本發(fā)明屬于石油鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種井下數(shù)據(jù)向地面高速傳輸?shù)难b置。

背景技術(shù)：
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連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，連續(xù)波泥漿脈沖連續(xù)波發(fā)生器的工作原理是：通過改變旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子與定子過流斷面的相對位置而產(chǎn)生連續(xù)壓力波信號，目前泥漿壓力脈沖的發(fā)生方式有旋轉(zhuǎn)閥和剪切閥兩種。無論哪一種連續(xù)波脈沖發(fā)生器，都應(yīng)該包括連續(xù)波脈沖發(fā)生單元、電機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置、控制電路以及壓力平衡模塊與密封模塊等部分。對于旋轉(zhuǎn)閥式連續(xù)波脈沖發(fā)生器，轉(zhuǎn)子在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿固定方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，與定子產(chǎn)生節(jié)流作用。而在剪切閥式連續(xù)波發(fā)生器中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子在與定子形成的最大、最小流通面積間往復(fù)擺動(dòng)，周期振蕩，產(chǎn)生節(jié)流作用。

目前國內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀是：美國Schlumberger公司的發(fā)明的 “用于隨鉆測量工具中的正弦壓力波發(fā)生器（Sinusoidal pressure pulse generator for measurement while drilling tool）”和“用于井下數(shù)據(jù)向地面?zhèn)鬏數(shù)姆椒ㄅc系統(tǒng)（Method and system for wellbore communication）”公開了一種基于連續(xù)旋轉(zhuǎn)閥的連續(xù)波泥漿脈沖信號發(fā)生器；美國Baker Hughes公司的發(fā)明的“用于泥漿脈沖數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的振蕩剪切閥（Oscillating shear valve for mud pulse telemetry）”和“用于泥漿脈沖數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的井下脈沖信號發(fā)生器（Downlink pulser for mud pulse telemetery）”，公布了一種用于基于剪切振蕩原理工作的連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器。兩種連續(xù)波脈沖器的不同之處僅僅在于脈沖器轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)形式以及后續(xù)的脈沖調(diào)制與解碼方式。

與國外的專利技術(shù)對比，國內(nèi)連續(xù)波脈沖器專利的改進(jìn)主要集中在：脈沖器的閥體設(shè)計(jì)、密封以及傳動(dòng)等機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，沒有檢索到關(guān)于脈沖器控制方式、供電方式等方面的專利。以上專利的共同之處在于：① 脈沖器轉(zhuǎn)子均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子的工作方式分為連續(xù)旋轉(zhuǎn)與剪切振蕩兩種形式；② 電機(jī)的電源來自井下渦輪發(fā)電機(jī)與井下電池組，工作時(shí)間與工作條件受到一定的限制；③ 脈沖器的工作原理基本相同，都是通過周期性地改變鉆井液的流通面積來實(shí)現(xiàn)的。以上專利的不同之處主要表現(xiàn)在：① 脈沖器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；② 脈沖器轉(zhuǎn)子的信號調(diào)制方式，以及與此對應(yīng)的井下信號的編碼與解碼方式；③ 機(jī)械傳動(dòng)與密封技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,提供一種為鉆井過程中井下數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地向地面系統(tǒng)高速傳輸?shù)妮d波頻率自動(dòng)調(diào)整的自發(fā)電式連續(xù)波正脈沖發(fā)生器。

其技術(shù)方案是：

一種載波頻率自動(dòng)調(diào)整的自發(fā)電式連續(xù)波正脈沖發(fā)生器，包括：導(dǎo)流筒和置于導(dǎo)流筒內(nèi)的定子、轉(zhuǎn)子，以及抗壓密封筒和設(shè)置在抗壓密封筒內(nèi)的聯(lián)軸器、減速器、電動(dòng)機(jī)，其中轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)連接；所述的聯(lián)軸器為電磁聯(lián)軸器，并在減速器的兩端分別設(shè)置，在轉(zhuǎn)子與電磁聯(lián)軸器連接端連接有電磁離合器，所述電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)等效為一個(gè)發(fā)電機(jī)，在抗壓密封筒內(nèi)還設(shè)置有逆變與驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)電機(jī)輸出信號的整流與濾波電路、主控電路板和可充電電池組；電動(dòng)機(jī)、逆變與驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)電機(jī)輸出信號的整流與濾波電路、主控電路板、可充電電池組之間均由電纜依次連接。

