井下電磁控制壓力脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)與脈沖幅值關(guān)系的模擬分析

王鵬飛 張 凱 暨夢琪 張紫檀 張廣中 張小玫 王鵬

（勝利油田石油工程技術(shù)研究院）

智能完井技術(shù)作為一種先進的完井技術(shù)［1］，可以控制不同的原油儲層段，并使用智能生產(chǎn)分配器在采油過程中選擇性地生產(chǎn)特定的儲層段。智能完井技術(shù)還可以監(jiān)測采油過程中各儲層段油、氣、水的含量。 一旦在采油過程中監(jiān)測到水和氣的錐進，工作人員就可以通過智能完井技術(shù)調(diào)整相應儲層段的產(chǎn)量，從而減緩水和氣的錐進速度，延長油井生產(chǎn)壽命。 同時，智能完井技術(shù)具有遠程控制功能以實現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)力的目的［2，3］。

壓力脈沖傳輸技術(shù)作為一種無線傳輸智能完井技術(shù)，在石油工業(yè)試井、完井監(jiān)測和隨鉆測井中得到了廣泛應用［4，5］。 該技術(shù)可在特殊、惡劣的工況下實現(xiàn)石油鉆井過程中地面和井下信息的雙向通信［6］。 井下脈沖發(fā)生器是壓力脈沖傳輸過程中的主要裝置。 它主要通過產(chǎn)生不同的脈沖信號將井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到地面［7］，在地面上連續(xù)監(jiān)測提升管壓力的變化，然后解碼從而將壓力信號轉(zhuǎn)換為不同的測量數(shù)據(jù)。

通過分析電磁控制井下脈沖發(fā)生器的工作特性，確定流量與脈沖幅值的對應關(guān)系，以及脈沖信號在管柱中的傳輸和衰減規(guī)律，對提高井下工作可靠性和節(jié)省工作時間具有重要意義。 同時， 為了進一步降低井下脈沖發(fā)生器的功耗，延長使用壽命，通過揭示不同注水條件下脈沖幅度的變化規(guī)律， 從而掌握脈沖波的最遠傳輸距離，達到提高技術(shù)適應性和可靠性的目的。

1 壓力脈沖信號的產(chǎn)生機理及其傳播模型

1.1 壓力脈沖信號的產(chǎn)生機理

如圖1所示， 井下電磁控制壓力脈沖信號的產(chǎn)生機理是：控制系統(tǒng)通過信號接收電路接收數(shù)據(jù)信號后，對其進行編譯和轉(zhuǎn)換，控制電磁閥通電以磁化其內(nèi)部鐵芯，吸入上部靜磁鐵，并使之與上部靜磁鐵相連的部件協(xié)同工作，從而封閉導流孔，增加液體流動阻力。 關(guān)閉電磁閥后，電磁閥的磁性立即消失。 在復位彈簧的作用下，電磁閥恢復到初始狀態(tài)，導流孔打開。 電磁閥的往復動作控制導流孔的開啟和關(guān)閉，從而控制脈沖發(fā)生器的運行。 電磁閥后部設計有脈沖幅值調(diào)節(jié)桿，可以控制電磁閥閥芯的伸縮行程，控制導流孔的閉合程度，從而產(chǎn)生不同幅值的壓力脈沖信號。

圖1 井下電磁控制壓力脈沖信號產(chǎn)生機理

當電磁閥關(guān)閉時，液體的流動被堵塞。 如果流量保持不變， 脈沖發(fā)生器中的壓力必然會上升。 當電磁閥開啟時，液體流動暢通，壓力會恢復到原來的狀態(tài)。 由于這種信號是閥芯突然開或關(guān)時產(chǎn)生的，其產(chǎn)生的脈沖信號高于常壓的脈沖信號，因此也常被稱為正脈沖信號發(fā)生器。 從信號產(chǎn)生機理上看，也屬于節(jié)流型信號發(fā)生器。

1.2 脈沖信號傳播模型的建立

井下脈沖發(fā)生器的伯努利方程如下：

式中 g——重力加速度，m/s2；

h1——脈沖發(fā)生器入口高度，m；

h2——脈沖發(fā)生器出口高度，m；

nc——連續(xù)關(guān)閥次數(shù)；

no——連續(xù)開閥次數(shù)；

ΔP——脈沖幅值，Pa；

Q1——脈沖發(fā)生器入口流量，m3/s；

Q2——脈沖發(fā)生器出口流量，m3/s；

S1——脈沖發(fā)生器入口截面積，m2；

S2——脈沖發(fā)生器出口截面積，m2；

α——閥門開度，%；

ρ——液體密度，kg/m3；

ζ——局部壓力損失系數(shù)，與閥門開度和沿程阻力有關(guān)。

注水井脈沖發(fā)生器的脈沖信號傳輸過程是一個不斷衰減的過程。 通過研究脈沖信號的衰減因子可以得到影響脈沖信號傳輸質(zhì)量的因素，通過改善相應因素，調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設計合理的注水井脈沖傳輸系統(tǒng)，可以有效利用信號能量并減少脈沖信號的衰減，從而達到提高脈沖信號傳輸質(zhì)量的目的。

