新型脉冲发生器的研制

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新 型 脉 冲 发 生 器 的 研 制口 史宏江 口 张春华 口 杨文景 口 李铁军 口 闰国兴中国石油钻井工程技术研究院 北京石油机械厂 北京 100086摘 要 ：泥浆脉冲发生器是随钻测井仪 器的重要 组成部分 ．正脉冲发生 器应 用较为成熟 ，信号传输较 为稳定。按安装位置可以分为上挂式和下座式，上挂式脉冲器以动力液压脉冲器和 CG脉冲器为代表，下座式以下座键脉冲器为代表。根据现场的实际应用情况及两种脉冲器的特点，设计开发了一种新型脉冲器，该脉冲器集成了两种脉冲发生器的优点，具有维护方便 、适应能力强、使用寿命 长的特点。

关键词 ：脉冲发生器 随钻测井仪器 工作原理 结构设计中图分 类号：TH122：TM57 文献标识码：A 文章编号 ：1000—4998(2013110—0022—04随着油 气勘 探开 发难 度 的不断 加大 ，定 向井 及 大位移井所 占的开发 比例越 来越大 ，随钻 测量工 具 MWD是 这 种 大 难 度 油 井 勘 探 开 发 的 必 要 工 具 之 一 ．而 脉 冲发 生器是 实现 随钻 测量 功能 的重要 部分 。泥浆 脉 冲传输 可分 为正 脉 冲 、负脉 冲和连 续波 脉 冲技术 。负脉 冲 由于 对 井 壁 破 坏 严 重 ，下 井 仪 器 的 结 构 较 复 杂 。组 装 、操作 和维 修 不便 ，很 少使 用 。泥浆 正 脉 冲发 生 器使 用 最为普 遍，正脉 冲传输 速率 一般 为 0．15～3 bit／s。连续 波脉 冲传 输 速率 虽 然可 以达 到 6～12 bit／s，但 是 由 于连续 波泥 浆脉 冲器制 造结 构复 杂 ，且应 用过 程误 码 率较高 ，国外 有此 类产 品 ，而 国内 尚无 商业 应用 的连续 波泥收稿 日期 ：2013年 4月浆脉 冲器目前 ．泥浆 正脉 冲应用 较广 ，相 对负 脉 冲器适 应性更好 ，本 文主要 讨论 泥浆 正脉 冲发生 器 。泥 浆正 脉 冲发生 器根 据 其 压力 信 号 的产 生形 式 (脉 冲 阀的 功 能 )不同 ，可 以分 为旋转 阀 的连续 波脉 冲器 和主 阀头 往 复式的单波 信号 脉 冲器 。连续 波 脉 冲器 由于其 传输 信号 的特 点 ，长距 离 传输 信 号 衰减 严 重 ，不 适合 深 井 作 业 ，而主阀头式 正 脉冲器 深井作 业 时抗 衰减 能力 较强 。主 阀头 式 脉 冲 器 按 其 安 装 位 置 又 可 以 分 为 上 挂 式 和 下 座式 ，上 挂式 以动力液 压 脉 冲器 和 CG脉 冲器 为代 表 ，而下座式 以下 座键脉 冲器 为代 表 ．由于 脉 冲器安 装 的位置 不 同 ．结 构 布 局 各 有 优 缺 点 ．下 面 重 点 讨 论 这 3种 脉SOP~=1 12．5 kN

1．3 主 骨 架 挠 度 分 析针 对 运 输 小 车 在 自重 与 工 件 载 荷 下 受 力 变 形 情况 ，对 运输 小 车 的主骨架 受力 情况 进行 计算 机仿 真分2013／10析 ，在 受 到 60 t载 荷 的 情 况 下 ．主 骨 架 产 生 的 挠 度 为0．89 mm．如 图 2所 示 ，实 际 情 况是 骨 架上 部 还 有运 输工装 重 量 的作用 ，所 以实 际产 生 的挠 度 为 1 mm左 右 ，达 到 了初始设计 要 求 。

2 结论本 车体 运输 装 备 采用 可分 离 式设 计 ，运 输 小 车和运输 工装可 以随意分 开组 合 ．不 仅满 足 了需求 ，而 且降低 了运 输成 本 。 装 备 采用 中央芯 盘 承载 ，两旁 辅助承载 的方 式 ．有 效 防止车体 运输 过程 -中的侧 翻 ，保 持了运输 过程 中的平稳性 。

