技术领域
[0001] 本
发明创造属于石油、
天然气钻井技术领域，尤其是涉及一种智能钻井工具井下电源实现方法及脉冲驱动方法和电路。
背景技术
[0002] 石油钻井工具中，
钻井液泥浆冲刷
涡轮发
电机的
转子，
涡轮发电机产生低频三相交流
电能，用于为石油钻井工具
电子控制单元等用电负载供电，同时，钻井液泥浆作为传输介质，采用脉冲
信号发生器按照编码要求通过改变泥浆流道的横截面积实现井下探管测量信号与地面
控制信号的双向传输。然而，由于在钻进过程中，钻井液泥浆
排量波动较大，导致由泥浆涡轮发电机转换出的电能存在较大的波动，造成用电负载工作的
稳定性差，脉冲信号发生器产生脉冲信号时，供电
电压不稳定会造成脉冲信号发生器驱
动能力不足，
信号传输过程中存在丢
帧或信号断续，从而导致地面解码错误或无信号，影响智能钻井工具的工作性能和使用寿命。
[0003]
脉宽调制技术作为一种通过控制功率器件通断时间的比率来维持稳定电压输出的技术，具有输入电压范围宽、体积小、效率高等优点，将其应用于井下电源系统的设计中，将泥浆涡轮发电机转换出的宽输入范围交流电能根据不同负载需求转换成合适的稳定直流电能输出，提高用电负载工作的稳定性和安全性；针对泥浆涡轮发电机转换电能范围宽的特点，采用脉宽调制技术对脉冲信号发生器的供电电压进行合理分配，保证脉冲信号发生器驱动
电流的稳定性以使其具有足够的驱动能力，提高泥浆脉冲信号传输的稳定性和准确性，降低因信号传输过程中存在的丢帧、无信号现象造成的井下测量数据丢失的
风险。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明创造旨在提出一种智能钻井工具井下电源及脉冲驱动电路，以解决泥浆流量波动大造成的井下电源系统供电稳定性差、脉冲信号发生器驱动能力不足的问题。
[0005] 为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
[0006] 一种智能钻井工具井下电源及脉冲驱动电路，包括依次连接的泥浆涡轮发电机、三相整流滤波电路、稳压电路、探管、信号采集电路、控制电路和驱动电路，[0007] 所述稳压电路为n个独立的稳压电源的并联结构，每个所述稳压电源均包括由反激式
变压器、半波整流滤波电路、反馈电路、脉宽调制电路依次连接构成的回路电路，所述反激式变压器的输入端连接三相整流滤波电路，所述半波整流滤波电路的输出端连接探管；其中，n为大于等于1的自然数；
[0008] 所述信号采集电路的输入端连接整流滤波电路的输出端信号、稳压电路的输出端信号、探管的输出端信号；
[0009] 所述控制电路包括
微处理器，所述微处理器连接信号采集电路的输出端；
[0010] 所述驱动电路还连接三相整流滤波电路的输出端信号。
[0011] 进一步的，所述三相整流滤波电路和稳压电路的脉宽调制电路之间设有保护电路，所述保护电路包括
电压保护电路和电流保护电路，电压保护电路包括欠压保护电路和过压保护电路。
[0012] 进一步的，每个所述半波整流滤波电路和探管之间均设有均流电路，所述均流电路连接信号采集电路和反馈电路。
[0013] 进一步的，所述三相整流滤波电路和稳压电路之间设有消振电路，消振电路可将
采样的振荡电压通过消振
电阻导入接地端。
[0014] 相对于
现有技术，本发明创造智能钻井工具井下电源及脉冲驱动电路具有以下优势：
[0015] 基于脉宽调制技术设计井下电源及脉冲驱动系统，根据负载用电需求由反激式
开关稳压电源进行电能变换，获得稳定的直流电能输出，由微处理器脉宽调制端口输出一定占空比值的脉宽调制
波形，保证脉冲信号发生器驱动电流的稳定，满足在井下高温、振动、冲击等恶劣环境下智能钻井工具电子控制单元等负载的用电需求，保证脉冲信号发生器工作时具有足够的驱动能力，提高了智能钻井工具井下工作的稳定性、安全性和使用寿命。
[0016] 本发明创造的另一目的在于提出一种智能钻井工具井下电源实现方法及脉冲驱动方法，以以解决泥浆流量波动大造成的井下电源系统供电稳定性差、脉冲信号发生器驱动能力不足的问题。
