連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討_圖文

1、#技術(shù)討論 !連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討3王智明1, 2 菅志軍 2 李相方 3 賀麥紅 2 許朝輝2(11吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院 21中海油田服務(wù)股份有限公司技術(shù)中心 31中國(guó)石油大學(xué) 北京 摘要 石油鉆井過(guò)程中隨鉆測(cè)量的參數(shù)越來(lái)越多 , 為把這些參數(shù)快速有效地傳至地面 , 研制一套高速率鉆井液脈沖遙傳系統(tǒng)勢(shì)在必行 。 解釋了鉆井液脈沖發(fā)生器連續(xù)波發(fā)生機(jī)理 , 介紹了連 續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器及發(fā)電機(jī)短節(jié)的基本組成 、設(shè)計(jì)方案 、基本結(jié)構(gòu) 、工作原理以及信號(hào)的編 碼與解碼方式等 。 對(duì)研制連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器具有一定的指導(dǎo)作用 。 關(guān)鍵詞 隨鉆測(cè)井工具 連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器 編碼與解碼

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引 言鉆井液脈沖發(fā)生器是 L WD 、 MWD (量 、 測(cè)井技術(shù) , 率一般為 0153。 近年來(lái)國(guó)內(nèi)已 經(jīng)成功研制了鉆井液正脈沖發(fā)生器 , 考慮到隨鉆測(cè) 井包括定向參數(shù) (方位 、傾角 、工具面角 、伽 馬 、 電阻率 、 中子密度 、中子孔隙度等多個(gè)參數(shù) , 而且資料顯示 , 國(guó)外已經(jīng)研制出了隨鉆聲波測(cè)井 、 隨鉆地震測(cè)井 、 隨鉆核磁共振測(cè)井及隨鉆地層測(cè)試等井下儀器 2, 隨鉆測(cè)量的參數(shù)越來(lái)越多 , 顯然 正脈沖發(fā)生器的傳輸速率已難以滿足要求 。 由于井 下信息量越來(lái)越大 , 對(duì)傳輸速率的要求也越來(lái)越 高 , 為把井下數(shù)據(jù)快速有效地傳輸?shù)降孛?, 滿足生 產(chǎn)作業(yè)對(duì)多個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)獲

3、取的要求 , 研制高速率的 鉆井液脈沖井下信息遙傳系統(tǒng)勢(shì)在必行 。 連續(xù)波鉆 井液脈沖發(fā)生器比正脈沖發(fā)生器傳輸速率高得多 , 可以達(dá)到 612b /s, 是一項(xiàng)較有前途的技術(shù) 。筆 者將對(duì)脈沖發(fā)生器的原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹 , 對(duì)連續(xù) 波鉆井液脈沖發(fā)生器的研制具有一定的指導(dǎo)作用 。脈沖發(fā)生機(jī)理連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器汽笛部分由定子和轉(zhuǎn)子組成 , 轉(zhuǎn)子上部安裝與轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量相等的定子 , 如圖 1碼 , , 使鉆柱內(nèi)鉆 , 形成連續(xù)正弦壓力波 , 由井下 傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后 , 通過(guò)調(diào)制系統(tǒng)加載信 號(hào) , 在地面檢測(cè)壓力波形的變化 , 經(jīng)過(guò)譯碼 , 計(jì)算得到測(cè)量數(shù)據(jù) , 通過(guò)終端顯示 3。連續(xù)波

4、脈沖技 術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度快 ; 缺點(diǎn)是信號(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4 。圖 1 連續(xù)波脈沖發(fā)生器機(jī)理脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)及工作原理11連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器技術(shù)指標(biāo)參考國(guó)外連續(xù)波鉆井液脈沖發(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) 。其主要技術(shù)指標(biāo)如下 :耐壓 130MPa, 溫度 150 , 信號(hào)傳輸井深 04000m , 數(shù)據(jù)傳輸速率 6b /s, 排量 1955L /s, 試驗(yàn)井試驗(yàn)工作時(shí)間65 石 油 機(jī) 械CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY2007年 第 35卷 第 12期3基金項(xiàng)目 :中海油