该 运输 装备 经投入 使用 后 ，圆满完 成 了车 体装 运 ，效 果 良好 ，保 证 了车体 生产 的正 常进行 。

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(编 辑 丁 罡 )机械制造51卷第590期
阀的过流 量增 大 ．钻柱 内的 泥浆恢 复正 常压力 。这样周而 复始重 复 主阀 的开关 ，以实现 泥浆 脉冲信 号 的不 断f々 输 这 种 脉 冲 器 的 内 部 设 计 有 泵 源 ，实 现 内部 液 压 油的 I l循 环 ，以提供 主 阀动作所 需 的压力 介质 ，其结 构 简【冬I n【1l冬l 3所 乃÷。

2．2 动 力 液 压 脉 冲 器 的 优 缺 点恢 脉 冲 器 是 上 挂 式 ， 因 此 可 以 实 现 下 接 LWD 等其 它 随 钻 仪 器 ，增 加 了这 种 脉 冲 器 的 适 用 范 围 ，这 是 下廖 式脉 冲器所 不具 备 的优点 。另外 ．该 脉 冲器主 阀 的打开 与关 闭 由内部液 压 阀控制 ，避免 了 泥浆对 脉 冲器伺服 阀 的冲蚀 ，延长 了脉 冲器 的使用 寿命 ；由于这 种脉 冲器 控制元 件 全部被 封装 并 与泥浆 隔离 ，使脉 冲 器不 受泥 浆流 量 的影响 ．工作 可靠性 提 高 ，脉 冲信 号更 强劲 。

但 是 ，这 种脉 冲器 内部有 发 电机 和磁力偶 合 结构 ，结 构复 杂 ，零 件 繁多 ．内部 设计 的液 压泵制 造 安装 困难 ，这 也 是该 脉 冲器 成 本居 高 不下 的一 个原 因 ；另外 ，由 于 这 种 脉 冲 器 还 需 要 动 力 机 构 驱 动 泵 源 工 作 ，这 也大大 提高 了脉 冲器 的复杂 程度 ．同时也增 大 了传 动机构 的故 障 隐患 ，这 种 脉冲器 不仅 加工 制造 困难 ，而且 维修 保 养 也 比 较 困 难 。

再 者 ．这种 脉 冲器产 生压 力峰是 通过 主 阀头逆 流而 上来 减小 过流 面积 实现 的 ，没 有压 力抵偿 结 构 ，这样就 增 大 了脉 冲器 的工 作 阻力 ，叶轮 冲蚀 严 重 。同时 ，由于 内部 液 压驱动 主 阀 ，也 延迟 了脉 冲压力 的响 应速 度 。

3 CG脉冲器3．1 CG 脉 冲 器 的 结 构 及 工 作 原 理CG脉冲 器也是 上挂 式脉 冲器 ．与液 压驱 动脉 冲器不 同 之 处 在 于 它 利 用 泥 浆 流 动 产 生 的 压 力 差 ，通 过 伺服 阀控 制 主 阀工作 ，实现 脉 冲信号传 输 的功 能 ，其 结构如 图 4所 示不 产 生 脉 冲 时 ，泥 浆 流 经 主 阀 简 ，推 动 主 阀 芯 向 下压 缩 弹 簧 ，如 图 4(a)所 示 ，由于 泥浆 流 的总 流 通 面 积减 少 ，阀 口上 部 压 力 为 Pl，阀 口下 部 压 力 为 ，在 主 阀筒 出 口形 成 一 个 小 压 差 ，即 PI>P2。 由于 动 力 活 塞 设 有溢 流 阀 口与 外 界 尸2相 同 ，所 以 动 力 活 塞 内 部 压 力I圆 2013／10与外部 压力 相等 ，即 =P2。动 力活 塞受 弹簧力 与 主阀芯 的 泥 浆 冲 击 压 力 ，两 边 压 力 平 衡 ，满 足 (P1一P2)S =Ⅳ2。

当伺 服阀打 开时 ，使 高压泥 浆经 主 阀轴 内孔 至动力 活 塞 的背 面 ，如 图 4(b)昕示 。动 力 活 塞 与 主 轴 连 接 ，并 且 面 积 S 大 于 主 阀 筒 上 主 阀 芯 的 面 积 S ，即 S2>S．。

主 阀芯 与主轴 连 接 ，活塞之 下 的高 压 推 动 主 阀 向上 运 动 ．泥 浆 流 的 过 流 间 隙 进 一 步 减 小 ，在 主 阀 上 部 产生 高 压 ．这 样 就 产 生 一 个 正 脉 冲 。 此 时 ，主 阀 芯 的 力 平衡 关 系 为 ：f( — )Js +Nl>(PI—P2)Sl{ —Pl (3)LS2>Jsl3．2 CG脉 冲 器 的 优 缺 点这 种 脉 冲 器 结 构 简 单 ，维 护 方 便 ，且 因 为 是 上 挂 式 ．可 以实现 MWD 的功能 扩 展 ，与 LWD等 仪器 对接 ，扩 大 了 MWD 的使 用 范 围 。CG 脉 冲 器 产 生 高 压 的大 小由动力 活 塞上 的溢 流 阀控制 ，当压 力 P1增 大 到 一定 程度 ，活塞 上 的溢 流 阀打 开 ，防止 主 阀进一 步 提 升 ，用 这种 方 式 就 可 以 在 较 大 的 一 个 流 量 范 围 内工 作 。 溢 流 阀的存在 同时也 为 CG脉 冲器带 来 了潜 在 隐患 ， 由于溢流阀 口流量 减缓作 用 ，当泥浆 含沙 量较 高 时 ，在 溢流 阀口沉 积 的 泥 沙 容 易 造 成 沙 阻 ，导 致 动 力 活 塞 无 法 工 作 ，这 是 此 种 脉 冲 器 的 一 个 致 命 弱 点 。

