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一种新型的MWD无线随钻测量系统

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一种 新型 MWD 无线 测量 系统
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· 仪 器 设 备 ·一 种 新 型 的 线 随 钻 测 量 系 统李   军   马   哲   杨 锦 舟   韩 建 来(胜 利 油 田 钻 井 工 艺 研 究 院   山 东 东 营 )摘     要 : 文 章 介 绍 了 一 种 新 型 的 线 随 钻 测 量 系 统 ( 转 阀 定 向 测 量 系 统 )的 结 构 组 成 与 工 作 原 理 ,阐 述 了该 系 统 中 旋 转 阀 脉 冲 发 生 器 的 功 能 特 点 ,分 析 了 该 系 统 在 现 场 应 用 中 出 现 的 问 题 ,提 出 阀 系 结 构 的 技 术 改 进 及 软 件 升 级的 具 体 方 法 ,通 过 现 场 实 践 ,该 系 统 能 够 满 足 应 用 需 求 ,具 有 广 泛 的 应 用 前 景 。关 键 词 : 工 作 原 理 ; 旋 转 阀 脉 冲 发 生 器 ; 控 制 模 块中 图 法 分 类 号 :   文 献 标 识 码 : B     文 章 编 号 : 100429134 (2006) 02200302030   引   言随 着 国 内 钻 井 技 术 的 不 断 发 展 , 随 钻 测 量( — — 仪 器 的 需 求 也不 断 增 加 。 目 前 ,国 内 无 线 随 钻 测 量 仪 器 的 种 类 多 种多 样 ,市 场 竞 争 对 无 线 随 钻 测 量 仪 器 的 要 求 也 越 来 越高 。 我 们 针 对 器 现 场 使 用 中 出 现 的 各 种 问题 ,提 出 了 一 种 新 的 设 计 思 路 ,通 过 引 进 美 国 司 的 旋 转 阀 式 脉 冲 发 生 器 ,与 我 们 自 行 研 制 出 来 的 电子 测 量 短 节 配 套 ,由 锂 电 池 组 供 电 ,组 成 了 一 种 新 型 的 线 随 钻 测 量 系 统 ( 转 阀 定 向 测 量 系 统 ) ,通 过 现 场 应 用 ,取 得 了 一 定 的 应 用 经 验 。 针 对 现 场 出现 的 问 题 ,对 该 系 统 进 行 了 技 术 改 进 ,并 在 现 场 应 用 中取 得 了 较 好 的 效 果 。1   结 构 组 成 及 工 作 原 理新 型 线 随 钻 测 量 系 统 由 井 下 测 量 系 统 和地 面 处 理 系 统 两 部 分 组 成 ,系 统 框 图 如 图 1 所 示 。图 1   系 统 框 图该 系 统 通 过 无 磁 钻 铤 中 井 下 仪 器 测 量 短 节 的 传 感器 感 受 定 向 数 据 ,包 括 井 斜 角 、 方 位 角 、 工 具 面 等 井 下信 息 ,由 测 量 短 节 计 算 储 存 并 传 输 至 转 阀 脉 冲发 生 器 电 路 控 制 模 块 ,这 些 井 下 信 息 转 化 成 泥 浆 脉 冲信 号 ,以 编 码 的 形 式 传 输 到 地 面 接 收 系 统 。 地 面 系 统中 的 压 力 传 感 器 将 泥 浆 脉 冲 信 号 转 换 成 4 20 信 号 ,通 过 电 缆 传 输 到 地 面 接 口 系 统 ,信 号 处 理 电路 接 收 到 此 信 号 后 ,自 动 地 进 行 数 模 转 换 ,降 躁 ,滤 波等 处 理 。 然 后 ,将 信 号 传 输 给 图 形 记 录 仪 ,可 以 图 形 方式 记 录 下 来 ;同 时 ,将 信 号 传 输 给 上 位 机 译 码 系 统 ,译码 系 统 根 据 译 码 规 则 将 信 号 转 换 成 井 斜 、 方 位 、 工 具 面等 数 据 ,并 在 上 位 机 及 钻 台 司 钻 阅 读 器 上 显 示 出 来 ,给定 向 井 工 程 师 提 供 实 时 可 靠 的 井 下 情 况 。