毕业设计（论文）-负脉冲发生器及地面装置台设计.doc

西安石油大学本科毕业设计（论文）负脉冲发生器及地面装置台设计摘要:随着钻井技术的不断发展，需随钻测量的井下参数越来越多，对测量的实时性要求也越来越高,本次设计依据负脉冲发生器的工作原理和特点，借鉴MWD液压脉冲信号发生器的工作原理，对负脉冲发生器进行了新的结构设计。重点对信号发生器进行了设计，选择了合适的直流电动机、电机驱动器、联轴器及机械密封装置。最后简单介绍了发生器地面实验系统原理及地面实验系统整体组成，并对信号的干扰与衰减进行了简单的分析，提出避免干扰与衰减的处理方法。关键词：随钻测量，负脉冲发生器原理结构设计，地面装置设计，信号分析与处理西安石油大学本科毕业设计（论文）NegativepulsegeneratordesigngroundstationequipmentAbstract:Withthecontinuousdevelopmentofdrillingtechnologyrequiredtomeasuredownholedrillingparameters,moreandmorereal-timerequirementsonthemeasurementhavebecomemoresophisticated,thisnegativepulsegeneratordesignbasedonprinciplesandcharacteristicsofthework,drawingonthehydraulicpulseMWDSignalgeneratorworksonthenegativepulsegeneratoranewstructuraldesign.FocusonthesignalgeneratorhasbeendesignedtoselecttheappropriateDCmotor,motordrive,couplingandmechanicalseal.Finally,abriefgroundtestofthegeneratorsystemofprinciplesandtheoverallcompositionofthegroundexperimentsystem,andsignalinterferenceandattenuationofasimpleanalysis,toavoidinterferenceandattenuationapproach.Keywords:MWD,andnegativepulsegeneratordesignprinciple,thegrounddevicedesign,signalanalysisandprocessing西安石油大学本科毕业设计（论文）I目录1.绪论.11.1无线随钻测量系统研究发展状.11.2无线随钻测量系统中信号传输方式的应用与研究现状.41.3课题的研究目的及意义.52.负脉冲发生器的工作原理.62.1负脉冲发生器的基本工作原理.62.2井下旋转控制系统的理论依据.63.负脉冲发生器控制系统结构设计.83.1井下旋转控制系统结构.83.2电动机的选择.93.3电动机的选择.143.4联轴器的选择.143.5机械密封的选择.153.6、其他部分设计与计算.174.控制系统模拟调试.264.1负脉冲信号发生器地面实验系统原理.264.2地面实验系统整体组成.264.3控制系统的组成.274.4信号采集.284.5、钻井液脉冲信号的影响因素.294.6、信号的衰减因素分析.304.7、其他影响因素.304.8、信号处理.315.结论与研究展望.335.1结论.335.2研究展望.336.参考文献.347.致谢.35西安石油大学本科毕业设计（论文）11.绪论1.1无线随钻测量系统研究发展状况在地质勘探和油气田的开发中,钻井的工作量逐年增加,深井和海上钻井益增多,钻井成本不断上升,这就促使人们把注意力集中到安全钻井和降低成本两个方面。快速取得井下钻井数据的方法为这两个方面提供了最大的可能性。在钻井工程中,最早是处于“盲目钻井”。操作人员凭感觉和经验来推断井下情况。而钻井效率,质量和安全等重要技术经济指标,主要是取决于操作者的技术水平和丰富经验程度。