注水井脈沖發(fā)生器脈沖信號衰減屬于指數(shù)衰減，其計算式為：

式中 D——脈沖器內(nèi)徑，m；

E——脈沖器的彈性模量，Pa；

e——脈沖器壁厚，m；

f——注水井脈沖發(fā)生器脈沖信號的頻率，Hz；

Kg——氣體的體積彈性模量，Pa；

Kl——液體的體積彈性模量，Pa；

Ks——固體的體積彈性模量，Pa；

P——注水井脈沖發(fā)生器脈沖信號傳輸強度，Pa；

P0——注水井脈沖發(fā)生器脈沖信號傳輸?shù)某跏紡姸?，Pa；

x——傳輸距離，m；

αg——氣體密度，kg/m3；

αs——固體的體積濃度，m3/m3；

μ——水的黏度，Pa·s。

由式（2）可以看出，注水井脈沖發(fā)生器脈沖信號的衰減與脈沖器內(nèi)徑、介質(zhì)黏度、注水井脈沖發(fā)生器脈沖信號傳輸頻率等相關(guān)。 此外，壓力脈沖信號的傳輸還受到信號的反射與透射、孔口噪聲干擾、孔內(nèi)流道阻塞等因素的影響，但由于其影響效果微弱，故可以忽略。

基于理論定性分析，并通過測試試驗測量脈沖信號的衰減程度與井深的匹配關(guān)系，得出脈沖波在油管內(nèi)的每千米最大衰減率小于2.5%，并建立圖2所示的脈沖幅值隨注水井深度變化的關(guān)系，實現(xiàn)井口附加脈沖的定量表征。

圖2 脈沖壓力損失率與井深的關(guān)系曲線

基于脈沖波能量衰減率擬合函數(shù)，并結(jié)合井口與井下脈沖信號衰減關(guān)系式可得：

式中 H——注水井深度，m；

P井口——井口壓力，Pa；

P井筒損失——井筒損失壓力，Pa；

ΔP井口——井口脈沖幅值，Pa；

ΔP井下——井下脈沖幅值，Pa；

y——壓力損失率。

反推得到閥前壓力脈沖幅值大于0.8 MPa時，井口可測得脈沖信號。 因此，后續(xù)需要在保證閥前壓力脈沖幅值大于0.8 MPa的前提下， 根據(jù)式（1）研究各項結(jié)構(gòu)參數(shù)對脈沖幅值的影響。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對脈沖幅值的影響分析

根據(jù)壓力脈沖信號傳播公式（式（1）），采用MATLAB軟件進行仿真，并通過改變閥門開度、注水流量來研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對脈沖幅值的影響關(guān)系。

閥門開度分別選取為0.25、0.50、0.75，固定側(cè)孔數(shù)量為2，流量為150 m3/d，局部壓力損失系數(shù)ζ=0.8。 對脈沖發(fā)生器脈沖幅值進行仿真分析，結(jié)果如圖3所示。 可以看出，隨著閥門開度的增加，脈沖發(fā)生器脈沖幅值逐漸減小。

圖3 不同閥門開度下的脈沖幅值

閥門開度選取為0.25， 固定側(cè)孔數(shù)量為2，局部壓力損失系數(shù)ζ=0.8， 在不同流量（30、60、90、120、150、180、210、240、270、300 m3/d） 下對脈沖發(fā)生器進行脈沖幅值仿真分析，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯S著流量的增加，脈沖發(fā)生器脈沖幅值逐漸增大。

圖4 不同流量下的脈沖幅值

圖5為脈沖壓力幅值隨流量的變化曲線。 在電磁閥開度及側(cè)孔個數(shù)一定的條件下，明確了井下壓力脈沖幅值與流速的變化規(guī)律，形成了分析決策圖版。

圖5 水的流量對裝置工作特性的影響

3 結(jié)束語

筆者建立了脈沖特性參數(shù)與注水參數(shù)的匹配關(guān)系。 具體而言，進行了注水井脈沖波傳播衰減規(guī)律的分析，得到了當閥前壓力脈沖幅值大于0.8 MPa時，井口可測得脈沖信號。 研究了閥門開度與脈沖幅值的相關(guān)性，得出在流量一定的條件下，閥門開度為25%～50%時，閥前壓力的變化幅度較大；當閥門開度高于50%后，閥前壓力的變化趨于平穩(wěn)且幅值無法滿足傳輸需求，即脈沖幅值隨閥門開度的增大而減小。 研究了不同流速與脈沖幅值的變化規(guī)律，得出在閥門開度一定的條件下，脈沖幅值隨流速的增大而增大。