连续波脉冲发生器关键技术与稳定性研究

李若飞 黄继龙 任伟

摘要：随着世界各国对天然气、石油的需求量不断增加，各行各业对钻井技术也提出了非常严格的要求。随钻测量数据高速率传输是增强钻井技术的必要条件。而连续波发生器则是其传输系统的一个核心技术，所以，本文对其关键技术及稳定性进行探讨，旨在为我国自主设计成高效率传输钻井液连续波发生器等提供所需要的理论依据。

关键词：随钻测量钻井液;连续波发生器;关键技术;稳定性

由于工业化水平的不断发展，很多行业对天然气、石油等资源的需求量在持续提升，对此，能源紧缺是世界各国不得不面对及思考的重要难题。所以，促使现代钻井技术升级则是提高能源采收率的一个必要途径。而随钻测量技术则是优化现代钻井技术的一个必要基础，根据目前的随钻井下信息传输技术来说，钻井液连续波发生器则是一个效率最高的输送模式，不过，在具体应用前需要对其展开全面探讨。所以，接下来我们对其关键技术及稳定性展开探讨，进而明确出一套科学、完善、有效的理论体系。

一、随钻测量钻井液连续波发生器概述

MWD（随钻测量）是指：钻井期间测量井眼轨迹数据（定向参数），然后将其迅速、技术上传的随钻测量系统。其组成有三部分，即;随钻测量仪、兼有地面信号接收与数据处理功能的地面系统。LWD（随钻测井）是指：在钻井期间测量用于地层评价的地质参数的随钻测量系统，通过MWD系统对其随钻测量信息进行及时、高效的传输。而在随钻测量信息传递技术中，则需要一个信号传递媒介，通常是有三种，即：负脉冲发生器、正脉冲发生器、连续波发生器。其中，前两种不是本文的研究重点，所以在此无需赘述。

连续波发生器的运行原理是;将一个旋转阀置于钻铤内孔中，确保其转轴轴线与后者轴线重叠，也就是说，转子的旋转面和钻井液流动方向正交。当旋转阀的合度逐渐减少的时候，钻柱中钻井液的流道出现堵塞问题，旋转阀之上的液柱内形成一个非静态的正脉冲，然后往上传递，且旋转阀下端的液柱中形成一个非静态的负脉冲，然后往下传递;在转子旋转的过程中，且旋转阀的合度逐渐增加的时候，钻柱中钻井液流道不再受堵，慢慢地顺畅，旋转阀的上端和下端的液柱压力慢慢地返回至之前的静态值。其中，图1.1表示连续波发生器旋转阀的转子与定子都包括三个叶片，转子旋转一周，旋转阀上端的液柱中则会形成三个正脉冲，同时它们会连接起来出现一个持续性的压力波，故而又称“连续波”。

站在声学的角度进行分成，正脉冲与负脉冲发生器均会形成持续性的压力波。不过，因为压力波无法连接，所以仅会形成断断续续的压力波，那么必然会对数据传输率造成一定的影响，通常来说是不会超过5bps。不过，根据目前随钻传输技术的具体应用来说，连续波发生器在传输效率方面是非常大的。由于其关键技术基本上是被个别外国企业所垄断，对此，我国需要对其进行自主研发，力争能够掌握其核心技术，促使其在相关领域中得到有效地推广和应用。

二、随钻测量钻井液连续波发生器关键技术与稳定性研究

（一）连续波发生器关键技术

连续波发生器在设计时，一定要重点探讨以下关键技术，即：脉冲发生器定、转子材料、远程磁力定位器设计、初始结构设计;结构参数和脉冲信号物理性质的关系;旋转机械的流动特性仿真与定转子结构优化设计等。

通常转子与定子是在井下运行的，因为钻井液内存在固相颗粒或杂质，偶尔会导致阻塞问题。若要降低其发生率，需要在减速箱和转子间通过远程磁力定位器进行调控。同时，借助于CFD工程软件对脉冲发生器转子与定子的流场进行探讨，此时必须要应用到滑动网格理论;值得注意的是，还需要对汽笛转子、定子和发电机涡轮叶片形状进行优化制作，其目的是为了规避冲蚀，增强发电机功效。

若要增强信号质量，务必要对影响信号传递的相关因素进行研究：信号传递衰减的影响因素包括钻井液的塑性粘度、钻井液密度、传输频率、钻井泵压力等;影响传递信号的因素包括钻杆的震动、钻井液的条件、反射等;同时也包括钻井泵噪音、钻头噪音、马达噪音等等。

（二）稳定性研究

从力学角度来看，转动机械中的转子与其轴承、支承座等均属于转子系统的重要组成部分。若出现液膜涡动、液膜震荡等问题的话，必然会出现液膜失稳，进而引起转子系统失稳。所以，若要确保钻井信息传递技术的有效、及时和稳定，务必要对转子系统的稳定性进行探讨和评价。

在钻井过程中，因为钻头牙齿间断性地与地面接触或岩石碰撞，必然会引起间断性的震荡，所以，其是造成转子系统失稳的关键因素。对此，我们需要根据不同的条件对转子系统失稳的影响因素进行探讨，然后创建力学模型如图2.1，确保在其钻井期间，尽可能地规避这些消极因素。图2.1所示两个转子系统，其质量圆盘对轴承呈不对称分布特点，两侧轴承的几何参数一样，转轴自身需精简成无质量的等截面的弹性轴。TC轴承的外圈置于钻铤内，钻铤的刚度明显超过转轴的刚度，对此，将轴承外圈与钻铤模化成刚体。

2.1转子系统的力学模型

我们结合不同的问题及工况进行个性化地分析，把握最本质的要点，将一些次要因素整合在一起，然后进行钻井操作步骤的调整，力争确保系统的稳定和安全。总之在井下作业时，造成转子系统失稳的外界环境是主要的干擾要是，TC轴承在轻载条件下容易出现涡动，所以，确保要确保TC轴承液膜具备较强的抗稳性，其会对钻井液连续波发生器的信息传输效率造成直接影响。

三、结束语

随着世界各国对天然气、石油等需求量的不断提升，目前的钻井技术也需要不断优化和升级，否则无法满足市场不断增长的客观需求。根据国内相关企业不断开拓海外市场的战略计划来看，自主研制关键技术则是一个亟需重视及突破的核心任务。连续波发生器容易受到钻井液的冲蚀，同时在井下运行期间，其内部组成系统-转子系统的稳定性也容易受到外界环境的干扰，由此来看，其属于一个相对复杂的设备。当然，通过研究钻井配套设备的构成来看，其也属于MWD、LWD系统中一个很常见的配件，其结构特点、系统参数及稳定性等都会对信号传输的效率及质量造成直接的影响，对此在进行关键技术研发及涉及到过程中，务必要在这方面加大研发力量，力争尽早实现技术性的突破，此对我国成功研制出所需要的关键技术做出巨大的贡献，并且也能够进一步推动世界钻井技术的升级和发展。

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