MWD连续波井下脉冲发生器结构设计探讨

黄继龙 任伟 李若飞

摘要：随着钻井工程技术的不断发展，井下井眼轨迹控制技术发展创新，随钻测量技术在工作中需要采集的数据与参数数量越来越多，对地上与井下之间的通讯质量与效率都提出了更高的要求。连续波钻井液脉冲发射器技术的研发与制造可以在很大程度上提高信号传输的速率，对我国钻井工程及随钻测量技术具有积极的推动作用。本文对连续波钻井液脉冲发射器的相关问题进行了简要论述，在结合笔者的工作实践的基础上，对连续波钻井液脉冲发射器的结构设计提出了几点建议，提高我国自主设计研发的脉冲发射器的信号传输效率，促进我国随钻测量技术及相关设备研发制造工作的创新发展提供参考。

关键词：连续波钻进液;脉冲发射器;结构设计

连续波钻井液脉冲发射器技术是在正脉冲信号、负脉冲信号发射器技术的基础上更为先进的一种发射技术，在信号的传输效率上有了较大的提高，研究连续波钻井液脉冲发射器的结构设计对于我国钻井随钻测量工作的提升具有重要的现实意义。

一、连续波钻井液脉冲发射器概述

石油钻井过程中井眼轨迹控制技术直接影响钻井实施工作质量。由于钻井工程往往需要钻入地下数千米的距离，在钻井设备与地上控制设备之间进行无线电信号传输过程中，电磁波信号在钻井中衰减比例高，信号采集及译码难度增大，因此，地面上与钻井下的信息传输是钻井井眼轨迹控制的核心技术，随着钻井液脉冲信号传输技术的出现，钻井信号传输技术实现了突破性的进展。从我国目前石油钻井测量系统使用的技术来看，多数钻井都使用正脉冲发射器输出脉冲信号，信号输出效率较低，一般在0.5-3b每秒左右。连续波钻井液脉冲发射器的理论传输效率则可以达到3-6b每秒，相较于正脉冲波发射器信号传输效率大大提高。连续波钻井液脉冲发射器的核心部件由一个定子和一个转子组成，转子和定子上有多个叶片，通过调节转子与定子上叶片的重合角度控制相对位置中间的空隙可以调节通过叶片中间流体的大小，从而达到连续释放压力波的产生。目前各科研机构对于连续拨脉冲发射器的优化设计主要有转子的优化设计、脉冲波信号接收系统优化等多种优化方式，对于信号输出的优化效果的提高都有不同程度的影响。由于世界上正在投入使用的先进的连续波脉冲发射器主要被外国一些先进厂家垄断，而且采用只租不售的方式进行获利，因此我国国内对于连续波脉冲发生器的研发工作在很长一段时间内都将会是石油钻井设备研发工作中的重点内容。

二、连续波钻井液脉冲发射器结构设计

（一）优化转子定子叶片

连续波脉冲发射器的工作机理是通过转子和定子上叶片的周期性转动，实现叶片之间空隙大小面积的周期性变化，从而周期性的控制同构空隙间的钻井液，最终实现钻井液脉冲信号的输出，而转子与定子的叶片材料、加工工艺、形状、运动状态下的机械特性都对脉冲信号的输出有很大的影响。不同的叶片形状对于钻井液在流动状态下产生不同的阻力，同时也会产生不同的脉冲波形，对于地上的脉冲型号接收装置而言，最理想状态的波形应为标准的正弦波，但是在实际情况中，脉冲发射器产生的脉冲信号很好能产生标准的正弦波，因此，在连续波钻井液脉冲发生器的优化设计思路中，很多都是从定子、转子的叶片优化入手，通过改变叶片的形状、材质、机械加工工艺等方面属性，使其产生的脉冲型号更加贴近于理想的正弦波。从理论实验与实际运用的结果来看，叶片采用圆角的边缘设计、圆弧形的叶片形状设计可以很好的控制钻井液的流动状态，对于脉冲信号的输出具有很好的提升效果。

（二）大量实验总结衰减特性

脉冲发射器产生的脉冲信号随着钻井液在钻井中的流通过程中会产生大量的衰减，因此在连续波钻井液脉冲发射器的设计过程中应该需要进行大量的实验来采集脉冲信号衰减的规律的相关信息，从而在设计过程中将衰减的特性进行预期考虑，以提高产生的脉冲信号波的效果。如果不考虑脉冲信号的衰减特性，脉冲发射器产生的波形在不同的物理作业环境下都会产生与预期有较大的初入，在信号的传说的速率与质量方面都与预期产生较大的差异，很难达到具体工作使用的要求。而为了得到比较准确的衰减特性的规律总结，需要在理论实验中反复进行经过大量的实验，总结优化回归方程以得到更精确的数据。脉冲信号衰减特性的一些较小的差别，在实际操作过程中都会对脉冲发射器产生的信号以及输出效率产生较大的影响，因此，脉冲信号的衰减特性的采集是连续波钻井液脉冲发射器的设计过程中的重要工作之一。

（三）优化脉冲信号接收的数学模型

我国目前在连续波钻井液脉冲发射器的研发与制造过程中已经取得了一定的突破，攻克了一些技术性的难关，但是在将产品进行量产并投入钻井工程使用的环节中还存在较大的困难。一方面是因为脉冲发射器的信号发射阶段的信号不准确，另一方面是因为在地上的信号接收设备的接收数学模型沿用国外的数学模型，与我国设计的发射装置的兼容性不高，对于接收到的信号的译码质量与效果不高，从而影响了钻井液脉冲发射器的信号传输效率。因此，在脉冲型号发射器的结构设计中，还需要充分考虑接收信号的数学模型，对钻井液脉冲信号的传播特性进行分析，加强脉冲信号编译的准确性。在机械结构的设计上，也要进行相应的优化设计，以降低信號传播过程中的复杂性，降低建立数学模型进行编译的工作量与设计难度。对于不同作业环境下的脉冲发射器设计，需要在数学模型的建立上体现设计思路的差异化，在传输型号的频率上也体现差异化，兼顾脉冲信号接收分析模型的特殊性与适用性，从而提升脉冲信号发射的信号发射与信号输出效果。

结语

综上所述，连续波钻井液脉冲信号发射器的研发与优化工作在很长一段时间内都将是我国钻井随钻测量领域的重要工作之一，我国的脉冲型号发射器研发与制造现状与国外发达国家还存在较大的差距。连续波钻井液脉冲信号发射器研发我设计工作者可以从优化转子定子叶片、大量实验总结衰减特性、优化脉冲信号接收的数学模型三个方面入手，优化脉冲发射器的结构设计，提高我国自主设计研发的脉冲发射器的信号传输效率，促进我国随钻测量技术及相关设备研发制造工作的创新发展。

参考文献：

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