摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油开采设备技术领域，尤指一种摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统。
【背景技术】
[0002]随钻测量(MeasureWhile Dr i 11 ing: MWD)和随钻测井(Logging WhileDrilling:LWD)是完成大角度及水平井钻井，实时井场数据采集、解释、现场决策以及指导完成地质导向钻井的关键技术，其综合了录测井、钻井和油藏描述等多种学科技术，可简化钻井作业程序，节约成本，提高钻井精度，调整钻井设计和提高采收率。
[0003]泥浆脉冲发生器遥传系统是MWD、LWD设备中的最重要组成部分，是井下信息实时地传输到地面的重要手段。随着地层评价技术的不断发展，井下数据量在逐渐增大，需要更高传输速率的脉冲器，MffD系统的传输速率成为制约井下数据上传的瓶颈。
[0004]泥浆脉冲发生器遥传系统中的工作原理一般为:井下数据压缩、编码，电机驱动系统按照编码方式和传输数据控制转子转速和位置，电机输出轴带动转子相对定子转动(或摆动)，周期性阻断流体通道，在井下产生压力波动，由井口传感器检测压力脉冲。经地面系统对调制压力波进行解码，得到井下传输上来的数据。
[0005]基于摆动阀原理的脉冲遥传系统由涡轮发电机供电系统，脉冲发生器本体及其驱动控制系统，地面接收和信号解调处理系统三部分组成。
[0006]泥浆脉冲器工作需要电力。目前，井下供电有两种形式，一是泥浆涡轮发电机供电，二是锂电池供电。涡轮发电机具有功率较大，供电时间长的特点，目前涡轮发电机功率较低。考虑到包括随钻仪器，旋转导向仪器等整个系统的供电，所设计的脉冲器功耗越小越好。
[0007]—般来讲，摆动阀原理的高速率脉冲发生器是泥浆脉冲遥传系统的重要组成部分，其脉冲发生机构由转子和定子组成，转子的运动形式有旋转运动和往复运动。通常把转子往复运动的脉冲器称为摆动阀式脉冲器，摆动阀式泥浆脉冲器因其传输速率快，精度高正在逐渐被油田服务公司采用。
[0008]由于在钻进过程中，地层的地质条件随钻进深度不同而变化，钻柱内的泥浆压力会产生波动，转子剪切流体时所受的水力转矩有波动，造成脉冲器对电机转矩和瞬时功率需求较大，脉冲器能够较好地适应钻柱内水力负载多变的特点至关重要。
[0009]相关的阀片式脉冲器，旋转阀的斯伦贝谢的连续波旋转阀原理的脉冲器，往复运动的摆动阀原理脉冲器有APS公司的脉冲器(S卩:APS摆动阀脉冲器)。该种APS摆动阀脉冲器，在传动系中有变速箱机构，所以其摆动速度低，其数据传输速率相应也较低。
【发明内容】
[0010]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统，在同样的功率下，电机响应速度更快。
[0011]为使井下泥浆脉冲器产生高速泥浆压力波动，一般采用电动机驱动转子旋转或摆动的方式。从系统的角度分析，传动系统设计原则主要有:
[0012]①机械，电子设计均围绕调制方式与实时解调开展；
[0013]②传动系，机械结构及定转子设计要结合流体分析结果；
[0014]③以功率消耗最小，仪器压降最小，压力幅值最大为目标寻优。
[0015]传动方案使用电动机直接驱动转子做往复摆动，剪切流体，压力补偿和动密封使用胶囊的方案。电动机可选永磁式自复位摆动电机，或伺服电机，步进电机，力矩电机以及所有能驱动转子运动的电机。该方案的优点是传动链短，响应迅速。缺点是电机控制难，要定制低速电机。
[0016]摆动阀摆动剪切流体，与针阀正作用原理(哈里伯顿MK系列脉冲器)的蘑菇头轴向顶出封闭流道，以及连续被原理的旋转阀连续剪切流体比较，其功耗较小。
[0017]脉冲器工作时，转子摆动范围可在O?360度之间任选，以转子不连续旋转，定转子配合能够产生地面能够解调的压力波形为准。因为泥浆脉冲器在钻杆内泥浆中工作，需要考虑泥浆流动时对脉冲器定子和转子的作用力，以此为依据进行脉冲器工作机构设计。通过对脉冲器定子和转子计算域的流体分析，可以得到以下结论:
[0018]①力转矩基本沿同一方向分布，驱动转子向闭合方向运动；
[0019]②水力转矩与转子位置关系密切，与转子转动角速度及角加速度关系较小；
[0020]③压力波变化主要与流量及阀口通流面积相关。
[0021]④转子转动角度对于水力转矩的影响是明显的，最大水力转矩出现在定转子接近闭合的位置。
[0022]由于泥浆对转子的水力转矩呈关闭趋势，而脉冲器剪切流体的过程就是要使定转子按着一定的规律关闭及开启。利用泥浆对转子的水力转矩的关闭趋势，可以使机构和结构设计更合理。在转子的运动轨迹上，有一个能抵消关闭趋势水力转矩的转矩，且设法使该转矩与泥浆对转子关闭趋势的转矩尽量平衡，电机就可在运动轨迹上力矩相对平衡的状态下摆动。设计的摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统即基于这样的构思，在传动系统上加装一个扭簧扭转机构，该扭转机构尽可能地平衡泥浆脉冲器转子在钻杆内所受的水力转矩，会大大降低电机功率，使泥浆脉冲器消耗电能最小。此外，由于扭簧扭转机构的作用，泥浆脉冲器转子在其运动轨迹上响应速度更快。
