CN103696762B - 旋转驱动的摆动阀式连续波发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转驱动的摆动阀式连续波发生器，包括：钻铤及安装在钻铤内的连续波发生单元、转动‑摆动转化机构、动力输出单元以及密封模块、压力平衡模块和电气连接模块，在钻铤的空腔内偏心安装有一钻铤内部安装套；所述连续波发生单元包括安装在钻铤上部中心的定子安装套、安装在定子安装套底部的定子和安装在定子下面并与转动‑摆动转化机构相连接的摆子，在定子和摆子上分别形成有节流孔；所述转动‑摆动转化机构将动力输出单元输出的旋转运动转化为横向往复移动，进而使摆子与定子相对摆动；所述密封模块用于使外部泥浆与钻铤内部安装套中的润滑油相互隔离。本发明结构简单、紧凑、设计合理，可减小卡阻风险。

Description

旋转驱动的摆动阀式连续波发生器

技术领域

本发明涉及石油天然气随钻测量技术领域，特别涉及一种用于井下遥测信号数据传输的连续波发生器。

背景技术

近年来蓬勃发展的随钻测量技术在增强大位移井、高难度水平井、分支井的地质导向和地层评价能力、提高油层钻遇率等方面具有重大作用。但随着井下信息量不断增多，数据信号高速传输在随钻测量***设计中的地位日益突出，成为随钻测量技术持续向前发展必须面对的问题。

当前井下遥测信号数据传输技术可分为有线和无线两种，有线主要有电缆、光纤和智能钻杆传输，无线则包括泥浆脉冲传输、电磁波和声波三类传输方式。其中，尽管有线传输具有更高的传输速率，但其高额的开发成本却使诸多钻井技术服务公司望而却步；而电磁波和声波传输的严重衰减特性使其在深井、超深井中的应用履步维艰。综合来看，泥浆脉冲传输以其良好的可靠性、较低的开发成本、大范围的应用井深等整体优势，是目前使用最为广泛、发展潜力极大的数据传输方式。

井下数据泥浆脉冲传输方式按脉冲类型有负脉冲、正脉冲、连续波脉冲三种。特别的，连续波脉冲以其传输速率较高、抗干扰能力强成为目前泥浆脉冲传输的前沿发展方向。

连续波泥浆脉冲发生器通过改变转子与定子过流断面的相对位置而产生连续的正弦压力波，目前有旋转阀式和剪切阀式两种。无论哪一种连续波发生器，都包括连续波脉冲发生单元、动力输出装置以及必要的压力平衡及密封模块。在旋转阀式连续波发生器中，转子在电机驱动下沿固定方向连续转动，与定子产生节流。而在剪切阀式连续波发生器中，电机驱动的转子在与定子形成的最大、最小流通面积间往复摆动，周期振荡，产生节流。与剪切阀式连续波发生器相比，旋转阀式连续波发生器为单方面转动，调整方便，对电机要求不高，但易产生转子卡阻现象，而剪切阀式连续波发生器可有效避免转子阻塞，但其频繁往复的控制方式对电机***提出了更高要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结合了旋转阀和剪切阀的双重优点，以产生连续正弦波泥浆信号的旋转驱动的摆动阀式连续波发生器。

为此本发明的技术方案如下：

一种旋转驱动的摆动阀式连续波发生器，包括：钻铤及安装在钻铤内的连续波发生单元、转动-摆动转化机构、动力输出单元以及密封模块、压力平衡模块和电气连接模块，在钻铤的空腔内偏心安装有一钻铤内部安装套；

所述连续波发生单元包括安装在钻铤上部中心的定子安装套、安装在定子安装套底部的定子和安装在定子下面并与所述转动-摆动转化机构相连接的摆子，在定子和摆子上分别形成有节流孔；

所述动力输出单元输出旋转动力；

所述转动-摆动转化机构将所述动力输出单元输出的旋转运动转化为横向往复移动，进而使摆子与定子相对摆动，产生正弦式连续压力波信号；

所述密封模块用于在动力输出单元工作时，使外部泥浆与钻铤内部安装套中的润滑油相互隔离，不发生双向泄漏；

所述压力平衡模块用于维持外部泥浆压力与钻铤内部安装套中的润滑油压力在适当压差范围内，减少密封模块的内外压力差。

所述电气连接模块一方面用于连接外部井下发电机电源，另一方面与井下控制器通信，获取相关发送数据。

所述转动-摆动转化机构包括：凸轮、滑动杆、滑动杆套和弹簧，所述滑动杆套的下端安装在钻铤内部安装套上；所述滑动杆呈L形，其上端穿过摆子中心方孔和定子中心孔；所述滑动杆套上端形成容纳弹簧和滑动杆下部的空腔；滑动杆的下部伸入滑动杆套的空腔内，并在凸轮和弹簧的共同作用下产生摆动。