[0017] 为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
[0018] 一种智能钻井工具井下电源实现方法及脉冲驱动方法，其特征在于包含如下内容：
[0019] 步骤1：通过涡轮发电机产生低频三相交流电能；
[0020] 步骤2：通过三相整流滤波电路对交流电能进行整流滤波；
[0021] 步骤3：通过电压保护电路采样三相整流滤波电路的
输出电压，通过电流保护电路采样井下电源系统的回路电流，
[0022] 当三相整流滤波电路的输出电压、井下电源系统的回路电流处于安全
阈值范围内时，通过反激式变压器将三相整流滤波电路输出的粗直流电能转换成高频交流电能，再由半波整流滤波电路对高频交流电能进行半波整流和电容滤波，同时通过反馈电路采样半波整流滤波电路的输出电压，送入脉宽调制电路，通过脉宽调制电路调整一个周期内脉冲信号的占空比值，以控制反激式变压器的电能转换效率，其中反激式变压器、半波整流滤波电路、反馈电路、脉宽调制电路依次连接构成的回路电路构成稳压电源；其中当负载需求功率较大，单个稳压电源不能满足要求时，采用n个稳压电源并联的结构；
[0023] 当检测到电压和电流值处于预先设定的阈值范围之外时，稳压电源中的脉宽调制电路停止输出脉冲信号，反激式变压器停止工作，稳压电源无电能输出；
[0024] 步骤4：当负载需求功率较大，单个稳压电源不能满足要求时，通过均流电路采样稳压电源的半波整流滤波电路的输出电流，输出调节电压到反馈电路，与反馈电路一起控制脉宽调制电路输出脉冲信号的占空比值，一个稳压电源对应一个均流电路，使n个稳压电源模
块的输出电流平均分布；
[0025] 步骤5：通过探管测量钻井参数信息及
地层信息数据，并在其内部对测量数据进行处理后进行编码传输；稳压电源对探管供电；
[0026] 步骤6：通过信号采集电路采样三相整流滤波电路的输出电压、n个稳压电源的输出电流、稳压电源的输出电压以及探管编码的测量数据；
[0027] 步骤7：判断探管是否上传有效
编码信号，若没有上传，则按设定的采样时间间隔由信号采集电路继续采样；
[0028] 步骤8：若探管上传有效编码信号，则该数据经信号采集电路送入控制电路中的微处理器中；
[0029] 步骤9：通过控制电路中的微处理器对信号采集电路采集的的输出电压和测量数据进行处理，并输出调整一个周期内脉宽调制波形占空比的脉宽调制波形；
[0030] 步骤10：通过驱动电路接收微处理器输出的脉宽调制波形，并驱动脉冲信号发生器产生压力脉冲，再经钻井液泥浆传输至地面立管处，解码后显示在计算机屏幕上。
[0031] 上述步骤3中当检测到电压和电流值在安全阈值范围内，还要判断是否存在自激振荡，若存在，通过消振电路中的大功率电阻进行振荡消除。
[0032] 上述步骤9中的微处理器将对信号采集电路采集的输出电压和测量数据进行处理，并存储至控制电路中的存储电路中，再通过监控电路实时监控微处理器的运行状态。
[0033] 上述步骤4中：n个均流电路通过均流
母线连接，采用最大电流法，以最大采样电流为基准，n-1个均流电路调节各自的控制电压。
[0034] 所述智能钻井工具井下电源实现方法及脉冲驱动方法和智能钻井工具井下电源及脉冲驱动电路相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
[0035] 构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性
实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
[0036] 图1为本发明创造实施例所述智能钻井工具井下电源及脉冲驱动系统结构图。
[0037] 图2为本发明创造实施例所述智能钻井工具井下电源及脉冲驱动系统工作
流程图。
[0038] 图3为本发明创造实施例所述智能钻井工具井下电源及脉冲驱动系统一实施例的输入-输出效率试验曲线。
[0039] 图4为本发明创造实施例所述智能钻井工具井下电源及脉冲驱动系统一实施例的高温测试曲线。
具体实施方式
