连续波钻井液脉冲发生器结构设计探讨

1、#技术讨论 !连续波钻井液脉冲发生器结构设计探讨3王智明1, 2 菅志军 2 李相方 3 贺麦红 2 许朝辉2(11吉林大学机械学院 21中海油田服务股份有限公司技术中心 31中国石油大学 北京 摘要 石油钻井过程中随钻测量的参数越来越多 , 为把这些参数快速有效地传至地面 , 研制一套高速率钻井液脉冲遥传系统势在必行 。 解释了钻井液脉冲发生器连续波发生机理 , 介绍了连 续波钻井液脉冲发生器及发电机短节的基本组成 、设计方案 、基本结构 、工作原理以及信号的编 码与解码方式等 。 对研制连续波钻井液脉冲发生器具有一定的指导作用 。 关键词 随钻测井工具 连续波钻井液脉冲发生器 编码与解码

2、结构设计引 言钻井液脉冲发生器是 L WD 、 MWD (量 、 测井技术 , 率一般为 0153。 近年来国内已 经成功研制了钻井液正脉冲发生器 , 考虑到随钻测 井包括定向参数 (方位 、倾角 、工具面角 、伽 马 、 电阻率 、 中子密度 、中子孔隙度等多个参数 , 而且资料显示 , 国外已经研制出了随钻声波测井 、 随钻地震测井 、 随钻核磁共振测井及随钻地层测试等井下仪器 2, 随钻测量的参数越来越多 , 显然 正脉冲发生器的传输速率已难以满足要求 。 由于井 下信息量越来越大 , 对传输速率的要求也越来越 高 , 为把井下数据快速有效地传输到地面 , 满足生 产作业对多个参数实时获

3、取的要求 , 研制高速率的 钻井液脉冲井下信息遥传系统势在必行 。 连续波钻 井液脉冲发生器比正脉冲发生器传输速率高得多 , 可以达到 612b /s, 是一项较有前途的技术 。笔 者将对脉冲发生器的原理及结构进行介绍 , 对连续 波钻井液脉冲发生器的研制具有一定的指导作用 。脉冲发生机理连续波钻井液脉冲发生器汽笛部分由定子和转子组成 , 转子上部安装与转子叶片数量相等的定子 , 如图 1码 , , 使钻柱内钻 , 形成连续正弦压力波 , 由井下 传感器的测量数据经编码后 , 通过调制系统加载信 号 , 在地面检测压力波形的变化 , 经过译码 , 计算得到测量数据 , 通过终端显示 3。连续波

4、脉冲技 术的优点是数据传输速度快 ; 缺点是信号相对较 弱 , 受噪声干扰影响相对较大 , 对信号处理系统要 求较高4 。图 1 连续波脉冲发生器机理脉冲发生器结构及工作原理11连续波钻井液脉冲发生器技术指标参考国外连续波钻井液脉冲发生器的技术现 状 , 确定了连续波钻井液脉冲发生器的技术指标 。其主要技术指标如下 :耐压 130MPa, 温度 150 , 信号传输井深 04000m , 数据传输速率 6b /s, 排量 1955L /s, 试验井试验工作时间65 石 油 机 械CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY2007年 第 35卷 第 12期3基金项目 :中海油

5、田服务股份有限公司项目 “ 高速率泥浆脉冲遥传系统研究 ” (YFJ0504 。 150h; 脉冲发生器钻铤外径 175mm , 钻铤内径 130mm , 脉冲发生器保护筒外径 96mm , 扶正器外径 130mm 。21连续波钻井液脉冲发生器结构及工作原理 钻井液脉冲发生器主要由发电机 、 压力补偿机 构 、 电子模块 、 直流电动机及控制编码系统 、 齿轮 减速机构 、 钻井液汽笛转子和定子等组件组成 。 井下探管编码后的测量数据通过调制系统加载 到电动机 ; 转子在电动机驱动作用下旋转 ; 转子的 上部安装与转子相等叶片数量的定子 ; 转子与定子 相对位置的变化产生连续的正弦压力波 ;

