黃繼龍 任偉 李若飛

摘要：隨著鉆井工程技術(shù)的不斷發(fā)展，井下井眼軌跡控制技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新，隨鉆測(cè)量技術(shù)在工作中需要采集的數(shù)據(jù)與參數(shù)數(shù)量越來(lái)越多，對(duì)地上與井下之間的通訊質(zhì)量與效率都提出了更高的要求。連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器技術(shù)的研發(fā)與制造可以在很大程度上提高信號(hào)傳輸?shù)乃俾剩瑢?duì)我國(guó)鉆井工程及隨鉆測(cè)量技術(shù)具有積極的推動(dòng)作用。本文對(duì)連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，在結(jié)合筆者的工作實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了幾點(diǎn)建議，提高我國(guó)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的脈沖發(fā)射器的信號(hào)傳輸效率，促進(jìn)我國(guó)隨鉆測(cè)量技術(shù)及相關(guān)設(shè)備研發(fā)制造工作的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)波鉆進(jìn)液;脈沖發(fā)射器;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器技術(shù)是在正脈沖信號(hào)、負(fù)脈沖信號(hào)發(fā)射器技術(shù)的基礎(chǔ)上更為先進(jìn)的一種發(fā)射技術(shù)，在信號(hào)的傳輸效率上有了較大的提高，研究連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于我國(guó)鉆井隨鉆測(cè)量工作的提升具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器概述

石油鉆井過(guò)程中井眼軌跡控制技術(shù)直接影響鉆井實(shí)施工作質(zhì)量。由于鉆井工程往往需要鉆入地下數(shù)千米的距離，在鉆井設(shè)備與地上控制設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線電信號(hào)傳輸過(guò)程中，電磁波信號(hào)在鉆井中衰減比例高，信號(hào)采集及譯碼難度增大，因此，地面上與鉆井下的信息傳輸是鉆井井眼軌跡控制的核心技術(shù)，隨著鉆井液脈沖信號(hào)傳輸技術(shù)的出現(xiàn)，鉆井信號(hào)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性的進(jìn)展。從我國(guó)目前石油鉆井測(cè)量系統(tǒng)使用的技術(shù)來(lái)看，多數(shù)鉆井都使用正脈沖發(fā)射器輸出脈沖信號(hào)，信號(hào)輸出效率較低，一般在0.5-3b每秒左右。連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的理論傳輸效率則可以達(dá)到3-6b每秒，相較于正脈沖波發(fā)射器信號(hào)傳輸效率大大提高。連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的核心部件由一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子和定子上有多個(gè)葉片，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子與定子上葉片的重合角度控制相對(duì)位置中間的空隙可以調(diào)節(jié)通過(guò)葉片中間流體的大小，從而達(dá)到連續(xù)釋放壓力波的產(chǎn)生。目前各科研機(jī)構(gòu)對(duì)于連續(xù)撥脈沖發(fā)射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計(jì)、脈沖波信號(hào)接收系統(tǒng)優(yōu)化等多種優(yōu)化方式，對(duì)于信號(hào)輸出的優(yōu)化效果的提高都有不同程度的影響。由于世界上正在投入使用的先進(jìn)的連續(xù)波脈沖發(fā)射器主要被外國(guó)一些先進(jìn)廠家壟斷，而且采用只租不售的方式進(jìn)行獲利，因此我國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于連續(xù)波脈沖發(fā)生器的研發(fā)工作在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將會(huì)是石油鉆井設(shè)備研發(fā)工作中的重點(diǎn)內(nèi)容。

二、連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）優(yōu)化轉(zhuǎn)子定子葉片

連續(xù)波脈沖發(fā)射器的工作機(jī)理是通過(guò)轉(zhuǎn)子和定子上葉片的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)葉片之間空隙大小面積的周期性變化，從而周期性的控制同構(gòu)空隙間的鉆井液，最終實(shí)現(xiàn)鉆井液脈沖信號(hào)的輸出，而轉(zhuǎn)子與定子的葉片材料、加工工藝、形狀、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的機(jī)械特性都對(duì)脈沖信號(hào)的輸出有很大的影響。不同的葉片形狀對(duì)于鉆井液在流動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生不同的阻力，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不同的脈沖波形，對(duì)于地上的脈沖型號(hào)接收裝置而言，最理想狀態(tài)的波形應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，但是在實(shí)際情況中，脈沖發(fā)射器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)很好能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，因此，在連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路中，很多都是從定子、轉(zhuǎn)子的葉片優(yōu)化入手，通過(guò)改變?nèi)~片的形狀、材質(zhì)、機(jī)械加工工藝等方面屬性，使其產(chǎn)生的脈沖型號(hào)更加貼近于理想的正弦波。從理論實(shí)驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)用的結(jié)果來(lái)看，葉片采用圓角的邊緣設(shè)計(jì)、圓弧形的葉片形狀設(shè)計(jì)可以很好的控制鉆井液的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于脈沖信號(hào)的輸出具有很好的提升效果。

