李云浩（中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南 鄭州 450000）

抗高溫渦輪自發(fā)電HT-650型MWD儀器的應(yīng)用與分析

李云浩（中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南 鄭州 450000）

文章介紹了抗高溫渦輪自發(fā)電HT-650型MWD儀器的工作原理，重點(diǎn)闡述了其自發(fā)電、抗高溫特性及柱塞式脈沖的特點(diǎn)，簡(jiǎn)述了該儀器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，分析了施工中的影響因素，提出了完善方向?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)一步驗(yàn)證了其優(yōu)越性，取得了良好的使用效果。

HT-650型；渦輪發(fā)電；磁耦合器；脈沖器；應(yīng)用分析

近年來(lái)，石油勘探開(kāi)發(fā)難度逐漸增大，隨著井深增加，井下溫度不斷增高。以鋰電池作為電源的測(cè)量?jī)x器，在高溫環(huán)境中，測(cè)量精度和穩(wěn)定性下降，已無(wú)法滿足市場(chǎng)需求。因此，我公司引進(jìn)了耐高溫、自發(fā)電HT-650型MWD測(cè)量?jī)x，不僅拓展了儀器的應(yīng)用范圍，還降低了維護(hù)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 儀器工作原理

HT-650型無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x能提供井斜、方位、GT、BT、DIP、GM及溫度等數(shù)據(jù)。渦輪發(fā)電機(jī)，依靠鉆井液沖擊驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電流提供動(dòng)力。探管測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)壓力脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。地面設(shè)備連續(xù)地檢測(cè)立壓變化，并通過(guò)譯碼轉(zhuǎn)換成測(cè)量數(shù)據(jù)。

2 渦輪發(fā)電機(jī)

渦輪發(fā)電機(jī)在鉆井液沖擊下，通過(guò)磁耦合、切割磁感線等作用，實(shí)現(xiàn)了流體動(dòng)能—機(jī)械能—電能的轉(zhuǎn)化，為測(cè)量?jī)x器提供電力。

2.1 渦輪發(fā)電機(jī)井下結(jié)構(gòu)

HT-650型MWD儀器渦輪發(fā)電機(jī)井下結(jié)構(gòu)：導(dǎo)輪（固定不動(dòng)，葉片有傾角）、渦輪（內(nèi)壁嵌有永磁鐵，葉片傾角與導(dǎo)輪相反）、正流器等外圍件，組裝于脈沖本體上，發(fā)電機(jī)定子繞組和轉(zhuǎn)子永磁鐵則在脈沖本體內(nèi)部。井下結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖2-1 HT-650型MWD渦輪發(fā)電機(jī)井下結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 渦輪發(fā)電機(jī)工作原理

鉆井液從圖2-1左側(cè)向右流過(guò)，首先通過(guò)導(dǎo)輪改變液體流向，以最佳角度沖擊渦輪旋轉(zhuǎn)，然后利用渦輪上的永磁鐵與主動(dòng)軸上的永磁鐵之間的磁力耦合，帶動(dòng)主動(dòng)軸及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)定子繞組切割磁感線作用產(chǎn)生電流。

2.3 優(yōu)勢(shì)

（1）渦輪發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，不存在電池爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，減少了污染環(huán)境，避免了因電量不足起下鉆。

（2）磁力耦合器實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力的非接觸傳遞，延長(zhǎng)了電機(jī)系統(tǒng)的壽命。

（3）外圍件采用耐高溫抗磨材料，具有較好的抗高溫特性。

（4）能夠承受井下的高頻震動(dòng)和沖擊，具有良好的安全性和穩(wěn)定性。

3 創(chuàng)新型脈沖

HT-650型MWD儀器脈沖發(fā)生器，通過(guò)電磁閥的開(kāi)閉，控制提升軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而改變蘑菇頭和限流環(huán)之間截面積，產(chǎn)生正脈沖信號(hào)。

3.1 脈沖發(fā)生器工作原理

圖3-1 脈沖發(fā)生器各動(dòng)作狀態(tài)示意圖

（1）提升閥軸靜止?fàn)顟B(tài)。圖3-1中（一）所示，電磁閥開(kāi)啟，液壓油循環(huán)如下：殼體—柱塞泵—活塞缸—主閥和電磁控制閥—?dú)んw?；钊變?nèi)外壓力平衡，提升閥靜止不動(dòng)。

