CN113775335B - 一种钻井液脉冲信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种钻井液脉冲信号发生器，包括：外壳；同心设置在外壳的内部的内芯，在内芯的内部设有腔体，在腔体的内部设有转子轴和定子线包；设置在内芯的第一端的涡轮，涡轮与转子轴固定连接；设置在内芯与涡轮的轴向之间的阀盘机构，阀盘机构包括定子盘和转子盘，转子盘设置成能够由涡轮驱动旋转，从而使阀盘机构的过流面积呈周期性变化；以及设置在井口的压力采集装置；其中，涡轮能够在钻井液的推动作用下带动转子盘和转子轴转动，从而使流过阀盘机构的钻井液产生周期性的压力脉冲，定子线包通过通电和断电能够控制转子轴的转速，以控制压力脉冲的信号频率，并通过压力采集装置采集分析信号频率，从而完成井下测量信息的传递。

Description

一种钻井液脉冲信号发生器

技术领域

本发明属于石油钻井工程技术领域，具体地，涉及一种钻井液脉冲信号发生器。

背景技术

在钻井过程中，尤其是在水平井、大位移井和分支井等复杂结构井的钻井过程中，井场人员通常通过随钻测量MWD、随钻测井LWD系统来实时了解各种井下参数。目前，常用的随钻测量、随钻测井系统由井下控制器、各种井下参数测量仪器、随钻测量信息传输系统和地面信息接收、处理、显示系统等形成。信息传输系统是关键技术之一，在钻井过程中，对钻井信息的传输尤为重要。

目前，现有技术中常用的钻井液脉冲信号发生器一般采用往复或旋转部件来改变钻具内钻井液通道，从而形成钻井液压力脉冲的原理来进行工作。然而，现有的钻井液脉冲信号发生器仍然存在一些问题。例如，往复或旋转部件需要通过电机或电磁阀、液压阀进行有源控制，这使得往复或旋转部件受到电池寿命、发电机寿命的影响，从而导致整个系统的应用寿命短，影响施工效率。并且，现有的往复或旋转部件的结构复杂，生产成本高，维修保养费用高。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提供一种钻井液脉冲信号发生器，该钻井液脉冲信号发生器能够使流经钻井液脉冲信号发生器的钻井液产生周期性的压力脉冲，并能够控制脉冲信号频率从而进行信息传递，其能够有效延长钻井液脉冲信号发生器的使用寿命。

为此，根据本发明提出了一种钻井液脉冲信号发生器，包括：外壳；同心设置在所述外壳的内部的内芯，所述内芯设置成与所述外壳保持固定，在所述内芯的内部设有腔体，在所述腔体的内部同心设有转子轴和定子线包；设置在所述内芯的第一端的轴向外侧的涡轮，所述涡轮与所述转子轴固定连接；设置在所述内芯与所述涡轮的轴向之间的阀盘机构，所述阀盘机构包括定子盘和转子盘，所述转子盘设置成能够由所述涡轮驱动旋转，从而使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化；以及设置在井口的压力采集装置；其中，所述涡轮能够在钻井液的推动作用下带动所述转子盘和所述转子轴转动，从而使流过所述阀盘机构的钻井液产生周期性的压力脉冲，所述定子线包通过通电和断电能够控制所述转子轴的转速，以控制所述压力脉冲的信号频率，并通过所述压力采集装置采集分析信号频率，从而完成井下测量信息的传递。