至今这种状况有了很大的改变,但是钻井工人和地质人员还是依靠间接的地面参数,（如大钓负荷、转盘转速、扭矩、泥浆排量和泵压等）或事后的（中断钻井并起出钻柱或在完井阶段,再用钻柱、电缆或钢丝绳将测量仪器下入井内进行测量）测量,测得的井下参数和观察钻头磨损情况,机械钻速,钻屑和泥浆中的油气显示等来判断井下情况。然而,随着钻井技术的不断发展,钻井工程正进入一个新的发展阶段一在钻进当中测量（随钻随测）的新时期。所谓随钻随测（MeasureingWhileDrilling简称为MWD）,即在钻井当中测井、测量或井眼遥测,更确切地讲是在钻进当中的井下检测。目前,随钻随测的内容包括两类测量数据:第一类是关于安全钻井和经济效果的数据(井眼的斜度和方位、钻压、钻头扭矩、钻头工作情况、井底压力和流度、泥浆性质和动力钻具工况等)；第二类是实时测井和对地层评价的数据（岩层电阻率、伽傌射线、自然电位、中子密度、声速、导热性及其它）。当前主要测量第一类数据,以满足钻井的需要。该数据又分为三方面：安全、方向测量和控制（即定向钻井）、钻井效率。其中前两方面最重要。按照从井底到地面的不同传输方法,随钻随测技术主要有四种类型：1.泥浆脉冲传输系统；2.有线传输系统；3.声波传输系统；4.电磁传输系统。其比较见表1。目前,西方国家有四十多家公司在研究随钻随测系统,家公司有了试验方案,测量参数有限的随钻测量装置已用于生产（如井斜、方位等）,测量参数较多、传输能力较大的正处于野外试验的最后阶段,多功能的完善装置可能在今后几个月或几年的时间才能完成。在今后五年,随钻测量装置获得成功与应用将使钻井工艺发生变化,到那时钻井工人和地质人员随时都可以了解到井下的情况,按照井下数据,控制钻井过程,达到钻井的最佳化。西安石油大学本科毕业设计（论文）2随钻随测系统对钻井工程师和地质师的重要性完全相同。在钻井现场,这种系统早已使用于测量有关井眼方位和倾斜角的数据,特别是在定向钻井中。其它的钻井参数,例如钻压,钻挺扭矩和井下压力及温度测量,可帮助钻井工程师提高钻速和改进钻井效率,实现最佳化钻井。随钻随测还有助于改善泥浆配制,并可更准确地选择套管鞋设置的层位,尽可能避免（减少）下技术套管或尾套管。大大减少钻井中非有效时间并节省钻井费用。随钻随测可以改善定向钻井的控制,使钻井效率得到提高,减少停歇时间。估计随钻随测将提高钻井效率（降低成本）530%。现在一个海上平台,通常要钻1836口定向井,而每一口井将近测60次井斜方位,如果采用随钻测量可节省大量时间,约几十万美元。根据资料计算,随钻随测如果提高钻井效率5%,西方国家每年就可以节省几亿至几十亿美元。地质随钻测量仪器给地质师提供非常好的对比和识别断裂层、取芯点和下套管深度的数据。做到一进入含油、气层地带就能及时识别出来,以便及时测试和取芯。此外,电阻率测量对含油气地层提供定量分析的数据。毫无疑问,随钻随测技术的首要价值就是获得数据及时。现在可由当班司钻随时根据从井下得到的数据来控制钻进操作。这样不仅效率高,而且安全和节约时间。同样有重大意义的是：如果油井出事故,地层测井已获得的数据,可以作进一步分析更深地层的地质情况,以便合理地决定对油井的报废或重钻。今后,随钻随测还将提供反馈电路,可以用作实现钻井全部自动化。井下探测仪器还可以提供双向传输信号的能力,可以随时根据地面指令进行井下测量和操作。随钻测量系统（MWD）能在钻进过程中自动连续测量井底附近的有关参数并传输到地面，进行计算机实时显示、存储、处理和打印，为下一步施工设计提供依据MWD最大的优点是可实时地“看”到井下正在发生的情况，从井底测量参数到地面接收到数据只延误几分钟，所以可以改善决策过程。在地质钻探、石油钻井中，特别是受控定向斜井和大位移水平井中，随钻测量系统是连续监测钻井轨迹、及时纠偏必不可少的工具。西安石油大学本科毕业设计（论文）3MWD的信号传输方式分为有线（电缆）和无线两种。电缆方式的优点是可直接向井内传感器供电，实现井内和地表设备之间的双向通讯，实时性好，数据传率高。但电缆往往影响正常钻进过程。无线方式不使用电缆，是定向钻井技术发展历程中的一个里程碑。导向钻进和自动定向钻进等现代钻探技术都以无线方式为基础。无线随钻测量仪一般有两大部分组成：一是地面系统，一般由地面接口箱、钻台显示器、上位机软件组成，其主要功能是把井下脉冲发生器传来的信号从立管压力中解读，计算测量参数，并显示给操作人员，指导定向钻井；二是井下部分，主要由测量控制短节、动力短节和信号传输短节组成，而液压脉冲信号发生器是信号传输短节的核心部分。