擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油開采設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤指一種擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨鉆測量(MeasureWhile Dr i 11 ing: MWD)和隨鉆測井(Logging WhileDrilling:LWD)是完成大角度及水平井鉆井，實時井場數(shù)據(jù)采集、解釋、現(xiàn)場決策以及指導(dǎo)完成地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的關(guān)鍵技術(shù)，其綜合了錄測井、鉆井和油藏描述等多種學(xué)科技術(shù)，可簡化鉆井作業(yè)程序，節(jié)約成本，提高鉆井精度，調(diào)整鉆井設(shè)計和提高采收率。
[0003]泥漿脈沖發(fā)生器遙傳系統(tǒng)是MWD、LWD設(shè)備中的最重要組成部分，是井下信息實時地傳輸?shù)降孛娴闹匾侄?。隨著地層評價技術(shù)的不斷發(fā)展，井下數(shù)據(jù)量在逐漸增大，需要更高傳輸速率的脈沖器，MffD系統(tǒng)的傳輸速率成為制約井下數(shù)據(jù)上傳的瓶頸。
[0004]泥漿脈沖發(fā)生器遙傳系統(tǒng)中的工作原理一般為:井下數(shù)據(jù)壓縮、編碼，電機驅(qū)動系統(tǒng)按照編碼方式和傳輸數(shù)據(jù)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置，電機輸出軸帶動轉(zhuǎn)子相對定子轉(zhuǎn)動(或擺動)，周期性阻斷流體通道，在井下產(chǎn)生壓力波動，由井口傳感器檢測壓力脈沖。經(jīng)地面系統(tǒng)對調(diào)制壓力波進(jìn)行解碼，得到井下傳輸上來的數(shù)據(jù)。
[0005]基于擺動閥原理的脈沖遙傳系統(tǒng)由渦輪發(fā)電機供電系統(tǒng)，脈沖發(fā)生器本體及其驅(qū)動控制系統(tǒng)，地面接收和信號解調(diào)處理系統(tǒng)三部分組成。
[0006]泥漿脈沖器工作需要電力。目前，井下供電有兩種形式，一是泥漿渦輪發(fā)電機供電，二是鋰電池供電。渦輪發(fā)電機具有功率較大，供電時間長的特點，目前渦輪發(fā)電機功率較低?？紤]到包括隨鉆儀器，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器等整個系統(tǒng)的供電，所設(shè)計的脈沖器功耗越小越好。
[0007]—般來講，擺動閥原理的高速率脈沖發(fā)生器是泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)的重要組成部分，其脈沖發(fā)生機構(gòu)由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子的運動形式有旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)運動。通常把轉(zhuǎn)子往復(fù)運動的脈沖器稱為擺動閥式脈沖器，擺動閥式泥漿脈沖器因其傳輸速率快，精度高正在逐漸被油田服務(wù)公司采用。
[0008]由于在鉆進(jìn)過程中，地層的地質(zhì)條件隨鉆進(jìn)深度不同而變化，鉆柱內(nèi)的泥漿壓力會產(chǎn)生波動，轉(zhuǎn)子剪切流體時所受的水力轉(zhuǎn)矩有波動，造成脈沖器對電機轉(zhuǎn)矩和瞬時功率需求較大，脈沖器能夠較好地適應(yīng)鉆柱內(nèi)水力負(fù)載多變的特點至關(guān)重要。
[0009]相關(guān)的閥片式脈沖器，旋轉(zhuǎn)閥的斯倫貝謝的連續(xù)波旋轉(zhuǎn)閥原理的脈沖器，往復(fù)運動的擺動閥原理脈沖器有APS公司的脈沖器(S卩:APS擺動閥脈沖器)。該種APS擺動閥脈沖器，在傳動系中有變速箱機構(gòu)，所以其擺動速度低，其數(shù)據(jù)傳輸速率相應(yīng)也較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)，在同樣的功率下，電機響應(yīng)速度更快。
[0011]為使井下泥漿脈沖器產(chǎn)生高速泥漿壓力波動，一般采用電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或擺動的方式。從系統(tǒng)的角度分析，傳動系統(tǒng)設(shè)計原則主要有:
[0012]①機械，電子設(shè)計均圍繞調(diào)制方式與實時解調(diào)開展；
[0013]②傳動系，機械結(jié)構(gòu)及定轉(zhuǎn)子設(shè)計要結(jié)合流體分析結(jié)果；
[0014]③以功率消耗最小，儀器壓降最小，壓力幅值最大為目標(biāo)尋優(yōu)。