1. 1   井 下 测 量 系 统井 下 测 量 系 统 由 旋 转 阀 脉 冲 发 生 器 、 供 电 系 统 、 电子 测 量 短 节 三 部 分 组 成 。(1)旋 转 阀 脉 冲 发 生 器 [1 ]旋 转 阀 脉 冲 发 生 器 是 目 前 钻 井 行 业 中 唯 一 的 一 种电 子 式 脉 冲 发 生 器 ,通 过 电 子 软 件 控 制 ,具 有 多 种 输 出方 式 ,其 工 作 原 理 为 :阀 系 中 的 转 子 在 受 控 驱 动 下 产 生与 定 子 的 相 对 运 动 ,实 现 对 通 道 内 流 体 的 阻 流 作 用 而产 生 正 压 力 脉 冲 。该 脉 冲 发 生 器 组 成 框 图 如 图 2 所 示 。图 2   旋 转 阀 脉 冲 发 生 器 系 统 组 成 框 图该 脉 冲 发 生 器 采 用 自 适 应 反 馈 控 制 系 统 ,当 外 界原 因 使 被 控 量 偏 离 期 望 值 而 出 现 偏 差 时 ,会 产 生 一 个第 一 作 者 简 介 : 李   军 ,男 ,1968 生 ,工 程 师 ,1996 年 毕 业 于 石 油 大 学 计 算 机 应 用 技 术 专 业 ,现 在 胜 利 油 田 钻 井 工 艺 研 究 院 自 动 化 所 工 作 ,主 要 从 事 钻 测 量 仪 器 的 研 究 开 发 和 现 场 应 用 工 作 。 邮 编 :257017·03·                  石   油   仪   器                       2006 年 04 月  相 应 的 控 制 作 用 去 减 小 或 消 除 这 个 偏 差 ,使 被 控 量 与期 望 值 趋 于 一 致 [2 ] 。 即 旋 转 阀 脉 冲 发 生 器 电 子 控 制 模块 在 控 制 电 机 驱 动 转 子 转 动 的 同 时 ,通 过 电 机 内 霍 尔电 子 传 感 器 监 测 转 子 的 转 动 位 置 ,如 果 未 达 到 所 期 望的 位 置 ,即 反 馈 到 控 制 电 路 ,继 续 驱 动 转 子 转 动 ,达 到预 想 状 态 。阀 系 是 由 转 子 和 定 子 组 成 ,定 子 相 对 固 定 ,转 子 有四 个 叶 轮 ,定 子 中 有 四 个 泥 浆 流 通 孔 道 ,转 子 的 四 个 叶轮 与 定 子 的 四 个 泥 浆 流 通 孔 道 对 齐 时 为 关 闭 状 态 ,对泥 浆 有 阻 碍 作 用 ,通 道 完 全 释 放 为 打 开 状 态 。 当 井 下电 子 测 量 短 节 测 量 井 下 数 据 后 ,传 送 到 旋 转 阀 脉 冲 器电 子 控 制 部 分 ,控 制 直 流 马 达 驱 动 转 子 转 动 到 关 闭 位置 ,保 持 一 定 时 间 后 ,又 转 回 到 初 始 位 置 ;转 子 与 定 子的 相 对 运 动 阻 碍 泥 浆 在 钻 铤 内 的 流 动 ,从 而 产 生 正 脉冲 泥 浆 压 力 脉 冲 信 号 。 阀 系 定 子 转 子 产 生 正 压 力 脉 冲示 意 如 图 3 所 示 。图 3   阀 系 定 子 转 子 产 生 正 压 力 脉 冲 示 意 图转 子 处 于 关 闭 与 打 开 不 同 位 置 时 ,对 管 柱 内 流 体产 生 限 流 作 用 的 压 力 值 之 差 为 脉 冲 器 产 生 的 压 力 波 幅值 (即 信 号 强 度 ) 。 由 于 阀 系 的 特 殊 结 构 ,小 球 堵 漏 剂不 影 响 仪 器 的 正 常 工 作 。脉 冲 驱 动 模 块 包 括 直 流 伺 服 电 机 、 变 速 箱 、 连 轴 器等 机 械 部 件 完 成 机 械 传 动 功 能 。 其 特 点 是 采 用 磁 耦 合连 轴 器 进 行 传 矩 传 动 ,通 过 软 件 可 以 设 置 或 改 变 电 机的 驱 动 电 流 来 实 现 高 排 量 下 的 扭 矩 控 制 。