[0023]为了达到本发明目的，本发明提供了一种摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统，包括:空心的电机转子轴;轴承，位于所述电机转子轴的端部轴肩处、且所述电机转子轴的轴肩可转动地安装在所述轴承内部;脉冲器转子;和所述扭簧，位于所述电机转子轴内，且其一端靠近所述电机转子轴的端部并与所述电机转子轴相连接、另一端伸出所述电机转子轴的另一端与所述脉冲器转子相铰接。
[0024]可选地，所述摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统还包括:联轴器，位于所述扭簧与所述脉冲器转子之间、并连接所述扭簧和所述脉冲器转子。
[0025]可选地，所述轴承包括有两个或更多。
[0026]本发明提供的摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统，在综合考虑摆动阀脉冲器传动特点的同时，结合了转子在钻柱内流体作用下的水力特性。设计的传动系统要满足以下功能特点:针对摆动阀脉冲器，功率消耗小，响应频率快，不易卡阻的特点，为新型的摆动阀脉冲器设计传动方案；由于脉冲器在井下高温高压的环境下工作，设计时要考虑对脉冲器进行压力补偿，采用耐高温的橡胶件来进行压力补偿;脉冲器在泥浆中工作，电机旋转涉及密封，动密封加工、装配难度大，使用过程中可靠性差，设计时电机运动不能超过360度，即不能连续旋转，动密封选用橡胶胶囊的形式。
[0027]摆动阀脉冲器的运动轨迹是非连续旋转，只是在一定角度内往复运动，故发明采用胶囊进行密封。为了提高传动系的响应速度，传动系短，尽量减小反向死区误差，若在传动系设计中，需要进行加速或者减速，除了使用驱动电路对电机驱动外，可在扭簧和转子之间加入变速箱来实现增减速，但要求加工安装精度要高。
[0028]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0029]附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
[0030]图1为本发明一个实施例所述的摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统的局部剖视结构示意图；
[0031]图2为与图1所示的摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统相配合使用的扭簧扭转机构定位盘、锁紧锥套和扭转扭转机构定位盘锁紧端盖相组装后的结构示意图。
[0032]其中，图1和图2中附图标记与部件名称之间的对应关系为:
[0033]I电机转子轴，2定子，3轴承，4脉冲器转子，5扭簧，6联轴器，I扭簧扭转机构定位盘;12锁紧锥套，13扭转扭转机构定位盘锁紧端盖。
【具体实施方式】
[0034]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
[0035]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0036]下面结合附图描述本发明一些实施例所述的摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统。
[0037]本发明提供的摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统，如图1所示，包括:空心的电机转子轴I;轴承3，位于电机转子轴I的端部轴肩处、电机转子轴I的轴肩可转动地安装在轴承3内部;脉冲器转子4;扭簧5，位于所述电机转子轴I内，且其一端靠近电机转子轴I的端部并与所述电机转子轴I相连接、另一端伸出所述电机转子轴I的另一端与所述脉冲器转子4相铰接;和定子2。
[0038]本发明提供的摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统，在同样的功率下，电机响应速度更快。
[0039]其中，轴承3包括有两个或更多。
[0040]再者，摆动阀泥浆脉冲发生器传动系统还包括:联轴器6，位于扭簧5与脉冲器转子4之间、并连接扭簧5和脉冲器转子4。
[0041]不考虑扭簧所受转矩的方向，力矩平衡关系可用公式TM+IV+TS= J.α表示。
[0042]式中:Tm-电机转矩，单位N.m;IV-水力转矩，单位N.m;Ts_弹簧转矩，单位N.m；a-转子的角加速度，单位rad/s2;J-转子的转动惯量，单位kg.m2。
[0043]这样，对于工程实现来讲，要想提高数据传输速率，需要提高电机转子轴的摆动频率，同时还要考虑在提高摆动频率的同时，使电机转子轴摆动实际消耗的功率小，最大限度地控制井下仪器的功率，降低泥浆脉冲器功耗。除了从电机转子轴的摆动轨迹，摆动方式等方面考虑外，设计增添的辅助机构，扭簧扭转机构较好地解决了这个问题。