6、设置在地 面的压力传感器检测钻井液压力波形的变化 , 并通 过译码得到井下数据 。发电机短节如图 2所示 , 由钻柱来的高速钻井 液流经导轮组件叶轮调整流动方向 , 使得钻井液对 涡轮有良好的驱动效果 , 涡轮在钻井液的驱动下产 生高速旋转运动 , 带动涡轮轴经变速箱增速后 , 带 动发电机转子旋转 。 在发电机旋转轴外部安装发电 机线圈绕组 , 线圈切割磁力线而产生交流电 。图 2 涡轮发电机短节导轮与转子结构示意图1 钻铤 ; 2 涡轮隔套 ; 3 密封圈 ; 4 导轮组件 ; 5 螺钉 ; 6 锁紧螺母 ; 7 涡轮轴 ; 8 涡轮 钻井液汽笛短节如图 3所示 。 直流电动机转子 轴经减

7、速器减速后驱动钻井液汽笛的转子做给定频 率的旋转运动 。 由于汽笛转子相对于汽笛定子做周 期性的旋转运动 , 而转子和定子设计有相同尺寸的 叶片 , 转子和定子的不同位置的重叠和开启在钻井 液中形成周期性的正弦波压力脉冲信号 。图 3 钻井液汽笛短节1 密封压盖 ; 2 上接筒 ; 3 导流套 ; 4 钻铤 ; 5 定子 ; 6 定子压盖 ; 7 定子轴 ; 8 转子 电子模块短节用来支撑容纳电子模块 , 把交流电经电源模块的整流及电源管理形成稳定电流输出 , 供脉冲发生器驱动电动机和井下其它电子器件使用 。 其中 145235V 的直流电驱动脉冲发生器 直流电动机工作 , 用以带动转子转动

8、。为了平衡钻井液的压力 , 每个短节都配以压力 补偿器 。 为了使发电机达到额定功率 , 需要增速机 构 , 同时为了使汽笛转子的速度达到要求 , 需要减 速机构来降低电动机输出的速度 。在设计过程中 , 要考虑材料的耐腐蚀 、 井下钻 井液冲刷对零件的影响和无磁材料的使用等 。信号编码与解码技术控制系统通过电动机控制转子的转动 , 控制方 式可以选择频移键控或者相移键控 , 实现数据编码 的加载 , 从而实现井下数据的实时上传 。 编码技术 及解码技术是高速率钻井液脉冲遥传系统的另一个 关键内容 , 编码技术包括相移键控 (BPSK 编码 、 频移键控 (AM 3种方 式 5。 图 4 信号

9、比较1 参考信号 ; 2 相移键控信号 ; 3 频移键控信号 ; 4 脉冲调幅信号 11相移键控基本原理正弦波在一定期间内相位移变化 180°, 表现在动作控制上是控制转子的转速变慢后又回到正常 的载波转速 , 这一过程用 1表示 ; 期间之间没有相 位移的变化 , 用 0表示 。以 24Hz 载波频率为例 , 要传输速率为 6b /s 。 假设转子 4个叶片 , 转子每转 1周产生 4个周期的 正弦波 。 则 1bit 所需时间为 01167s 。21频移键控基本原理特定时间内 1个频率的出现或缺失表示 1个符 号 ; 每个符号代表 3个字节 (3bits , 如 f 1=000;

10、f 2=001; f 3=010; f 4=011; f 5=100; f 6=101; f 775 2007年 第 35卷 第 12期 王智明等 :连续波钻井液脉冲发生器结构设计探讨=110; f 8=111; 需要 8个不同的频率 。脉冲调幅这里不作介绍 。解码技术主要包括信号增强和接收技术 , 滤波 方法 , 算法的选择 , 软件编写等内容 。流场仿真与数值模拟技术的应用连续波钻井液脉冲发生器设计过程中 , 要着重 考虑以下关键技术 :脉冲发生器定 、 转子材料 、 初 始结构设计 、远程磁力定位器的设计 6; 流体参 数 、 结构参数与脉冲信号物理性质的关系 ; 结合脉 冲信号编码方式