在一个实施例中，所述定子盘设有多个周向均布且轴向贯穿所述定子盘的流道孔，所述转子盘设有多个能与所述流道孔适配的过流槽，

所述转子盘随所述涡轮旋转而使所述过流槽与所述流道孔周期性地导通，从而周期性地打开所述阀盘机构。

在一个实施例中，所述涡轮通过连接轴与所述转子轴固定连接。

在一个实施例中，所述连接轴的第一端依次穿过所述定子盘和所述转子盘而与所述涡轮固定连接，且所述连接轴与所述转子盘之间固定连接，与所述定子盘之间转动连接，

所述连接轴的第二端穿过所述内芯的第一端并延伸至所述内腔，从而与所述转子轴固定连接。

在一个实施例中，在所述连接轴与所述内芯的第一端的径向之间设有密封件，以使所述连接轴与所述内芯形成转动密封。

在一个实施例中，所述阀盘机构通过内套筒与所述外壳固定连接，且所述定子盘与所述内套筒固定连接。

在一个实施例中，在所述腔体的第二端设有密封塞，且所述腔体的内部充满绝缘液体。

在一个实施例中，在所述内芯的第二端设有扶正器，所述内芯通过所述扶正器同心固定在所述外壳的内部。

在一个实施例中，所述定子线包固定在所述腔体的内壁上，且所述转子轴穿过所述定子线包设置。

在一个实施例中，所述定子线包为多线匝发电机线包，所述转子轴为多级对发电机永磁轴。

与现有技术相比，本申请的优点之处在于：

根据本发明的钻井液脉冲信号发生器能够使流经钻井液脉冲信号发生器的钻井液产生周期性的压力脉冲，并能够控制脉冲信号频率从而进行信息传递。并且，该钻井液脉冲信号发生器能够产生无源连续波钻井液脉冲信号，其通过阀盘机构和转子轴控制钻井液压力脉冲信号频率，从而有效提高了井下测量结果的有效性和可靠性。使用该液脉冲发生器有利于提高井下随钻测量的效率，从而能够提高钻井施工效率。此外，该钻井液脉冲信号发生器的结构简单，生产成本低，维修保养费用低，并能够有效延长钻井液脉冲信号发生器的使用寿命。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1示意性地显示了根据本发明的钻井液脉冲信号发生器的结构。

图2示意性地显示了图1所示钻井液脉冲信号发生器中的定子盘的结构。

图3示意性地显示了图1所示钻井液脉冲信号发生器中的转子盘的结构。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

需要说明的是，在本申请中，将根据本发明的钻井液脉冲信号发生器下放到井筒中靠近井口的一端定义为“上端”或相似用语，将远离井口的一端定义为“下端”或相似用语。

图1示意性地显示了根据本发明的钻井液脉冲信号发生器100的结构。如图1所示，钻井液脉冲信号发生器100包括圆筒状的外壳10。外壳10的上端(图1中的右端)和下端(图1中的左端)分别构造有连接接头，外壳10通过两端的连接接头连接上下钻具。在一个实施例中，外壳10两端的连接接头均构造成负锥形连接扣。

如图1所示，钻井液脉冲信号发生器100还包括设置在外壳10的内部的内芯20。在内芯20的第二端(图1中的左端)设有扶正器27，内芯20通过扶正器27同心固定在外壳10的内部，且内芯20通过定子盘31(见下文)与外壳10之间保持固定。扶正器27能够有效保证内芯20与外壳10之间同心布置，且有利于保证内芯20稳定。内芯20包括大致呈圆柱体形的本体部分，在内芯20的本体部分的内部设有腔体21。内芯20的第一端(上端)构造成轴向向外的圆柱形的延伸部，延伸部的外径小于本体部分的外径，且呈流线型结构设置。内芯20的这种结构尤其能够避免钻井液对本体部分的直接冲蚀，在本体部分内安装有轴承(未示出)以使转子轴23与内芯20的本体部分之间形成转动连接，从而确保了转子轴23居中安装，并能够灵活转动。

在本实施例中，内芯20的第二端(下端)设有轴向延伸且贯穿第二端的通孔，通孔与腔体21连通，在通孔内固定安装有密封塞26。密封塞26优选为高压密封塞。密封塞26构造成圆柱体形，且密封塞26的内部设有轴向贯穿的导线，且密封塞26的外缘设有密封圈，密封塞26能够保证在有导线通过的情况下，内外腔体能够各自承受高压密封，从而确保在一端密封失效的情况下损失最小。

根据本发明，在内芯20的腔体21的内部设有转子轴23和定子线包22。定子线包22固定设置在腔体21的内壁上转子轴23同心布置在腔体21的内部，且转子轴23穿过定子线包22设置。转子轴23的下端(图1中的左端)穿过定子线包22且与内芯20的内壁形成转动连接。例如，转子轴23的下端可以通过轴承与内芯20的内壁形成转动连接。在一个实施例中，定子线包22为多线匝发电机线包，转子轴23为多级对发电机永磁轴。转子轴23和定子线包22的作用在下文进行介绍。

