發(fā)明屬于石油鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及井下數(shù)據(jù)向地面高速傳輸?shù)难b置中的一種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)波正脈沖發(fā)生器。

背景技術(shù)：
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隨著世界上各主要油氣田相繼進(jìn)入開發(fā)后期，油氣藏開發(fā)的難度逐年增加，鉆遇地層日益復(fù)雜，對(duì)鉆井、測(cè)井和錄井過程的自動(dòng)化、智能化技術(shù)的要求越來越高。為了及時(shí)準(zhǔn)確獲得鉆井資料，進(jìn)一步了解地層的含油氣情況，及時(shí)獲取地層的各種資料，實(shí)現(xiàn)所謂的隨鉆測(cè)量與隨鉆測(cè)井（MWD/LWD）。

MWD/LWD的最終目的是準(zhǔn)確利用測(cè)得的鉆井參數(shù)和地層參數(shù)及時(shí)調(diào)整鉆頭軌跡，使之沿目的層方向鉆進(jìn)。由于隨鉆測(cè)井獲得的地層參數(shù)是剛鉆開的地層參數(shù)，它最接近地層的原始狀態(tài)，用于對(duì)復(fù)雜地層的含油、氣評(píng)價(jià)比一般電纜測(cè)井更加準(zhǔn)確可靠。此外，MWD/LWD除測(cè)量電阻率、聲速、中子孔隙度、密度等常規(guī)測(cè)井和某些成像測(cè)井以外，還可以測(cè)量鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、環(huán)空壓力等鉆井參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆井過程的安全與高效。

MWD/LWD的關(guān)鍵技術(shù)是井下信號(hào)向地面系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸，目前的信號(hào)傳輸方式分為有線與無線兩種，有線傳輸包括：電纜傳輸、特種鉆桿傳輸及光纖傳輸?shù)?，無線傳輸包括：泥漿脈沖、電磁波、聲波等。泥漿脈沖可用于深井以及較低的開發(fā)成本，使得泥漿脈沖成為目前廣泛采用的傳輸方式。泥漿脈沖器是將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)變成泥漿壓力脈沖，隨泥漿循環(huán)傳送到地面。泥漿脈沖發(fā)生器作為隨鉆測(cè)量的核心部分，按其工作原理可分為：正脈沖、負(fù)脈沖以及連續(xù)波脈沖發(fā)生器。負(fù)脈沖由于對(duì)井壁破壞嚴(yán)重，下井儀器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組裝、操作和維修不便，現(xiàn)已很少使用。泥漿正脈沖發(fā)生器使用普遍，但是傳輸速率較低，隨著技術(shù)的發(fā)展，已不能滿足大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枰?。連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，是目前重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一。

帶有先導(dǎo)控制的液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)式信號(hào)發(fā)生器是泥漿正脈沖傳輸最實(shí)用、最普遍的方式，尤其是以鉆井液為介質(zhì)的往復(fù)節(jié)流式信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用最多。目前普遍采用的方法是被測(cè)參數(shù)經(jīng)數(shù)字化編碼后，變成高“1”、低“0”電信號(hào)，由它控制泥漿脈沖發(fā)生器的蘑菇頭，當(dāng)編碼為“1”時(shí)，蘑菇頭上移，使流經(jīng)錐形口的泥漿阻力增加，產(chǎn)生附加壓力。當(dāng)編碼為“0”時(shí)，蘑菇頭向下回到原位，壓力降至正常。這是正脈沖傳輸系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的問題是傳輸數(shù)據(jù)的速率較低，僅幾個(gè)比特每秒，很難適應(yīng)現(xiàn)在井下多參數(shù)隨鉆信息的傳送。

連續(xù)波泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)是在井下鉆挺上用軸向旋轉(zhuǎn)閥開閉的原理產(chǎn)生泥漿的壓力波動(dòng)，地面檢測(cè)被調(diào)制的泥漿壓力信號(hào)進(jìn)行解碼而獲得井下數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸快信息量大，可達(dá)幾十比特每秒的速率，現(xiàn)有問題是泥漿信號(hào)的壓力波動(dòng)值太小了，井深及泥漿惡劣都會(huì)淹沒泥漿壓力脈沖信號(hào)?，F(xiàn)有的連續(xù)波正脈沖發(fā)生器存在著諸多問題，如：針孔連接方式在井下振動(dòng)環(huán)境下引起的電氣虛連接，平衡油囊被腐蝕或漏油而導(dǎo)致壓力不足不能平衡井下壓力，井斜過大或者下鉆速度過快造成儀器脫鍵而導(dǎo)致無信號(hào)的問題，儀器不可打撈，出現(xiàn)卡鉆時(shí)儀器報(bào)廢等?，F(xiàn)有連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器信號(hào)相對(duì)較弱，受噪聲干擾影響相對(duì)較大，對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)要求較高。