[0015]傳動方案使用電動機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)子做往復(fù)擺動，剪切流體，壓力補償和動密封使用膠囊的方案。電動機可選永磁式自復(fù)位擺動電機，或伺服電機，步進(jìn)電機，力矩電機以及所有能驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的電機。該方案的優(yōu)點是傳動鏈短，響應(yīng)迅速。缺點是電機控制難，要定制低速電機。
[0016]擺動閥擺動剪切流體，與針閥正作用原理(哈里伯頓MK系列脈沖器)的蘑菇頭軸向頂出封閉流道，以及連續(xù)被原理的旋轉(zhuǎn)閥連續(xù)剪切流體比較，其功耗較小。
[0017]脈沖器工作時，轉(zhuǎn)子擺動范圍可在O?360度之間任選，以轉(zhuǎn)子不連續(xù)旋轉(zhuǎn)，定轉(zhuǎn)子配合能夠產(chǎn)生地面能夠解調(diào)的壓力波形為準(zhǔn)。因為泥漿脈沖器在鉆桿內(nèi)泥漿中工作，需要考慮泥漿流動時對脈沖器定子和轉(zhuǎn)子的作用力，以此為依據(jù)進(jìn)行脈沖器工作機構(gòu)設(shè)計。通過對脈沖器定子和轉(zhuǎn)子計算域的流體分析，可以得到以下結(jié)論:
[0018]①力轉(zhuǎn)矩基本沿同一方向分布，驅(qū)動轉(zhuǎn)子向閉合方向運動；
[0019]②水力轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系密切，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角速度及角加速度關(guān)系較??；
[0020]③壓力波變化主要與流量及閥口通流面積相關(guān)。
[0021]④轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度對于水力轉(zhuǎn)矩的影響是明顯的，最大水力轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在定轉(zhuǎn)子接近閉合的位置。
[0022]由于泥漿對轉(zhuǎn)子的水力轉(zhuǎn)矩呈關(guān)閉趨勢，而脈沖器剪切流體的過程就是要使定轉(zhuǎn)子按著一定的規(guī)律關(guān)閉及開啟。利用泥漿對轉(zhuǎn)子的水力轉(zhuǎn)矩的關(guān)閉趨勢，可以使機構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理。在轉(zhuǎn)子的運動軌跡上，有一個能抵消關(guān)閉趨勢水力轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩，且設(shè)法使該轉(zhuǎn)矩與泥漿對轉(zhuǎn)子關(guān)閉趨勢的轉(zhuǎn)矩盡量平衡，電機就可在運動軌跡上力矩相對平衡的狀態(tài)下擺動。設(shè)計的擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)即基于這樣的構(gòu)思，在傳動系統(tǒng)上加裝一個扭簧扭轉(zhuǎn)機構(gòu)，該扭轉(zhuǎn)機構(gòu)盡可能地平衡泥漿脈沖器轉(zhuǎn)子在鉆桿內(nèi)所受的水力轉(zhuǎn)矩，會大大降低電機功率，使泥漿脈沖器消耗電能最小。此外，由于扭簧扭轉(zhuǎn)機構(gòu)的作用，泥漿脈沖器轉(zhuǎn)子在其運動軌跡上響應(yīng)速度更快。
[0023]為了達(dá)到本發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)，包括:空心的電機轉(zhuǎn)子軸;軸承，位于所述電機轉(zhuǎn)子軸的端部軸肩處、且所述電機轉(zhuǎn)子軸的軸肩可轉(zhuǎn)動地安裝在所述軸承內(nèi)部;脈沖器轉(zhuǎn)子;和所述扭簧，位于所述電機轉(zhuǎn)子軸內(nèi)，且其一端靠近所述電機轉(zhuǎn)子軸的端部并與所述電機轉(zhuǎn)子軸相連接、另一端伸出所述電機轉(zhuǎn)子軸的另一端與所述脈沖器轉(zhuǎn)子相鉸接。
[0024]可選地，所述擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)還包括:聯(lián)軸器，位于所述扭簧與所述脈沖器轉(zhuǎn)子之間、并連接所述扭簧和所述脈沖器轉(zhuǎn)子。
[0025]可選地，所述軸承包括有兩個或更多。
[0026]本發(fā)明提供的擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)，在綜合考慮擺動閥脈沖器傳動特點的同時，結(jié)合了轉(zhuǎn)子在鉆柱內(nèi)流體作用下的水力特性。設(shè)計的傳動系統(tǒng)要滿足以下功能特點:針對擺動閥脈沖器，功率消耗小，響應(yīng)頻率快，不易卡阻的特點，為新型的擺動閥脈沖器設(shè)計傳動方案；由于脈沖器在井下高溫高壓的環(huán)境下工作，設(shè)計時要考慮對脈沖器進(jìn)行壓力補償，采用耐高溫的橡膠件來進(jìn)行壓力補償;脈沖器在泥漿中工作，電機旋轉(zhuǎn)涉及密封，動密封加工、裝配難度大，使用過程中可靠性差，設(shè)計時電機運動不能超過360度，即不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，動密封選用橡膠膠囊的形式。
