BCPM2雙向通訊供電短節(jié)脈沖器遇堵分析

肖雷雷，宛文宇，吳浩洋，劉紅旗(中海油服油技塘沽作業(yè)公司，天津 300450)

0 引言

在隨鉆測井作業(yè)中，雙向通訊供電短節(jié)起著信號傳輸和雙向供電的重要作用，其中的泥漿信號遙傳系統(tǒng)能夠?qū)⒕缕渌麅x器采集的關(guān)鍵信號傳輸至地面檢查裝置，在鉆進的過程中獲取鉆具工程值和評估數(shù)據(jù)，用于分析并提高鉆井效率，攻克更多復(fù)雜的井況。

對信號傳輸這個過程，在行業(yè)內(nèi)普遍存在兩種理論且各有利弊：第一是利用從0～10 Hz的低頻脈沖而形成的離散信號，這種低頻離散信號能夠在地面更容易探測接收，但會受限于傳輸速率，一般會小于10 bps，BCPM1使用的就是這種形式[1]；第二種是利用高頻脈沖來產(chǎn)生連續(xù)信號，速率會提高很多，但由于使用的頻段不同會增加探測接收的難度，在advantage操作系統(tǒng)和BCPM2脈沖器的加持下，得以實現(xiàn)并廣泛應(yīng)用于各地石油勘探行業(yè)中。

1 設(shè)備介紹

BCPM2雙向通訊供電短節(jié)為貝克休斯公司開發(fā)的一款全新泥漿信號遙傳系統(tǒng)，通訊時利用高速率脈沖器編碼泥漿脈沖信號，以鉆桿內(nèi)部空間為傳輸通道，將井下各設(shè)備測得的數(shù)據(jù)向上傳遞。同時在井口處設(shè)有泥漿波檢測傳感器進行解碼運算降噪解調(diào)，從而獲得有價值的井下數(shù)據(jù)。當(dāng)需要向井下儀器下達命令時，同樣在井口的BPA裝置通過編碼控制面板來改變循環(huán)泥漿壓力，傳達到井下后使發(fā)電機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生規(guī)律性變化，通過主控的邏輯運算而將命令獲得，實現(xiàn)整個過程的半雙工傳輸[2]。整個儀器以鉆桿為基體設(shè)計，各個控制電路板模塊化封裝，上下兩端為T2專利扣型，并配有M30單芯通訊連接環(huán)，采用OFDM通訊技術(shù)，具有較好的抗多徑衰落能力且方便多用戶掛接。同時內(nèi)部具有斷路保護器，在消除過載后能夠恢復(fù)通路，也同時具備對井眼與環(huán)空壓力、溫度進行實時監(jiān)測。

在儀器本體表面可觀察到有兩個接口，較大一個為診斷口，在使用該接口時需要連接貝克休斯公司開發(fā)的TDI面板，該面板可提供140 V的直流電用于脈沖器旋轉(zhuǎn)供電及脈沖測試。同時，在車間脈沖器需要刻度時，扳動疊閥正反兩個方向最大角度需要的能量也由TDI面板提供。在儀器內(nèi)部，低壓電源轉(zhuǎn)換板將140 V直流電轉(zhuǎn)換成總線上的33 V電壓，以供給整個儀器各功能板運轉(zhuǎn)。另一個較小的為數(shù)據(jù)口，使用該接口時既可連接TDI面板也可使用TCS面板，目的是將首尾M30端及總線接口建立通訊以供地面檢查使用，同時用于下載儀器內(nèi)存數(shù)據(jù)，觀察各部分使用情況。儀器內(nèi)存大小為128 MB，64 MB為207 h的診斷數(shù)據(jù)，剩下64 MB為105個觸發(fā)事件的測井?dāng)?shù)據(jù)。診斷數(shù)據(jù)包含馬達控制、儀器主控等，為連續(xù)的5 Hz數(shù)據(jù)，測井?dāng)?shù)據(jù)受中斷事件影響，例如：溫度、壓力和地面下傳指令，存儲滿后會覆蓋寫入。儀器車間保養(yǎng)好后，需要將兩接口部位認真檢查，確認插針清潔完好及O圈安裝正確，并按規(guī)定扭矩安裝固定螺絲，以防下井泥漿灌入導(dǎo)致故障。儀器上，兩個接口背面為壓力監(jiān)測模塊，用于測量井眼壓力和環(huán)空壓力，維保注意檢查及定期刻度。

