連續(xù)波脈沖發(fā)生器關(guān)鍵技術(shù)與穩(wěn)定性研究

李若飛 黃繼龍 任偉

摘要：隨著世界各國對天然氣、石油的需求量不斷增加，各行各業(yè)對鉆井技術(shù)也提出了非常嚴(yán)格的要求。隨鉆測量數(shù)據(jù)高速率傳輸是增強鉆井技術(shù)的必要條件。而連續(xù)波發(fā)生器則是其傳輸系統(tǒng)的一個核心技術(shù)，所以，本文對其關(guān)鍵技術(shù)及穩(wěn)定性進(jìn)行探討，旨在為我國自主設(shè)計成高效率傳輸鉆井液連續(xù)波發(fā)生器等提供所需要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隨鉆測量鉆井液;連續(xù)波發(fā)生器;關(guān)鍵技術(shù);穩(wěn)定性

由于工業(yè)化水平的不斷發(fā)展，很多行業(yè)對天然氣、石油等資源的需求量在持續(xù)提升，對此，能源緊缺是世界各國不得不面對及思考的重要難題。所以，促使現(xiàn)代鉆井技術(shù)升級則是提高能源采收率的一個必要途徑。而隨鉆測量技術(shù)則是優(yōu)化現(xiàn)代鉆井技術(shù)的一個必要基礎(chǔ)，根據(jù)目前的隨鉆井下信息傳輸技術(shù)來說，鉆井液連續(xù)波發(fā)生器則是一個效率最高的輸送模式，不過，在具體應(yīng)用前需要對其展開全面探討。所以，接下來我們對其關(guān)鍵技術(shù)及穩(wěn)定性展開探討，進(jìn)而明確出一套科學(xué)、完善、有效的理論體系。

一、隨鉆測量鉆井液連續(xù)波發(fā)生器概述

MWD（隨鉆測量）是指：鉆井期間測量井眼軌跡數(shù)據(jù)（定向參數(shù)），然后將其迅速、技術(shù)上傳的隨鉆測量系統(tǒng)。其組成有三部分，即;隨鉆測量儀、兼有地面信號接收與數(shù)據(jù)處理功能的地面系統(tǒng)。LWD（隨鉆測井）是指：在鉆井期間測量用于地層評價的地質(zhì)參數(shù)的隨鉆測量系統(tǒng)，通過MWD系統(tǒng)對其隨鉆測量信息進(jìn)行及時、高效的傳輸。而在隨鉆測量信息傳遞技術(shù)中，則需要一個信號傳遞媒介，通常是有三種，即：負(fù)脈沖發(fā)生器、正脈沖發(fā)生器、連續(xù)波發(fā)生器。其中，前兩種不是本文的研究重點，所以在此無需贅述。

連續(xù)波發(fā)生器的運行原理是;將一個旋轉(zhuǎn)閥置于鉆鋌內(nèi)孔中，確保其轉(zhuǎn)軸軸線與后者軸線重疊，也就是說，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)面和鉆井液流動方向正交。當(dāng)旋轉(zhuǎn)閥的合度逐漸減少的時候，鉆柱中鉆井液的流道出現(xiàn)堵塞問題，旋轉(zhuǎn)閥之上的液柱內(nèi)形成一個非靜態(tài)的正脈沖，然后往上傳遞，且旋轉(zhuǎn)閥下端的液柱中形成一個非靜態(tài)的負(fù)脈沖，然后往下傳遞;在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過程中，且旋轉(zhuǎn)閥的合度逐漸增加的時候，鉆柱中鉆井液流道不再受堵，慢慢地順暢，旋轉(zhuǎn)閥的上端和下端的液柱壓力慢慢地返回至之前的靜態(tài)值。其中，圖1.1表示連續(xù)波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)子與定子都包括三個葉片，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)閥上端的液柱中則會形成三個正脈沖，同時它們會連接起來出現(xiàn)一個持續(xù)性的壓力波，故而又稱“連續(xù)波”。

站在聲學(xué)的角度進(jìn)行分成，正脈沖與負(fù)脈沖發(fā)生器均會形成持續(xù)性的壓力波。不過，因為壓力波無法連接，所以僅會形成斷斷續(xù)續(xù)的壓力波，那么必然會對數(shù)據(jù)傳輸率造成一定的影響，通常來說是不會超過5bps。不過，根據(jù)目前隨鉆傳輸技術(shù)的具體應(yīng)用來說，連續(xù)波發(fā)生器在傳輸效率方面是非常大的。由于其關(guān)鍵技術(shù)基本上是被個別外國企業(yè)所壟斷，對此，我國需要對其進(jìn)行自主研發(fā)，力爭能夠掌握其核心技術(shù)，促使其在相關(guān)領(lǐng)域中得到有效地推廣和應(yīng)用。

二、隨鉆測量鉆井液連續(xù)波發(fā)生器關(guān)鍵技術(shù)與穩(wěn)定性研究

（一）連續(xù)波發(fā)生器關(guān)鍵技術(shù)

