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(中海油田服務股份有限公司，北京 101149)

隨著地層評價技術的不斷發(fā)展，井下數據量在逐漸增大，需要更高傳輸速率的脈沖發(fā)生器。在鉆進過程中，井下傳感器測得工程參數及地層參數，這些測得的模擬信號，通過數據編碼器，轉換為數字信號；數字信號經過控制電路調制，調制后控制信號傳遞給驅動電路；驅動電路從供電短節(jié)取電，且按照控制電路給定的控制信號驅動電機，帶動脈沖器轉子擺動；脈沖器的定轉子剪切流體，產生脈沖壓力信號；信號經過鉆桿傳輸到地面立管上，數據采集系統(tǒng)采集立管上壓力傳感器信號；通過解調系統(tǒng)對井下的壓力信號進行解析。傳輸上來的泥漿脈沖信號可轉換為井下工程參數和地層參數[1-2]。擺動閥高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)的框圖如圖1。

通過地面對泥漿泵開關或對循環(huán)管匯中泥漿進行分流來改變井下儀器或工具的工作模式，已經得到較為普遍的應用。哈里伯頓的井斜方位測斜儀-探管，可通過地面關停泵，來改變探管的工作模式。已經商業(yè)應用的旋轉導向儀器，例如貝克休斯公司的旋轉導向儀器，也是采用分流裝置，分走部分流向井下的泥漿，來實現(xiàn)預置工作模式切換的。國內隨鉆測井儀器也采用了利用泥漿向井下傳遞信息的方法，例如中海油服自主研發(fā)的旋轉導向儀器，就是通過分流裝置，實現(xiàn)指令下傳[3-4]。

圖1 擺動閥高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)框圖

1 工作模式定義及改變方法

在鉆進過程中，隨著地質條件、鉆進深度變化，對應的泥漿泵排量，泥漿密度、黏度等也要改變。為了能夠產生出易于地表解調的壓力波形，既要保證壓力波的壓力幅值，也要保證每個壓力波的一致性和穩(wěn)定性。泥漿脈沖信號能否采集到,及易于解調，依賴井下壓力波幅值大小及最終信噪比。

從結構上看，壓力波幅值主要取決于定轉子的軸向間隙，儀器下井前要根據泥漿情況進行調整。壓力波的一致性和穩(wěn)定性是通過精確控制轉子位置實現(xiàn)的，流體在鉆柱內的流動狀態(tài)多為紊流狀態(tài)，且泥漿中固相顆粒對脈沖器定轉子有沖蝕作用，太小的軸向間隙使定轉子更易于被沖蝕破壞。鉆柱內高速流動的泥漿壓力會產生較大的波動，脈沖器驅動電機的位置波形經常會發(fā)生超調。

1.1 工作模式定義

為了使轉子的運動軌跡和運動方式滿足設計要求，就需要根據井深、井況改變井下泥漿脈沖發(fā)生器的波形，即調制方式(調相、調頻)，擺動頻率，即載波頻率，轉子開合角度等，包含了上面幾個參數的一組命令稱為工作模式。由于鉆井過程中，遇有復雜地質條件，需要在泥漿中添加堵漏材料，或井下需要全力供液時，需要有儀器初始或定位的指令。

井下的泥漿脈沖壓力波幅值大些，壓力波形的一致性，波形穩(wěn)定性好些，有利于解調。但泥漿脈沖壓力波幅值大，會造成井下電動機功率增大，運動件過快磨損等問題。在得到合理的，即能夠解調脈沖幅值的前提下，最大限度地降低脈沖器的功率，減小對脈沖器轉子的沖蝕[5-6]。希望能根據解調情況，在地面控制調整轉子運動的頻率，改變定轉子開合角度和調制方式等參數。

1.2 由地面下傳指令改變井下工作模式的方法

隨鉆測井系統(tǒng)在鉆進過程中，能夠下行且與井下信息溝通的只有泥漿，通過地面供液管匯中的電磁分流裝置短時間內分流出部分泥漿，快速改變鉆柱內泥漿排量，排量變化也會使鉆柱內的壓力產生變化，井下傳感器檢測到排量或壓力的變化，會給井下控制電路發(fā)出指令，以改變脈沖器中預置的參數及工作模式。

1.2.1檢測排量變化

擺動閥脈沖器的供電一般用渦輪發(fā)電機[7]。渦輪發(fā)電機轉子轉速受排量變化影響，一般呈線性關系，為了改變泥漿脈沖發(fā)生器的工作模式，可以通過瞬間改變向井下供液量，使井下渦輪發(fā)電機檢測到流量的變化，通常使用指令下傳裝置瞬間分流，使流向鉆柱內泥漿流量瞬間降低，流量降低會使渦輪發(fā)電機的渦輪轉速降低，檢測渦輪發(fā)電機三相電流的變化頻率變慢，當頻率降低到某個數值以下時，渦輪發(fā)電機的控制電路，檢測到合法指令后，會發(fā)出指令給高速泥漿脈沖發(fā)生器的驅動控制芯片，實現(xiàn)泥漿脈沖發(fā)生器工作模式的切換。