4 新型脉冲器的设计4．1 新 型 脉 冲 器 的 结 构 特 点该 脉 冲 器 属 于 上 挂 式 ，能 够 实 现 功 能 扩 展 ，在MW D 下 可 以 连 接 LWD 等 其 它 随 钻 仪 器 。脉 冲 器 主 要包 含伺服 阀组件 、主阀头组 件 ，主 阀头组 件 由主 阀套 和主 阀座两 部分 组成 ，主 阀套是 产生 脉 冲的主要 零 件 ，它相对 于脉 冲器 主轴 可 以上 下 活动 ，是 主 头 部 分唯 一的活动部 件 ，因此拆 卸 、维 护 都 比较 方便 。脉 冲器 的主阀套 内部 有复 位弹 簧 ，初 始状 态如 图 5所示 。

主 阀套 在 弹簧 弹 力作用 下 处 于 主 阀 的关 闭状 态 ，机械制造51卷 第590期初 始状 态 的伺 服 阀处 于开启 状态 ．当钻 铤 内有 泥浆 流过 时 ．高压 泥浆 推 动主 阀套 下行 压缩 弹 簧 ，此 时 平衡 状态 为 ：Ⅳ=( 一 )5。，P1为 主 阀 口上 部 的 压 强 ，尸2为 主 阀套 内部 压强 ，S 为 主 阀套 顶 部 面积 ，此时 主 阀 的力平 衡方 程 与下座 键 脉 冲器力 平衡 方 程相 同 。

当脉 冲器伺 服 阀关 闭后 ，主阀套 内压 强 迅速 增 大 ，与 主 阀 口上 部 压 强 相 同 ，即 P2=P1，此 时 主 阀套 受 弹 簧力作 用迅 速 上移 ，将 主 阀关 闭形成 压 力脉 冲 ，此 时主 阀套 的合力 只有 弹簧 的弹 力作 用 ．泥浆 压 力与 主 阀 内部的 压 力 相 平 衡 ，因 此 动 作 更 加 迅 速 。

4．2 新 型 脉 冲 器 的 优 点新 型 脉 冲器 的最 大优 点在 于 主 阀套 的设计 ，作为产 生 脉 冲的部 件 只有 主 阀套 可 以动作 ，因此 维护 与装配非 常方 便 。另 外 ，主 阀套 内泥浆 通道 顺 畅 ，伺 服 阀处于常 开状 态 ，因此 不会 产 生泥 沙沉 积 。当伺 服 阀关 闭后主阀 套上 移形 成脉 冲压 力 峰 ．此 时 的泥浆 只有 从 主 阀套 与 阀座 的 间隙通 过 ，避 免高 压 泥浆通 过 伺服 阀对 其产 生 的 冲蚀 破 坏 ，由于 过流 无 分 流 ，使 压 力 峰 值更 高 .

有 利 于脉 冲信 号传 输 与解码 ，可 以在深井 中使用 。

新 型脉 冲器 采用 膨 胀环 锁 紧机 构 ，通过 压 紧胀 环使 其 在 钻 铤 内壁 产 生摩 擦 力 定脉 冲器 ，操 作 方 便 容 易拆 卸 。胀 环座 下 面 安 装 的 主 阀 座 可 以 独 立 拆 卸 更 换 ，便 于 在 现 场 调 整 阀 座 过 流面 积5 结论通 过 研 究 几 种 正 脉 冲 发 ，I的 结 构 及 _T 作 原 理 ，总 结 分 析 r符种 脉 冲器 的优 缺点 ，集 成 各种 脉 冲器 的 优 点 设 计 来 的 新 脉 冲结 构 简 便 、功 能 实 现 良好 、维 护 力‘便 ，且 对 于 高 含 沙 量 的 泥 浆 境 近应 能 力 更 强 。该 脉 冲 ~ L9-．卵 ‘键 脉 冲器 相 似 ，属 于上挂 式 。便 于与 其 相配 的 MwD功能 的 扩 展 。

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