11、确定电动机控制方式 ; 旋转机械的 流动特性仿真及定转子结构优化设计等 。转子和定子长时间在井下工作 , 由于钻井液中 的固相颗粒或杂质的影响 , 有时会发生卡阻现象 。 为了降低转子与定子发生卡阻的几率 , 在减速箱与 转子间用远程磁力定位器进行控制 。此外 , 需利用 CF D 工程软件 , 对脉冲发生器 转子和定子进行流场分析 , 需要利用滑动网格理论 进行分析 ; 同时对汽笛转子 、片形状进行优化设计 , ,发电机的发电量,素加以分析 :信号传播衰减的因素有钻井液的塑性 粘度 、 井深 、 钻杆的内径 、 钻井液的密度 、 钻井泵 的压力 、 传输频率等 ; 破坏传播信号的因素有钻杆

12、的振动 、 钻井液的条件 、 回声及反射等 ; 噪声的来 源电干扰 、 钻井泵噪声 、 钻井液马达的噪声 、 钻头 的噪声 、 回声及反射等 。综合考虑上面各种因素建立信号传播的数学模 型 , 利用数值仿真技术对数学模型进行仿真研究 , 样机试制成功后 , 进行井下试验 , 比较井下试验数 据 , 验证数学模型的正确性 , 进而改进连续波钻井 液脉冲发生器的结构 。结 束 语预计 2010年世界钻井数量将增加到 75000口 , 随钻测井市场容量价值为 23亿美元左右 , 连 续波钻井液脉冲发生器的研制是市场战略的需要 。 斯伦贝谢 (Schlumberger 、贝克休斯 (Baker Hug

13、hes 和哈里伯顿 (Halliburt on 占有 81%的国 际测井市场 7。连续波钻井液脉冲发生器传输速 率较高 , 仅有斯伦贝谢拥有该项技术比较成熟的仪 器 , 但只提供服务 , 不出售产品 。 国内对于连续波 钻井液脉冲发生器的研究对打破国外公司的技术垄 断具有重要意义 。MWD 和 LWD (随钻测量和测井技术 是完成 大角度及水平井钻井 , 实时井场数据采集 、 解释和 现场决策以及指导完成地质导向钻井的关键技术 , 它综合了录测井 、钻井 、油藏描述等多种学科技 术 , 可简化钻井作业程序 , 节约成本 , 提高钻井精 度 , 调整钻井设计和提高采收率 8。目前国内 MWD 和

14、 L WD 作业量很大 , 已经购 置的设备不能满足作业需求 。 考虑到国内各公司开 拓海外市场的战略 , 研制自主品牌的 L WD 、 MWD 是一项十分迫切的任务 。 连续波钻井液脉冲发生器 受到钻井液的冲蚀及有较多的运动件 , 是 L WD 、 MWD 系统中大量的配件 , 且结构形式和系统参数 直接影响到传输信号的品质 , 在系统中具有重要地 位 , 国内应加大研发力量 。参 考 文 献1 M , 1Current State of the l orati on and Devel op 2 14071, 1986 张辛耘 , 王敬农 , 郭彦军 1随钻测井技术进展和发展趋 势 1测井

15、技术 , 2006, 30(1 :10153 Hutin R, Tennent R W , Kashikar S V 1Ne w Mud Pulse Te 2 lemetry Techniques for Deepwater App licati ons and I m p r oved Real -Ti m e Data Capabilities 1SPE /I A DC 67762, 2001 4 苏义脑 , 窦修荣 1随钻测量 、 随钻测井与录井工具 1石 油钻采工艺 , 2005, 27(1 :74785 Monr oe S P, App lying D igital Data -En

16、coding Techniques t o Mud Pulse Tele metry 1SPE 20326, 19906 United States Patent 1Logging while drilling t ools utilizing magnetic postiti oner assisted phase shifts 15, 237, 5401August 17, 19937 杨 虹 1国际测井市场环境浅析 1测井技术 , 2004, 28 (3 :1871908 丁永浩 , 李舟波 , 马宏宇 1随钻测井技术的发展 1世界 地质 , 2004, 23(3 :270274第一作者

17、简介 :王智明 , 副教授 , 生于 1969年 , 2005年毕业于吉林大学地质工程专业 , 获工学博士学位 , 现为 中海石油研究中心博士后 , 主要从事机械设计及理论 、随 钻测井研究工作 。地址 :(101149 北京市 232信箱 。电 话 :(010 84522288转 6205。收稿日期 :2007-06-19 (本文编辑 南丽华 85 石 油 机 械 2007年 第 35卷 第 12期sealing functions after being calibrated . It is unnecessary t o calibrate the angle difference va