5、田服務(wù)股份有限公司項(xiàng)目 “ 高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)研究 ” (YFJ0504 。 150h; 脈沖發(fā)生器鉆鋌外徑 175mm , 鉆鋌內(nèi)徑 130mm , 脈沖發(fā)生器保護(hù)筒外徑 96mm , 扶正器外徑 130mm 。21連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)及工作原理 鉆井液脈沖發(fā)生器主要由發(fā)電機(jī) 、 壓力補(bǔ)償機(jī) 構(gòu) 、 電子模塊 、 直流電動(dòng)機(jī)及控制編碼系統(tǒng) 、 齒輪 減速機(jī)構(gòu) 、 鉆井液汽笛轉(zhuǎn)子和定子等組件組成 。 井下探管編碼后的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)制系統(tǒng)加載 到電動(dòng)機(jī) ; 轉(zhuǎn)子在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作用下旋轉(zhuǎn) ; 轉(zhuǎn)子的 上部安裝與轉(zhuǎn)子相等葉片數(shù)量的定子 ; 轉(zhuǎn)子與定子 相對(duì)位置的變化產(chǎn)生連續(xù)的正弦壓力波 ;

6、設(shè)置在地 面的壓力傳感器檢測(cè)鉆井液壓力波形的變化 , 并通 過(guò)譯碼得到井下數(shù)據(jù) 。發(fā)電機(jī)短節(jié)如圖 2所示 , 由鉆柱來(lái)的高速鉆井 液流經(jīng)導(dǎo)輪組件葉輪調(diào)整流動(dòng)方向 , 使得鉆井液對(duì) 渦輪有良好的驅(qū)動(dòng)效果 , 渦輪在鉆井液的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn) 生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) , 帶動(dòng)渦輪軸經(jīng)變速箱增速后 , 帶 動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 。 在發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸外部安裝發(fā)電 機(jī)線圈繞組 , 線圈切割磁力線而產(chǎn)生交流電 。圖 2 渦輪發(fā)電機(jī)短節(jié)導(dǎo)輪與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖1 鉆鋌 ; 2 渦輪隔套 ; 3 密封圈 ; 4 導(dǎo)輪組件 ; 5 螺釘 ; 6 鎖緊螺母 ; 7 渦輪軸 ; 8 渦輪 鉆井液汽笛短節(jié)如圖 3所示 。 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子 軸經(jīng)減

7、速器減速后驅(qū)動(dòng)鉆井液汽笛的轉(zhuǎn)子做給定頻 率的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 。 由于汽笛轉(zhuǎn)子相對(duì)于汽笛定子做周 期性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) , 而轉(zhuǎn)子和定子設(shè)計(jì)有相同尺寸的 葉片 , 轉(zhuǎn)子和定子的不同位置的重疊和開啟在鉆井 液中形成周期性的正弦波壓力脈沖信號(hào) 。圖 3 鉆井液汽笛短節(jié)1 密封壓蓋 ; 2 上接筒 ; 3 導(dǎo)流套 ; 4 鉆鋌 ; 5 定子 ; 6 定子壓蓋 ; 7 定子軸 ; 8 轉(zhuǎn)子 電子模塊短節(jié)用來(lái)支撐容納電子模塊 , 把交流電經(jīng)電源模塊的整流及電源管理形成穩(wěn)定電流輸出 , 供脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和井下其它電子器件使用 。 其中 145235V 的直流電驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器 直流電動(dòng)機(jī)工作 , 用以帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)

8、。為了平衡鉆井液的壓力 , 每個(gè)短節(jié)都配以壓力 補(bǔ)償器 。 為了使發(fā)電機(jī)達(dá)到額定功率 , 需要增速機(jī) 構(gòu) , 同時(shí)為了使汽笛轉(zhuǎn)子的速度達(dá)到要求 , 需要減 速機(jī)構(gòu)來(lái)降低電動(dòng)機(jī)輸出的速度 。在設(shè)計(jì)過(guò)程中 , 要考慮材料的耐腐蝕 、 井下鉆 井液沖刷對(duì)零件的影響和無(wú)磁材料的使用等 。信號(hào)編碼與解碼技術(shù)控制系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng) , 控制方 式可以選擇頻移鍵控或者相移鍵控 , 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼 的加載 , 從而實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳 。 編碼技術(shù) 及解碼技術(shù)是高速率鉆井液脈沖遙傳系統(tǒng)的另一個(gè) 關(guān)鍵內(nèi)容 , 編碼技術(shù)包括相移鍵控 (BPSK 編碼 、 頻移鍵控 (AM 3種方 式 5。 圖 4 信號(hào)