流量的高低變化，可調整參數變化指令，指令使用二進制的方式下傳，命令可多達上萬條。通訊板將編譯后的指令傳給泥漿脈沖發(fā)生器電動機的控制板。芯片中預置的程序需要由一條特定的指令觸發(fā)，這條特定的指令可由專門的通訊電路板芯片發(fā)出。擺動閥泥漿脈沖器工作模式改變原理框圖如圖2。

圖2 工作模式改變原理框圖

1.2.2檢測壓力變化

通過高速泥漿脈沖發(fā)生器中內置的壓力傳感器，檢測鉆柱內泥漿壓力變化。流向鉆柱內泥漿流量降低時，會使鉆柱內泥漿壓力瞬間降低，當泥漿壓力降低到某個臨界值，也會給高速泥漿脈沖發(fā)生器的驅動控制芯片一個指令，泥漿脈沖發(fā)生器開始切換預置的工作模式。

2 工作模式設計及參數確定

2.1 工作模式設計方法

與壓力波幅值及壓力波質量相關的因素有定/轉子間隙、電機轉矩和功率、電機位置跟隨精度、排量區(qū)間。經仿真分析和試驗研究，各因素之間有以下的關系。

壓力波幅值與排量成線性關系；壓力波幅值可以通過改變定轉子開合度進行改變，角度增大，壓力波幅值升高[8]。為了得到合適幅值且特征一致壓力波，可根據工程需要改變傳輸速率。擺動閥脈沖器載波頻率與電機功率消耗成正比。傳輸速率與一般擺動頻率成正比。儀器組合具有頻率選擇性，需要掃頻確定工作頻率。

擺動閥脈沖器在車間組裝完成，下井時其結構參數已固定，即定/轉子間隙及環(huán)隙已不能改變。能夠改變的參數有調制方式，擺動頻率，轉子的工作位置。調制方式分為3種方式，即OOK，F(xiàn)SK和PSK，擺動頻率0～36 Hz。

2.2 井下工作模式參數確定

能夠切換工作模式是高速泥漿脈沖器必備的功能。根據鉆進過程中地質條件的不同，例如圍巖的壓力，地層的滲漏情況等，需要配備不同黏度，不同密度的泥漿。此外，鉆井工程參數如鉆速、轉速、鉆壓等也會影響數據傳輸。泥漿脈沖發(fā)生器要根據這些參數的變化切換工作模式。

脈沖器工作需要通過掃頻來確定工作頻率，試驗表明循環(huán)系統(tǒng)具有頻率選擇的特性，確定調制方式和基頻頻率前，需要掃頻來確定系統(tǒng)適合的頻率。通過地面指令下傳機構，觸發(fā)剪切閥泥漿脈沖發(fā)生器進入掃頻模式，該掃頻需要在驅動電動機工作能力內，通過掃頻獲取適合當前泥漿條件，即黏度、密度下的載波頻率。

儀器組裝完成后，定轉子的軸向間隙不能改變?？赏ㄟ^改變定轉子開合角度來變化泥漿壓力幅值。此外，還可以通過改變排量來改變壓力幅值，但要結合鉆井工程來確定。

內置的工作模式程序為參數化程序，可對某一參數進行連續(xù)改變，多種參數的組合可以滿足井下泥漿脈沖發(fā)生器的工作需要。工作模式中變化的參數有以下幾種。

1) 擺動頻率。壓力波在不同黏度和密度的泥漿中，其傳播特性是不同的，如幅值衰減速度，傳播速度等。通過地面指令下傳機構，修改井下泥漿脈沖發(fā)生器的工作頻率，使波形更易于解調。

2) 定轉子開合角度。定轉子開合角度減小，能夠有效降低高速泥漿脈沖發(fā)生器系統(tǒng)的功率。隨鉆測井系統(tǒng)有時會與旋轉導向系統(tǒng)一同作業(yè)，當這些大功率的儀器一起共同使用時，根據各儀器的工作制度，已有的渦輪發(fā)電機電能或許就要有合理分配。根據地質條件、鉆進條件來切換井下高速泥漿脈沖發(fā)生器的工作模式，在波形滿足解調的前提下，使泥漿脈沖發(fā)生器消耗的功率最小。

3) 調制方式。是指改變井下脈沖發(fā)生器的調制方式，使泥漿脈沖發(fā)生器產生的壓力波，在一致性，等特征上更加明顯。地面解調系統(tǒng)能否成功解調，取決于信噪比，泥漿壓力波的質量至關重要，當一種包含有調制方式、運動頻率等工作模式的信號不能很好解調時，要試著切換另一種工作模式，以便使產生的壓力波易于地面解調系統(tǒng)進行解調。

4) 轉子位置。電動機位置初始化及電動機定位。當井底需要大流量的泥漿供入時，需要保持泥漿脈沖發(fā)生器的定轉子持續(xù)保持在全開或者某一角度的開啟狀態(tài)時，需要通過地面指令下傳方式觸發(fā)此命令。

