MWD連續(xù)波井下脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

黃繼龍 任偉 李若飛

摘要：隨著鉆井工程技術(shù)的不斷發(fā)展，井下井眼軌跡控制技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新，隨鉆測量技術(shù)在工作中需要采集的數(shù)據(jù)與參數(shù)數(shù)量越來越多，對地上與井下之間的通訊質(zhì)量與效率都提出了更高的要求。連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器技術(shù)的研發(fā)與制造可以在很大程度上提高信號傳輸?shù)乃俾?，對我國鉆井工程及隨鉆測量技術(shù)具有積極的推動作用。本文對連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的相關(guān)問題進行了簡要論述，在結(jié)合筆者的工作實踐的基礎(chǔ)上，對連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了幾點建議，提高我國自主設(shè)計研發(fā)的脈沖發(fā)射器的信號傳輸效率，促進我國隨鉆測量技術(shù)及相關(guān)設(shè)備研發(fā)制造工作的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)波鉆進液;脈沖發(fā)射器;結(jié)構(gòu)設(shè)計

連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器技術(shù)是在正脈沖信號、負脈沖信號發(fā)射器技術(shù)的基礎(chǔ)上更為先進的一種發(fā)射技術(shù)，在信號的傳輸效率上有了較大的提高，研究連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于我國鉆井隨鉆測量工作的提升具有重要的現(xiàn)實意義。

一、連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器概述

石油鉆井過程中井眼軌跡控制技術(shù)直接影響鉆井實施工作質(zhì)量。由于鉆井工程往往需要鉆入地下數(shù)千米的距離，在鉆井設(shè)備與地上控制設(shè)備之間進行無線電信號傳輸過程中，電磁波信號在鉆井中衰減比例高，信號采集及譯碼難度增大，因此，地面上與鉆井下的信息傳輸是鉆井井眼軌跡控制的核心技術(shù)，隨著鉆井液脈沖信號傳輸技術(shù)的出現(xiàn)，鉆井信號傳輸技術(shù)實現(xiàn)了突破性的進展。從我國目前石油鉆井測量系統(tǒng)使用的技術(shù)來看，多數(shù)鉆井都使用正脈沖發(fā)射器輸出脈沖信號，信號輸出效率較低，一般在0.5-3b每秒左右。連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的理論傳輸效率則可以達到3-6b每秒，相較于正脈沖波發(fā)射器信號傳輸效率大大提高。連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的核心部件由一個定子和一個轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子和定子上有多個葉片，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子與定子上葉片的重合角度控制相對位置中間的空隙可以調(diào)節(jié)通過葉片中間流體的大小，從而達到連續(xù)釋放壓力波的產(chǎn)生。目前各科研機構(gòu)對于連續(xù)撥脈沖發(fā)射器的優(yōu)化設(shè)計主要有轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計、脈沖波信號接收系統(tǒng)優(yōu)化等多種優(yōu)化方式，對于信號輸出的優(yōu)化效果的提高都有不同程度的影響。由于世界上正在投入使用的先進的連續(xù)波脈沖發(fā)射器主要被外國一些先進廠家壟斷，而且采用只租不售的方式進行獲利，因此我國國內(nèi)對于連續(xù)波脈沖發(fā)生器的研發(fā)工作在很長一段時間內(nèi)都將會是石油鉆井設(shè)備研發(fā)工作中的重點內(nèi)容。

二、連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）優(yōu)化轉(zhuǎn)子定子葉片

連續(xù)波脈沖發(fā)射器的工作機理是通過轉(zhuǎn)子和定子上葉片的周期性轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)葉片之間空隙大小面積的周期性變化，從而周期性的控制同構(gòu)空隙間的鉆井液，最終實現(xiàn)鉆井液脈沖信號的輸出，而轉(zhuǎn)子與定子的葉片材料、加工工藝、形狀、運動狀態(tài)下的機械特性都對脈沖信號的輸出有很大的影響。不同的葉片形狀對于鉆井液在流動狀態(tài)下產(chǎn)生不同的阻力，同時也會產(chǎn)生不同的脈沖波形，對于地上的脈沖型號接收裝置而言，最理想狀態(tài)的波形應(yīng)為標(biāo)準的正弦波，但是在實際情況中，脈沖發(fā)射器產(chǎn)生的脈沖信號很好能產(chǎn)生標(biāo)準的正弦波，因此，在連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計思路中，很多都是從定子、轉(zhuǎn)子的葉片優(yōu)化入手，通過改變?nèi)~片的形狀、材質(zhì)、機械加工工藝等方面屬性，使其產(chǎn)生的脈沖型號更加貼近于理想的正弦波。從理論實驗與實際運用的結(jié)果來看，葉片采用圓角的邊緣設(shè)計、圓弧形的葉片形狀設(shè)計可以很好的控制鉆井液的流動狀態(tài)，對于脈沖信號的輸出具有很好的提升效果。