电 子 控 制 模 块 采 用 智 能 自 学 习 控 制 方 法 ,具 有 脉冲 调 整 智 能 解 卡 功 能 ,即 由 控 制 模 块 连 续 监 视 脉 冲 器转 子 的 开 、 闭 状 态 位 置 以 保 证 脉 冲 器 在 每 个 脉 冲 驱 动信 号 作 用 下 产 生 一 个 完 整 脉 冲 (转 子 实 现 一 次 关 闭 打开 ) ,当 转 子 遇 阻 卡 住 的 情 况 下 ,能 够 恢 复 到 全 开 全 关的 位 置 ;在 脉 冲 器 不 产 生 脉 冲 的 闲 置 状 态 下 ,监 视 转 子位 置 的 功 能 ,已 经 发 现 在 某 些 流 量 条 件 下 ,脉 冲 器 本 身产 生 的 压 差 会 引 起 转 子 关 闭 的 趋 势 ,控 制 软 件 监 视 转子 的 位 置 ,保 证 在 不 发 脉 冲 期 间 ,调 整 转 子 向 打 开 方 向漂 移 ,使 其 处 于 全 开 状 态 ;此 外 ,还 具 有 工 作 参 数 存 储功 能 (包 括 最 大 温 度 、 脉 冲 数 、 电 池 电 压 ,脉 冲 器 的 开 关次 数 等 ) 。流 量 开 关 是 一 种 电 子 开 关 (压 电 传 感 器 ) ,利 用 一种 专 利 算 法 ,通 过 监 视 泥 浆 泵 产 生 的 压 力 波 动 来 检 测流 量 ,它 是 通 过 变 化 的 压 力 驱 动 (在 静 压 下 不 响 应 ) ,当流 体 压 力 大 于 1 ,频 率 为 1 10 流 量 频率 重 复 25 s 后 压 力 开 关 闭 合 ,激 励 力 持 续 25 s 后 流 量开 关 闭 合 ,激 励 力 停 止 10 s 后 流 量 开 关 断 开 ,可 以 通过 软 件 设 置 激 励 力 的 门 槛 与 频 率 范 围 以 适 应 不 同 的 工作 要 求 ,流 量 开 关 的 门 槛 及 频 率 设 置 参 考 曲 线 如 图 4所 示 。图 4   流 量 开 关 压 力 门 槛 及 频 率 设 置软 件 设 置 参 数 3、 4、 5、 6 分 别 对 应 0. 5、 1、 1. 5、 2 是 流 量 开 关 打 开 门 槛 压 力 值 及 关 闭 门 槛 压 力 值的 范 围 ,如 果 压 力 开 关 模 块 在 低 频 下 不 关 闭 ,可 以 增 加流 量 开 关 关 闭 门 槛 压 力 值 。(2)供 电 系 统电 池 总 成 内 含 高 容 量 的 锂 电 池 ,它 为 整 个 井 下 仪器 总 成 提 供 电 源 。 单 D 电 池 可 连 续 工 作 100 h (工 具面 方 式 ) ;双 D 电 池 可 连 续 工 作 150h 以 上 (工 具 面 方式 ) 。(3)电 子 测 量 短 节电 子 测 量 总 成 由 传 感 器 短 节 和 电 路 测 量 短 节 组成 ,传 感 器 短 节 内 装 有 具 有 工 业 标 准 的 三 轴 磁 力 计 和加 速 度 计 ,用 来 测 量 地 球 的 重 力 场 和 磁 场 的 三 轴 矢 量 ,然 后 送 到 电 路 测 量 短 节 计 算 出 该 点 的 井 斜 角 ( 0~180° ) 、 方 位 角 (0~ 360° )和 工 具 面 角 (井 斜 3° ,显 示 重 力 工 具 面 角~ 180° L 或 ~ 180° R) 、 磁 场 强 度 、 井 底 的 温度 。 计 算 机 进 行 编 码 后 送 到 旋 转 阀 脉 冲 发 生 器 的 控 制电 路 驱 动 转 子 转 动 ,产 生 正 泥 浆 压 力 脉 冲 传 输 到 地 面检 测 系 统 。 同 时 在 地 面 通 过 按 设 定 的 时 序 开 停 泥 浆泵 ,操 作 人 员 可 获 得 全 测 量 和 开 、 关 工 具 面 等 。泥 浆 脉 冲 信 号 传 输 为 正 脉 冲 传 输 方 式 [3 ] ,将 测 量数 据 通 过 泥 浆 传 输 至 地 面 。1. 