在所述凸轮上开有凸轮安装孔，优选的是，以该凸轮安装孔的圆心为极点，凸轮外侧面各点的极径Φ满足以下极坐标方程：

其中，R、q、F_min和F_max分别为凸轮安装孔半径、极角、凸轮外侧面与凸轮安装孔内侧面间的最小和最大距离。

优选的是，所述定子、摆子和凸轮均采用高耐磨性材料加工而成，定子和摆子均为圆柱体形，所述定子和摆子上分别间隔形成有多个定子矩形槽孔和多个摆子矩形槽孔，以形成泥浆节流孔；当所述滑动杆在横向位移最大时，摆子与定子节流面积最大；当滑动杆在横向位移最小时，摆子与定子节流面积最小。

优选的是，各定子矩形槽孔与相应的摆子矩形槽孔的长度相同，宽度为F_max-F_min。

所述动力输出单元包括电机总成、旋转变压器、联轴器、传动轴、上球轴承、下球轴承和推力轴承，所述电机总成和旋转变压器经电机总成安装套和电机总成定位套固定在所述钻铤内部安装套的偏心孔内，通过联轴器与传动轴相连，实现动力输出，所述推力轴承、上球轴承和下球轴承共同支撑所述传动轴；

所述密封模块位于钻铤内部安装套顶部，包括旋紧在钻铤内部安装套上的密封锥形头，以及安装在传动轴上的泥浆防尘圈、泥浆密封圈、密封套和密封套锁紧头；

所述压力平衡模块位于动力输出单元下部，包括安装在钻挺内部安装套的偏心孔内的压力平衡轴以及套接在其上的压力平衡活塞；

所述电气输出模块位于钻铤内部安装套的底部，包括电气连接头和安装在其中心的航空插头。

位于所述钻铤内部安装套的偏心孔轴线上的传动轴、上球轴承、下球轴承、推力轴承、电机总成、旋转变压器以及密封模块和压力平衡模块的各中心轴线在安装时互相重合，且钻铤内部安装套偏心孔的中心轴线与钻铤内部安装套中心轴线的距离D满足以下方程：

所述电机总成由无刷直流电机和减速器构成，所述无刷直流电机为高温大功率小直径电机，所述旋转变压器为高温高精度角速率、角位移传感器。

本发明结构简单、紧凑、设计合理，基于凸轮机构运动原理，将无刷直流电机的单方向连续转动转化为摆子的往复摆动，兼具旋转阀和剪切阀的双重优点，在降低电机调控难度和简化定摆子结构设计的同时，可减小卡阻风险，对提高钻井安全具有很大的实用意义。

附图说明

图1为本发明的连续波发生器的一个实施例的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例中定子的结构示意图；

图3为本发明实施例中摆子的结构示意图；

图4为本发明实施例中凸轮结构的示意图，

其中：

1.上接头，2.定子，3.摆子，4.传动轴锁紧螺母，5.凸轮，6.泥浆防尘圈，

7.泥浆密封圈，8.密封套锁紧头，9.传动轴，10.钻铤内部安装套，11.轴承限位环，

12.卡簧，13.联轴器，14.电机总成，15.旋转变压器，16.压力平衡轴，

17.压力平衡活塞，18.电气连接头，19.下接头，20.航空插头，21.下油堵，

22.信号线，23.电机总成定位套，24.电机总成安装套，25.上油堵，26.推力轴承，

27.下球轴承，28.上球轴承，29.滑动杆套，30.密封锥形头，31.密封套，

32.弹簧，33.滑动杆，34.滑动杆锁紧螺母，35.定子安装套，36.钻铤，

201.定子矩形槽孔，202.定子中心孔，301.摆子槽孔，302.摆子中心方孔，

501.凸轮安装孔，502.凸轮外侧面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地说明。

在本发明的实施例中，为了便于描述，各部件的相对位置关系均根据说明书附图的布局来进行描述，例如：上、下位置关系是依据说明书附图中各零部件的布局来确定的。

以下结合附图对本发明实施例作进一步描述：

如图1所示，一种旋转驱动的剪切阀式连续波发生器，包括钻铤36及安装在钻铤36内的连续波发生单元、转动-摆动转化机构、动力输出单元、密封模块、压力平衡模块和电气连接模块。

钻铤36为中空的环形体，钻铤的上下两端车有连接螺纹，分别接有上接头1和下接头19，用于与其他外部钻铤互联。在钻铤36内部偏心安装有钻铤内部安装套10，所述转动-摆动转化机构、动力输出单元、密封模块、压力平衡模块和电气连接模块均安装在钻铤内部安装套10上。

