[发明专利]一种低功耗连续波发生器

说明书

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系统，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系统动态性能。

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，连续波发生器转动系统的负载转矩较大，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，需要增大转动系统的转速，会导致更大的功耗需求。连续波发生器转动系统的负载转矩大，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，主要由转动系统所受水力转矩、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，集中于探讨转动系统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。