CN105927215A - 一种低功耗连续波发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗连续波发生器，包括旋转阀定子、涡轮、旋转阀转子、磁力机构和传动轴；所述的涡轮、旋转阀转子固定在所述的传动轴上且随传动轴一起转动，通过涡轮的水力转矩补偿所述发生器负载转矩中的直流分量，所述的旋转阀定子与涡轮、旋转阀转子同轴安装，但其不转动；所述的磁力机构包括永磁定子与永磁转子，永磁转子与传动轴固定连接随传动轴一起转动，永磁定子不转动；通过磁力机构的磁力转矩补偿所述发生器负载转矩中的交变分量。从而有效降低电机端负载转矩，降低供电电源功耗、提高连续波发生器驱动***动态性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种低功耗连续波发生器，适用于随钻测量、随钻测井的井下数据无线传输***，能够有效降低电机端负载转矩以及供电电源功耗、提高连续波发生器驱动***动态性能。
背景技术
随着对陆地油气、深海油气、页岩气、地热、可燃冰等能源需求的不断增大，作为其勘探开发的最重要或唯一手段，钻井技术也在不断发展，20世纪80年代以来，进入了以信息化、智能化为特点的自动化钻井阶段，越来越迫切地需要快速实时获取尽可能多的井下信息，使得井下信息传输技术成为实现自动化钻井的关键技术。
井下信息传输方式主要有钻井液脉冲法、声波法、电磁波法等。其中钻井液脉冲法应用最多、鲁棒性更好，它包括正脉冲法、负脉冲法和连续波法。正、负脉冲法目前应用广泛，但其传输速率较低，通常小于3bps，越来越难以满足快速、实时获取井下信息的自动化钻井需求。连续波方法具有鲁棒性好、传输速率高等优点，被认为是一种具有广阔应用前景的井下信息数据传输技术，目前，国外研究较多，但仅斯伦贝谢公司拥有商业化产品，如PowerPulse、Slimpulse，其产生的连续波信号速率可达16bps；国内的有关研究仍处于理论探索阶段。
1964年，美孚石油公司首次提出了连续波信号传输方法，该方法在位于井下的钻铤中安装节流阀并允许部分或全部泥浆流过，通过连续调节节流阀开口大小，周期性阻断井筒中的流动，在钻杆里的泥浆中形成相位连续的压力波，简称连续波。通过改变阻断钻井液流动的频率或相位携带待传输井下信息，得到频率调制或相位调制的压力波信号。在地面上检测该压力波信号，然后解调该信号得到井下信息。
在连续波数据传输中，连续波发生器是核心设备。在高压、高流量、连续作业等井下环境下，受高速钻井液的影响，连续波发生器转动***的负载转矩较大，且波动很大，因为功耗与转矩、转速呈正比，故需要较大功率的驱动电机和供电电源，如要产生16bps的连续波可能需要数百瓦以上的驱动电机和井下电源。此外，要提高连续波信号传输速率，需要增大转动***的转速，会导致更大的功耗需求。连续波发生器转动***的负载转矩大，使得连续波发生器在井下服务时，只能采用高输出功率的涡轮发电机供电，而大功率涡轮发电机成本、研发难度大，同时大转矩波动给连续波发生器的控制带来很大的难度。要减小连续波发生器的供电需求，需要降低电机端的负载转矩。连续波发生器的负载转矩是周期性波动的，主要由转动***所受水力转矩、高压密封及轴承引起的摩擦转矩组成，可以分解为直流分量与交变分量。