機(jī)械式無線隨鉆測斜儀正脈沖發(fā)生器研究

耿巖+唐鳴宇

摘 要：測斜儀是石油鉆井工程中測量井斜的工具，測斜質(zhì)量的好壞直接決定著鉆井質(zhì)量。為此，開展了對機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的研究，針對機(jī)械式無線隨鉆測斜儀在深井、超深井中存在著信號衰減、脈沖強(qiáng)度不夠等問題，重點(diǎn)對機(jī)械式無線隨鉆測斜儀脈沖發(fā)生裝置進(jìn)行了研究分析，通過理論推導(dǎo)算出泥漿傳輸壓力和速度公式，分析泥漿脈沖發(fā)生機(jī)理。同時(shí)，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，利用Fluent對脈沖發(fā)生裝置內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬分析，總結(jié)出影響壓力脈沖強(qiáng)度的參數(shù)。模擬結(jié)果表明，改進(jìn)后的壓力脈沖效果明顯，這對于提升信號穩(wěn)定性、減少衰減具有一定的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：脈沖發(fā)生裝置；機(jī)械式無線隨鉆測斜儀；Fluent；數(shù)值模擬；泥漿

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.18.088

1 前言

測斜技術(shù)分為有線隨鉆和無線隨鉆技術(shù)，目前，多數(shù)測斜儀大都采用無線隨鉆測斜方式。對于井斜問題是鉆井工程中不可避免的“誤差”。如何最小化的克服井斜問題，是鉆井工程中首當(dāng)其沖的問題，這就要求研發(fā)更精密的測斜工具、研究測斜方法和創(chuàng)建系統(tǒng)的測斜理論。隨著鉆探技術(shù)的成熟，出現(xiàn)了定向井、分支井、水平井、大位移井等特殊工藝井，應(yīng)運(yùn)而生的是各種測斜儀器。

世界各國都已經(jīng)普遍使用無線隨鉆測斜儀。該儀器最大好處可以測量井斜角和方位角，同時(shí)，可以完成某些井下信息（地質(zhì)參數(shù)、井眼軌跡等）的記錄。這就為鉆井工程奠定了可靠的基礎(chǔ)。

無線隨鉆技術(shù)能夠滿足直井、水平井、大位移井、分支井等井的井斜測量，目前，國際鉆井作業(yè)中大部分都采用無線隨鉆測斜儀，該儀器脈沖發(fā)生裝置的核心部分是由電子元件組成的探管，其抗高壓和高溫的能力差，當(dāng)井溫超過125℃時(shí)，測斜儀基本失去作用，在井底停止工作。為滿足高溫、高壓井的需求，國內(nèi)外展開了對機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的研究，機(jī)械式無線隨鉆測斜儀全部采用金屬元件，該儀器密封系統(tǒng)采用耐高溫、高壓橡膠密封元件，最大抗高壓可達(dá)到160MPa，抗高溫可達(dá)到225℃，達(dá)到高溫、高壓等特殊井的測斜要求。機(jī)械式無線隨鉆測斜儀對于監(jiān)測井斜，減少成本，提高效益具有長遠(yuǎn)的意義。

2 機(jī)械式無線隨鉆測斜儀結(jié)構(gòu)分析

機(jī)械式無線隨鉆測斜儀用于井下測量，其結(jié)構(gòu)主要由井底測量裝置和地上接受脈沖信號裝置組成。井底測量裝置是整個機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的主要部分，由脈沖發(fā)生裝置、行程放大裝置、殼體、測量井斜裝置和阻尼裝置等部分構(gòu)成。

本文主要研究的是無線隨鉆測斜儀脈沖發(fā)生裝置的機(jī)理及對脈沖發(fā)生裝置的優(yōu)化計(jì)算及改進(jìn)，現(xiàn)重點(diǎn)闡述脈沖發(fā)生裝置。