（2）提升閥軸上升狀態(tài)。圖3-1（二）所示，電磁閥關(guān)閉，液壓油流動(dòng)如下：殼體—柱塞泵—活塞缸。液壓油推動(dòng)活塞軸上行，帶動(dòng)與蘑菇頭產(chǎn)生正脈沖。

圖3-3（三）所示，活塞軸上升到一定位置，缸體側(cè)孔被打開(kāi)，壓力平衡活塞軸不再上升。

（3）提升軸下行狀態(tài)。圖3-1（四）所示電磁閥再次打開(kāi)，液壓油循環(huán)如下：殼體—柱塞泵—活塞缸—主閥和電磁控制閥—?dú)んw?；钊S在鉆井液壓力的作用下，下行至壓縮狀態(tài)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

JPH-322井實(shí)鉆井深4557m，井底垂深3150.16m，井斜91.7°，閉合方位164.95°。渦輪自發(fā)的測(cè)斜儀測(cè)量項(xiàng)目包括井斜、方位、GT、BT、DIP和溫度，所測(cè)數(shù)據(jù)與工程多點(diǎn)儀器在相同井段復(fù)測(cè)數(shù)值一致。

井深407m下入該無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x器進(jìn)行軌跡跟蹤，井深2390m開(kāi)始造斜，著陸A靶點(diǎn)井深3370m。在該井的施工期間，渦輪發(fā)電機(jī)連續(xù)供電達(dá)319h，井底循環(huán)最高溫度達(dá)100℃，儀器未出現(xiàn)任何故障，出井后檢查儀器各部件均無(wú)嚴(yán)重沖蝕現(xiàn)象。這些情況表明該儀器適應(yīng)工況能力強(qiáng)、可靠性良好、耐沖蝕，且儀器井下工作信號(hào)穩(wěn)定，測(cè)量精度高，復(fù)測(cè)性好，傳輸數(shù)據(jù)快。

4.2 應(yīng)用結(jié)果

HT-650MWD已成功完成了新疆工區(qū)、鄂北工區(qū)數(shù)十口井的施工任務(wù)，使用優(yōu)勢(shì)突出：

（1）儀器能夠滿足高溫、高壓、復(fù)雜井況對(duì)性能的特殊要求。

（2）儀器適用工況范圍廣、測(cè)量精度和參數(shù)的準(zhǔn)確性高，抗腐蝕性、抗干擾性好，工作穩(wěn)定性強(qiáng)。

5 影響因素分析

（1）限流環(huán)內(nèi)徑過(guò)小、導(dǎo)輪和渦輪傾角過(guò)大，都會(huì)造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過(guò)高，導(dǎo)致機(jī)械組件的過(guò)快損耗。因此，必須根據(jù)排量、鉆井液參數(shù)，選擇合適的限流環(huán)、導(dǎo)輪和渦輪配比。（2）鉆井液含砂量偏高，會(huì)對(duì)渦輪發(fā)電機(jī)和脈沖本體的沖蝕嚴(yán)重，甚至報(bào)廢儀器。因此，控制鉆井液含砂量不超過(guò)0.3%。（3）鉆井液加入藥品循環(huán)不均、泵進(jìn)水情況不好、空氣包壓力不足、鉆井液氣侵等原因，都會(huì)干擾脈沖信號(hào)的傳遞和撿碼。因此，要定充分循環(huán)鉆井液，定期檢修設(shè)備、清洗濾網(wǎng)，補(bǔ)充空氣包壓力為工作壓力的1/3～1/4。（4）異物卡在托盤、導(dǎo)流器葉片處，導(dǎo)致偏蝕甚至刺壞脈沖本體。因此，要定期清潔管匯和濾網(wǎng)，灌漿及接單根時(shí)必須使用鉆桿濾清器。（5）若探管受到磁干擾，便不能保證測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性。因此，根據(jù)探管測(cè)點(diǎn)所處位置，加長(zhǎng)有效無(wú)磁的長(zhǎng)度。

6 建議

HT650型MWD儀器探管測(cè)點(diǎn)到井底的距離約18m，定向施工中近兩個(gè)單根的數(shù)據(jù)不能及時(shí)測(cè)到，適下步預(yù)算難度增大。建議在探管和脈沖之間增加一段延長(zhǎng)短接，縮短測(cè)點(diǎn)到井底距離，降低施工難度。