隨鉆正脈沖測井儀壓力信號生成特性研究

趙常青，劉凱，趙桐，劉梟，梁文宏，王志龍

(1.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司 隨鉆測井中心，陜西 西安 710054)

隨鉆測井可以在鉆井作業(yè)中實(shí)時測量油氣層信息、地質(zhì)參數(shù)及井眼軌跡參數(shù)，并繪制相應(yīng)的測井曲線，為下一步施工提供依據(jù)[1]。在鉆井液脈沖、電磁波、聲波和光纖四種隨鉆測量[2]方式中，鉆井液壓力波動信號傳輸，是目前從井下向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)最實(shí)用可靠的方法[3]。按照壓力信號產(chǎn)生機(jī)理，鉆井液脈沖信號隨鉆測井儀可分為負(fù)脈沖信號發(fā)生器、正脈沖信號發(fā)生器和連續(xù)波信號發(fā)生器三種。在這些儀器中，鉆井液正脈沖器[4]以其具有信號穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。正脈沖壓力信號強(qiáng)度關(guān)系到儀器工作性能和傳輸距離，提高壓力信號幅值對于深井條件下高效、可靠地傳輸井下測量數(shù)據(jù)是十分必要的[5]。許多學(xué)者致力于壓力信號發(fā)生單元的研究[6-7],研究過程中由于對節(jié)流孔處的局部損失計算不準(zhǔn)確，造成理論計算結(jié)果偏?。灰灿袑W(xué)者對信號衰減因素[8]進(jìn)行了分析，Wilson C.Chins[9-10]等人采用一維波動理論對地面系統(tǒng)接收到的壓力信號進(jìn)行處理，用提高信噪比的方法實(shí)現(xiàn)信號的檢測。后兩種研究方法只能理論上提高信號強(qiáng)度，研究[11]未進(jìn)行直接的實(shí)驗對比。要想獲得理想的壓力信號，需要對信號發(fā)生機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入研究，進(jìn)而從本質(zhì)上提高信號強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)深井及復(fù)雜工況條件下測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、可靠傳輸。信號發(fā)生單元也是壓力脈沖隨鉆測井儀的核心部件，該部分的研究關(guān)系到壓力信號的強(qiáng)弱。本文以正脈沖壓力信號強(qiáng)度為主要目標(biāo)，以定、轉(zhuǎn)子軸向間隙和泥漿流量兩個關(guān)鍵因素為切入點(diǎn)，分別從數(shù)值模擬和實(shí)驗兩個方面對影響信號強(qiáng)度的因素進(jìn)行對比分析。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 工作原理

本文計算模型以現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)閥脈沖發(fā)生器為研究對象，分析脈沖信號脈寬為0.75 s時的壓力信號，圖1為脈沖信號產(chǎn)生原理圖。

圖1 壓力脈沖信號生成原理圖

轉(zhuǎn)子不斷發(fā)生周期性正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的動作通過控制信號驅(qū)動。在工作過程中，儀器內(nèi)部通流面積不斷發(fā)生變化，泥漿流速及上游壓力發(fā)生周期性變化，從而形成壓力信號波。計算時選取鉆井液密度為1 200 kg/m3，流體看作是固、液兩相流[12]，其中固相含量為6.25%。

1.2 旋轉(zhuǎn)閥正脈沖器壓力信號產(chǎn)生原理

根據(jù)孔口的長徑比計算分析可知，該鉆井液流經(jīng)旋轉(zhuǎn)閥模型屬于薄壁孔[13]類型。由液壓流體力學(xué)關(guān)于薄壁孔流量特性理論分析可知，其流量特性[14]可以表示為：

(1)

式中，q為流經(jīng)旋轉(zhuǎn)閥的鉆井液流量；Cq為流量系數(shù)，由孔口結(jié)構(gòu)形式及計算模型雷諾系數(shù)Re分析，取Cq=0.964Re-0.05；AT為旋轉(zhuǎn)閥的過流斷面面積；ρ為鉆井液密度；Δp為旋轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生的壓力信號強(qiáng)度。

圖2 旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)圖

對于圖2所示的旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，閥口的通流面積為四個定子孔通流面積之和，每個孔的通流面積A10計算方法為：

(2)

其中，R為定子流道外側(cè)半徑；r為轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)側(cè)半徑；α為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。

聯(lián)合式(1)和式(2)可得：

(3)

(4)

假設(shè)ρ、Cq、R、r為常量，從式(3)可以看出，壓力信號強(qiáng)度Δp與通流面積AT的平方成反比，與流量q的平方成正比。

2 數(shù)值計算

2.1 數(shù)值計算方法

本文使用Workbench進(jìn)行計算域非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成，對流場模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，且對定、轉(zhuǎn)子軸向間隙區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到37萬個時，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果影響不大，因此計算時選取網(wǎng)格數(shù)為37萬。鉆井液流場旋轉(zhuǎn)強(qiáng)烈、彎曲、三維性以及流動分離等特點(diǎn)，使得其中的湍流呈現(xiàn)各向異性，從而具有各種湍流尺度。因此采用三維reynolds時均N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型[15]作為數(shù)學(xué)模型，利用simple算法進(jìn)行速度、壓力的耦合計算，對流項采用二階迎風(fēng)格式。