如图1所示，钻井液脉冲信号发生器100还包括涡轮40。涡轮40连接在内芯20的第一端的轴向外侧，并且涡轮40的中心转轴与转子轴22固定连接。在一个实施例中，在涡轮40与转子轴22之间连接有连接轴24，涡轮40通过连接轴24与转子轴22固定连接。优选地，涡轮40的叶片构造成螺旋形，涡轮40在钻井液的流动作用下能够产生旋转运动。

在本实施例中，内芯20的第一端设有轴向贯穿延伸部的安装部，安装部与腔体21连通。连接轴24的第二端(下端)安装在安装部内而穿过内芯20的第一端，并延伸至腔体21，从而与所转子轴23固定连接。在连接轴24与内芯的第一端的安装部之间设有密封件25，从而使连接轴24与内芯20形成转动密封，以保证腔体21的密封性。

为了使内芯20能够平衡压力，在腔体21的内部充满绝缘液体。绝缘液体能够对转子轴23形成润滑，有利于转子轴23转动。并且绝缘液体能够对转子轴23和定子线包22进行散热降温，从而有效保证钻井液脉冲信号发生器100的工作性能，有利于延长钻井液脉冲信号发生器100的使用寿命。

根据本发明，钻井液脉冲信号发生器100还包括阀盘机构30。如图1所示，阀盘结构30设置在内芯20与涡轮40的轴向之间。阀盘机构30包括定子盘31和转子盘32。连接轴24的第一端依次穿过定子盘31和转子盘32而与涡轮固40定连接，且连接轴24与转子盘32之间固定连接，连接轴24与定子盘31之间转动连接。转子盘32设置成能够由涡轮40驱动旋转，并使阀盘机构30的过流面积呈周期性变化，从而使流过阀盘机构30的钻井液能够产生周期性的压力脉冲。

在本实施例中，阀盘机构30通过内套筒50与外壳10固定连接。在一个实施例中，内套筒50的外壁面与外壳10的内避免之间通过螺纹连接方式形成固定连接。并且，定子盘31与内套筒50的内壁面固定密封连接，而转子盘32设置成能够相对于内套筒50转动。这样能够有效保证阀盘结构30与外壳10之间的密封性能，从而增强阀盘机构30的工作性能。

图2示意性地显示了定子盘31的结构。如图2所示，定子盘31构造为盘形件，在盘形件的中部设有用于供连接轴穿过的中心通孔。在定子盘31的盘面上设有多个轴向贯穿定子盘31的流道孔311，多个流道孔311在定子盘31上周向均匀间隔开分布。优选地，在定子盘31的盘面上设有8个流道孔311。流道孔311的截面形状和数量可根据实际流量需求进行设置。

图3示意性地显示了转子盘32的结构。如图3所示，转子盘32构造为盘形件，在盘形件的中部设有用于供连接轴穿过的中心通孔。在转子盘32的盘面上设有多个能够与定子盘31上的流道孔311适配的过流槽321，过流槽321沿转子盘32的外周径向向内延伸，且多个过流槽321在转子盘32上周向均匀间隔开分布。转子盘32随涡轮40旋转能够使过流槽321与流道孔311交替对应导通或关闭，使过流槽321与流道孔311周期性地导通，从而周期性地打开或关闭阀盘机构30。由此，使得流过阀盘机构30的钻井液能够产生周期性的压力脉冲。

根据本发明，钻井液脉冲信号发生器100还包括设置在井口的压力采集装置(未示出)。压力采集装置用于采集钻井液脉冲信号发生器100传递的井下测量信息，并进行信息复原，从而采集并分析井下测量的各种参数。