3 脈沖發(fā)生裝置研究

3.1 脈沖發(fā)生裝置

脈沖發(fā)生裝置主要由脈沖筒、脈沖桿和蘑菇頭組成。脈沖發(fā)生裝置用于發(fā)射脈沖壓力波。蘑菇頭和脈沖桿可以在脈沖筒內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)蘑菇頭受泥漿的壓力而向下運(yùn)動到脈沖筒中過流孔隙的位置時(shí)，蘑菇頭和過流孔隙的內(nèi)徑基本吻合，泥漿通道被堵塞，產(chǎn)生一個較強(qiáng)的壓力，當(dāng)蘑菇頭通過過流孔隙進(jìn)入脈沖筒腔體內(nèi)，泥漿流道恢復(fù)，壓力恢復(fù)正常。脈沖發(fā)生裝置正是由于引起泥漿的過流面積的變化而引起壓力的波動，達(dá)到產(chǎn)生壓力波的目的。

3.2 信號傳輸方式的研究

對于無線隨鉆測斜信號的傳輸方式無不外乎泥漿脈沖、聲波、電磁波和光纖的傳輸方式。

泥漿脈沖發(fā)生裝置是隨鉆測量和測井中產(chǎn)生壓力脈沖的裝置，是發(fā)送井底信息不可或缺的部分。當(dāng)前，對于泥漿脈沖傳輸?shù)膫鬏敺绞娇煞譃檎}沖、負(fù)脈沖和連續(xù)波脈沖三種傳輸方式。

正脈沖發(fā)射傳輸是目前泥漿脈沖傳輸應(yīng)用最廣的技術(shù)，該技術(shù)相對成熟而且具有廣闊的市場。正脈沖傳輸速度范圍在0.5～3Bit/s，速度相對比較低。

負(fù)脈沖由于能對井壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，而且對于儀器的裝配和現(xiàn)場操作都存在著問題，因此在應(yīng)用方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于正脈沖傳輸。

連續(xù)波脈沖傳輸速率可以達(dá)到6～12Bit/s，由于連續(xù)波泥漿脈沖器比正脈沖發(fā)生裝置傳輸速率高得多， 是一項(xiàng)較為有前途的技術(shù)。

正脈沖發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其脈沖發(fā)射信號的原理卻基本是一致的。當(dāng)泥漿流經(jīng)正脈沖發(fā)生裝置時(shí)，由于正脈沖發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)的原因，脈沖發(fā)生裝置的調(diào)節(jié)閥向上運(yùn)動，阻礙了泥漿正常流動，從而改變了泥漿在正脈沖發(fā)生裝置中的過流面積，引起泥漿的壓力升高，當(dāng)調(diào)節(jié)閥靜止不動時(shí)，泥漿壓力恢復(fù)到正常。根據(jù)壓力的變化，這樣就發(fā)出一個正壓力脈沖信號。經(jīng)過地面安裝在立管上的傳感器獲得這個信號，經(jīng)過編碼處理，將壓力高于正常壓力記為1，壓力不高于正常壓力記為0。再由計(jì)算機(jī)處理掉干擾的雜波，最終由記錄儀顯示出來。從記錄儀的記錄紙可以打印出來，這樣就可以看到比較真實(shí)清晰的信號波形。

機(jī)械式無線隨鉆測斜儀正是基于正脈沖傳輸信號的原理，該正脈沖發(fā)生裝置為往復(fù)節(jié)流型正脈沖發(fā)生裝置。往復(fù)節(jié)流型正脈沖發(fā)生裝置是機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的關(guān)鍵組成部分，用于產(chǎn)生脈沖信號， 將井斜信息從井底傳至地面。往復(fù)節(jié)流型正脈沖發(fā)生裝置的脈沖發(fā)射機(jī)構(gòu)由脈沖筒、蘑菇頭和脈沖軸三部分構(gòu)成，裝配的時(shí)候蘑菇頭通過卡簧連接固定在脈沖軸上，脈沖軸底端連有彈簧，這樣脈沖軸和蘑菇頭隨著泥漿壓力的變化可以在脈沖筒中往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)正常鉆進(jìn)的時(shí)候，由于泥漿泵工作，泵入泥漿的壓力很高，泥漿作用在蘑菇頭上的壓力較大，所以，蘑菇頭連同脈沖軸一起被壓縮，一直處于最底端。當(dāng)接單根或者停泵測斜的時(shí)候，這時(shí)候泥漿泵不工作，立管中的泥漿壓力變小，被壓縮的底部彈簧要恢復(fù)彈性形變，這樣脈沖軸連同蘑菇頭在彈性力的作用下向上運(yùn)動，當(dāng)井斜不同，蘑菇頭上升的高度取決于機(jī)械式無線隨鉆測斜儀內(nèi)部測斜裝置。該內(nèi)部測斜裝置主要根據(jù)重錘所掛在臺階筒上不同的臺階來進(jìn)行測斜作用。

