許朝輝,王智明,姜天杰

(中海油田服務股份有限公司,北京101149) *

鉆井液正脈沖器原理研究

許朝輝,王智明,姜天杰

(中海油田服務股份有限公司,北京101149)*

對鉆井液正脈沖的基本原理進行了描述,并推導出了正脈沖幅值的理論計算公式。對國內(nèi)外使用非常廣泛、技術最成熟的鉆井液正脈沖器的原理和工作過程進行了分析。提出了正向設計此類脈沖器的方法和思路。

鉆井液正脈沖器;MWD;LWD

近幾年來,國內(nèi)隨鉆測量(MWD)技術和隨鉆測井(LWD)技術取得了飛速發(fā)展[1-5],中石油、中石化、中海油以及一些民營公司紛紛推出各自的儀器進入現(xiàn)場作業(yè),在這些儀器中,用來進行井下信號傳輸?shù)你@井液正脈沖器以其具有良好的耐沖蝕、信號穩(wěn)定等優(yōu)點被廣泛應用。由于國內(nèi)大部分正脈沖器的基本原理和結構基本相同或者相似,因此對該脈沖器進行原理分析和研究,對于研制、改進、提高其可靠性及性能具有重要的意義。

1 正脈沖產(chǎn)生機理

鉆井液脈沖器的基本原理是將井下需要傳遞的信息經(jīng)過某種特定的編碼方式進行編碼,然后利用脈沖器將這些信號轉化為鉆井液的壓力波動信號傳遞到地面,在地面利用壓力傳感器采集壓力信號,經(jīng)過各種硬件和軟件消除噪聲的影響后,將這些信號解碼還原為數(shù)字信息,從而達到信息傳遞的目的。從功能而言,鉆井液脈沖器是一種將井下信號轉化為鉆井液壓力信號的工具。根據(jù)轉化后的壓力信號形式的不同,通常將其分為正脈沖脈沖器、負脈沖脈沖器和連續(xù)波脈沖器[6-8]。

正脈沖脈沖器主要部件及原理如圖1。用機械控制方式控制蘑菇頭上下移動,由于移動過程中限流環(huán)與蘑菇頭之間間隙的變化,導致入口壓力 p1和出口壓力 p2之間的壓力差△p發(fā)生較大變化,從而產(chǎn)生一個正向增加的壓力波動。這也是正脈沖脈沖器名字的由來。△p可以用流體力學的小孔流動理論求解。

圖1 正脈沖脈沖器原理

根據(jù)流體的能量方程推導出小孔流量與壓力變化之間的關系式,即圓形流道完全形成層流的哈根-泊索葉(Hagen-Poiseuille)流量公式[9]為

根據(jù)圖2,進一步推導可得出錐形孔隙的流量公式為

即

式中,υ為流體動力粘度,Pa·s;d1為蘑菇頭直徑, m;l為間隙長度,m;Q為通過孔隙的流量,m;△r1和△r2分別為入口、出口處錐形孔隙大小,m。

圖2 錐形同軸流道

根據(jù)美國 Halliburton公司的泥漿正脈沖器結構參數(shù)和幾何參數(shù),用式(3)可以求出理論上的壓力脈沖值。該值是選擇合適的限流環(huán)、計算蘑菇頭受力和不同工況下脈沖幅值、設計柱塞泵流量和壓力的理論基礎,也可為解決正脈沖器在使用過程中的一些實際問題提供指導。

2 鉆井液正脈沖器工作原理

鉆井液正脈沖器主要組成部件及工作原理如圖3。在脈沖器外部對應磁軸的部分有一個帶葉片的渦輪,渦輪葉片的進、出口角度不同,所以在鉆井液的沖擊下轉子始終會以一定的轉速轉動。轉子上安裝有永磁體,在轉子的帶動下永磁體與磁軸上的永磁體相互作用,帶動磁軸也以一定的轉速轉動。磁軸上安裝有斜盤,斜盤的轉動與柱塞彈簧的交互作用推動柱塞泵中的柱塞往復運動,使柱塞泵始終向高壓腔內(nèi)泵油。

