钻井液正脉冲器原理研究

许朝辉,王智明,姜天杰

(中海油田服务股份有限公司,北京101149) *

钻井液正脉冲器原理研究

许朝辉,王智明,姜天杰

(中海油田服务股份有限公司,北京101149)*

对钻井液正脉冲的基本原理进行了描述,并推导出了正脉冲幅值的理论计算公式。对国内外使用非常广泛、技术最成熟的钻井液正脉冲器的原理和工作过程进行了分析。提出了正向设计此类脉冲器的方法和思路。

钻井液正脉冲器;MWD;LWD

近几年来,国内随钻测量(MWD)技术和随钻测井(LWD)技术取得了飞速发展[1-5],中石油、中石化、中海油以及一些民营公司纷纷推出各自的仪器进入现场作业,在这些仪器中,用来进行井下信号传输的钻井液正脉冲器以其具有良好的耐冲蚀、信号稳定等优点被广泛应用。由于国内大部分正脉冲器的基本原理和结构基本相同或者相似,因此对该脉冲器进行原理分析和研究,对于研制、改进、提高其可靠性及性能具有重要的意义。

1 正脉冲产生机理

钻井液脉冲器的基本原理是将井下需要传递的信息经过某种特定的编码方式进行编码,然后利用脉冲器将这些信号转化为钻井液的压力波动信号传递到地面,在地面利用压力传感器采集压力信号,经过各种硬件和软件消除噪声的影响后,将这些信号解码还原为数字信息,从而达到信息传递的目的。从功能而言,钻井液脉冲器是一种将井下信号转化为钻井液压力信号的工具。根据转化后的压力信号形式的不同,通常将其分为正脉冲脉冲器、负脉冲脉冲器和连续波脉冲器[6-8]。

正脉冲脉冲器主要部件及原理如图1。用机械控制方式控制蘑菇头上下移动,由于移动过程中限流环与蘑菇头之间间隙的变化,导致入口压力 p1和出口压力 p2之间的压力差△p发生较大变化,从而产生一个正向增加的压力波动。这也是正脉冲脉冲器名字的由来。△p可以用流体力学的小孔流动理论求解。

图1 正脉冲脉冲器原理

根据流体的能量方程推导出小孔流量与压力变化之间的关系式,即圆形流道完全形成层流的哈根-泊索叶(Hagen-Poiseuille)流量公式[9]为

根据图2,进一步推导可得出锥形孔隙的流量公式为

即

式中,υ为流体动力粘度,Pa·s;d1为蘑菇头直径, m;l为间隙长度,m;Q为通过孔隙的流量,m;△r1和△r2分别为入口、出口处锥形孔隙大小,m。

图2 锥形同轴流道

根据美国 Halliburton公司的泥浆正脉冲器结构参数和几何参数,用式(3)可以求出理论上的压力脉冲值。该值是选择合适的限流环、计算蘑菇头受力和不同工况下脉冲幅值、设计柱塞泵流量和压力的理论基础,也可为解决正脉冲器在使用过程中的一些实际问题提供指导。

2 钻井液正脉冲器工作原理

钻井液正脉冲器主要组成部件及工作原理如图3。在脉冲器外部对应磁轴的部分有一个带叶片的涡轮,涡轮叶片的进、出口角度不同,所以在钻井液的冲击下转子始终会以一定的转速转动。转子上安装有永磁体,在转子的带动下永磁体与磁轴上的永磁体相互作用,带动磁轴也以一定的转速转动。磁轴上安装有斜盘,斜盘的转动与柱塞弹簧的交互作用推动柱塞泵中的柱塞往复运动,使柱塞泵始终向高压腔内泵油。

图3 钻井液正脉冲器工作原理

控制阀是一个电磁控制的单向阀,脉冲器的控制电路根据编码程序将要发送的信号转化为电信号施加到电磁阀上,控制电磁阀的关闭。

在常态(如图3)下控制阀不通电,是通过流管连接主阀。主阀是一个压差式溢流阀,由于泵内的高压,使流体经过主阀阀芯上的小孔后流经流管到达控制阀,在高压作用下控制阀处于常开状态,从而形成一个回路1。在此回路中,由于流体流经主阀阀芯中的小孔时会形成一个压差,压差随着流量的增大而增大,当这个压差增大到一定阈值时,在上下压差作用下压缩主阀弹簧,使阀芯下移至图3位置,主阀旁路打开形成另一个回路2。

当控制电路给控制阀通电(如图4)时,电磁阀产生磁力吸引压盘磁铁,压盘压住阀球,控制阀关闭回路1使主阀内外压差消失,在主阀弹簧力的作用下,主阀阀芯上移直至关闭回路2。此时,柱塞泵泵出的流体在高压腔中的压力继续增大到一定阈值后推动活塞上移,即顶杆顶出蘑菇头。在活塞壳体上距离活塞初始位置向上一定的距离,即蘑菇头的行程上有一卸油孔,当活塞上移到这个位置后,流体通过卸油孔流回低压区形成回路3。如果电磁阀始终保持供电状态,蘑菇头将一直保持在完全伸出位置,如图5。

图4 钻井液正脉冲器控制阀供电状态

图5 钻井液正脉冲器蘑菇头完全伸出状态

当电磁阀断电后,控制阀开启,回路1开通;主阀阀芯下移,回路2开通,高压腔压力下降。由于泥浆对蘑菇头的冲击力和复位弹簧(Halliburton较高传输速度的脉冲器中才有)的共同作用,活塞又迅速回到图3所示位置,完成脉冲器的整个工作过程。

3 结论

1) 可根据井下工况,通过所需脉冲压力信号强度,即蘑菇头的大小、泥浆密度、流量、蘑菇头限流环结构尺寸等计算出泵压,根据传输信号的速率计算出活塞速度,从而确定泵的流量。

2) 根据控制信号的大小和系统压力,可计算控制阀的开启压力,设计控制阀的电磁参数。

3) 通过控制阀的开启参数和活塞推力,能够确定主阀的开启压力和主阀旁通口的大小,设计主阀弹簧。

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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

中海油总公司“SPOTE系统工程化研制”(JSB10YF006)

许朝辉(1976-),男,高级工程师,硕士,从事井下石油工具的研究和设计工作,E-mail:xuzhh@cosl.com.cn。