所述连续波发生单元包括：安装在钻铤36上部中心的定子安装套35、安装在定子安装套35底部的定子2和通过滑动杆锁紧螺母34且固装在转动-摆动转化机构上的摆子3。摆子3在转动-摆动转化机构的作用下与定子2之间形成相对摆动。如图2所示，定子2设计成内部开有若干定子矩形槽孔201的圆柱体形，中心开有定子中心孔202，以留足滑动杆33的摆动空间。如图3所示，摆子3设计成内部开有若干摆子矩形槽孔301的圆柱体形，中心开有摆子中心方孔302，用于与滑动杆33固定连接。

所述转动-摆动转化机构包括凸轮5、滑动杆套29、弹簧32和滑动杆33。滑动杆套29的下端安装在钻铤内部安装套10上；滑动杆33呈L形，其上端穿过摆子中心方孔302和定子中心孔202；滑动杆套29上端形成容纳弹簧32和滑动杆33下部的空腔；滑动杆33的下部伸入滑动杆套29的空腔内，并在凸轮5和弹簧32的共同作用下产生摆动。

所述动力输出单元包括电机总成14、旋转变压器15、联轴器13、传动轴9、上球轴承28、下球轴承27、轴承限位环11、卡簧12和推力轴承26。旋转变压器15安装在电机总成14下端，二者经电机总成安装套24和定位套23固定在钻铤内部安装套10的偏心孔内，经联轴器13与传动轴9相连，实现动力输出。推力轴承26承担传动轴9上的轴向推力，并采用上球轴承28和下球轴承27共同支撑的方式，使传动轴9在伸出较长的情况下依然具有良好的稳定性。

所述密封模块位于钻铤内部安装套10顶部，包括套接在传动轴9上并旋紧在钻铤内部安装套10上端的密封锥形头30，以及由上到下依次套接在传动轴9上的密封套31、泥浆防尘圈6、泥浆密封圈7、和密封套锁紧头8。

所述压力平衡模块位于动力输出单元下部，包括安装在钻挺内部安装套10的偏心孔内的压力平衡轴16以及套接在压力平衡轴16下部的压力平衡活塞17。

电气连接模块安装在钻铤内部安装套10底部，包括电气连接头18和安装在电气连接头18下端中心的航空插头20。

如图4所示，凸轮5端面上开有凸轮安装孔501，由传动轴锁紧螺母4将其锁紧在传动轴9上端。以凸轮安装孔501的圆心为极点，凸轮外侧面502各点的极径Φ满足以下极坐标方程：

其中，R、q、F_min和F_max分别为凸轮安装孔半径、极角、凸轮外侧面与凸轮安装孔内侧面间的最小和最大距离。

定子2、摆子3和凸轮5均采用高耐磨性材料加工而成，各定子矩形槽孔201与相应摆子矩形槽孔301的长度相同(依具体设计要求而定)，宽度为F_max-F_min。

本发明的实施例中，选用高强度压力弹簧32，使得滑动杆33与凸轮5保持紧密接触，并将传动轴9的匀速转动转变为接触线处横向往复移动，以至于摆子3与定子2的相对摆动可产生正弦式连续压力波信号。特别的，滑动杆33在横向位移最大时，摆子3与定子2节流面积最大，压力波幅值最小，而滑动杆33在横向位移最小时，摆子3与定子2节流面积最小，压力波幅度最大。

本发明的实施例中，选用高性能橡胶制成的泥浆防尘圈6和泥浆密封圈7，并在与泥浆密封圈7接触的传动轴9处做表面抛光处理，以达到理想的旋转动密封效果。

本发明的实施例中，电机总成14由无刷直流电机和减速器构成，无刷直流电机为高温大功率小直径电机，

本发明的实施例中，旋转变压器15为高温高精度角速率、角位移传感器。

为了保证运行过程中存在良好的热传递效果，传动轴9、上球轴承28、下球轴承27、推力轴承26、电机总成14、旋变变压器15等均在油浴环境中工作。

本发明的实施例中，电气连接线经电气连接头18、位于电气连接头18内部的井下高压连接器(图中未示)和航空插头20与外部发电机、随钻测量仪等仪器相连。

本发明的实施例中，位于钻铤内部安装套10的偏心孔轴线上的传动轴9、上球轴承28、下球轴承27、推力轴承26、电机总成14、旋变变压器15以及密封及压力平衡模块在安装时各中心轴线互相重合，且钻铤内部安装套10偏心孔的中心轴线与钻铤内部安装套10的中心轴线距离D满足以下公式：

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种旋转驱动的摆动阀式连续波发生器，包括：钻铤(36)及安装在钻铤(36)内的连续波发生单元、转动-摆动转化机构、动力输出单元以及密封模块、压力平衡模块和电气连接模块，其特征在于：

在钻铤(36)的空腔内偏心安装有一钻铤内部安装套(10)；

所述连续波发生单元包括安装在钻铤(36)上部中心的定子安装套(35)、安装在定子安装套(35)底部的定子(2)和安装在定子(2)下面并与所述转动-摆动转化机构相连接的摆子(3)，在定子(2)和摆子(3)上分别形成有节流孔；