5) 靜默模式。指定轉子位置處于常開位置，主要用于井下噪聲采集，或者需要開大排量進行井下巖屑上返。

6) 掃頻。不同頻率的信號，其在泥漿中的傳輸特性不同，當井深、排量等發(fā)生變化時，需要確定不同頻率的信號的衰減特性，選擇有利于解碼的信號頻率。

3 室內驗證及實井鉆進應用

3.1 室內循環(huán)驗證

鉆進時，泥漿泵通過地面管匯，經鉆桿向井下供泥漿，泥漿有維持井下圍巖的壓力平衡，冷卻鉆頭，攜帶巖屑等作用。泥漿在泥漿泵至井底鉆頭之間的鉆柱內處于高速、高壓狀態(tài)。在地面管匯加裝一個三通閥門，旁通處加一個改變流量的快速執(zhí)行電磁氣動閥，實現(xiàn)對流向孔底的泥漿分流[9-10]。

在中海油服燕郊科技園3 000 m循環(huán)管線試驗時，利用指令下傳裝置分流，通過改變泥漿泵向井下的供液量，渦輪發(fā)電機通過監(jiān)測轉速感知流量的改變，進而向泥漿脈沖發(fā)生器的驅動控制模塊發(fā)出指令，實現(xiàn)高速泥漿脈沖發(fā)生器工作模式切換。循環(huán)系統(tǒng)示意如圖3。

圖3 室內循環(huán)系統(tǒng)示意

通常，工作模式被預置在井下泥漿脈沖發(fā)生器的驅動芯片中。室內試驗表明，從地面發(fā)出的指令，能夠被泥漿脈沖發(fā)生器檢測到，并能夠切換工作模式?？蛇M行調制方式，載波頻率，擺動頻率，擺動起始角度，擺動幅度等切換。

3.2 實鉆應用

2016-10，在室內試驗驗證的基礎上，在中海油服新疆輪臺基地A6Sb井進行了實鉆應用驗證，2 500 m以內，脈沖器在不同井段停留，完成泥漿介質條件下實時解調測試，在井深2 500～2 700 m進行實鉆實時解調實驗，實現(xiàn)了大量的模式切換。

在完成套管井循環(huán)測試以及實鉆試驗基礎上，實現(xiàn)3 000 m井深實鉆時，數據實時傳輸12 bps。期間進行了多次模式切換。圖4為新疆實鉆井眼軌跡，其中2 700～3 000 m井段為經過工作模式切換后，獲取最優(yōu)載波頻率，最佳轉子擺動角度的情況下，進行的鉆進。得到的結論如下。

1) 泥漿試驗中達到的最大解碼深度為3 016 m(FSK 12 bps)，解碼效果比較穩(wěn)定，工況為雙泵2.2 m3。

2) 實鉆中解碼最為穩(wěn)定的調制方式為FSK 10 bps。在深度2 712 m附近連續(xù)解碼，誤碼幾乎為0。當時工況為雙泵2.0 m3。

3) 解碼效果受連接鉆桿以及倒滑等操作的影響較為明顯，穩(wěn)定鉆進時解調效果相對良好。

4) 解調方面碰到的問題主要為信號畸變導致時間同步效果變差乃至失效，經常導致誤碼率從上一幀的0突變至全錯。該現(xiàn)象已在鉆進期間的單機調試中進行了部分驗證。首幀容易出錯的問題尚需對數據進行進一步整理分析。

5) 掃頻結果表明，泥漿井的信號衰減頻段范圍擴大，從10 Hz起至16 Hz頻段均衰減嚴重。低頻段(約4 Hz以內)以及高頻段(26 Hz以上)也存在較大衰減。一旦工作模式確定后，是可以適應某段井深。

1—A6Sb設計軌跡；2—A6Sb實鉆軌跡。

4 結語

隨鉆測井儀器在作業(yè)過程中，需要調整儀器井下工作的模式。為了提高工作效率，不將儀器提到地面，而是通過關停泵或者調整流入鉆柱內泥漿的流量，井下壓力傳感器或渦輪發(fā)電機監(jiān)測到流量，或壓力變化后，進而觸發(fā)預置的工作模式，改變井下儀器的工作狀態(tài)。即，地面下傳指令，切換井下隨鉆儀器的作業(yè)模式是一種常用方法。利用這樣的作業(yè)模式，設計了針對擺動閥原理特征的泥漿脈沖器工作模式，擴展了泥漿脈沖器的適用性。

1) 根據擺動閥脈沖器工作原理，設計了并確定了脈沖器井下工作模式?？紤]了改變波形，改變頻率，改變幅值，掃頻，電動機定位，初始位置、存儲等工作狀態(tài)和專有指令。

2) 工作模式充分考慮了鉆井工程參數如泥漿密度，井深，泥漿黏度等對井下泥漿脈沖發(fā)生器工作狀態(tài)的影響。

3) 高速泥漿脈沖發(fā)生器在井下作業(yè)過程中，需要根據鉆井工程參數，對脈沖發(fā)生器的工作模式進行更改。例如需要改變調制方式，運動頻率，工作角度(轉子擺動工作時)等。

4) 設計的脈沖發(fā)生器工作模式將需要修改的參數變量化，可實現(xiàn)連續(xù)修改、多種組合。