無線隨鉆測(cè)量泥漿脈沖傳輸方式工作原理

張?jiān)r民

摘 ?要：無線隨鉆測(cè)量泥漿脈沖傳輸中，根據(jù)無線傳輸通道的不同，可分為四種方式：泥漿脈沖的傳輸方式、電磁波的傳輸方式、聲波的傳輸方式、光纖的傳輸方式。在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用泥漿脈沖的傳輸方式和電磁波的傳輸方式鉆井，信號(hào)可以傳輸?shù)降孛?，不僅能夠遠(yuǎn)距離傳輸，而且具有良好的可靠性。本文著重研究無線隨鉆測(cè)量泥漿脈沖傳輸方式工作原理。

關(guān)鍵詞：無線隨鉆測(cè)量;泥漿脈沖;傳輸方式;工作原理

引言：

無線隨鉆測(cè)量泥漿脈沖傳輸方式主要包括兩種傳輸方式，即有線傳輸方式和無線傳輸方式。隨鉆測(cè)量及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展速度非?？?，從有線隨鉆測(cè)量到無線隨鉆測(cè)量，參數(shù)增多了，測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。無線隨鉆測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為工程技術(shù)領(lǐng)域中的重要方向。對(duì)于該種信號(hào)傳輸方式進(jìn)行研究中，準(zhǔn)確掌握工作原理是非常重要的。具體如下。

一、正脈沖方式

泥漿正脈沖發(fā)生器上的針閥與泥漿正脈沖發(fā)生器小孔的相對(duì)位置會(huì)改變泥漿流動(dòng)通道并在此處積聚，從而提高鉆柱內(nèi)泥漿壓力。針閥處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，發(fā)揮了驅(qū)動(dòng)控制電路的作用，由探針管編碼的測(cè)量數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。電磁閥直接驅(qū)動(dòng)針閥需要的動(dòng)力是非常大的，主要使用功能了小閥推大閥的方式，將泥漿的動(dòng)力充分利用起來[1]。同時(shí)，通過連續(xù)檢測(cè)立管壓力的方法，對(duì)不斷變化的壓力全面掌握，采用解碼的方法將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

渦輪鉆具隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可以在鉆井液循環(huán)的情況下進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。用鉆盤鉆孔時(shí)，鉆具必須停止轉(zhuǎn)動(dòng)1.5秒之后才能測(cè)量。其它液壓通道的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)與上述儀器的區(qū)別在于脈沖發(fā)射器的不同。脈沖發(fā)生器的閥門由電磁線圈或步進(jìn)電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)有較高的精度。當(dāng)測(cè)井傳感器在測(cè)量的過程中有信號(hào)產(chǎn)生的選時(shí)候，起動(dòng)器促使閥動(dòng)作提升，節(jié)流鉆井液。

壓力脈沖信號(hào)的產(chǎn)生是通過地面檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)獲得的。當(dāng)鉆桿停止旋轉(zhuǎn)并保持鉆井液循環(huán)的時(shí)候，傳感器開始測(cè)量角度。電動(dòng)鉆具鉆進(jìn)的過程中，鉆井液循環(huán)多長(zhǎng)時(shí)間，方位角的重復(fù)測(cè)量時(shí)間、井斜角的重復(fù)測(cè)量時(shí)間以及工具角的重復(fù)測(cè)量時(shí)間，都采用10位二進(jìn)制測(cè)量，通常信號(hào)傳輸時(shí)間為50秒，傳輸深度超過7000米，由于技術(shù)環(huán)境有限，中國(guó)目前依然采用正脈沖模式[2]。

二、負(fù)脈沖方式

當(dāng)一部分鉆井液通過旁通閥流向管道外空間的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有負(fù)壓脈沖出現(xiàn)。當(dāng)噴射鉆頭或者鉆井馬達(dá)鉆進(jìn)的過程中，將負(fù)泥漿脈沖發(fā)生器在專用的無磁短節(jié)內(nèi)安裝好，將負(fù)泥漿脈沖發(fā)生器上所安裝的排放閥打開，使鉆柱中的泥漿通過排液閥的排液孔以及無磁挺桿上的排液孔進(jìn)入到井眼環(huán)空，將泥漿排出。閥的開啟時(shí)間非常短，通常為0.25秒，不會(huì)超過1.0秒，造成鉆柱中泥漿壓力迅速降低[3]。