已有有关连续波发生器负载转矩的研究，集中于探讨转动***所受水力转矩的变化规律，尚无有效降低电机端负载转矩的方法报道，不能解决电机端负载转矩大、电源功耗大等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗连续波发生器，在连续波发生器旋转轴上增加或安装涡轮结构，通过涡轮水力转矩补偿发生器负载转矩中的直流分量，在连续波发生器旋转轴上安装永磁磁力机构，通过永磁磁力转矩补偿发生器负载转矩中的交变分量，从而实现电机端负载转矩的实时补偿。涡轮水力转矩和磁力转矩的能耗分别来自钻井液和永磁定转子，不是来源于井下电源，又因电机端负载转矩的大幅降低，故连续波发生器所需电源功耗也将大幅降低。
本发明的目的是为了解决连续波发生器电机端负载转矩大、井下电源功耗大等问题，提出一种低功耗连续波发生器，运用混合动力驱动的理论和理念，综合涡轮水力转矩补偿与磁力耦合转矩补偿方式，设计连续波发生器，降低电机转矩负载以及井下电源功耗。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低功耗连续波发生器，包括旋转阀定子、涡轮、旋转阀转子、磁力机构和传动轴；所述的涡轮、旋转阀转子固定在所述的传动轴上且随传动轴一起转动，通过涡轮的水力转矩补偿所述发生器负载转矩中的直流分量，所述的旋转阀定子与涡轮、旋转阀转子同轴安装，但其不转动；所述的磁力机构包括永磁定子与永磁转子，永磁转子与传动轴固定连接随传动轴一起转动，永磁定子不转动；通过磁力机构的磁力转矩补偿所述发生器负载转矩中的交变分量。
进一步的，所述传动轴经过轴承安装在轴承支撑筒中，轴承支撑筒的一端与悬挂筒的一端连接，另一端与磁力机构支撑筒连接。
进一步的，所述旋转阀定子安装于悬挂筒的另一端，并采用定子压盖压紧；所述定子压盖与打捞头连接。
进一步的，所述的永磁定子固定安装于磁力机构支撑筒中；所述的磁力机构支撑筒与压力平衡外筒的一端连接；所述的压力平衡外筒的另一端与压力平衡内筒的一端连接；所述的压力平衡外筒与压力平衡内筒之间安装有活塞和弹簧。
进一步的，所述的压力平衡内筒另一端与电机安装筒的一端连接；所述的电机安装筒内部安装有电机、减速机和旋转变压器；所述的电机安装筒的另一端与转接堵头连接。
进一步的，所述涡轮的轴线与转阀转子同轴，或位于旋转阀转子下方，或位于旋转阀转子上方，与旋转阀转子之间无相对运动。
进一步的，所述涡轮至少包括2个叶片，叶片呈圆周对称分布，涡轮叶片的螺旋升角方向与旋转阀转子旋转方向一致。
进一步的，所述磁力机构包括永磁定子和永磁转子，转子相对传动轴固定，永磁定子和永磁转子的极对数与旋转阀的叶片个数相同。
进一步的，所述旋转阀定子和旋转阀转子的阀口形状相同，阀口形状均为曲线形式。
进一步的，所述旋转阀转子或位于转阀定子上方或位于转阀定子下方，与旋转阀定子之间有轴向间隙。
本发明的工作过程如下：
在钻柱中，一定流量的钻井液流经旋转阀定子与转子构成的节流口以及涡轮。电机驱动减速机旋转，减速机通过联轴器带动传动轴旋转，传动轴带动旋转阀转子、涡轮、永磁转子一同旋转，旋转阀定子固定，使旋转阀转子与旋转阀定子构成的阀节流口大小产生变化，进而产生周期性钻井液压力波。钻井液流过旋转阀转子时产生旋转阀水力转矩，钻井液流过涡轮时产生涡轮水力转矩；永磁转子旋转过程中受永磁定子的影响，产生周期性永磁磁力转矩；在传动轴旋转过程中，受旋转密封和轴承的摩擦的影响，产生***摩擦转矩；其中涡轮水力转矩、永磁磁力转矩构成的合力转矩与旋转阀水力转矩、***摩擦转矩构成的合力转矩大小相等、方向相反，使得电机端的负载转矩最小，从而降低了所需电机端的负载，降低了电机端的功耗。