2   地 面 处 理 系 统该 系 统 由 立 管 压 力 传 感 器 、 信 号 传 输 电 缆 、 地 面 接口 箱 、 司 钻 阅 读 器 、 计 算 机 、 上 位 机 软 件 组 成 。 其 功 能·13·  2006 年   第 20 卷   第 2 期             李   军 等 :一 种 新 型 的 线 随 钻 测 量 系 统是 把 由 井 下 脉 冲 发 生 器 传 上 来 的 信 号 (约 0. 1 立 管 压 力 (20 中 解 读 出 来 ,并 完 成 处 理和 实 时 显 示 。2   使 用 中 出 现 的 问 题 及 分 析2. 1   在 井 下 工 作 过 程 中 出 现 憋 泵 现 象 ,脉 冲 发 生 器 转子 及 定 子 冲 蚀 严 重经 过 分 析 认 为 :该 现 象 与 转 子 的 自 由 运 转 状 态 有关 ,由 于 波 努 力 的 存 在 ,转 子 不 能 正 常 全 开 全 闭 ,转 子受 控 关 闭 后 没 有 回 到 初 始 位 置 ,造 成 轻 微 的 憋 泵 现 象 ;转 子 不 能 正 常 全 开 全 闭 ,造 成 转 定 子 处 泥 浆 流 道 面 积变 小 ,泥 浆 流 速 升 高 ,造 成 冲 蚀 。2. 2   脉 冲 发 生 器 能 耗 过 高在 高 10 平 1 井 、 辛 53 斜 6 井 上 使 用 该 系 统 时 发现 :在 供 电 电 池 仍 有 余 量 的 情 况 下 ,实 际 使 用 时 电 池 能量 却 已 耗 完 ,经 过 分 析 认 为 :在 正 常 钻 进 过 程 中 ,钻 柱内 高 压 泥 浆 作 用 在 转 子 上 表 面 ,产 生 侧 向 波 努 力 ,阻 止转 子 进 行 正 常 的 开 关 动 作 ,使 得 需 要 消 耗 更 多 的 电 池能 量 去 驱 动 转 子 的 开 关 ,即 控 制 电 路 不 断 试 图 打 开 关闭 转 子 状 态 ,能 耗 过 大 造 成 电 池 能 量 耗 完 。3   技 术 改 进3. 1   阀 系 结 构 改 进阀 系 结 构 的 改 进 有 以 下 几 方 面 :脉 冲 发 生 器 的 定子 、 转 子 倒 置 设 计 ,降 低 了 转 子 克 服 泥 浆 流 量 转 动 的 驱动 扭 矩 ;改 变 转 子 结 构 以 达 到 减 少 液 体 阻 力 的 作 用 ;脉冲 驱 动 模 块 中 的 驱 动 轴 直 径 改 细 ,以 减 小 加 在 轴 上 的应 力 ,提 高 驱 动 能 力 的 目 的 ;电 子 控 制 电 路 增 加 数 字 滤波 功 能 ,达 到 消 除 噪 声 的 目 的 。 改 进 后 定 子 转 子 结 构示 意 如 图 5 所 示 。图 5   改 进 后 定 子 转 子 示 意 图3. 2   软 件 升 级新 改 进 的 控 制 软 件 版 本 具 有 调 整 暂 停 功 能 以 保 护电 池 及 伺 服 电 机 ,即 在 脉 冲 器 转 子 卡 死 时 ,调 整 三 次 ,使 其 打 开 ,若 不 成 功 ,则 终 止 调 整 让 其 在 原 位 置 等 待 下一 个 脉 冲 。4   应 用 实 例4. 1   大 65 - 斜 75 井该 井 是 一 口 常 规 定 向 井 ,设 计 使 用 行 随钻 测 量 定 向 作 业 。 钻 至 1 989 m 时 ,出 现 漏 失 ,工 程 需要 加 堵 漏 剂 ,在 漏 失 堵 漏 情 况 下 ,仪 器 正 常 工 作 至 完 钻井 深 2 230 m ;仪 器 在 井 底 总 循 环 时 间 :80 h ,脉 冲 数 :10 376 个 。 本 井 转 阀 脉 冲 器 无 线 测 量 系 统 使用 情 况 正 常 ,没 有 任 何 故 障 现 象 ,起 钻 检 查 阀 系 本 体 无冲 刷 。4. 2   草 4 — 7 — 斜 315 井该 井 设 计 造 斜 点 :400 m ,最 大 井 斜 :34. 3° ,井 底闭 合 方 位 :118. 