BH-VDT垂直鉆井工具異常脈沖信號分析研究

郭賢偉， 汝大軍， 王海巖， 楊 春， 劉郅軒， 郝 楠

(中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津 300457)

BH-VDT垂直鉆井工具主要由井下閉環(huán)自動控制系統(tǒng)(ZBE)和供電及信號上傳系統(tǒng)(PST)2個相對獨立的部分組成[1-4]。ZBE的功能是測量和傳輸井斜數(shù)據(jù)、控制液壓執(zhí)行機構(gòu)；PST的功能是給垂直鉆井工具供電和通過脈沖信號實時傳輸井下鉆井參數(shù)(井斜、導(dǎo)向壓力、系統(tǒng)壓力和井底溫度等)。脈沖信號經(jīng)由地面設(shè)備接收并解碼，可獲取當(dāng)前井深的井下鉆井參數(shù)[5-6]?，F(xiàn)場應(yīng)用BH-VDT垂直鉆井工具鉆井時井下情況比較復(fù)雜，造成該工具PST部分發(fā)出的脈沖信號異常，導(dǎo)致地面設(shè)備無法對接收到的脈沖信號進行解碼。如果將BH-VDT垂直鉆井工具起出，在地面進行測試，由于地面環(huán)境與井下不同，不會出現(xiàn)異常脈沖信號，難以找出產(chǎn)生異常脈沖信號的原因。由于國外的垂直鉆井技術(shù)比較成熟，采用技術(shù)手段避免了異常脈沖信號的出現(xiàn)，未對異常脈沖信號的出現(xiàn)原因進行深入研究。垂直鉆井工具出現(xiàn)信號異常通常發(fā)生在井下，而地面測試良好，唯一能夠獲得的信息是異常脈沖信號的波形，而不同因素對脈沖信號波形造成的影響具有不同的特征。因此，筆者擬通過人為手段制造異常脈沖信號，分析由不同原因造成的異常脈沖信號的波形特征，再與現(xiàn)場采集的異常脈沖信號的波形特征進行比對，找出垂直鉆井工具發(fā)出異常脈沖信號的原因，從而解決現(xiàn)場應(yīng)用中脈沖信號異常的問題。

1 室內(nèi)模擬試驗方法

通過分析BH-VDT垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)和脈沖信號的發(fā)射原理得知，造成脈沖信號異常的原因是供電異常，供電異常的主要表現(xiàn)形式為供電線路斷路和供電功率不足，即瞬時斷路和欠功率。所以，為了判斷產(chǎn)生異常脈沖信號的原因，首先要了解正常脈沖信號的波形特征，再通過模擬試驗分析BH-VDT垂直鉆井工具在瞬時斷路和欠功率情況下產(chǎn)生異常脈沖信號的波形特征，最后與現(xiàn)場異常脈沖信號的波形特征進行對比，以判斷產(chǎn)生異常脈沖信號的原因。

1.1 瞬時斷路模擬

將BH-VDT垂直鉆井工具下入到水力測試系統(tǒng)中，井下閉環(huán)自動控制系統(tǒng)和供電及信號上傳系統(tǒng)連接導(dǎo)線上串連閘刀開關(guān)(見圖1)。將閘刀開關(guān)斷開后快速復(fù)原，垂直鉆井工具形成瞬時斷路，地面解碼系統(tǒng)記錄此時產(chǎn)生的異常脈沖信號的波形。

1.2 欠功率模擬

將BH-VDT垂直鉆井工具下入到水力測試系統(tǒng)中，屏蔽垂直鉆井工具內(nèi)的發(fā)電機，采用外置發(fā)電機為垂直鉆井工具直接供電(見圖2)，通過降低電機的轉(zhuǎn)速使發(fā)電機的輸出功率降低，以達到垂直鉆井工具欠功率工作的條件，產(chǎn)生異常脈沖信號，地面解碼系統(tǒng)記錄異常脈沖信號的波形。

圖1 瞬時斷路模擬試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the simulation of instantaneous disconnection

圖2 外接可調(diào)式發(fā)電機欠功率模擬試驗裝置示意Fig.2 Schematic diagram of underpower simulation of external adjustable generator

2 模擬試驗結(jié)果與分析

2.1 正常脈沖信號波形分析

BH-VDT垂直鉆井工具在水力測試系統(tǒng)的正常脈沖信號波形如圖3所示。從圖3可以看出，正常脈沖信號由10個脈沖波段組成，綠線為測得的實際泵壓，紅線為脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖模擬信號；脈沖a、b的間隔時間較長，是一組脈沖的起始標(biāo)識，稱為同步頭脈沖；脈沖c—j分別代表一組測量參數(shù)，包含測量信息。