將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就會(huì)有負(fù)脈沖形成，可以像正脈沖一樣傳輸數(shù)字信息。為了讓負(fù)壓脈沖的信息通道形成，就需要建立管道內(nèi)外的初始?jí)航?。在水力牙輪鉆頭的工作過程以及隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的裝配過程中，壓力降被消耗掉。脈沖壓降的大小對(duì)鉆井泵高壓管路中的壓降起到?jīng)Q定性的作用。數(shù)據(jù)傳輸速度大約是1bit/s，通過連續(xù)檢測(cè)立管產(chǎn)生的壓力變化，采用解碼的方式，可以形成各種不同的測(cè)量數(shù)據(jù)。泥漿負(fù)脈沖傳輸方式具備較多的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在缺點(diǎn)，就是在運(yùn)行的過程中會(huì)有部分鉆柱壓力被釋放出來，不僅會(huì)造成隨鉆測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)故障，還會(huì)井底動(dòng)力機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)故障。

三、連續(xù)波方式

與泥漿脈沖的正負(fù)脈沖有所不同，這種系統(tǒng)不通過鉆井液產(chǎn)生的脈沖傳輸井底所產(chǎn)生的信息，而是通過相位調(diào)制器傳輸信號(hào)，信號(hào)的表達(dá)方式是數(shù)字方式。當(dāng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)閥接收到測(cè)井傳感器的信號(hào)的時(shí)候，就會(huì)以一定的速度垂直于流體旋轉(zhuǎn)。泥漿作用下會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子，形成正弦壓力波。由測(cè)井探頭編碼的測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)揮調(diào)制系統(tǒng)的作用控制定子相對(duì)于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的位移或者所產(chǎn)生的角位移，使正余弦壓力波同步時(shí)間產(chǎn)生[4]。為了連續(xù)檢測(cè)這些相位或頻率上產(chǎn)生的變化，計(jì)算機(jī)對(duì)壓力傳感器所接收到的信號(hào)會(huì)有所放大，對(duì)于信號(hào)進(jìn)行分析并處理，采用解碼的方式和計(jì)算的方式獲得數(shù)據(jù)信息。

Mobile的MWD系統(tǒng)產(chǎn)生頻率是連續(xù)壓力波，24赫茲，并通過在指定時(shí)間，通常為0.66秒的時(shí)間內(nèi)就可以改變波的相位或者保持波的相位，用于傳輸10位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)閥在短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行速度加快或者突然滯后的時(shí)候，相位交換的相位發(fā)生變化，通常在0.ls中會(huì)產(chǎn)生相位偏移，大約為180度，保持相位則使用0表示。當(dāng)使用水基鉆井液的時(shí)候，系統(tǒng)的最大應(yīng)用深度通常可以保持在6000米左右，加入加重劑的時(shí)候可以達(dá)到4200米左右[5]。斯倫貝謝的MWD系統(tǒng)的載波頻率是12赫茲，會(huì)持續(xù)地發(fā)出信號(hào)。MWD系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)測(cè)方向參數(shù)方法監(jiān)測(cè)頂角、巖石想電阻率、方位角、井溫、伽馬放射性以及鉆頭扭矩等等。連續(xù)波的脈沖的共同頻率大約為0.02赫茲，通常不會(huì)超過0.2赫茲，如斯倫貝謝MWD系統(tǒng)系統(tǒng)，在隨鉆測(cè)量的過程中，當(dāng)工作距離達(dá)到6公里的時(shí)候，工作頻率會(huì)有所降低，甚至?xí)陀谛?shù)位的赫茲數(shù)。

結(jié)束語：

通過對(duì)上面內(nèi)容的研究可以明確，無線隨鉆測(cè)量泥漿脈沖所采用無線隨鉆數(shù)據(jù)傳輸不僅實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，而且信號(hào)傳輸?shù)乃俣瓤?，具有較高的精度，用于深井鉆井工作中，不會(huì)受到鉆機(jī)噪聲的影響，而且對(duì)鉆井作業(yè)起到很好的監(jiān)督控制作用。其缺點(diǎn)是井卜傳輸和地而檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜。

參考文獻(xiàn)

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[2] ?方俊，谷拴成，石智軍，et al. 礦用泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量裝置及其應(yīng)用[J]. 工礦自動(dòng)化，2019，45（02）：15-20.

[3] ?耿巖，唐鳴宇. 機(jī)械式無線隨鉆測(cè)斜儀正脈沖發(fā)生器研究[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2017（18）：162-163.

[4] ?呂海川，竇修榮. CGMWD新型正脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)及應(yīng)用[J]. 石油儀器，2006（06）：7+42-43+46.

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