（二）大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)衰減特性

脈沖發(fā)射器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)隨著鉆井液在鉆井中的流通過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的衰減，因此在連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)采集脈沖信號(hào)衰減的規(guī)律的相關(guān)信息，從而在設(shè)計(jì)過(guò)程中將衰減的特性進(jìn)行預(yù)期考慮，以提高產(chǎn)生的脈沖信號(hào)波的效果。如果不考慮脈沖信號(hào)的衰減特性，脈沖發(fā)射器產(chǎn)生的波形在不同的物理作業(yè)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生與預(yù)期有較大的初入，在信號(hào)的傳說(shuō)的速率與質(zhì)量方面都與預(yù)期產(chǎn)生較大的差異，很難達(dá)到具體工作使用的要求。而為了得到比較準(zhǔn)確的衰減特性的規(guī)律總結(jié)，需要在理論實(shí)驗(yàn)中反復(fù)進(jìn)行經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)優(yōu)化回歸方程以得到更精確的數(shù)據(jù)。脈沖信號(hào)衰減特性的一些較小的差別，在實(shí)際操作過(guò)程中都會(huì)對(duì)脈沖發(fā)射器產(chǎn)生的信號(hào)以及輸出效率產(chǎn)生較大的影響，因此，脈沖信號(hào)的衰減特性的采集是連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要工作之一。

（三）優(yōu)化脈沖信號(hào)接收的數(shù)學(xué)模型

我國(guó)目前在連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)射器的研發(fā)與制造過(guò)程中已經(jīng)取得了一定的突破，攻克了一些技術(shù)性的難關(guān)，但是在將產(chǎn)品進(jìn)行量產(chǎn)并投入鉆井工程使用的環(huán)節(jié)中還存在較大的困難。一方面是因?yàn)槊}沖發(fā)射器的信號(hào)發(fā)射階段的信號(hào)不準(zhǔn)確，另一方面是因?yàn)樵诘厣系男盘?hào)接收設(shè)備的接收數(shù)學(xué)模型沿用國(guó)外的數(shù)學(xué)模型，與我國(guó)設(shè)計(jì)的發(fā)射裝置的兼容性不高，對(duì)于接收到的信號(hào)的譯碼質(zhì)量與效果不高，從而影響了鉆井液脈沖發(fā)射器的信號(hào)傳輸效率。因此，在脈沖型號(hào)發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還需要充分考慮接收信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)鉆井液脈沖信號(hào)的傳播特性進(jìn)行分析，加強(qiáng)脈沖信號(hào)編譯的準(zhǔn)確性。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，也要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低信號(hào)傳播過(guò)程中的復(fù)雜性，降低建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編譯的工作量與設(shè)計(jì)難度。對(duì)于不同作業(yè)環(huán)境下的脈沖發(fā)射器設(shè)計(jì)，需要在數(shù)學(xué)模型的建立上體現(xiàn)設(shè)計(jì)思路的差異化，在傳輸型號(hào)的頻率上也體現(xiàn)差異化，兼顧脈沖信號(hào)接收分析模型的特殊性與適用性，從而提升脈沖信號(hào)發(fā)射的信號(hào)發(fā)射與信號(hào)輸出效果。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，連續(xù)波鉆井液脈沖信號(hào)發(fā)射器的研發(fā)與優(yōu)化工作在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將是我國(guó)鉆井隨鉆測(cè)量領(lǐng)域的重要工作之一，我國(guó)的脈沖型號(hào)發(fā)射器研發(fā)與制造現(xiàn)狀與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大的差距。連續(xù)波鉆井液脈沖信號(hào)發(fā)射器研發(fā)我設(shè)計(jì)工作者可以從優(yōu)化轉(zhuǎn)子定子葉片、大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)衰減特性、優(yōu)化脈沖信號(hào)接收的數(shù)學(xué)模型三個(gè)方面入手，優(yōu)化脈沖發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高我國(guó)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的脈沖發(fā)射器的信號(hào)傳輸效率，促進(jìn)我國(guó)隨鉆測(cè)量技術(shù)及相關(guān)設(shè)備研發(fā)制造工作的創(chuàng)新發(fā)展。

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