9、比較1 參考信號(hào) ; 2 相移鍵控信號(hào) ; 3 頻移鍵控信號(hào) ; 4 脈沖調(diào)幅信號(hào) 11相移鍵控基本原理正弦波在一定期間內(nèi)相位移變化 180°, 表現(xiàn)在動(dòng)作控制上是控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變慢后又回到正常 的載波轉(zhuǎn)速 , 這一過(guò)程用 1表示 ; 期間之間沒(méi)有相 位移的變化 , 用 0表示 。以 24Hz 載波頻率為例 , 要傳輸速率為 6b /s 。 假設(shè)轉(zhuǎn)子 4個(gè)葉片 , 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn) 1周產(chǎn)生 4個(gè)周期的 正弦波 。 則 1bit 所需時(shí)間為 01167s 。21頻移鍵控基本原理特定時(shí)間內(nèi) 1個(gè)頻率的出現(xiàn)或缺失表示 1個(gè)符 號(hào) ; 每個(gè)符號(hào)代表 3個(gè)字節(jié) (3bits , 如 f 1=000;

10、f 2=001; f 3=010; f 4=011; f 5=100; f 6=101; f 775 2007年 第 35卷 第 12期 王智明等 :連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討=110; f 8=111; 需要 8個(gè)不同的頻率 。脈沖調(diào)幅這里不作介紹 。解碼技術(shù)主要包括信號(hào)增強(qiáng)和接收技術(shù) , 濾波 方法 , 算法的選擇 , 軟件編寫等內(nèi)容 。流場(chǎng)仿真與數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)過(guò)程中 , 要著重 考慮以下關(guān)鍵技術(shù) :脈沖發(fā)生器定 、 轉(zhuǎn)子材料 、 初 始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 、遠(yuǎn)程磁力定位器的設(shè)計(jì) 6; 流體參 數(shù) 、 結(jié)構(gòu)參數(shù)與脈沖信號(hào)物理性質(zhì)的關(guān)系 ; 結(jié)合脈 沖信號(hào)編碼方式

11、確定電動(dòng)機(jī)控制方式 ; 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的 流動(dòng)特性仿真及定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等 。轉(zhuǎn)子和定子長(zhǎng)時(shí)間在井下工作 , 由于鉆井液中 的固相顆?；螂s質(zhì)的影響 , 有時(shí)會(huì)發(fā)生卡阻現(xiàn)象 。 為了降低轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生卡阻的幾率 , 在減速箱與 轉(zhuǎn)子間用遠(yuǎn)程磁力定位器進(jìn)行控制 。此外 , 需利用 CF D 工程軟件 , 對(duì)脈沖發(fā)生器 轉(zhuǎn)子和定子進(jìn)行流場(chǎng)分析 , 需要利用滑動(dòng)網(wǎng)格理論 進(jìn)行分析 ; 同時(shí)對(duì)汽笛轉(zhuǎn)子 、片形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) , ,發(fā)電機(jī)的發(fā)電量,素加以分析 :信號(hào)傳播衰減的因素有鉆井液的塑性 粘度 、 井深 、 鉆桿的內(nèi)徑 、 鉆井液的密度 、 鉆井泵 的壓力 、 傳輸頻率等 ; 破壞傳播信號(hào)的因素有鉆桿

12、的振動(dòng) 、 鉆井液的條件 、 回聲及反射等 ; 噪聲的來(lái) 源電干擾 、 鉆井泵噪聲 、 鉆井液馬達(dá)的噪聲 、 鉆頭 的噪聲 、 回聲及反射等 。綜合考慮上面各種因素建立信號(hào)傳播的數(shù)學(xué)模 型 , 利用數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真研究 , 樣機(jī)試制成功后 , 進(jìn)行井下試驗(yàn) , 比較井下試驗(yàn)數(shù) 據(jù) , 驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性 , 進(jìn)而改進(jìn)連續(xù)波鉆井 液脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu) 。結(jié) 束 語(yǔ)預(yù)計(jì) 2010年世界鉆井?dāng)?shù)量將增加到 75000口 , 隨鉆測(cè)井市場(chǎng)容量?jī)r(jià)值為 23億美元左右 , 連 續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器的研制是市場(chǎng)戰(zhàn)略的需要 。 斯倫貝謝 (Schlumberger 、貝克休斯 (Baker Hug