所述动力输出单元输出旋转动力；

所述转动-摆动转化机构将所述动力输出单元输出的旋转运动转化为横向往复移动，进而使摆子(3)与定子(2)相对摆动，产生正弦式连续压力波信号；

所述密封模块用于在动力输出单元工作时，使外部泥浆与钻铤内部安装套(10)中的润滑油相互隔离，不发生双向泄漏；

所述压力平衡模块用于维持外部泥浆压力与钻铤内部安装套(10)中的润滑油压力在适当压差范围内，减少密封模块的内外压力差；

所述电气连接模块一方面用于连接外部井下发电机电源，另一方面与井下控制器通信，获取相关发送数据；

所述转动-摆动转化机构包括：凸轮(5)、滑动杆(33)、滑动杆套(29)和弹簧(32)，所述滑动杆套(29)的下端安装在钻铤内部安装套(10)上；所述滑动杆(33)呈L形，其上端穿过摆子中心方孔(302)和定子中心孔(202)；所述滑动杆套(29)上端形成容纳弹簧(32)和滑动杆(33)下部的空腔；滑动杆(33)的下部伸入滑动杆套(29)的空腔内，并在凸轮(5)和弹簧(32)的共同作用下产生摆动。

2.根据权利要求1所述的摆动阀式连续波发生器，其特征在于：在所述凸轮(5)上开有凸轮安装孔(501)，以该凸轮安装孔(501)的圆心为极点，凸轮外侧面(502)各点的极径Φ满足以下极坐标方程：

$F=R+1/\sqrt{\left(\frac{1}{2F_{\min }^2}-\frac{1}{2F_{\max }^2}\right)\sin \left(q-\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)+\frac{1}{2F_{\max }^2}+\frac{1}{2F_{\min }^2}}$

其中，R、q、F_min和F_max分别为凸轮安装孔半径、极角、凸轮外侧面与凸轮安装孔内侧面间的最小和最大距离。

3.根据权利要求2所述的摆动阀式连续波发生器，其特征在于：所述定子(2)和摆子(3)均为圆柱体形，所述定子(2)和摆子(3)上分别间隔形成有多个定子矩形槽孔(201)和多个摆子矩形槽孔(301)，以形成泥浆节流孔；当所述滑动杆(33)在横向位移最大时，摆子(3)与定子(2)节流面积最大；当滑动杆(33)在横向位移最小时，摆子(3)与定子(2)节流面积最小。

4.根据权利要求3所述的摆动阀式连续波发生器，其特征在于：各定子矩形槽孔(201)与相应的摆子矩形槽孔(301)的长度相同，宽度为F_max-F_min。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的摆动阀式连续波发生器，其特征在于：

所述动力输出单元包括电机总成(14)、旋转变压器(15)、联轴器(13)、传动轴(9)、上球轴承(28)、下球轴承(27)和推力轴承(26)，所述电机总成(14)和旋转变压器(15)经电机总成安装套(24)和电机总成定位套(23)固定在所述钻铤内部安装套(10)的偏心孔内，通过联轴器(13)与传动轴(9)相连，实现动力输出，所述推力轴承(26)、上球轴承(28)和下球轴承(27)共同支撑所述传动轴(9)；

所述密封模块位于钻铤内部安装套(10)顶部，包括旋紧在钻铤内部安装套(10)上的密封锥形头(30)，以及安装在传动轴(9)上的泥浆防尘圈(6)、泥浆密封圈(7)、密封套(31)和密封套锁紧头(8)；

所述压力平衡模块位于动力输出单元下部，包括安装在钻挺内部安装套(10)的偏心孔内的压力平衡轴(16)以及套接在其上的压力平衡活塞(17)；

所述电气输出模块位于钻铤内部安装套(10)的底部，包括电气连接头(18)和安装在其中心的航空插头(20)。

6.根据权利要求5所述的摆动阀式连续波发生器，其特征在于，位于所述钻铤内部安装套(10)的偏心孔轴线上的传动轴(9)、上球轴承(28)、下球轴承(27)、推力轴承(26)、电机总成(14)、旋转变压器(15)以及密封模块和压力平衡模块的各中心轴线在安装时互相重合，且钻铤内部安装套(10)偏心孔的中心轴线与钻铤内部安装套(10)中心轴线的距离D满足以下方程：

$D=R+\frac{F_{max}+F_{min}}{2}.$

7.根据权利要求5所述的摆动阀式连续波发生器，其特征在于：所述电机总成(14)由无刷直流电机和减速器构成，所述无刷直流电机为高温大功率小直径电机，所述旋转变压器(15)为高温高精度角速率、角位移传感器。