脈沖波段a的首個脈沖為雙脈沖形式，后續(xù)脈沖中再無雙脈沖。為了研究雙脈沖的意義，采用示波器監(jiān)控雙脈沖信號發(fā)出過程中的脈沖電壓與液壓泵的電流，結(jié)果見圖4。圖4中，藍色波形為脈沖發(fā)送過程中的電壓，黃色波形為垂直鉆井工具液壓泵的電流。

圖3 BH-VDT垂直鉆井工具正常脈沖信號波形Fig.3 Waveforms of normal pulse signals of the BH-VDT vertical drilling tool

圖4 雙脈沖對應(yīng)的電流和電壓Fig.4 Current and voltage corresponding to a double pulse system

由圖4可知，第1個脈沖發(fā)送結(jié)束后，電流從a點開始逐漸變大，液壓泵啟動；當(dāng)液壓泵完全啟動達到穩(wěn)定工作電流b點處，第2個脈沖發(fā)出。因此，雙脈沖是液壓泵開始啟動至完全啟動的標(biāo)識脈沖。

2.2 瞬時斷路模擬試驗結(jié)果分析

2.2.1 隨機選擇斷點制造異常脈沖信號波形

采取隨機選擇斷點方式對BH-VDT垂直鉆井工具電路系統(tǒng)進行瞬時斷路，獲得該種情況下異常脈沖的波形，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，隨機斷點在脈沖2，6后，斷點后的脈沖3，7均出現(xiàn)了雙脈沖波形，說明液壓泵在瞬時斷路后重新啟動。

圖5 垂直鉆井工具瞬時斷路脈沖信號波形Fig.5 Waveforms of pulse signals under instantaneous disconnection of the vertical drilling tool

2.2.2 人為選擇斷點制造單長脈沖波形

為模擬不同斷點對脈沖波形可能造成的影響，進行人為選擇斷點模擬長單脈沖試驗。試驗方法為：在脈沖1后選擇斷點，斷點后的脈沖2為標(biāo)識液壓泵重啟的雙脈沖波形，脈沖2，3與脈沖3，4成為新一組脈沖的同步頭脈沖；在脈沖3發(fā)出后，下一脈沖發(fā)出前選擇斷點，脈沖4理論上應(yīng)為雙脈沖波形，但下一斷點選擇在雙脈沖的第2脈沖發(fā)出前，導(dǎo)致脈沖4的第2脈沖未能發(fā)出，形成了不完整的雙脈沖波形，此時脈沖波段3，4表現(xiàn)為一個長單脈沖(見圖6)。

圖6 瞬時斷路制造的長單脈沖信號波形Fig.6 Waveforms of long single pulse signals created by instantaneous disconnection

從圖6可以看出，瞬時斷路對脈沖波形的影響是固定的，即斷點后的第1個脈沖為雙脈沖波形，但當(dāng)斷點影響雙脈沖第2脈沖發(fā)出時，就會形成不完整的雙脈沖波形，表現(xiàn)為單脈沖波形。

2.2.3 人為選擇斷點制造連續(xù)雙脈沖波形

為了進一步測試不同斷點對脈沖波形的影響，進行了人為選擇斷點模擬雙脈沖波形的試驗。試驗時斷點均選擇雙脈沖發(fā)出后，試驗形成的脈沖波形如圖7所示。

從圖7可以看出，斷點在雙脈沖之后會出現(xiàn)連續(xù)雙脈沖波形。

通過瞬時斷路模擬試驗發(fā)現(xiàn)，瞬時斷路造成的異常脈沖具有以下波形特性：1)斷點后的第1個脈沖是雙脈沖波形，但也存在斷點影響雙脈沖波形的情況，表現(xiàn)為單脈沖形式；2)通常情況下，瞬時斷路對脈沖波的幅值無影響；3)斷點的出現(xiàn)具有隨機性，難以形成周期性波形。

圖7 人為選擇斷點制造的雙脈沖信號波形Fig.7 Waveforms of double pulse signals created by artificial selection of breakpoint

2.3 欠功率模擬試驗結(jié)果與分析

為模擬垂直鉆井工具欠功率狀態(tài)下的工作情況，采用變速電動機帶動發(fā)電機葉輪轉(zhuǎn)動，通過控制電動機的轉(zhuǎn)速控制外置發(fā)電機的輸出功率，地面接收系統(tǒng)記錄不同轉(zhuǎn)速下的脈沖波形。