13、hes 和哈里伯頓 (Halliburt on 占有 81%的國(guó) 際測(cè)井市場(chǎng) 7。連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器傳輸速 率較高 , 僅有斯倫貝謝擁有該項(xiàng)技術(shù)比較成熟的儀 器 , 但只提供服務(wù) , 不出售產(chǎn)品 。 國(guó)內(nèi)對(duì)于連續(xù)波 鉆井液脈沖發(fā)生器的研究對(duì)打破國(guó)外公司的技術(shù)壟 斷具有重要意義 。MWD 和 LWD (隨鉆測(cè)量和測(cè)井技術(shù) 是完成 大角度及水平井鉆井 , 實(shí)時(shí)井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集 、 解釋和 現(xiàn)場(chǎng)決策以及指導(dǎo)完成地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的關(guān)鍵技術(shù) , 它綜合了錄測(cè)井 、鉆井 、油藏描述等多種學(xué)科技 術(shù) , 可簡(jiǎn)化鉆井作業(yè)程序 , 節(jié)約成本 , 提高鉆井精 度 , 調(diào)整鉆井設(shè)計(jì)和提高采收率 8。目前國(guó)內(nèi) MWD 和

14、 L WD 作業(yè)量很大 , 已經(jīng)購(gòu) 置的設(shè)備不能滿足作業(yè)需求 。 考慮到國(guó)內(nèi)各公司開 拓海外市場(chǎng)的戰(zhàn)略 , 研制自主品牌的 L WD 、 MWD 是一項(xiàng)十分迫切的任務(wù) 。 連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器 受到鉆井液的沖蝕及有較多的運(yùn)動(dòng)件 , 是 L WD 、 MWD 系統(tǒng)中大量的配件 , 且結(jié)構(gòu)形式和系統(tǒng)參數(shù) 直接影響到傳輸信號(hào)的品質(zhì) , 在系統(tǒng)中具有重要地 位 , 國(guó)內(nèi)應(yīng)加大研發(fā)力量 。參 考 文 獻(xiàn)1 M , 1Current State of the l orati on and Devel op 2 14071, 1986 張辛耘 , 王敬農(nóng) , 郭彥軍 1隨鉆測(cè)井技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨 勢(shì) 1測(cè)井

15、技術(shù) , 2006, 30(1 :10153 Hutin R, Tennent R W , Kashikar S V 1Ne w Mud Pulse Te 2 lemetry Techniques for Deepwater App licati ons and I m p r oved Real -Ti m e Data Capabilities 1SPE /I A DC 67762, 2001 4 蘇義腦 , 竇修榮 1隨鉆測(cè)量 、 隨鉆測(cè)井與錄井工具 1石 油鉆采工藝 , 2005, 27(1 :74785 Monr oe S P, App lying D igital Data -En

16、coding Techniques t o Mud Pulse Tele metry 1SPE 20326, 19906 United States Patent 1Logging while drilling t ools utilizing magnetic postiti oner assisted phase shifts 15, 237, 5401August 17, 19937 楊 虹 1國(guó)際測(cè)井市場(chǎng)環(huán)境淺析 1測(cè)井技術(shù) , 2004, 28 (3 :1871908 丁永浩 , 李舟波 , 馬宏宇 1隨鉆測(cè)井技術(shù)的發(fā)展 1世界 地質(zhì) , 2004, 23(3 :270274第一作者

17、簡(jiǎn)介 :王智明 , 副教授 , 生于 1969年 , 2005年畢業(yè)于吉林大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè) , 獲工學(xué)博士學(xué)位 , 現(xiàn)為 中海石油研究中心博士后 , 主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論 、隨 鉆測(cè)井研究工作 。地址 :(101149 北京市 232信箱 。電 話 :(010 84522288轉(zhuǎn) 6205。收稿日期 :2007-06-19 (本文編輯 南麗華 85 石 油 機(jī) 械 2007年 第 35卷 第 12期sealing functions after being calibrated . It is unnecessary t o calibrate the angle difference va