連續(xù)波發(fā)生器在設(shè)計時，一定要重點探討以下關(guān)鍵技術(shù)，即：脈沖發(fā)生器定、轉(zhuǎn)子材料、遠(yuǎn)程磁力定位器設(shè)計、初始結(jié)構(gòu)設(shè)計;結(jié)構(gòu)參數(shù)和脈沖信號物理性質(zhì)的關(guān)系;旋轉(zhuǎn)機械的流動特性仿真與定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等。

通常轉(zhuǎn)子與定子是在井下運行的，因為鉆井液內(nèi)存在固相顆?；螂s質(zhì)，偶爾會導(dǎo)致阻塞問題。若要降低其發(fā)生率，需要在減速箱和轉(zhuǎn)子間通過遠(yuǎn)程磁力定位器進(jìn)行調(diào)控。同時，借助于CFD工程軟件對脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子與定子的流場進(jìn)行探討，此時必須要應(yīng)用到滑動網(wǎng)格理論;值得注意的是，還需要對汽笛轉(zhuǎn)子、定子和發(fā)電機渦輪葉片形狀進(jìn)行優(yōu)化制作，其目的是為了規(guī)避沖蝕，增強發(fā)電機功效。

若要增強信號質(zhì)量，務(wù)必要對影響信號傳遞的相關(guān)因素進(jìn)行研究：信號傳遞衰減的影響因素包括鉆井液的塑性粘度、鉆井液密度、傳輸頻率、鉆井泵壓力等;影響傳遞信號的因素包括鉆桿的震動、鉆井液的條件、反射等;同時也包括鉆井泵噪音、鉆頭噪音、馬達(dá)噪音等等。

（二）穩(wěn)定性研究

從力學(xué)角度來看，轉(zhuǎn)動機械中的轉(zhuǎn)子與其軸承、支承座等均屬于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重要組成部分。若出現(xiàn)液膜渦動、液膜震蕩等問題的話，必然會出現(xiàn)液膜失穩(wěn)，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)。所以，若要確保鉆井信息傳遞技術(shù)的有效、及時和穩(wěn)定，務(wù)必要對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行探討和評價。

在鉆井過程中，因為鉆頭牙齒間斷性地與地面接觸或巖石碰撞，必然會引起間斷性的震蕩，所以，其是造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。對此，我們需要根據(jù)不同的條件對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)的影響因素進(jìn)行探討，然后創(chuàng)建力學(xué)模型如圖2.1，確保在其鉆井期間，盡可能地規(guī)避這些消極因素。圖2.1所示兩個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其質(zhì)量圓盤對軸承呈不對稱分布特點，兩側(cè)軸承的幾何參數(shù)一樣，轉(zhuǎn)軸自身需精簡成無質(zhì)量的等截面的彈性軸。TC軸承的外圈置于鉆鋌內(nèi)，鉆鋌的剛度明顯超過轉(zhuǎn)軸的剛度，對此，將軸承外圈與鉆鋌模化成剛體。

2.1轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力學(xué)模型

我們結(jié)合不同的問題及工況進(jìn)行個性化地分析，把握最本質(zhì)的要點，將一些次要因素整合在一起，然后進(jìn)行鉆井操作步驟的調(diào)整，力爭確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全?？傊诰伦鳂I(yè)時，造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)的外界環(huán)境是主要的干擾要是，TC軸承在輕載條件下容易出現(xiàn)渦動，所以，確保要確保TC軸承液膜具備較強的抗穩(wěn)性，其會對鉆井液連續(xù)波發(fā)生器的信息傳輸效率造成直接影響。

三、結(jié)束語

隨著世界各國對天然氣、石油等需求量的不斷提升，目前的鉆井技術(shù)也需要不斷優(yōu)化和升級，否則無法滿足市場不斷增長的客觀需求。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)企業(yè)不斷開拓海外市場的戰(zhàn)略計劃來看，自主研制關(guān)鍵技術(shù)則是一個亟需重視及突破的核心任務(wù)。連續(xù)波發(fā)生器容易受到鉆井液的沖蝕，同時在井下運行期間，其內(nèi)部組成系統(tǒng)-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性也容易受到外界環(huán)境的干擾，由此來看，其屬于一個相對復(fù)雜的設(shè)備。當(dāng)然，通過研究鉆井配套設(shè)備的構(gòu)成來看，其也屬于MWD、LWD系統(tǒng)中一個很常見的配件，其結(jié)構(gòu)特點、系統(tǒng)參數(shù)及穩(wěn)定性等都會對信號傳輸?shù)男始百|(zhì)量造成直接的影響，對此在進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及涉及到過程中，務(wù)必要在這方面加大研發(fā)力量，力爭盡早實現(xiàn)技術(shù)性的突破，此對我國成功研制出所需要的關(guān)鍵技術(shù)做出巨大的貢獻(xiàn)，并且也能夠進(jìn)一步推動世界鉆井技術(shù)的升級和發(fā)展。

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