圖3 鉆井液正脈沖器工作原理

控制閥是一個電磁控制的單向閥,脈沖器的控制電路根據(jù)編碼程序將要發(fā)送的信號轉化為電信號施加到電磁閥上,控制電磁閥的關閉。

在常態(tài)(如圖3)下控制閥不通電,是通過流管連接主閥。主閥是一個壓差式溢流閥,由于泵內(nèi)的高壓,使流體經(jīng)過主閥閥芯上的小孔后流經(jīng)流管到達控制閥,在高壓作用下控制閥處于常開狀態(tài),從而形成一個回路1。在此回路中,由于流體流經(jīng)主閥閥芯中的小孔時會形成一個壓差,壓差隨著流量的增大而增大,當這個壓差增大到一定閾值時,在上下壓差作用下壓縮主閥彈簧,使閥芯下移至圖3位置,主閥旁路打開形成另一個回路2。

當控制電路給控制閥通電(如圖4)時,電磁閥產(chǎn)生磁力吸引壓盤磁鐵,壓盤壓住閥球,控制閥關閉回路1使主閥內(nèi)外壓差消失,在主閥彈簧力的作用下,主閥閥芯上移直至關閉回路2。此時,柱塞泵泵出的流體在高壓腔中的壓力繼續(xù)增大到一定閾值后推動活塞上移,即頂桿頂出蘑菇頭。在活塞殼體上距離活塞初始位置向上一定的距離,即蘑菇頭的行程上有一卸油孔,當活塞上移到這個位置后,流體通過卸油孔流回低壓區(qū)形成回路3。如果電磁閥始終保持供電狀態(tài),蘑菇頭將一直保持在完全伸出位置,如圖5。

圖4 鉆井液正脈沖器控制閥供電狀態(tài)

圖5 鉆井液正脈沖器蘑菇頭完全伸出狀態(tài)

當電磁閥斷電后,控制閥開啟,回路1開通;主閥閥芯下移,回路2開通,高壓腔壓力下降。由于泥漿對蘑菇頭的沖擊力和復位彈簧(Halliburton較高傳輸速度的脈沖器中才有)的共同作用,活塞又迅速回到圖3所示位置,完成脈沖器的整個工作過程。

3 結論

1) 可根據(jù)井下工況,通過所需脈沖壓力信號強度,即蘑菇頭的大小、泥漿密度、流量、蘑菇頭限流環(huán)結構尺寸等計算出泵壓,根據(jù)傳輸信號的速率計算出活塞速度,從而確定泵的流量。

2) 根據(jù)控制信號的大小和系統(tǒng)壓力,可計算控制閥的開啟壓力,設計控制閥的電磁參數(shù)。

3) 通過控制閥的開啟參數(shù)和活塞推力,能夠確定主閥的開啟壓力和主閥旁通口的大小,設計主閥彈簧。

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Study on Work Principle of the Positive Drilling Fluid Pulser

XU Zhao-hui,WANG Zhi-ming,J IAN G Tian-jie
(China Oilf ield Services L imited,Beijing,101149)

The work principle of the positive drilling fluid pulser is introduced.Base on it,a theoretical formula was built to calculate the amplitude of the pressure of the pulser.And then,the principle and working process of the positive drilling fluid pulser was analyzed,which is most mature technology and widely used in home and abroad.The use,maintenance and design of such pulse device forward methods and ideas are proposed.

positive drilling fluid pulser;MWD;LWD

1001-3482(2011)07-0028-03

TE927.3

A

2011-01-12

中海油總公司“SPOTE系統(tǒng)工程化研制”(JSB10YF006)

許朝輝(1976-),男,高級工程師,碩士,從事井下石油工具的研究和設計工作,E-mail:xuzhh@cosl.com.cn。