上述方案還包括：

在抗壓密封筒上設(shè)有注油孔和平衡活塞。導(dǎo)流筒上方設(shè)有脈沖器打撈矛頭、外周設(shè)有密封圈，在抗壓密封筒下端設(shè)有與電纜連接的電纜接頭。

本發(fā)明的脈沖器與現(xiàn)有兩種泥漿脈沖器的主要不同表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

脈沖產(chǎn)生方式完全不同，本發(fā)明的脈沖器泥漿脈沖信號一直存在，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程實(shí)際上是在已有脈沖信號基礎(chǔ)上進(jìn)行增速減速的調(diào)制過程，脈沖器的載波基頻是隨著鉆井液的排量大小而自動(dòng)變化的，脈沖器的轉(zhuǎn)子一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但是所有速度變化均在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上增減，脈沖器速度變化范圍小，可以有效地提高脈沖器轉(zhuǎn)子速度調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)過程，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逝c精度，脈沖器速度變化范圍小，需要的功率較小，電機(jī)功率可以選的小一些，有利于井下節(jié)能。

本發(fā)明的脈沖器控制電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的四象限內(nèi)運(yùn)行，即可以實(shí)現(xiàn)Schlumberger的連續(xù)旋轉(zhuǎn)方式的信號調(diào)制，也可以實(shí)現(xiàn)Baker Hughes公司振蕩剪切方式的信號調(diào)制。

本發(fā)明的脈沖器自帶發(fā)電機(jī)，可以使脈沖器獨(dú)立工作，省去了單獨(dú)為脈沖器供電的井下發(fā)電機(jī)，系統(tǒng)效率高；同時(shí)消除了電池組工作時(shí)間受限的問題。并且本發(fā)明自帶發(fā)電機(jī)和可充電電池組，既減少了對井下電源的依賴性，甚至可以向其他井下工具提供電源

本發(fā)明的脈沖器分別在轉(zhuǎn)子與減速器之間、電機(jī)與減速器之間使用了兩個(gè)電磁聯(lián)軸器，電磁聯(lián)軸器的使用使抗壓筒的徹底密封成為可能，有利于電路安全；電磁聯(lián)軸器的使用對過大的扭矩與過高的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了過濾，有利于電機(jī)本身的安全。

綜合以上所述，本發(fā)明所述的連續(xù)波脈沖器的有益效果是：不存在鉆井液流通通道堵塞的可能性，脈沖器的實(shí)用性強(qiáng)；脈沖器的載波基頻是隨著鉆井液的排量大小而自動(dòng)變化的，脈沖器的轉(zhuǎn)子一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；脈沖器自帶發(fā)電機(jī)，可使脈沖器獨(dú)立工作；脈沖器速度變化范圍小，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逝c精度。

附圖說明：

圖1為連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：

具體實(shí)施方式：

現(xiàn)結(jié)合說明書附圖1對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

附圖1表示連續(xù)波脈沖器的總體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的定子（3）與轉(zhuǎn)子（4）葉片數(shù)量可以是相同的，也可以是不同的。本發(fā)明專利優(yōu)選轉(zhuǎn)子（4）葉片與定子（3）葉片相同的結(jié)構(gòu)，其中：轉(zhuǎn)子（4）葉片可以采用多種結(jié)構(gòu)形式，如：葉片的數(shù)量可以是1~8的任何數(shù)，其結(jié)構(gòu)形式也可以根據(jù)不同應(yīng)用條件進(jìn)行水力計(jì)算得到的摩阻特性，選擇方形、三角形或者其它更為復(fù)雜的幾何形狀。

圖1所示的脈沖器整體采用坐鍵安裝方式安裝在鉆鋌內(nèi)部，脈沖器與鉆鋌之間裝有密封圈（20），因此，鉆井泥漿首先流入導(dǎo)流筒（2），經(jīng)定子（3）進(jìn)入脈沖器內(nèi)部，然后流過定子（3）與轉(zhuǎn)子（4）之間的間隙，通過有規(guī)律地改變轉(zhuǎn)子（4）與定子（3）之間的流通面積，就可以在轉(zhuǎn)子（4）前后產(chǎn)生按一定規(guī)律變化的泥漿壓力脈沖信號，從而實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的調(diào)制。