传动轴在旋转过程中，由轴承I、轴承II与轴承III提供径向支撑，旋转阀转子受钻井液冲击时，产生轴向力，该轴向力通过推力轴承传递到轴承支撑筒上。
轴承支撑筒、磁力机构支撑筒、压力平衡外筒、压力平衡内筒、电机安装筒、活塞、旋转密封、转矩堵头构成了封闭腔体，腔体外是钻井液，腔体内充满了液压油。钻井液通过泥浆孔进入活塞处，推动活塞的弹簧处于预压状态，使腔体内部油压大于腔体外钻井液压力。传动轴在旋转过程中旋转密封处会存在微量泄露，因腔体内压力大于腔体外压力，使腔体内液压油通过旋转密与传动轴之间间隙缓慢泄露到腔体外钻井液中，从而阻止钻井液进入腔体内，防止钻井液中泥沙损坏腔体内轴承、电机、减速机等部件。随着液压油的微量泄露，弹簧推动活塞运动，始终保证腔体内油压高于腔体外钻井液的压力。
本发明的有益效果如下：
在连续波发生器旋转轴上增加或安装涡轮结构，通过涡轮水力转矩补偿发生器负载转矩中的直流分量，在连续波发生器旋转轴上安装永磁磁力机构，通过永磁磁力转矩补偿发生器负载转矩中的交变分量，从而实现电机端负载转矩的实时补偿。涡轮水力转矩和磁力转矩的能耗分别来自钻井液和永磁定转子，不是来源于井下电源，又因电机端负载转矩大幅降低，所以连续波发生器所需电源功耗也将大幅降低。
附图说明
图1为本发明主剖视图；
图2为本发明中的力传递图；
图3为本发明磁力机构剖视图；
图4(a)、图4(b)为本发明涡轮旋转阀转子安装位置图；
图5为本发明负载转矩补偿图。
图中：1.打捞头，2.悬挂筒，3.旋转阀定子，4.涡轮，5.旋转密封，6.轴承I，7.轴承支撑筒，8.轴承II，9.磁力机构，10.传动轴，11.压力平衡外筒，12.弹簧，13.轴承III，14.电机安装筒，15.电机，16.转接堵头，17.电连接头，18.旋转变压器，19.减速机，20.联轴器，21.压力平衡内筒，22.泥浆孔，23.活塞，24.液压油，25.磁力机构支撑筒，26.锁紧螺母，27.推力轴承，28.导流压盖，29.旋转阀转子，30.定子压盖，31.钻井液流动方向，32.旋转阀水力转矩，33.涡轮水力转矩，34.***摩擦转矩，35.磁力机构产生转矩，36.电机减速机驱动转矩，37.旋转阀转子转动方向，38.磁力机构定子磁钢片，39.磁力机构转子磁钢片，40.发生器负载转矩实例，41.涡轮水力转矩实例，42磁力转矩实例，43.补偿后电机端负载转矩。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明公开的低功耗连续波发生器，包括旋转阀定子3、涡轮4、旋转阀转子29、磁力机构9和传动轴10；所述的涡轮1、旋转阀转子29固定在所述的传动轴10上且随传动轴一起转动，通过涡轮1的水力转矩补偿所述发生器负载转矩中的直流分量，所述的旋转阀定子3与涡轮1、旋转阀转子29同轴安装，但其不转动；所述的磁力机构包括永磁定子与永磁转子，永磁转子与传动轴固定连接随传动轴一起转动，永磁定子不转动；通过磁力机构的磁力转矩补偿所述发生器负载转矩中的交变分量。
具体的结构如下：