钻井液脉冲无线随钻测量仪器的信号传输方式是：首先将井下测量的电信号数据转换为机械信号，然后转换为压力脉冲信号，再以钻柱内的钻井液为介质带到地面，最后在地面接收脉冲信号并解码获取随钻参数。随着受控定向斜井、分支井和大位移水平井等钻井技术的迅猛发展，美、俄、法、英的无线随钻测量技术日趋完善，其井内仪器已经系列化并大面积推广使用，如：（1）斯伦贝谢公司用新的SlimPulse回收式MWD系统解决了深水平井作业面临的高温、高压两大难题。在意大利Villafortuua-Trecate油田，用SlimPulseMWD技术钻成了世界上最深的水平采油井。最终井深达6421m，井斜角，创造了在垂深6062m、斜角8590的条件下水平钻进184m的世界纪录。（2）PrecisionDrillingComputalog公司其恶劣环境MWD（HELMWD）系统能在180，172Mpa的井下环境中稳定工作。HEL包括定向探测器、高温方位伽马仪、环境恶劣度测量和井眼/环空压力探测器。HEL系统已在墨西哥和美国进行了广泛的现场试验，在泥浆密度高达1.87g/cm，井下温度超过170的井中成功作业。（3）俄罗斯电磁波式MWD系统1987年研制成功后，曾在西伯利亚几个油田的20口井内502000m深度的井段进行了93个回次的生产试验。与传统测斜仪的比较试验表明，其中75%的回次吻合的很好或较好，表明俄罗斯的该遥测系统已经满足工业要求。1999年11月该系统曾用于“亚马尔地质科技生产公司的No2030井。在井深25032818m的井段，用了两个回次进行造斜，使顶角增至34.5。经过一段稳斜段后，在井深3422m处再次造斜，使顶角达到85.6，终于钻到了设计的层位，并顺利准确地从油层中穿过。结果表明，这种电磁波式系统不仅在钻井过程中，而且在接钻杆停止钻井液循环的情况下，都可保证井眼弯曲参数的正确测量，同时还可记录钻进过程中的岩层电阻率曲线。正是由于在No2030号井中使用了电磁波式系统，才使这口井深3756m，水平偏距950m(其中水平井段450m)的油井在94天的时间内完成了全部钻井、固井和测井工作，并达到了沿含油层钻进的目的。与国外技术相比，我国还处在引进和消化国外无线MWD西安石油大学本科毕业设计（论文）4技术的阶段，但正在加快研究步伐。如中国石油天然气总公司、大港油田、胜利油田和北京海蓝公司等单位和相关研究机构正在进行国产随钻测量仪器的研制工作，以尽快消除MWD技术长期被国外垄断的局面。1.2无线随钻测量系统中信号传输方式的应用与研究现状无线MWD按传输通道分为泥浆脉冲、电磁波和声波三种方式，最新的组合式目前还处在研究阶段。其中泥浆脉冲和电磁波方式已经应用到生产实践中，以泥浆脉冲式使用最为广泛。（1）声波传输系统该系统利用声波传播机理来工作。当钻柱、钻头与井底相互作用时，钻柱中会出现纵向弹性波，能监测的主要参数是岩石破碎工具的回转频率，其中主要是牙轮的振动谐波。由于振动的幅值和频率与牙轮的磨损程度具有相关性，所以可据此来判断工具的状态。当钻进规程保持不变时，信号的幅值变化情况还可以反映岩石的力学性质。由于信号在钻杆柱中传播衰减很快，所以在钻杆柱内每隔400500m要装一个中继站。声学信息通道的缺点是传送的信息量少，类似于噪声的声学信号不可能给出准确的工艺解释，信号随深度衰减很快。（2）电磁波通道系统该系统把一个类似低频天线的电磁波发射器装在井内仪器中，通过远离钻机的电极来接收由井底发至地面的信号。其优点是信息传输速度比水力通道快；对钻井液的质量要求和钻探泵的不均匀性要求更低；对正常钻进没有干扰；与其它方法相比，准备工作简单，起下钻时也能传输井下资料。缺点是信号衰减大，只能传播低频电磁波，易受井场电气设备的干扰和岩石电阻率的影响。由于钻井空间狭小，电磁波发射实际只有垂直天线(沿钻杆的轴向电流)和垂直磁天线(绕钻杆的水平电流环激励沿钻杆方向的磁场)两种激励方式。激励轴向电流最简单而有效的方法就是使特制的钻杆成为用绝缘接头连接的两段结构，由激励器输出的电压通过密封接头馈于两端，形成一种类似双极天线的地下非对称双极激励装置。最合适的井下激