转子与水力定子之间的间隙通过调整垫片的厚度进行调整。

7、优选的，所述水力转子在泥浆流出的一面设有固定槽，通过固定槽内壁的螺纹与上部空心轴承相连接，所述驱动组件包括驱动转子、驱动定子、上部支撑座和下部支撑座，上部支撑座和下部支撑座构成外壳，所述上部空心轴承通过支撑轴承固定在上部支撑座上，所述上部空心轴承的外壁通过固持胶与驱动转子固定，所述驱动转子的扭矩通过上部空心轴承传输给水力转子，使得驱动水力转子周期性旋转。

8、优选的，所述驱动定子固定在由上部支撑座和下部支撑座构成的外壳内，所述下部空心轴承穿过下部支撑座与钻铤的钻井液通道贯通，且所述下部空心轴承与下部支撑座之间设有进行密封的下部旋转密封件，阻止钻井液进入驱动组件内部，所述驱动转子转动的时候带动空心轴承转动，从而驱动水力转子转动，实现了水力转子由驱动组件直驱，所述水力转子的转动会周期性的堵塞水力定子的阀口，从而对流经钻铤内部的钻井液进行节流，形成周期性的泥浆脉冲信号。

9、优选的，所述上部空心轴承通过支撑轴承固定在外壳上，保证上部空心轴承能够在驱动转子的带动下平稳的旋转，所述支撑轴承的上部设有上部旋转密封件，所述上部旋转密封件套设在上部空心轴承的外壁。

10、优选的，所述下部空心轴承的下部镶嵌有一圈环状圆环型磁栅，所述圆环型磁栅由圆环形磁栅基体，定位磁栅和磁栅贴片组成，所述定位磁栅安装于下部空心轴承上，用于测量下部空心轴承的位置，从而实现对水力转子进行位置控制，所述定位磁栅安装于下部空心轴承台肩上，通过磁栅检测头实时监测水力转子转动位置。

11、优选的，所述钻铤外壁的开槽内安装有控制电路板，所述驱动组件内部线路通过钻铤内的电路接线孔与钻铤外壁的控制电路板连接，所述钻铤外壁安装有用于隔绝井眼环控内钻井液的电路板盖板，从而避免钻井液进入控制电路板，所述下部支撑座上镶嵌有检测空心轴承位置的磁栅检测头，从而对水力转子进行位置控制，所述磁栅检测头具体为霍尔传感器。

12、优选的，所述控制单元包括主控单元、驱动单元和测量单元，所述测量单元包括用于测量电机反馈电流的电流传感器、用于测量水力转子位置的霍尔传感器，所述主控单元根据测量单元反馈的位置信息及电流传感器反馈的电流信息，为驱动单元提供设定电流值，控制电机的运动实现连续波泥浆脉冲信号的调制和实现电机正反转解堵。

13、与现有技术相比，本发明提供了一种连续波泥浆脉冲发生器，具备以下

14、有益效果：

15、1、该连续波泥浆脉冲发生器，通过采用中空电机设计，电机尺寸不受48mm抗压筒内径限制，可以设计更大尺寸的转子和定子线圈，电机的扭矩可以设计的更大，满足直接驱动水力转子运动的扭矩需求，由于水力转子直接由中空电机的转子驱动，中间不需要行星减速器、磁性联轴器、联轴器等复杂的结构设计，可大大简化脉冲器的机构，减少机械故障，同时没有中间的连接装置也可以将脉冲器设计的更短，为井下仪器其他传感器的设计预留更多的空间，电机与转子之间的扭矩传输是通过上部空心轴承传递，与传统方案细长的主轴传输力矩相比，空心轴承的尺寸更大，强度更高，避免了由于主轴变形而影响仪器工作的性能。

16、2、该连续波泥浆脉冲发生器，结构上较为简化，维修主要部件只有空心轴承，电机定子、转子等部件，整体安装完成后直接放入钻铤内即可，维修简单方便、效率高，驱动定子与驱动转子之间的间隙测量方便，普通的钢尺即可测量，调整间隙也很方便只需要取出驱动定子增加调整垫片即可，空心轴承的尺寸更大，强度更高，可以传递更大的扭矩，在砂子卡住驱动转子时也有更大的力去维持驱动转子的转动，减小了脉冲器砂卡故障的发生，钻井液通过空心轴承通过电机内部，将电机内部热量及时传递出去，可以有效增加电机散热效果，更短的脉冲器设计所配套使用的钻铤也更短，节约了材料成本。

17、3、该连续波泥浆脉冲发生器，内开口式转子相比于外开口式转子设计结构简单、强度高，不需要对转子叶片设计专门的加强支撑翼，而常规连续波脉冲器电机很小，电机力矩不大，不能驱动转动惯量较大的内开口式转子，本案中电机尺寸大，电机力矩也大，可以驱动内开口式转子，可以采用内开口转子设计，与传统的外开口式转子设计相比较可有效的将钻井液倒入到空心轴承内部，使得水力转子与水力定子处钻井液通道更大，降低局部流速，减少了钻井液对机械部件的冲蚀，该结构水力转子外壁的流体直接接触的面为水力定子，而不是传统设计上的钻铤内壁，可以避免钻井液对钻铤内壁的冲蚀，增加了工具的井下安全性也降低了更换钻铤的材料费用。

18、4、该连续波泥浆脉冲发生器，通过下部支撑座可以有三种不同的磁栅检测头布局，磁栅检测头具体为霍尔传感器，设计霍尔传感器与磁铁的安装位置，通过少量的传感器及磁铁，实现水力转子的的精准位置定位。

19、5、该连续波泥浆脉冲发生器，控制电路板安装在钻铤外壁，控制电路板的维修与检测更加方便，不需要拆开仪器连接，拆装抗压外筒，只需要拆开钻铤外壁的电路板盖板就可以方便的检查维护，实现了控制电路与机械结构的独立维护，将控制电路板安装在钻铤外壁也可以释放更多设计空间，控制电路板设计可以更加灵活，可以进一步减少整个脉冲器的长度。

20、6、该连续波泥浆脉冲发生器，在水力转子受到的旋转扭矩突然变大的情况下，控制器可以根据电流大小判断上部空心轴承所受扭矩大小，在可能有异物在水力转子处堵塞，造成旋转扭矩过大的情况下，控制电路通过控制电机反转，来实现自解堵功能。