所述涡轮4与传动轴10固定连接；所述旋转阀转子29与传动轴10固定连接；所述传动轴10经过轴承I 6、轴承II 8安装在轴承支撑筒7中，并采用锁紧螺母轴向紧固；所述的轴承支撑筒7的内部安装有旋转密封件5，轴承支撑筒7的一端与悬挂筒的一端连接，并采用导流压盖压紧，另一端与磁力机构支撑筒25连接；所述旋转阀定子3安装于悬挂筒的另一端，并采用定子压盖压紧；所述定子压盖与打捞头1连接；所述磁力机构支撑筒25的内部安装有磁力机构9。
磁力机构9包括永磁定子与永磁转子，永磁转子与传动轴10固定连接，永磁定子固定安装于磁力机构支撑筒25中；磁力机构支撑筒25与压力平衡外筒11的一端连接；所述的压力平衡外筒11的另一端与压力平衡内筒21的一端连接；所述的压力平衡外筒11与压力平衡内筒21之间安装有活塞23和弹簧12；
所述的压力平衡内筒21与传动轴10之间安装有轴承III 13；所述的压力平衡内筒21另一端与电机安装筒的一端连接。
电机安装筒内部安装有电机15、减速机19和旋转变压器18；所述的电机安装筒14的另一端与转接堵头16连接；所述的转接堵头16内部安装有电连接头17；所述的减速机19输出轴通过联轴器与传动轴连接。采用涡轮的水力转矩补偿负载转矩的直流分量。采用磁力机构补偿负载转矩的交变分量。
如图4(a)、图4(b)所示，涡轮的轴线与转阀转子同轴，或位于旋转阀转子29下方，或位于旋转阀转子29上方，与旋转阀转子29之间无相对运动。
涡轮至少包括2个叶片，叶片呈圆周对称分布，涡轮叶片的螺旋升角方向与旋转阀转子旋转方向一致。
旋转阀定子和旋转阀转子的阀口形状相同，阀口形状均为曲线形式。
旋转阀转子或位于转阀定子上方或位于转阀转子下方，与旋转阀定子之间有轴向间隙。旋转阀定子与旋转阀转子的叶片个数至少2个，具体数量可以根据实际需要进行确定。
具体的工作过程如下：
在钻柱中，一定流量的钻井液流经旋转阀定子与转子构成的节流口以及涡轮。电机驱动减速机旋转，减速机通过联轴器带动传动轴旋转，传动轴带动旋转阀转子、涡轮、永磁转子一同旋转，旋转阀定子固定，使旋转阀转子与旋转阀定子构成的阀节流口大小产生变化，进而产生周期性钻井液压力波。钻井液流过旋转阀转子时产生旋转阀水力转矩，钻井液流过涡轮时产生涡轮水力转矩；永磁转子旋转过程中受永磁定子的影响，产生周期性永磁磁力转矩；在传动轴旋转过程中，受旋转密封和轴承的摩擦的影响，产生***摩擦转矩；其中涡轮水力转矩、永磁磁力转矩构成的合力转矩与旋转阀水力转矩、***摩擦转矩构成的合力转矩大小相等、方向相反，使得电机端的负载转矩最小，从而降低了所需电机端的负载，降低了电机端的功耗。
传动轴在旋转过程中，由轴承I6、轴承II8与轴承III13提供径向支撑，旋转阀转子受钻井液冲击时，产生轴向力，该轴向力通过推力轴承传递到轴承支撑筒上。
轴承支撑筒、磁力机构支撑筒、压力平衡外筒、压力平衡内筒、电机安装筒、活塞、旋转密封、转矩堵头构成了封闭腔体，腔体外是钻井液，腔体内充满了液压油24。钻井液通过泥浆孔22进入活塞23处，推动活塞23的弹簧12处于预压状态，使腔体内部油压大于腔体外钻井液压力。传动轴在旋转过程中旋转密封处会存在微量泄露，因腔体内压力大于腔体外压力，使腔体内液压油通过旋转密与传动轴之间间隙缓慢泄露到腔体外钻井液中，从而阻止钻井液进入腔体内，防止钻井液中泥沙损坏腔体内轴承、电机、减速机等部件。随着液压油的微量泄露，弹簧12推动活塞23运动，始终保证腔体内油压高于腔体外钻井液的压力。
如图2所示，本发明的力传递的过程如下：