國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)背景與發(fā)展歷程分析：20世紀(jì)50年代，由美國人發(fā)明了泥漿脈沖的傳輸方法，使泥漿脈沖技術(shù)在鉆井工程中開始應(yīng)用。60年代貝克休斯公司研制的鉆井液壓力脈沖系統(tǒng)成功地應(yīng)用于鉆井過程，隨后陸續(xù)制定了隨鉆測(cè)量的性能與可靠性標(biāo)準(zhǔn)。1973年貝克休斯公司研制出了無線隨鉆測(cè)斜儀，1979年斯倫貝謝公司研制出鉆井液壓力傳輸系統(tǒng)。1983年Wilson C.利用風(fēng)洞模擬測(cè)試了脈沖發(fā)生器的動(dòng)力場(chǎng)特性，利用有限元分析軟件仿真了脈沖發(fā)生器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與變化特性，得到了連續(xù)泥漿脈沖器可靠理論數(shù)據(jù)。1986年斯倫貝謝公司為他的Pressure Pulse Generator申請(qǐng)了專利。1994年Wilson C.又為哈里伯頓公司申請(qǐng)了Turbo Siren Signal Generator的專利。相關(guān)的專利主要有：美國斯倫貝謝公司的發(fā)明專利“用于隨鉆測(cè)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(hào)發(fā)生器；美國貝克休斯公司的發(fā)明專利“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(hào)發(fā)生器（Downlink pulser for mud pulse telemetry）”，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，但是尚未查到利用已有的正脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)連續(xù)波脈沖器的專利。

國內(nèi)尚無連續(xù)波泥漿脈沖器產(chǎn)品，國內(nèi)研究人員對(duì)連續(xù)波泥漿脈沖器的脈沖產(chǎn)生的機(jī)理、脈沖器的基本結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究，并且參考國外連續(xù)鉆井液脈沖發(fā)生器的技術(shù)現(xiàn)狀，確定了連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)與可能的實(shí)現(xiàn)方式，陸續(xù)申請(qǐng)了部分專利。如：西安斯坦儀器股份有限公司的發(fā)明專利“井下連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器（申請(qǐng)?zhí)枺?01210575409.7）”，其結(jié)構(gòu)形式與控制方法幾乎與斯倫貝謝公司的專利一樣；斯倫貝謝金地偉業(yè)油田技術(shù)（山東）有限公司的發(fā)明專利“連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器（申請(qǐng)?zhí)枺?01110452486.9）、旋轉(zhuǎn)閥式泥漿脈沖發(fā)生器（申請(qǐng)?zhí)枺?01120194307.1）”，該專利實(shí)際上就是斯倫貝謝公司專利的中國版；中石油渤海鉆探公司的發(fā)明專利“一種基于三角形閥體的連續(xù)波發(fā)生器轉(zhuǎn)閥（申請(qǐng)?zhí)枺?01310 755292.5）”，對(duì)連續(xù)波脈沖器的閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使其輸出信號(hào)更符合正弦波的形式，以減小泥漿脈沖信號(hào)的傳輸衰減。

上述專利基本上都以斯倫貝謝公司的專利為藍(lán)本而進(jìn)行改進(jìn)，這些改進(jìn)包括：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)間與工作條件受限；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。目前尚未檢索到與本發(fā)明專利內(nèi)容相關(guān)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題, 提供一種為井下數(shù)據(jù)向地面系統(tǒng)高速傳輸可靠的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)波正脈沖發(fā)生器。

為實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明提供一種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)波正脈沖發(fā)生器，包括鉆鋌短節(jié)1，在鉆鋌短節(jié)1內(nèi)從上而下依次包括節(jié)流閥座3、蘑菇頭6、直線電機(jī)轉(zhuǎn)子15、直線電機(jī)定子8、驅(qū)動(dòng)電路板9、主控電路板10、電池組12和抗壓筒17；其中,抗壓筒17通過抗壓筒扶正器18連接到鉆鋌內(nèi)壁上，直線電機(jī)轉(zhuǎn)子15的部分、直線電機(jī)定子8、驅(qū)動(dòng)板9、主控板10從上而下依次固定在抗壓筒17內(nèi)部；蘑菇頭6位于節(jié)流閥座3和抗壓筒17之間的空間內(nèi)，蘑菇頭6與直線電機(jī)轉(zhuǎn)子15構(gòu)成滑動(dòng)配合，并通過固定在直線電機(jī)轉(zhuǎn)子15上的上限位點(diǎn)4和下限位點(diǎn)5限位配合，蘑菇頭6和節(jié)流閥座3之間構(gòu)成間隙配合。

上述方案還包括：在抗壓筒17壁上設(shè)有注油孔13和平衡活塞14。直線電機(jī)轉(zhuǎn)子15和直線電機(jī)定子8之間還裝有減速器7，在節(jié)流閥座3上方還裝有泥漿過濾器2。蘑菇頭6和節(jié)流閥座3間隙配合面為錐形。