當(dāng)脈沖器不需要進(jìn)行信號傳輸時(shí)，由主控電路板（12）控制電磁離合器（5）斷開，電磁離合器（5）處于（5/501）的位置。轉(zhuǎn)子（4）在鉆井泥漿的沖擊下，以與泥漿排量成正比的某一固定速度旋轉(zhuǎn)，通過電磁聯(lián)軸器（6）帶動(dòng)行星輪式減速器（7）、電磁聯(lián)軸器（8）與電動(dòng)機(jī)（9）一起旋轉(zhuǎn)，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)（9）等效為一個(gè)發(fā)電機(jī)（9），發(fā)電機(jī)（9）的輸出由整流與濾波電路（11）進(jìn)行處理，整流與濾波電路（11）的輸出，在主控板（12）的控制下為可充電鋰離子電池組（13）進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)電能的儲存。

當(dāng)脈沖器需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由主控板（12）控制電磁離合器（5）閉合，電磁離合器（5）處于（5/502）的位置。在主控板（12）、逆變與驅(qū)動(dòng)電路（10）的控制下，轉(zhuǎn)子（4）由電動(dòng)機(jī)（9）經(jīng)電磁聯(lián)軸器（8）、減速器（7）、電磁聯(lián)軸器（6）驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，處于轉(zhuǎn)子（4）與定子（3）之間的泥漿流通面積的變化規(guī)律由轉(zhuǎn)子（4）或者電動(dòng)機(jī)（9）的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律來決定，從而能夠產(chǎn)生一列規(guī)則的泥漿脈沖信號，完成井下數(shù)據(jù)的調(diào)制過程。泥漿脈沖信號經(jīng)由鉆鋌/鉆桿內(nèi)部的泥漿液柱到達(dá)地面鉆機(jī)立管，實(shí)現(xiàn)井下向地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送，由地面檢測與解碼系統(tǒng)對井下數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼還原。電動(dòng)機(jī)（9）和主控板（12）的電源均來自可充電電池組（13），實(shí)現(xiàn)儲存電能的利用。

圖1中，主控電路板（12）的功能包括：① 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)（9）與發(fā)電機(jī)（9）的切換；② 實(shí)現(xiàn)逆變與驅(qū)動(dòng)電路（10）、整流與濾波電路（11）之間的控制；③ 實(shí)現(xiàn)電磁離合器（5）的控制；④ 實(shí)現(xiàn)對電池組（13）的充電與充電保護(hù)。充電保護(hù)可以由專門的硬件電路來實(shí)現(xiàn)，也可以結(jié)合充電電流的檢測通過軟件來實(shí)現(xiàn)。充電與充電保護(hù)電路的作用是在脈沖器不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間段內(nèi)，對井下高溫鋰離子電池組（13）進(jìn)行充電，代替目前廣泛應(yīng)用的一次性高溫鋰電池。

電纜接頭（14）實(shí)現(xiàn)連續(xù)波脈沖器與其他井下設(shè)備的連接，注油孔（15）與平衡活塞（16）的應(yīng)用，一方面實(shí)現(xiàn)了控制部件、機(jī)械傳動(dòng)部件與鉆井液的密封與隔離，另一方面對傳動(dòng)機(jī)構(gòu)起到冷卻與潤滑作用。

電磁聯(lián)軸器A（6）的作用是：當(dāng)泥漿排量突變造成轉(zhuǎn)子（4）的速度過大或者過小時(shí)，且電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)（9）處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，保護(hù)減速器（7）速度變化不致過大，電子聯(lián)軸器（6）保證前后轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)速度跟蹤；當(dāng)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)（9）處于電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、轉(zhuǎn)子（4）由于機(jī)械原因發(fā)生卡堵時(shí)，電磁聯(lián)軸器（6）可以保護(hù)電動(dòng)機(jī)（9）不會出現(xiàn)過電流的情形。

電磁聯(lián)軸器B（8）的作用是：當(dāng)減速器（7）故障時(shí)，對電動(dòng)機(jī)（9）進(jìn)行保護(hù)，消除因電機(jī)堵轉(zhuǎn)燒毀電機(jī)的可能性；此外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)用作發(fā)電機(jī)（9）時(shí)，消除減速器過大的速度波動(dòng)，對轉(zhuǎn)子（4）大的速度波動(dòng)與大的泥漿排量突變有一個(gè)濾波作用，控制發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)（9）處于合理的速度與扭矩范圍內(nèi)。