根据本发明的钻井液脉冲信号发生器100在实际工作过程中，来自上部钻具的钻井液流经涡轮40而推动涡轮40转动，涡轮40通过连接轴24带动转子轴23转动，同时带动转子盘32一起转动。转子盘32在转动的过程中，转子盘32上的过流槽321与定子盘31上的流道孔311交替性连通和闭合，以周期性打开阀盘结构30，从而使流过阀盘机构30的钻井液产生周期性的压力脉冲。同时，通过控制定子线包22线圈接头的通电和断电(即接入或断开一个电子负载)，使转子轴23基于电磁感应原理而产生间或性的反扭矩，从而使转子轴23的转速忽快忽慢，以控制定子盘31与转子盘32产生的钻井液压力脉冲信号频率忽快忽慢。由此，利用这种快慢不等的频率信号进行信息编码，然后通过井口压力采集装置采集信号频率并进行信息复原和分析，从而完成测量信息自井底到井口的传递。

根据本发明的钻井液脉冲信号发生器100能够使流经钻井液脉冲信号发生器100的钻井液产生周期性的压力脉冲，并能够控制脉冲信号频率从而进行信息传递。并且，该钻井液脉冲信号发生器100能够产生无源连续波钻井液脉冲信号，其通过阀盘机构30和转子轴23控制钻井液压力脉冲信号频率，从而有效提高了井下测量结果的有效性和可靠性。使用该液脉冲发生器100有利于提高井下随钻测量的效率，从而能够提高钻井施工效率。此外，该钻井液脉冲信号发生器100的结构简单，生产成本低，维修保养费用低，并能够有效延长钻井液脉冲信号发生器100的使用寿命。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钻井液脉冲信号发生器，其特征在于，包括：

外壳（10）；

同心设置在所述外壳的内部的内芯（20），所述内芯设置成与所述外壳保持固定，在所述内芯的内部设有腔体（21），在所述腔体的内部同心设有转子轴（23）和定子线包（22）；在所述腔体的第二端设有密封塞（26），且所述腔体的内部充满绝缘液体；

设置在所述内芯的第一端的轴向外侧的涡轮（40），所述涡轮与所述转子轴固定连接；

设置在所述内芯与所述涡轮的轴向之间的阀盘机构（30），所述阀盘机构包括定子盘（31）和转子盘（32），所述转子盘设置成能够由所述涡轮驱动旋转，从而使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化；所述定子盘设有多个周向均布且轴向贯穿所述定子盘的流道孔（311），所述转子盘设有多个能与所述流道孔适配的过流槽（321），所述转子盘随所述涡轮旋转而使所述过流槽与所述流道孔周期性地导通，从而周期性地打开所述阀盘机构；以及

设置在井口的压力采集装置；

其中，所述涡轮能够在钻井液的推动作用下带动所述转子盘和所述转子轴转动，从而使流过所述阀盘机构的钻井液产生周期性的压力脉冲，所述定子线包通过通电和断电能够控制所述转子轴的转速，以控制所述压力脉冲的信号频率，并通过所述压力采集装置采集分析信号频率，从而完成井下测量信息的传递。

2.根据权利要求1所述的钻井液脉冲信号发生器，其特征在于，所述涡轮通过连接轴（24）与所述转子轴固定连接。

3.根据权利要求2所述的钻井液脉冲信号发生器，其特征在于，所述连接轴的第一端依次穿过所述定子盘和所述转子盘而与所述涡轮固定连接，且所述连接轴与所述转子盘之间固定连接，与所述定子盘之间转动连接，

所述连接轴的第二端穿过所述内芯的第一端并延伸至所述腔体，从而与所述转子轴固定连接。

4.根据权利要求3所述的钻井液脉冲信号发生器，其特征在于，在所述连接轴与所述内芯的第一端的径向之间设有密封件（25），以使所述连接轴与所述内芯形成转动密封。

5.根据权利要求1或2所述的钻井液脉冲信号发生器，其特征在于，所述阀盘机构通过内套筒（50）与所述外壳固定连接，且所述定子盘与所述内套筒固定连接。

6.根据权利要求1所述的钻井液脉冲信号发生器，其特征在于，在所述内芯的第二端设有扶正器（27），所述内芯通过所述扶正器同心固定在所述外壳的内部。

7.根据权利要求1所述的钻井液脉冲信号发生器，其特征在于，所述定子线包固定在所述腔体的内壁上，且所述转子轴穿过所述定子线包设置。

8.根据权利要求7所述的钻井液脉冲信号发生器，其特征在于，所述定子线包为多线匝发电机线包，所述转子轴为多级对发电机永磁轴。