本發(fā)明的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)波正脈沖發(fā)生器工作機(jī)理和有益效果是：

通過控制直線電機(jī)的往復(fù)快速運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)高速的、連續(xù)波的正脈沖的產(chǎn)生，即用傳統(tǒng)正脈沖發(fā)生器的原理實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波脈沖器的功能。利用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)蘑菇頭，消除了常規(guī)正脈沖發(fā)生器的諸多機(jī)械故障。直線電機(jī)的最大速度可以達(dá)到5m/s，為高速數(shù)據(jù)傳輸提供了可能，蘑菇頭的動(dòng)作頻率可以達(dá)到200Hz以上。直線電機(jī)的速度調(diào)節(jié)既可以通過減速器實(shí)現(xiàn)，也可以通過逆變電源的控制來實(shí)現(xiàn)。在硬件電路不變的情況下，可以通過軟件控制方法，實(shí)現(xiàn)脈沖器直線電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)化脈沖器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，甚至省略減速器。本發(fā)明充分利用了正脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生高壓差幅值的泥漿脈沖、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)和連續(xù)波脈沖器傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)，主要解決現(xiàn)有連續(xù)波脈沖發(fā)生器在產(chǎn)生水力正壓脈沖值過小，地面檢測(cè)困難，蘑菇頭型正脈沖發(fā)生器的脈沖速率低，水力脈沖壓力對(duì)機(jī)械部件損傷的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種實(shí)施例整體結(jié)構(gòu)圖。圖中：

具體實(shí)施方式

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

圖1表示連續(xù)波脈沖器的總體結(jié)構(gòu)圖，脈沖器的主體結(jié)構(gòu)直接安裝在一段鉆鋌短節(jié)1中，脈沖器整體可以作為一段鉆鋌1連接在井下工具組合當(dāng)中。其中：抗壓筒17通過抗壓筒扶正器18連接到鉆鋌內(nèi)壁上，直線電機(jī)定子8、主控電路板10以及驅(qū)動(dòng)電路板9、減速器7等主要部件都安裝在抗壓筒17內(nèi)部，方便拆裝和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

圖1中，鉆井泥漿首先由鉆鋌短節(jié)1的上部流入，經(jīng)過泥漿過濾器2進(jìn)入脈沖器內(nèi)部，然后經(jīng)節(jié)流閥座3與蘑菇頭6之間的環(huán)形空間向下流動(dòng)，最后泥漿從鉆鋌短節(jié)1和抗壓筒17之間的環(huán)形空間流出脈沖器。由主控電路板10和驅(qū)動(dòng)電路板9控制直線電機(jī)8帶動(dòng)蘑菇頭6有規(guī)律地上下運(yùn)動(dòng)，從而有規(guī)律地改變節(jié)流閥座3與蘑菇頭6之間的泥漿流通面積，產(chǎn)生一列泥漿脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)向地面的傳輸。

圖1中，通過調(diào)節(jié)直線電機(jī)8的速度控制，可以實(shí)現(xiàn)脈沖器的工作頻率的調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)井深的變化；在井深較淺時(shí)，可以采用高速的泥漿脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；隨著井深的增加，逐漸減小電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減小脈沖器的頻率，減小脈沖信號(hào)的衰減，提高地面系統(tǒng)的檢測(cè)能力，保證泥漿脈沖信號(hào)的傳輸效率。

圖1中，通過上限位點(diǎn)4和下限位點(diǎn)5限制蘑菇頭6的運(yùn)動(dòng)范圍；泥漿過濾器2的作用是阻止大的固體顆粒進(jìn)入脈沖器蘑菇頭6與節(jié)流閥座3之間的間隙，保證脈沖器的安全；圖中采用電池組12為整個(gè)系統(tǒng)供電，也可以采用連接電纜11外接井下渦輪發(fā)電機(jī)為脈沖器供電，連接電纜11的另一個(gè)作用是與其他井下設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。

當(dāng)發(fā)生由于機(jī)械故障或者鉆井異常導(dǎo)致蘑菇頭6控制失靈的例外情況時(shí)，有以下幾種方式保證正常的鉆井過程：① 通過選擇蘑菇頭6的材料為高硬度、脆性材料進(jìn)行防止泥漿通道堵塞；② 直線電機(jī)失電情況下可以自由運(yùn)動(dòng)，蘑菇頭6在鉆井液的沖擊作用下，自動(dòng)移到下限位點(diǎn)5，泥漿通道自動(dòng)解堵。

本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方式是用直線電機(jī)來驅(qū)動(dòng)蘑菇頭6，主要考慮直線電機(jī)調(diào)速方便、動(dòng)作快速，更有利于高速脈沖器的實(shí)現(xiàn)。除此之外，還可以利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠等將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)上述功能。