18、lue when inputting the drill 2 ing data . The one -ti me directi onal success rate is 100% and the difficulty of drilling operati on is decreased greatly when the ne w nipp le is used .Key words:sidetrack well, directi onal well, horizon 2 tal well, track directi onal drilling, landing ni pp le with

19、out angle differenceZhang Shengquan (Lanzhou U niversity of Technology, Lanzhou , W ang N ing . Failure analysis and i m p rovement scheme of the sand pump i m peller of fracturing blender truck . CP M , 2007, 35(12 :5153I n order to i m p rove the life of i mpeller and the effi 2 ciency of sand pum

20、p, the metallography structure and chem ical composition of the failure i mpeller are analyzed and the hardness measurement for different l ocation is car 2 ried out . The results show that the i mpeller material is me 2 dium manganese ductile cast ir on . And the failure analysis indicates that the

21、 surface wears of the i m peller are er osion wear and cavitation wear with the erosi on wear dom inant . Besides the breakage caused by wear, the self drawback re 2 duces the anti -peeling ability of the i mpeller . The high chrom ium cast ir on is chosen as the i mpellerly . In order to i mp r ove

22、base hardness, t be less than 100on ti me is 15 20h under the of 950980 , and it is cooled in the air after being taken out of the furnace . The temper technology of 450500 is used for eli m inating residual austenite and stress . The inlay casting technique is selected, thus the working life is inc

23、reased fr om half a year to one year .Key words:fracturing blender truck, sand pu mp, i m 2 peller, erosion wear, medium manganese ductile cast ir on, high chro m ium cat ir on, inlay casting techniqueZheng Y ongsheng (Gudao O il Production Plant, Sheng 2 li O ilfield Co m pany, Dongying City, Shand

24、ong Province , Han Xueliang, Shi B in, et al . Technical i mp r ovement of tubing p ressure tester . CP M , 2007, 35(12 :5455 For solving the p roblem s existing in the ordinary tub 2 ing p ressure tester, the partial structure of the tester is i m 2 p roved . The water injecti on and gas discharge

25、device is added, the flexible p ressure testing sub is used and the high and low p ressure water conversion valve body is i m 2 p roved . Through these measures, the p roblem s of tubing thread damage, fast p ressure testing sub consump tion, poor sealing during the p ressure test, low operating eff

26、i 2 ciency and bad safety have been solved . The field app lica 2 tion shows that the p ressure testing efficiencies of the i m 2 p roved p ressure testers with O. D. of 73mm, 89mm and 114mm are increased by 22%, 25%and 53%respec 2tively and the working life of the sub al most doubles with significa

27、nt econom ic benefit . Further more, the air inside the tubing body is vented out during the p ressure test, thus i mp roving the device safety and obtaining good social benefit .Key words:tubing p ressure tester, p ressure testing sub, gas discharge device, hard sealing, conversi on valve body, tec

28、hnical i mp r ovementW ang Zhi m ing (School of M achinery, J ilin U niversity, Changchun , J ian Zhijun, L i Xiangfang, et al . D iscussi on of structure design of continuous wave drilling fluid pulse generat or . CP M , 2007, 35(12 :5658The para meters of logging -while -drilling beco me more and

29、more during the drilling operati on . It is necessary to devel op a high s peed drilling fluid pulse re mote trans mit 2 ting syste m for trans mitting the para meters to surface quick 2 ly . The paper ex p lains the continuous wave generation mechanis m of drilling fluid pulse generator, and p rese

30、nts the basic co mbinati on, design sche me, basic structure, working p rincip le and signal encoding and methods of the or guidance to de 2 wave generator .-drilling tool, continuous pulse generator, encoding and deco 2 ding, structural designXian N ing (Corrosion and Prevention Research D ivi 2 si

31、on, N orthw estern Polytechnical U niversity, X i an , L iu Daoxin, Bai Zhenquan, et al . D iscussion of the validity of evaluating the SCC behavi or of p ipeline steels by bend loading . CP M , 2007, 35(12 :5962The tensile stress characters distributing in the differ 2 ent s peci men surfaces l oaded by three -point and four -point bend loading are analyzed by means of ANSYS s oft 2 ware