連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器及發(fā)電機(jī)短節(jié)的研制

連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器及發(fā)電機(jī)短節(jié)的研制

連續(xù)波鉆井液脈沖井下信息遙傳系統(tǒng)鉆井液脈沖器是lwd和mwd（鉆頭測(cè)量和鉆孔技術(shù)）設(shè)備中的重要組成部分。目前以鉆井液正脈沖發(fā)生器使用最為普遍,正脈沖傳輸速率一般為0.5～3b/s,速率較低。近年來國(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,隨鉆測(cè)量的參數(shù)越來越多,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越大,對(duì)傳輸速率的要求也越來越高,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6～12b/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。號(hào)經(jīng)編碼原理連續(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所示。井下傳感器測(cè)量到的信號(hào)經(jīng)編碼,由脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)控制電路驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)子相對(duì)定子產(chǎn)生截流效應(yīng),使鉆柱內(nèi)鉆井液產(chǎn)生壓力脈沖,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)過譯碼,計(jì)算得到測(cè)量數(shù)據(jù),通過終端顯示。連續(xù)波脈沖技術(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。脈沖裝置的結(jié)構(gòu)和工作原則1.試驗(yàn)井水參考國(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0～4000m,數(shù)據(jù)傳輸速率≥6b/s,排量19～55L/s,試驗(yàn)井試驗(yàn)工作時(shí)間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。2.發(fā)電控制系統(tǒng)從根本上實(shí)現(xiàn)從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸和軸鉆井液脈沖發(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;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。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)。電子模塊短節(jié)用來支撐容納電子模塊,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145～235V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)。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)來降低電動(dòng)機(jī)輸出的速度。在設(shè)計(jì)過程中,要考慮材料的耐腐蝕、井下鉆井液沖刷對(duì)零件的影響和無磁材料的使用等。高速率鉆井液脈沖遙傳編碼技術(shù)控制系統(tǒng)通過電動(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(FSK)編碼和脈沖調(diào)幅(AM)3種方式。編碼器的設(shè)計(jì)或選用關(guān)系到信號(hào)的品質(zhì)。圖4為幾種信號(hào)的比對(duì)。1.最佳充分轉(zhuǎn)速的產(chǎn)生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,這一過程用1表示;期間之間沒有相位移的變化,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0.167s。2.不同頻率的脈沖調(diào)幅見表1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f1=000;f2=001;f3=010;f4=011;f5=100;f6=101;f7=110;f8=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。信號(hào)傳播因素連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)過程中,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);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粒或雜質(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CFD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、定子及發(fā)電機(jī)渦輪葉片形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),這樣有利于減輕沖蝕,提高發(fā)電機(jī)的發(fā)電量。為提高信號(hào)的品質(zhì),需要對(duì)影響信號(hào)傳播的因素加以分析: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)的因素有鉆桿的振動(dòng)、鉆井液的條件、回聲及反射等;噪聲的來源電干擾、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)。隨鉆測(cè)量和井場(chǎng)技術(shù)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(BakerHughes)和哈里伯頓(Halliburton)占有81%的國(guó)際測(cè)井市場(chǎng)。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。目前國(guó)內(nèi)MWD和