（二）大量實驗總結(jié)衰減特性

脈沖發(fā)射器產(chǎn)生的脈沖信號隨著鉆井液在鉆井中的流通過程中會產(chǎn)生大量的衰減，因此在連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的設(shè)計過程中應(yīng)該需要進行大量的實驗來采集脈沖信號衰減的規(guī)律的相關(guān)信息，從而在設(shè)計過程中將衰減的特性進行預(yù)期考慮，以提高產(chǎn)生的脈沖信號波的效果。如果不考慮脈沖信號的衰減特性，脈沖發(fā)射器產(chǎn)生的波形在不同的物理作業(yè)環(huán)境下都會產(chǎn)生與預(yù)期有較大的初入，在信號的傳說的速率與質(zhì)量方面都與預(yù)期產(chǎn)生較大的差異，很難達到具體工作使用的要求。而為了得到比較準確的衰減特性的規(guī)律總結(jié)，需要在理論實驗中反復(fù)進行經(jīng)過大量的實驗，總結(jié)優(yōu)化回歸方程以得到更精確的數(shù)據(jù)。脈沖信號衰減特性的一些較小的差別，在實際操作過程中都會對脈沖發(fā)射器產(chǎn)生的信號以及輸出效率產(chǎn)生較大的影響，因此，脈沖信號的衰減特性的采集是連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的設(shè)計過程中的重要工作之一。

（三）優(yōu)化脈沖信號接收的數(shù)學(xué)模型

我國目前在連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的研發(fā)與制造過程中已經(jīng)取得了一定的突破，攻克了一些技術(shù)性的難關(guān)，但是在將產(chǎn)品進行量產(chǎn)并投入鉆井工程使用的環(huán)節(jié)中還存在較大的困難。一方面是因為脈沖發(fā)射器的信號發(fā)射階段的信號不準確，另一方面是因為在地上的信號接收設(shè)備的接收數(shù)學(xué)模型沿用國外的數(shù)學(xué)模型，與我國設(shè)計的發(fā)射裝置的兼容性不高，對于接收到的信號的譯碼質(zhì)量與效果不高，從而影響了鉆井液脈沖發(fā)射器的信號傳輸效率。因此，在脈沖型號發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還需要充分考慮接收信號的數(shù)學(xué)模型，對鉆井液脈沖信號的傳播特性進行分析，加強脈沖信號編譯的準確性。在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，也要進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，以降低信號傳播過程中的復(fù)雜性，降低建立數(shù)學(xué)模型進行編譯的工作量與設(shè)計難度。對于不同作業(yè)環(huán)境下的脈沖發(fā)射器設(shè)計，需要在數(shù)學(xué)模型的建立上體現(xiàn)設(shè)計思路的差異化，在傳輸型號的頻率上也體現(xiàn)差異化，兼顧脈沖信號接收分析模型的特殊性與適用性，從而提升脈沖信號發(fā)射的信號發(fā)射與信號輸出效果。

結(jié)語

綜上所述，連續(xù)波鉆井液脈沖信號發(fā)射器的研發(fā)與優(yōu)化工作在很長一段時間內(nèi)都將是我國鉆井隨鉆測量領(lǐng)域的重要工作之一，我國的脈沖型號發(fā)射器研發(fā)與制造現(xiàn)狀與國外發(fā)達國家還存在較大的差距。連續(xù)波鉆井液脈沖信號發(fā)射器研發(fā)我設(shè)計工作者可以從優(yōu)化轉(zhuǎn)子定子葉片、大量實驗總結(jié)衰減特性、優(yōu)化脈沖信號接收的數(shù)學(xué)模型三個方面入手，優(yōu)化脈沖發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高我國自主設(shè)計研發(fā)的脈沖發(fā)射器的信號傳輸效率，促進我國隨鉆測量技術(shù)及相關(guān)設(shè)備研發(fā)制造工作的創(chuàng)新發(fā)展。

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