[0040] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0041] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
[0042] 一种智能钻井工具井下电源及脉冲驱动电路，如图1所示，包括依次连接的泥浆涡轮发电机、三相整流滤波电路、稳压电路、探管、信号采集电路、控制电路和驱动电路，[0043] 所述泥浆涡轮发电机产生低频三相交流电能，用于为智能钻井工具供电；
[0044] 所述三相整流滤波电路，对泥浆涡轮发电机输出的低频三相交流电能进行
二极管全桥整流和电容滤波，输出粗直流电能；
[0045] 所述稳压电路为n个独立的稳压电源的并联结构，每个所述稳压电源均包括由反激式变压器、半波整流滤波电路、反馈电路、脉宽调制电路依次连接构成的回路电路，所述反激式变压器的输入端连接三相整流滤波电路的输出端信号，将三相整流滤波电路输出的粗直流电能转换成高频交流电能；所述半波整流滤波电路对高频交流电能进行二极管半波整流和电容滤波后输出给探管；反馈电路采样半波整流滤波电路的输出电压，脉宽调制电路根据反馈电路的采样值调整一个周期内输出脉冲信号的占空比值，用于控制反激式变压器的电能转换效率，达到稳定输出电压的目的；其中，n为大于等于1的自然数，n的值由驱动负载所需的功率大小决定，实现根据负载需求将粗直流电能转换成稳定的精细直流电能；
[0046] 所述探管用于测量包括井斜、方位等钻井参数信息及
电阻率，还有伽
马等地层信息，在内部对测量数据进行处理后进行编码传输；
[0047] 所述信号采集电路的输入端连接整流滤波电路的输出端信号、稳压电路的输出端信号和探管的输出端信号；用于采集三相整流滤波电路的输出电压、各独立稳压电源的输出电流、稳压电源的输出电压以及探管编码的测量数据；
[0048] 所述控制电路包括微处理器，所述微处理器连接信号采集电路的输出端，还包括与微处理器连接的存储电路、监控电路和计算机，微处理器接收信号采集电路的采样信号，进行A/D转换和计算后，由存储电路进行保存，还产生脉宽调制波形；监控电路监控微处理器的运行状态，当微处理器工作异常时，由监控电路进行复位操作，通过串行通信
接口，微处理器和计算机之间可实现信息交互；
[0049] 所述驱动电路还连接三相整流滤波电路的输出端信号，驱动电路在控制电路的脉宽调制波形的控制下，驱动脉冲信号发生器动作，将探管编码的测量数据以压力波的形式传输至地面立管处；
[0050] 所述探管编码的测量数据经信号采集电路进入控制电路中的微处理器中，在微处理器接收到有效测量信号后，在信号有效的时间段内，微处理器根据信号采集电路采集到的当前三相整流滤波电路的输出电压值调节输出脉冲波形的占空比值，驱动电路由三相整流滤波电路输出的宽范围粗直流电能供电，在脉宽调制波形的控制下，驱动电路为脉冲信号发生器提供稳定的驱动电流，保证在探管编码的测量数据到来时，脉冲信号发生器的针
阀正常动作产生压力脉冲，经钻井液泥浆传输到地面立管处，解码后显示在计算机屏幕上，供地面人员进行分析决策。
[0051] 每个所述稳压电源和探管之间均设有均流电路，所述均流电路连接信号采集电路和反馈电路，当负载需求功率较大，单个稳压电源不能满足要求时，均流电路采样半波整流滤波电路的输出电流，输出调节电压到反馈电路，与反馈电路一起控制脉宽调制电路输出脉冲信号的占空比值，使n个稳压电源模块的输出电流平均分布；通过调节n个稳压电源的输出电流，使每个并联的稳压电源的输出电流均衡分配，防止单个稳压电源因功率过大而烧毁；
[0052] 所述均流电路1至均流电路n通过均流母线连接，采用最大电流法，以最大采样电流为基准，n-1个均流电路调节各自的控制电压，以均流电路1为例，均流电路1采样稳压电源1的输出电流，若该电流值最大采样电流，则均流电路1无输出，若该电流值不是最大采样电流，则均流电路1输出控制电压至稳压电源1中的反馈电路，与反馈电压一起控制脉宽调制电路输出脉冲波形的占空比值，通过调节反激式变压器的电能转换效率、调整稳压电源1的输出电压控制稳压电源1的输出功率与稳压电源2至稳压电源n保持均衡。