渦輪發(fā)電機：發(fā)電機整體采用重新結(jié)構(gòu)設(shè)計進而增強其機械性能，雙渦輪雙導(dǎo)輪的布局使得其最大輸出功率能達到1 000 W，最高耐溫150 ℃，耐壓172.4 MPa。內(nèi)部流道設(shè)計耐沖蝕，同時大大降低了在使用堵漏材料時的遇堵幾率。本體主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成，定子包括機座、定子鐵芯、電樞繞組、磁力耦合等幾部分。定子鐵芯固定在機座里，其內(nèi)圓表面沖有均勻分布的槽，定子槽內(nèi)對稱嵌放著參數(shù)相同的三組繞組，每組為一項，共為三相對稱繞組，法線方向也互成120°。發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯周圍均勻嵌入強力永磁鐵，且轉(zhuǎn)子頂部連接有磁力耦合器，能將渦輪旋轉(zhuǎn)的動力同步耦合，實現(xiàn)動力傳輸。整個發(fā)電機的輸出電壓隨著渦輪轉(zhuǎn)速的變化而變化，將此交流電壓引入儀器內(nèi)部整流板進而實現(xiàn)直流電的供應(yīng)。同時，監(jiān)測三相繞組其中一相的頻率，也可實現(xiàn)地面所下達指令的獲得。

高速率脈沖器：BCPM2脈沖器采用疊閥結(jié)構(gòu)，最大開合角度為±12°，在其內(nèi)部為一最大功率630 W的電動機，直驅(qū)控制疊閥的開合，所能提供的最大扭力為15 Nm，并且內(nèi)部注有SHC-524液壓油，起到潤滑降溫的作用[3]。通過調(diào)整定子轉(zhuǎn)子之間的間隙，可以更好地控制堵漏材料的容差值與信號質(zhì)量，具有很高的信號調(diào)制與編碼能力，最高脈寬可達40 bps。在切換到NRZ高速率連續(xù)波模式時，其工作編碼產(chǎn)生的脈沖示意圖如圖1所示。

圖1 脈沖器疊閥動作與產(chǎn)生脈沖對應(yīng)圖

2 故障判斷

現(xiàn)有的BCPM2儀器作業(yè)時，現(xiàn)場人員時常反映儀器遇堵，脈沖器無法工作現(xiàn)象，從而造成作業(yè)難度加大，降低工作效率，嚴(yán)重時甚至取消作業(yè)。為解決這一故障，儀器返回車間后，進行逐步排查，總結(jié)發(fā)現(xiàn)是堵漏材料影響了脈沖器的正常工作。

車間檢查工控機上使用Advantage下的Tool Manager軟件，用來與儀器及脈沖器建立通訊，確認脈沖傳輸軟件版本及脈沖響應(yīng)設(shè)置情況。同時可用于下載及初始化內(nèi)存數(shù)據(jù)，并檢查儀器內(nèi)部斷路開關(guān)保護器的設(shè)置情況。

儀器第一次遇堵時，車間故障排查，絕緣檢查沒問題，上電測量時發(fā)現(xiàn)電流增大，進一步查看為脈沖器閥體全部塞滿堵漏材料，無法自由旋轉(zhuǎn)從而引起的電流增大問題。另一串儀器第二次遇堵故障，返回車間拆開發(fā)現(xiàn)為堵漏材料中的小顆粒球被夾緊在定子與轉(zhuǎn)子之間，兩次故障可定義為同一問題所致。