钻井液按照图2中钻井液流动方向31进入连续波发生器，给转阀转子一个顺时针的水力转矩；电机15驱动减速机19旋转，所述的减速机19驱动主轴10逆时针旋转，主轴带动旋涡轮以以及旋转阀转子以逆时针方向旋转，***摩擦转矩34为顺时针；涡轮水力转矩33为逆时针，涡轮水力转矩33补偿发生器负载转矩中的直流分量；磁力机构产生转矩35与电机减速机驱动转矩36方向相同为逆时针，通过永磁磁力转矩补偿发生器负载转矩中的交变分量，从而实现电机端负载转矩的实时补偿。
如图3所示，磁力机构9包括磁力机构定子磁钢片38与磁力机构转子磁钢片39，磁力机构转子磁钢片39与传动轴10固定连接，磁力机构定子磁钢片38固定安装于磁力机构支撑筒25中；磁力机构转子磁钢片39相对传动轴固定，磁力机构定子磁钢片38与磁力机构转子磁钢片39的极对数与旋转阀的叶片个数相同。
如图5所示，表示的是本发明负载转矩补偿图，其中具体为发生器负载转矩实例40、涡轮水力转矩实例41、磁力转矩实例42、补偿后电机端负载转矩43。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种低功耗连续波发生器，其特征在于，包括旋转阀定子、涡轮、旋转阀转子、磁力机构和传动轴；所述的涡轮、旋转阀转子固定在所述的传动轴上且随传动轴一起转动，通过涡轮的水力转矩补偿所述发生器负载转矩中的直流分量，所述的旋转阀定子与涡轮、旋转阀转子同轴安装，但其不转动；所述的磁力机构包括永磁定子与永磁转子，永磁转子与传动轴固定连接随传动轴一起转动，永磁定子不转动；通过磁力机构的磁力转矩补偿所述发生器负载转矩中的交变分量。
2.如权利要求1所述的低功耗连续波发生器，其特征在于，所述传动轴经过轴承安装在轴承支撑筒中，轴承支撑筒的一端与悬挂筒的一端连接，另一端与磁力机构支撑筒连接。
3.如权利要求2所述的低功耗连续波发生器，其特征在于，所述旋转阀定子安装于悬挂筒的另一端，并采用定子压盖压紧；所述定子压盖与打捞头连接。
4.如权利要求3所述的低功耗连续波发生器，其特征在于，所述的永磁定子固定安装于磁力机构支撑筒中；所述的磁力机构支撑筒与压力平衡外筒的一端连接；所述的压力平衡外筒的另一端与压力平衡内筒的一端连接；所述的压力平衡外筒与压力平衡内筒之间安装有活塞和弹簧。
5.如权利要求4所述的低功耗连续波发生器，其特征在于，所述的压力平衡内筒另一端与电机安装筒的一端连接；所述的电机安装筒内部安装有电机、减速机和旋转变压器；所述的电机安装筒的另一端与转接堵头连接。
6.如权利要求1所述的低功耗连续波发生器，其特征在于，所述涡轮的轴线与转阀转子同轴，或位于旋转阀转子下方，或位于旋转阀转子上方，与旋转阀转子之间无相对运动。
7.如权利要求1所述的低功耗连续波发生器，其特征在于，所述涡轮至少包括2个叶片，叶片呈圆周对称分布，涡轮叶片的螺旋升角方向与旋转阀转子旋转方向一致。
8.如权利要求1所述的低功耗连续波发生器，其特征在于，所述的永磁定子和永磁转子的极对数与旋转阀的叶片个数相同。
9.如权利要求1所述的低功耗连续波发生器，其特征在于，所述旋转阀定子和旋转阀转子的阀口形状相同，阀口形状均为曲线形式。
10.如权利要求1所述的低功耗连续波发生器，其特征在于，所述旋转阀转子或位于转阀定子上方或位于转阀定子下方，与旋转阀定子之间有轴向间隙。
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