[0053] 所述三相整流滤波电路和稳压电路之间设有保护电路，所述保护电路包括电压保护电路和电流保护电路，电压保护电路包括欠压保护电路和过压保护电路，电压保护电路监控三相整流滤波电路的输出电压，输出控制信号至稳压电源1至稳压电源n中的脉宽调制电路中，当该电压值低于欠压保护电路的设定阈值或高于过压保护电路的设定阈值时，稳压电源1至稳压电源n中的脉宽调制电路均停止工作，稳压电源输出电压为0；当该电压值处于电压保护阈值范围内时，稳压电源1至稳压电源n中的脉宽调制电路正常工作，稳压电源根据负载需求输出稳定直流电能；电流保护电路监控井下电源及脉冲驱动系统的回路电流，输出控制信号至稳压电源1至稳压电源n中的脉宽调制电路中，当该电流值超出设定的电流阈值范围时，稳压电源1至稳压电源n中的脉宽调制电路均停止工作，稳压电源输出电压为0；当该电流值在设定的电流阈值范围内时，稳压电源1至稳压电源n中的脉宽调制电路均正常工作，稳压电源根据负载需求输出稳定直流电能。
[0054] 所述三相整流滤波电路和稳压电路之间设有消振电路，用于消除负载变化引起的泥浆涡轮发电机的振荡和失步，减小输出电压波动，维持井下电源及脉冲驱动系统输出电压的稳定；消振电路采样三相整流滤波电路的输出电压，从中提取出交流波动成分，当该交流波动成分达到设定的消振阈值时，将该振荡电压通过消振电阻导入接地端，以防止该自激振荡影响用电负载的正常工作。
[0055] 本发明创造实施例的一种智能钻井工具井下电源实现方法及脉冲驱动方法，如图2所示，包含如下内容：
[0056] 步骤1：通过涡轮发电机产生低频三相交流电能；
[0057] 步骤2：通过三相整流滤波电路对交流电能进行二极管全桥整流和电容滤波，将涡轮发电机产生的低频交流电能转换成粗直流电能；
[0058] 步骤3：通过电压保护电路采样三相整流滤波电路的输出电压，通过电流保护电路采样井下电源系统的回路电流，
[0059] 当三相整流滤波电路的输出电压、井下电源系统的回路电流处于安全阈值范围内时，通过反激式变压器将三相整流滤波电路输出的粗直流电能转换成高频交流电能，再由半波整流滤波电路对高频交流电能进行半波整流和电容滤波，同时通过反馈电路采样半波整流滤波电路的输出电压，送入脉宽调制电路，通过脉宽调制电路调整一个周期内脉冲信号的占空比值，以控制反激式变压器的电能转换效率，达到稳定输出电压的目的；
[0060] 其中反激式变压器、半波整流滤波电路、反馈电路、脉宽调制电路依次连接构成的回路电路构成稳压电源；其中当负载需求功率较大，单个稳压电源不能满足要求时，采用n个稳压电源并联的结构；
[0061] 当检测到电压和电流值处于预先设定的阈值范围之外时，稳压电源中的脉宽调制电路停止输出脉冲信号，反激式变压器停止工作，稳压电源无电能输出，智能钻井工具停止工作；
[0062] 步骤4：当负载需求功率较大，单个稳压电源不能满足要求时，通过均流电路采样稳压电源的半波整流滤波电路的输出电流，输出调节电压到反馈电路，与反馈电路一起控制脉宽调制电路输出脉冲信号的占空比值，一个稳压电源对应一个均流电路，使n个稳压电源模块的输出电流平均分布；
[0063] 步骤5：通过探管测量钻井参数信息及地层信息数据，并在其内部对测量数据进行处理后进行编码传输；稳压电源对探管供电；
[0064] 步骤6：通过信号采集电路采样三相整流滤波电路的输出电压、n个稳压电源的输出电流、稳压电源的输出电压以及探管编码的测量数据；
[0065] 步骤7：判断探管是否上传有效编码信号，若没有上传，则按设定的采样时间间隔由信号采集电路继续采样；
[0066] 步骤8：若探管上传有效编码信号，则该数据经信号采集电路送入控制电路中的微处理器中；
[0067] 步骤9：通过控制电路中的微处理器对信号采集电路采集的的输出电压和测量数据进行处理，并输出调整一个周期内脉宽调制波形占空比的脉宽调制波形；
[0068] 步骤10：通过驱动电路接收微处理器输出的脉宽调制波形，并驱动脉冲信号发生器产生压力脉冲，再经钻井液泥浆传输至地面立管处，解码后显示在计算机屏幕上。
[0069] 步骤11：重复步骤4-10，在智能钻井工具工作过程中，持续为用电负载提供稳定的直流电能，并上传探管编码的测量数据。