8° ,井 底 闭 合 距 :369. 79 m ,本 井 表 层 套管 下 到 200 m ,二 开 井 眼 尺 寸 :9 &3 1 25. 4 。 转 阀 无 线 测 量 系 统 在 该 井 共 下 井 两 次 ,全 为 工程 需 要 ,服 务 时 间 共 计 62 h ,脉 冲 数 :11 725 ,定 向 施 工顺 利 ,起 钻 检 查 阀 系 本 体 无 冲 刷 现 象 。5   结 束 语1)经 技 术 改 进 后 ,同 一 套 测 量 系 统 累 计 井 下 工 作200 h ,共 发 9 万 个 脉 冲 ,井 下 工 作 正 常 ,起 钻 检 查 无 冲蚀 现 象 ,满 足 了 无 线 随 钻 测 量 系 统 现 场 技 术 要 求 。2)该 脉 冲 器 阀 系 结 构 特 性 ,适 应 范 围 较 宽 ,使 堵 漏剂 不 影 响 仪 器 的 正 常 工 作 ,而 其 它 结 构 的 脉 冲 发 生 器对 堵 漏 剂 有 严 格 的 限 制 。3)现 场 应 用 中 发 现 , 冲 发 生 器 依 然 存 在 电池 能 耗 高 的 问 题 ,因 此 ,建 议 该 系 统 由 泥 浆 发 电 机 供电 ,可 解 决 能 耗 高 的 问 题 。总 之 , 冲 发 生 器 无 线 随 钻 测 量 系 统 在 经 过技 术 改 进 以 后 ,在 定 向 井 、 水 平 井 的 应 用 中 发 挥 了 一 定的 作 用 ,尤 其 是 该 系 统 与 螺 杆 钻 具 结 合 使 用 ,采 用 复 合钻 进 和 滑 动 钻 进 相 结 合 的 方 式 ,进 行 导 向 钻 井 技 术 ,大大 提 高 了 钻 井 时 效 。 该 系 统 不 仅 能 够 满 足 现 场 应 用 需求 ,而 且 在 钻 井 行 业 也 有 广 泛 的 应 用 前 景 。参 考 文 献[1 ]   2004 (资 料 )[2 ]   胡 寿 松 . 自 动 控 制 原 理 [M ]. 北 京 :国 防 工 业 出 版 社 ,1994[3 ]   [英 ]T. A. 英 格 里 斯 , 苏 义 脑 译 . 定 向 钻 井 [M ]. 北 京 :石 油 工 业 出 版 社 , 1995(收 稿 日 期 :2005 - 11 - 08   编 辑 : 梁 保 江 )·23·                  石   油   仪   器                       2006 年 04 月  so S - Ⅲ in is in in in A ne w of 2006 ,20( 2) :16~ 17 ,20A of of is in in of in of to of be to of of of is of is of an se 2006 ,20( 2) :18~ 20 as as On of of is by I of at of on 2006 ,20( 2) :21~ 23of of of in of 2006 ,20( 2) :24~ 25of of 2006 ,20( 2) :26~ 29as of to in of IR in to A ne w 2006 ,20( 2) :30~ 32A i . e. WD is is to in ·                                                 2006of WD WD a of 2006 ,20( 2) :33~ 34 to to of of to go 3700 08 UL 2006 ,20( 2) :35~ 37408UL is a to in un u on of 2006 ,20( 2) :38~ 40on of of of on is of be to of of to 2006 ,20( 2) :41~ 43In to or is by is In model
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