BCPM2双向通讯供电短节脉冲器遇堵分析

2022-10-18肖雷雷宛文宇吴浩洋刘红旗中海油服油技塘沽作业公司天津300450

化工管理 2022年28期

肖雷雷，宛文宇，吴浩洋，刘红旗(中海油服油技塘沽作业公司，天津 300450)

0 引言

在随钻测井作业中，双向通讯供电短节起着信号传输和双向供电的重要作用，其中的泥浆信号遥传系统能够将井下其他仪器采集的关键信号传输至地面检查装置，在钻进的过程中获取钻具工程值和评估数据，用于分析并提高钻井效率，攻克更多复杂的井况。

对信号传输这个过程，在行业内普遍存在两种理论且各有利弊：第一是利用从0～10 Hz的低频脉冲而形成的离散信号，这种低频离散信号能够在地面更容易探测接收，但会受限于传输速率，一般会小于10 bps，BCPM1使用的就是这种形式[1]；第二种是利用高频脉冲来产生连续信号，速率会提高很多，但由于使用的频段不同会增加探测接收的难度，在advantage操作系统和BCPM2脉冲器的加持下，得以实现并广泛应用于各地石油勘探行业中。

1 设备介绍

BCPM2双向通讯供电短节为贝克休斯公司开发的一款全新泥浆信号遥传系统，通讯时利用高速率脉冲器编码泥浆脉冲信号，以钻杆内部空间为传输通道，将井下各设备测得的数据向上传递。同时在井口处设有泥浆波检测传感器进行解码运算降噪解调，从而获得有价值的井下数据。当需要向井下仪器下达命令时，同样在井口的BPA装置通过编码控制面板来改变循环泥浆压力，传达到井下后使发电机转速产生规律性变化，通过主控的逻辑运算而将命令获得，实现整个过程的半双工传输[2]。整个仪器以钻杆为基体设计，各个控制电路板模块化封装，上下两端为T2专利扣型，并配有M30单芯通讯连接环，采用OFDM通讯技术，具有较好的抗多径衰落能力且方便多用户挂接。同时内部具有断路保护器，在消除过载后能够恢复通路，也同时具备对井眼与环空压力、温度进行实时监测。

在仪器本体表面可观察到有两个接口，较大一个为诊断口，在使用该接口时需要连接贝克休斯公司开发的TDI面板，该面板可提供140 V的直流电用于脉冲器旋转供电及脉冲测试。同时，在车间脉冲器需要刻度时，扳动叠阀正反两个方向最大角度需要的能量也由TDI面板提供。在仪器内部，低压电源转换板将140 V直流电转换成总线上的33 V电压，以供给整个仪器各功能板运转。另一个较小的为数据口，使用该接口时既可连接TDI面板也可使用TCS面板，目的是将首尾M30端及总线接口建立通讯以供地面检查使用，同时用于下载仪器内存数据，观察各部分使用情况。仪器内存大小为128 MB，64 MB为207 h的诊断数据，剩下64 MB为105个触发事件的测井数据。诊断数据包含马达控制、仪器主控等，为连续的5 Hz数据，测井数据受中断事件影响，例如：温度、压力和地面下传指令，存储满后会覆盖写入。仪器车间保养好后，需要将两接口部位认真检查，确认插针清洁完好及O圈安装正确，并按规定扭矩安装固定螺丝，以防下井泥浆灌入导致故障。仪器上，两个接口背面为压力监测模块，用于测量井眼压力和环空压力，维保注意检查及定期刻度。

涡轮发电机：发电机整体采用重新结构设计进而增强其机械性能，双涡轮双导轮的布局使得其最大输出功率能达到1 000 W，最高耐温150 ℃，耐压172.4 MPa。内部流道设计耐冲蚀，同时大大降低了在使用堵漏材料时的遇堵几率。本体主要由定子和转子两部分构成，定子包括机座、定子铁芯、电枢绕组、磁力耦合等几部分。定子铁芯固定在机座里，其内圆表面冲有均匀分布的槽，定子槽内对称嵌放着参数相同的三组绕组，每组为一项，共为三相对称绕组，法线方向也互成120°。发电机转子铁芯周围均匀嵌入强力永磁铁，且转子顶部连接有磁力耦合器，能将涡轮旋转的动力同步耦合，实现动力传输。整个发电机的输出电压随着涡轮转速的变化而变化，将此交流电压引入仪器内部整流板进而实现直流电的供应。同时，监测三相绕组其中一相的频率，也可实现地面所下达指令的获得。