[0070] 上述步骤3中当检测到电压和电流值在安全阈值范围内，还要判断是否因负载变化存在自激振荡，若存在，通过消振电路中的大功率电阻进行振荡消除。
[0071] 上述步骤4中：n个均流电路通过均流母线连接，采用最大电流法，以最大采样电流为基准，n-1个均流电路调节各自的控制电压。
[0072] 上述步骤9中的微处理器将对信号采集电路采集的输出电压和测量数据进行处理，并存储至控制电路中的存储电路中，再通过监控电路实时监控微处理器的运行状态。
[0073] 如图3所示为本发明一实施例的输入-输出效率试验曲线，试验条件为：三相整流滤波电路的输入端接三相交流电源，模拟泥浆涡轮发电机1转速变化范围2500rpm～5500rpm时输入-输出效率测试，设计输出电压37±1V，探管处用恒流型电子负载代替，电流变化范围为0A～3A，由信号发生器模拟探管编码的测量数据，信号发生器设置为方波脉冲，
频率0.1Hz，脉冲幅值5V，占空比10％，驱动电路的输出端接脉冲信号发生器，2500rpm～
5500rpm输出电压曲线如图3(a)所示，2500rpm～5500rpm输入-输出效率曲线如图3(b)所示，为区分不同转速下输入-输出曲线，对纵坐标以10％为单位进行偏移。其中5500rpm时的测试数据如表3-1所示。
[0074] 表3-1 5500rpm输入-输出效率测试
[0075]
[0076]
[0077] 图3(a)中，随着负载电流的增大，负载电压逐渐降低，其变化范围在设计要求之内；图3(b)中，随着负载电流的增大，井下电源及脉冲驱动系统的输入-输出效率维持在80％左右，满足智能钻井工具井下作业的要求。
[0078] 如图4所示为本发明一实施例的高温测试曲线，试验条件为：三相整流滤波电路的输入端接三相交流电源，模拟泥浆涡轮发电机1转速4000rpm时输入-输出效率测试，探管处用恒流型电子负载代替，电流值设定为2A，
温度测试范围为100℃～130℃，表4-1为高温测试数据，图4(a)为由表4-1绘制的高温测试输入特性曲线，图4(b)为由表4-1绘制的高温测试输出特性曲线，图4(c)为由表4-1绘制的高温测试输入-输出效率曲线。
[0079] 表4-1 井下电源及脉冲驱动系统高温测试试验
[0080]
[0081] 图4(a)中，随着温度升高，输入电流从0.729A增大到0.766A，输入电压基本保持恒定；图4(b)中，随着温度升高，负载电压从36.86V上升到37.77V，负载电流保持恒定；图4(c)中，随着温度升高，井下电源及脉冲驱动系统的输入-输出效率略有提升，维持在78％左右，满足智能钻井工具井下工作的需求。
[0082] 工作时，泥浆涡轮发电机1产生的低频三相交流电能经三相整流滤波电路进行全波整流和电容滤波后输出粗直流电能，稳压电源对粗直流电能进行电能变换，采用均流电路进行负载均衡，输出稳定的直流电能提供给探管，保护电路对井下电源系统的电压和电流进行保护，其中，欠压保护电路的阈值设为40V，过压保护电路的阈值设为160V，过流保护电路的阈值设为8A，消振电路用于消除负载变化造成的发电机的失步和振荡现象，保证输出电能的稳定性，信号采集电路采集井下电源系统关键
节点的电压、电流信号以及探管上传的编码信号送入控制电路中，控制电路对接收到的信号进行分析、处理后进行存储，并根据探管上传的编码信号由微处理器产生脉宽调制波形输出给驱动电路，由驱动电路控制脉冲信号发生器在编码信号到来时动作，产生泥浆脉
冲压力波，经钻井液泥浆上传到地面立管处，解码后显示在计算机屏幕上，供地面人员进行分析决策。
[0083] 本发明创造通过产生一系列不同占空比值的脉冲信号控制电能的转换效率和分配方案，从而为用电负载提供合适、稳定、安全的直流电能，提高智能钻井工具井下工作的稳定性、安全性和使用寿命。
[0084] 本发明创造的技术方案不仅局限于石油钻井领域，本发明中各组成部分的结构和连接方式可整体或部分应用于交流-直流变换的电源系统设计中，也可应用于对感性负载的驱动设计中。
[0085] 以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