針對定、轉(zhuǎn)子軸向間隙及泥漿流量對壓力信號的影響因素進(jìn)行研究。在對某一影響因素進(jìn)行分析時，保證其他因素不變。

2.2 不同軸向間隙對壓力信號的影響

脈沖器工作時定、轉(zhuǎn)子軸向間隙可調(diào)范圍為0～0.08 in，過小的間隙會引起儀器耗能高，同時也會出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。工程實(shí)際應(yīng)用中常選用的間隙值為0.03 in、0.045 in及0.06 in?？紤]特殊工況的應(yīng)用，首先模擬了上述三種軸向間隙下的壓力信號特性，以分析軸向間隙對壓力信號的影響。數(shù)值計算時選取鉆井液流量為35 L/s，其計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同軸向間隙下的壓力波信號

圖3給出了不同定、轉(zhuǎn)子軸向間隙下壓力波信號的比較。由圖可知：鉆井液流量為35 L/s、軸向間隙為0.03 in時，壓力信號幅值為3.62 MPa，隨著軸向間隙的增大，鉆井液壓力信號有所降低，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子軸向間隙變?yōu)?.045 in和0.06 in時，壓力幅值分別降為2.93 MPa和2.27 MPa。壓力波幅值隨著軸向間隙的增大而降低，這是因為：軸向間隙會影響轉(zhuǎn)閥的通流面積，當(dāng)增大軸向間隙時，通流面積隨之增大，因此該流域速度場變化較大，最終引起壓力波信號幅值減小，從而引起脈沖信號強(qiáng)度的減弱。

2.3 不同流量下壓力信號分析

當(dāng)取定、轉(zhuǎn)子軸向間隙分別為0.03 in、0.045 in、0.06 in時，脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生到的壓力信號隨泥漿流量變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 壓力波幅值與流量關(guān)系圖(ρ=1 200 kg/m3)

由圖4可以看出，當(dāng)鉆井液流量小于10 L/s時，壓力信號比較弱，此時增加流量對信號強(qiáng)度的提高作用不大；當(dāng)鉆井液流量為10～35 L/s之間時，增大泥漿流量對增強(qiáng)壓力信號的作用十分明顯。當(dāng)軸向間隙一定時，為了獲得預(yù)定的壓力波幅值，選擇適當(dāng)?shù)哪酀{流量，控制流速的變化，能夠使脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生理想的壓力信號。

在軸向間隙為0.06 in時，壓力脈沖強(qiáng)度較小，需要提高泥漿流量以滿足不同鉆井深度的需求。在定、轉(zhuǎn)子軸向間隙不變的情況下，增大泥漿流量，可以有效提高壓力信號的強(qiáng)度，但泥漿排量并非越大越好。實(shí)際測井中需要在定、轉(zhuǎn)子軸向間隙的選取與泥漿流量之間進(jìn)行優(yōu)化。

3 實(shí)驗分析

為了對隨鉆脈沖發(fā)生器信號進(jìn)行驗證分析，在某井場對隨鉆正脈沖測量儀壓力信號進(jìn)行了測試。實(shí)驗測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

通過地面泥漿泵調(diào)節(jié)鉆井液流量，在同一井中分別對三種軸向間隙工況進(jìn)行了測試。

現(xiàn)場實(shí)驗在0.06 in、0.045 in和0.03 in三種不同軸向間隙下進(jìn)行了循環(huán)測試，同時對地面立管壓力傳感器進(jìn)行信息采集，壓力波信號測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同工況條件下的壓力波信號

為了驗證本文所使用數(shù)值計算方法的有效性，本文將數(shù)值計算與實(shí)驗測試的壓力信號幅值進(jìn)行比較。當(dāng)鉆井液流量為35 L/s時，不同軸向間隙下的信號幅值如表1所示。

從表1可以看出，數(shù)值計算方法所得結(jié)論可信度高，其所得的壓力波幅值與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果相吻合，可以作為實(shí)際測井中參數(shù)選取的依據(jù)。

表1 實(shí)驗測試與數(shù)值計算的對照表

4 結(jié) 語

數(shù)值方法計算得到的壓力波信號穩(wěn)定可靠，可以應(yīng)用于實(shí)際測井過程中；深井及工況復(fù)雜的條件下，可以通過減小軸向間隙或增加泥漿排量來提高壓力信號幅值，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)信號強(qiáng)度、提高傳輸距離的目的。

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