[0027]擺動閥脈沖器的運動軌跡是非連續(xù)旋轉(zhuǎn)，只是在一定角度內(nèi)往復(fù)運動，故發(fā)明采用膠囊進(jìn)行密封。為了提高傳動系的響應(yīng)速度，傳動系短，盡量減小反向死區(qū)誤差，若在傳動系設(shè)計中，需要進(jìn)行加速或者減速，除了使用驅(qū)動電路對電機驅(qū)動外，可在扭簧和轉(zhuǎn)子之間加入變速箱來實現(xiàn)增減速，但要求加工安裝精度要高。
[0028]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0029]附圖用來提供對本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本申請的實施例一起用于解釋本發(fā)明的技術(shù)方案，并不構(gòu)成對本發(fā)明技術(shù)方案的限制。
[0030]圖1為本發(fā)明一個實施例所述的擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)的局部剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2為與圖1所示的擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)相配合使用的扭簧扭轉(zhuǎn)機構(gòu)定位盤、鎖緊錐套和扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)機構(gòu)定位盤鎖緊端蓋相組裝后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]其中，圖1和圖2中附圖標(biāo)記與部件名稱之間的對應(yīng)關(guān)系為:
[0033]I電機轉(zhuǎn)子軸，2定子，3軸承，4脈沖器轉(zhuǎn)子，5扭簧，6聯(lián)軸器，I扭簧扭轉(zhuǎn)機構(gòu)定位盤;12鎖緊錐套，13扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)機構(gòu)定位盤鎖緊端蓋。
【具體實施方式】
[0034]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。
[0035]在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的方式來實施，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。
[0036]下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明一些實施例所述的擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)。
[0037]本發(fā)明提供的擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)，如圖1所示，包括:空心的電機轉(zhuǎn)子軸I;軸承3，位于電機轉(zhuǎn)子軸I的端部軸肩處、電機轉(zhuǎn)子軸I的軸肩可轉(zhuǎn)動地安裝在軸承3內(nèi)部;脈沖器轉(zhuǎn)子4;扭簧5，位于所述電機轉(zhuǎn)子軸I內(nèi)，且其一端靠近電機轉(zhuǎn)子軸I的端部并與所述電機轉(zhuǎn)子軸I相連接、另一端伸出所述電機轉(zhuǎn)子軸I的另一端與所述脈沖器轉(zhuǎn)子4相鉸接;和定子2。
[0038]本發(fā)明提供的擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)，在同樣的功率下，電機響應(yīng)速度更快。
[0039]其中，軸承3包括有兩個或更多。
[0040]再者，擺動閥泥漿脈沖發(fā)生器傳動系統(tǒng)還包括:聯(lián)軸器6，位于扭簧5與脈沖器轉(zhuǎn)子4之間、并連接扭簧5和脈沖器轉(zhuǎn)子4。
[0041]不考慮扭簧所受轉(zhuǎn)矩的方向，力矩平衡關(guān)系可用公式TM+IV+TS= J.α表示。
[0042]式中:Tm-電機轉(zhuǎn)矩，單位N.m;IV-水力轉(zhuǎn)矩，單位N.m;Ts_彈簧轉(zhuǎn)矩，單位N.m；a-轉(zhuǎn)子的角加速度，單位rad/s2;J-轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，單位kg.m2。
[0043]這樣，對于工程實現(xiàn)來講，要想提高數(shù)據(jù)傳輸速率，需要提高電機轉(zhuǎn)子軸的擺動頻率，同時還要考慮在提高擺動頻率的同時，使電機轉(zhuǎn)子軸擺動實際消耗的功率小，最大限度地控制井下儀器的功率，降低泥漿脈沖器功耗。除了從電機轉(zhuǎn)子軸的擺動軌跡，擺動方式等方面考慮外，設(shè)計增添的輔助機構(gòu)，扭簧扭轉(zhuǎn)機構(gòu)較好地解決了這個問題。