高速率脉冲器：BCPM2脉冲器采用叠阀结构，最大开合角度为±12°，在其内部为一最大功率630 W的电动机，直驱控制叠阀的开合，所能提供的最大扭力为15 Nm，并且内部注有SHC-524液压油，起到润滑降温的作用[3]。通过调整定子转子之间的间隙，可以更好地控制堵漏材料的容差值与信号质量，具有很高的信号调制与编码能力，最高脉宽可达40 bps。在切换到NRZ高速率连续波模式时，其工作编码产生的脉冲示意图如图1所示。

图1 脉冲器叠阀动作与产生脉冲对应图

2 故障判断

现有的BCPM2仪器作业时，现场人员时常反映仪器遇堵，脉冲器无法工作现象，从而造成作业难度加大，降低工作效率，严重时甚至取消作业。为解决这一故障，仪器返回车间后，进行逐步排查，总结发现是堵漏材料影响了脉冲器的正常工作。

车间检查工控机上使用Advantage下的Tool Manager软件，用来与仪器及脉冲器建立通讯，确认脉冲传输软件版本及脉冲响应设置情况。同时可用于下载及初始化内存数据，并检查仪器内部断路开关保护器的设置情况。

仪器第一次遇堵时，车间故障排查，绝缘检查没问题，上电测量时发现电流增大，进一步查看为脉冲器阀体全部塞满堵漏材料，无法自由旋转从而引起的电流增大问题。另一串仪器第二次遇堵故障，返回车间拆开发现为堵漏材料中的小颗粒球被夹紧在定子与转子之间，两次故障可定义为同一问题所致。

根据形状不同，堵漏材料可以分为3种形式：纤维、片状物、颗粒。虽然堵漏材料有优质、中等、低端之分，但实际鉴定起来并没有明确的标准，每一种材料都有不同的尺寸，而且每个操作人员也会根据不同的尺寸来命名不同材料。不同的泥浆配比或者泥浆中含有堵漏材料时都会影响仪器的性能。

3 原理分析

在实际工作现场，运用堵漏材料进行作业时，推荐流量要高于仪器的最小关断点。地面使用“BCPM2停发脉冲并打开叠阀”下传命令，这个下传命令会停止井下仪器的脉冲器工作并且强制将叠阀打开到最大位置，如图2所示。相比于仪器下电状态，此时堵漏材料流过脉冲器时，会有更大的空间，有利于流通。这种状态下，脉冲器停止，没有数据上传到地面，因此这种工作模式只适用在不需要上传实时数据的时候。

图2 上电时命令叠阀开启最

如果流量要低于仪器的最小关断点，此时仪器断电不工作(下电状态)，脉冲器叠阀回到起始位置，叠阀停留在中间半开半合的状态，如图3所示，这就意味着堵漏材料流过的区域减小了50%，增加了遇堵的几率。

图3 断电时叠阀停在起始位置

如果泥浆中配比直径为1.3～3.2 mm的堵漏材料，这些颗粒就可能会卡在涡轮和导轮之间，这样会导致涡轮转速的丢失或者完全被卡死。因此，如果想用这种堵漏材料，操作时应该增大流量到5 00l pm以上，已确保涡轮有充足的动力去转动。

如果BCPM2仪器已经工作，而且叠阀在有堵漏材料的状态下发脉冲，这时应该将叠阀关闭状态的角度设置在10°以下(最大关闭角度为12°)，使其不会完全关闭，给堵漏材料预留出通过的缝隙。另外在编码类型上，尽量选择NRZ模式，相比于其他模式不容易被堵。

车间BCPM2仪器脉冲器间隙量设置的是1.6 mm，所以在应用堵漏材料时，材料直径要尽量小于这个数值，便于正常工作。另外，在脉冲器发射脉冲期间，叠阀会有一个长达2 s的关闭状态，在提前设置仪器的时候，一定要将DRP角度设定在一个比较低的数值(例如3°，如图4所示)，不然堵漏材料就会卡住叠阀(DRP角度在TIP仪器或者downlink下传命令时可以设定)。