利用泥漿壓力變化來傳輸信號是當(dāng)前適用范圍最廣的一種傳輸方式，該傳輸方式的特點(diǎn)是在傳輸井的深度、傳輸速度和穩(wěn)定性方面都滿足了當(dāng)前測量作業(yè)的需要，尤其是利用泥漿發(fā)脈沖造價(jià)很低，僅以泥漿作為媒質(zhì)，可以為井隊(duì)大大節(jié)省成本，對正常的鉆井作業(yè)沒有太大的影響，但是該傳輸方式不能滿足于欠平衡和各種氣體鉆井，對于氣體的壓縮性特點(diǎn)，利用泥漿產(chǎn)生的壓力脈沖很難被地面立管上的傳感器捕獲。因此，對于泥漿傳輸?shù)倪m用范圍有一定的局限性。另外，隨著井深的增加以及泥漿性能的改變，信號衰減問題相當(dāng)顯著。

4 脈沖信號傳輸參數(shù)研究

影響脈沖信號傳輸?shù)膮?shù)最主要的是脈沖強(qiáng)度和信號傳輸速度，這兩個參數(shù)直接關(guān)系到脈沖從井底到地面的傳輸，本文著力分析兩個特性參數(shù)對正壓力脈沖傳輸?shù)挠绊?/p>

4.1 脈沖強(qiáng)度的計(jì)算分析

在泥漿脈沖發(fā)生過程中，泥漿的脈沖強(qiáng)度直接影響著信號的強(qiáng)弱。計(jì)算推導(dǎo)出脈沖強(qiáng)度是優(yōu)化設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生裝置的關(guān)鍵，根據(jù)水力學(xué)和流體力學(xué)已有的公式，推導(dǎo)出脈沖發(fā)生裝置的壓降公式。

4.2 脈沖信號傳輸速度的計(jì)算分析

在泥漿脈沖發(fā)生過程中，信號的傳輸速度是一個很重要的參數(shù)。傳輸速度過快，容易導(dǎo)致信號紊亂，不易辨認(rèn)，傳輸速度過慢，則導(dǎo)致信號延遲，井下脈沖已經(jīng)發(fā)生，而地面很長時(shí)間沒有接收完信號，而且信號周期過大，浪費(fèi)記錄紙。泥漿的組分是影響泥漿脈沖信號的傳播速度的原因之一。漿體在管道中的流動有偽均質(zhì)流和非均質(zhì)流兩種形式。泥漿中的固相顆粒可認(rèn)為是充分懸浮的， 因此屬于偽均質(zhì)流。本文分析含有固體顆粒、氣體成分和水的泥漿，應(yīng)用非定常流動理論，由納威—斯托克斯連續(xù)方程可以推導(dǎo)出泥漿脈沖傳輸速度的計(jì)算公式。泥漿流經(jīng)脈沖發(fā)生裝置時(shí)，泥漿流道受阻，泥漿壓力升高，根據(jù)流體的流變性，這時(shí)泥漿體積變化應(yīng)和泥漿中固相顆粒的變化、液體的壓縮變化和氣體的變形變化的體積以及鉆桿的微量膨脹后的體積四者之和是相等的。

根據(jù)威列和斯垂特的研究以及蔡文軍、劉修繕等人的推導(dǎo)分析，影響因子作為一個修正參數(shù)，其值可根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況來確定。

5 結(jié)論與建議

（1）通過對機(jī)械式無線隨鉆測斜儀脈沖強(qiáng)度和傳輸速度進(jìn)行了理論計(jì)算，得出蘑菇頭在不同位置時(shí)過流孔隙截面積的變化引起的脈沖筒內(nèi)壓力變化的脈沖強(qiáng)度和信號傳輸速度公式。這對研究正脈沖機(jī)理和現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)有一定的指導(dǎo)意義。

（2）有脈沖強(qiáng)度計(jì)算可知，對于提高脈沖強(qiáng)度，通過改變泥漿的過流面積可以達(dá)到提高脈沖強(qiáng)度的目的，這對于解決深井、超深井正脈沖信號傳輸困難的問題提供了一個很好的方法。