18、lue when inputting the drill 2 ing data . The one -ti me directi onal success rate is 100% and the difficulty of drilling operati on is decreased greatly when the ne w nipp le is used .Key words:sidetrack well, directi onal well, horizon 2 tal well, track directi onal drilling, landing ni pp le with

19、out angle differenceZhang Shengquan (Lanzhou U niversity of Technology, Lanzhou , W ang N ing . Failure analysis and i m p rovement scheme of the sand pump i m peller of fracturing blender truck . CP M , 2007, 35(12 :5153I n order to i m p rove the life of i mpeller and the effi 2 ciency of sand pum

20、p, the metallography structure and chem ical composition of the failure i mpeller are analyzed and the hardness measurement for different l ocation is car 2 ried out . The results show that the i mpeller material is me 2 dium manganese ductile cast ir on . And the failure analysis indicates that the

21、 surface wears of the i m peller are er osion wear and cavitation wear with the erosi on wear dom inant . Besides the breakage caused by wear, the self drawback re 2 duces the anti -peeling ability of the i mpeller . The high chrom ium cast ir on is chosen as the i mpellerly . In order to i mp r ove

22、base hardness, t be less than 100on ti me is 15 20h under the of 950980 , and it is cooled in the air after being taken out of the furnace . The temper technology of 450500 is used for eli m inating residual austenite and stress . The inlay casting technique is selected, thus the working life is inc

23、reased fr om half a year to one year .Key words:fracturing blender truck, sand pu mp, i m 2 peller, erosion wear, medium manganese ductile cast ir on, high chro m ium cat ir on, inlay casting techniqueZheng Y ongsheng (Gudao O il Production Plant, Sheng 2 li O ilfield Co m pany, Dongying City, Shand

24、ong Province , Han Xueliang, Shi B in, et al . Technical i mp r ovement of tubing p ressure tester . CP M , 2007, 35(12 :5455 For solving the p roblem s existing in the ordinary tub 2 ing p ressure tester, the partial structure of the tester is i m 2 p roved . The water injecti on and gas discharge

25、device is added, the flexible p ressure testing sub is used and the high and low p ressure water conversion valve body is i m 2 p roved . Through these measures, the p roblem s of tubing thread damage, fast p ressure testing sub consump tion, poor sealing during the p ressure test, low operating eff

26、i 2 ciency and bad safety have been solved . The field app lica 2 tion shows that the p ressure testing efficiencies of the i m 2 p roved p ressure testers with O. D. of 73mm, 89mm and 114mm are increased by 22%, 25%and 53%respec 2tively and the working life of the sub al most doubles with significa

27、nt econom ic benefit . Further more, the air inside the tubing body is vented out during the p ressure test, thus i mp roving the device safety and obtaining good social benefit .Key words:tubing p ressure tester, p ressure testing sub, gas discharge device, hard sealing, conversi on valve body, tec

28、hnical i mp r ovementW ang Zhi m ing (School of M achinery, J ilin U niversity, Changchun , J ian Zhijun, L i Xiangfang, et al . D iscussi on of structure design of continuous wave drilling fluid pulse generat or . CP M , 2007, 35(12 :5658The para meters of logging -while -drilling beco me more and

29、more during the drilling operati on . It is necessary to devel op a high s peed drilling fluid pulse re mote trans mit 2 ting syste m for trans mitting the para meters to surface quick 2 ly . The paper ex p lains the continuous wave generation mechanis m of drilling fluid pulse generator, and p rese

30、nts the basic co mbinati on, design sche me, basic structure, working p rincip le and signal encoding and methods of the or guidance to de 2 wave generator .-drilling tool, continuous pulse generator, encoding and deco 2 ding, structural designXian N ing (Corrosion and Prevention Research D ivi 2 si

31、on, N orthw estern Polytechnical U niversity, X i an , L iu Daoxin, Bai Zhenquan, et al . D iscussion of the validity of evaluating the SCC behavi or of p ipeline steels by bend loading . CP M , 2007, 35(12 :5962The tensile stress characters distributing in the differ 2 ent s peci men surfaces l oaded by three -point and four -point bend loading are analyzed by means of ANSYS s oft 2 ware