試驗發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，記錄的脈沖波形正常；當(dāng)轉(zhuǎn)速降至2 220 r/min時，開始偶爾出現(xiàn)小脈沖波形；當(dāng)轉(zhuǎn)速降至2 213 r/min，出現(xiàn)小脈沖波形的概率明顯增大(見圖8，綠色波形為原始泵壓，紅色波形為脈沖模擬信號，藍色三角標(biāo)為小脈沖波形)；當(dāng)轉(zhuǎn)速降至1 760 r/min時，出現(xiàn)連續(xù)不完整等距雙脈沖波形，繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速，雙脈沖波形向單脈沖波形過渡，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至1 670 r/min時出現(xiàn)等距小脈沖(見圖9)。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的小脈沖波形Fig.8 Waveforms of small pulse signals created at different RPMs

圖9 不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的不同形態(tài)的等距脈沖波形Fig.9 Waveforms of equidistant pulse signals created at different RPMs

欠功率模擬試驗發(fā)現(xiàn)：隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速降低，發(fā)電機輸出功率不足的問題開始出現(xiàn)，出現(xiàn)小脈沖波的概率增大，且小脈沖波的下一脈沖為雙脈沖波，說明小脈沖是電路瞬時斷電時出現(xiàn)的一種波形；隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速繼續(xù)降低，脈沖波形呈現(xiàn)出時間間隔相同、波形幅值相近的等距脈沖特征。等距脈沖是液壓泵在啟動過程中由于電源功率不足持續(xù)重啟造成的，是一種不完整雙脈沖的持續(xù)重現(xiàn)。

欠功率造成的異常脈沖信號具有以下波形特征：1)以小脈沖波形為主；2)波形一般具有明顯的周期性；3)波形一般具有漸變性，隨著電源功率不斷降低，出現(xiàn)異常脈沖信號的頻率增大，異常脈沖信號波形的完整度逐步降低，幅值不斷減小。

3 應(yīng)用實例

克深1101井是庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶克深11號的一口評價井，二開井段應(yīng)用了BH-VDT垂直鉆井工具。該垂直鉆井工具入井在井口測試即出現(xiàn)異常脈沖信號，如圖10所示。

圖10 井口測試時的異常脈沖信號波形Fig.10 Waveforms of abnormal pulse signals during the field wellhead test

分析圖10中的脈沖波形發(fā)現(xiàn)，脈沖1，2和3的幅值比脈沖4和5的小，同時脈沖1，2與脈沖2，3的間隔時間相同，幅值偏小，屬于典型的小脈沖和等距脈沖特征；隨著泵壓升高，排量變大，脈沖4為重啟后的正常雙脈沖，脈沖6的幅值比脈沖4，5小，且脈沖7為雙脈沖，說明脈沖6反映了瞬時斷路，由于其又具有小脈沖波形特征，判斷出現(xiàn)異常脈沖的原因為欠功率。通過提高鉆井泵排量、增大該垂直鉆井工具發(fā)電機的輸出功率，脈沖信號異常的問題得到解決。

BH-VDT垂直鉆井工具在井下工作一段時間后再次出現(xiàn)異常脈沖信號，脈沖信號突然消失，后續(xù)再無脈沖信號出現(xiàn)，如圖11所示。從圖11可以看出，異常脈沖信號具有突發(fā)特征，判斷是該垂直鉆井工具電路斷路導(dǎo)致供電中斷造成的。起鉆更換垂直鉆井工具，檢修起出的垂直鉆井工具發(fā)現(xiàn)，工具中脈沖控制閥的波紋管破裂，鉆井液進入波紋管造成線路短路，導(dǎo)致供電電路板燒毀，工具已無法正常工作，證明對異常脈沖信號產(chǎn)生原因的判斷準(zhǔn)確，避免了垂直鉆井工具的進一步損傷。

圖11 BH-VDT垂直鉆井工具現(xiàn)場應(yīng)用時脈沖信號消失時的波形Fig.11 Waveforms when the pulse signals of field tool disappeared

4 結(jié) 論

1) 瞬時斷路和欠功率造成異常脈沖信號的波形具有特異性，與模擬試驗得到的異常脈沖信號的波形特征進行對比，可以分析出現(xiàn)異常脈沖信號的原因。

2) 瞬時斷路造成的異常脈沖具有隨機性和多樣性，不具有周期性，一般不影響脈沖幅值，通常難以通過調(diào)整鉆井參數(shù)得到改善；欠功率造成的異常脈沖具有漸變性和周期性，通常表現(xiàn)為小幅值脈沖和等距脈沖，可通過調(diào)整鉆井參數(shù)得到改善。

3) 瞬時斷路和欠功率是造成異常脈沖信號產(chǎn)生的2種最主要的因素?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，通過分析異常脈沖信號的波形特征，可以準(zhǔn)確判斷異常脈沖信號的產(chǎn)生原因。

參考文獻
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