根據(jù)形狀不同，堵漏材料可以分為3種形式：纖維、片狀物、顆粒。雖然堵漏材料有優(yōu)質(zhì)、中等、低端之分，但實際鑒定起來并沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，每一種材料都有不同的尺寸，而且每個操作人員也會根據(jù)不同的尺寸來命名不同材料。不同的泥漿配比或者泥漿中含有堵漏材料時都會影響儀器的性能。

3 原理分析

在實際工作現(xiàn)場，運用堵漏材料進行作業(yè)時，推薦流量要高于儀器的最小關(guān)斷點。地面使用“BCPM2停發(fā)脈沖并打開疊閥”下傳命令，這個下傳命令會停止井下儀器的脈沖器工作并且強制將疊閥打開到最大位置，如圖2所示。相比于儀器下電狀態(tài)，此時堵漏材料流過脈沖器時，會有更大的空間，有利于流通。這種狀態(tài)下，脈沖器停止，沒有數(shù)據(jù)上傳到地面，因此這種工作模式只適用在不需要上傳實時數(shù)據(jù)的時候。

圖2 上電時命令疊閥開啟最

如果流量要低于儀器的最小關(guān)斷點，此時儀器斷電不工作(下電狀態(tài))，脈沖器疊閥回到起始位置，疊閥停留在中間半開半合的狀態(tài)，如圖3所示，這就意味著堵漏材料流過的區(qū)域減小了50%，增加了遇堵的幾率。

圖3 斷電時疊閥停在起始位置

如果泥漿中配比直徑為1.3～3.2 mm的堵漏材料，這些顆粒就可能會卡在渦輪和導(dǎo)輪之間，這樣會導(dǎo)致渦輪轉(zhuǎn)速的丟失或者完全被卡死。因此，如果想用這種堵漏材料，操作時應(yīng)該增大流量到5 00l pm以上，已確保渦輪有充足的動力去轉(zhuǎn)動。

如果BCPM2儀器已經(jīng)工作，而且疊閥在有堵漏材料的狀態(tài)下發(fā)脈沖，這時應(yīng)該將疊閥關(guān)閉狀態(tài)的角度設(shè)置在10°以下(最大關(guān)閉角度為12°)，使其不會完全關(guān)閉，給堵漏材料預(yù)留出通過的縫隙。另外在編碼類型上，盡量選擇NRZ模式，相比于其他模式不容易被堵。

車間BCPM2儀器脈沖器間隙量設(shè)置的是1.6 mm，所以在應(yīng)用堵漏材料時，材料直徑要盡量小于這個數(shù)值，便于正常工作。另外，在脈沖器發(fā)射脈沖期間，疊閥會有一個長達2 s的關(guān)閉狀態(tài)，在提前設(shè)置儀器的時候，一定要將DRP角度設(shè)定在一個比較低的數(shù)值(例如3°，如圖4所示)，不然堵漏材料就會卡住疊閥(DRP角度在TIP儀器或者downlink下傳命令時可以設(shè)定)。

圖4 DRP角度設(shè)置為+3°時與設(shè)置為+12°時對比圖

4 結(jié)語

分析過后，如果泥漿中含有遇堵材料，想要降低脈沖器遇堵的風(fēng)險，可以從以下三方面入手：

在執(zhí)行downlink下傳命令時，首先將流量調(diào)至儀器最小關(guān)斷點之上，并且足夠滿足downlink需求，然后下達“停止脈沖，閥開最大”命令，完成后，再降低流量，但要保持在儀器最小關(guān)斷點之上，然后泵入堵漏材料，后將堵漏材料循環(huán)出鉆桿，此過程現(xiàn)場會有操作流程。

循環(huán)泥漿中含有堵漏材料，同時需要上傳實時數(shù)據(jù)時，流量開到可以滿足downlink需求，在地面解碼狀態(tài)好的前提下，盡量將DRP角度減到最小，使脈沖器能夠正常工作，之后可以加大排量。

最后，操作人員與維保車間討論，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需求決定是否需要重新設(shè)定脈沖器疊閥間隙而減少遇堵幾率。