井下电磁控制压力脉冲发生器结构参数与脉冲幅值关系的模拟分析

王鹏飞 张 凯 暨梦琪 张紫檀 张广中 张小玫 王鹏

（胜利油田石油工程技术研究院）

智能完井技术作为一种先进的完井技术［1］，可以控制不同的原油储层段，并使用智能生产分配器在采油过程中选择性地生产特定的储层段。智能完井技术还可以监测采油过程中各储层段油、气、水的含量。 一旦在采油过程中监测到水和气的锥进，工作人员就可以通过智能完井技术调整相应储层段的产量，从而减缓水和气的锥进速度，延长油井生产寿命。 同时，智能完井技术具有远程控制功能以实现优化生产力的目的［2，3］。

压力脉冲传输技术作为一种无线传输智能完井技术，在石油工业试井、完井监测和随钻测井中得到了广泛应用［4，5］。 该技术可在特殊、恶劣的工况下实现石油钻井过程中地面和井下信息的双向通信［6］。 井下脉冲发生器是压力脉冲传输过程中的主要装置。 它主要通过产生不同的脉冲信号将井下生产数据上传到地面［7］，在地面上连续监测提升管压力的变化，然后解码从而将压力信号转换为不同的测量数据。

通过分析电磁控制井下脉冲发生器的工作特性，确定流量与脉冲幅值的对应关系，以及脉冲信号在管柱中的传输和衰减规律，对提高井下工作可靠性和节省工作时间具有重要意义。 同时， 为了进一步降低井下脉冲发生器的功耗，延长使用寿命，通过揭示不同注水条件下脉冲幅度的变化规律， 从而掌握脉冲波的最远传输距离，达到提高技术适应性和可靠性的目的。

1 压力脉冲信号的产生机理及其传播模型

1.1 压力脉冲信号的产生机理

如图1所示， 井下电磁控制压力脉冲信号的产生机理是：控制系统通过信号接收电路接收数据信号后，对其进行编译和转换，控制电磁阀通电以磁化其内部铁芯，吸入上部静磁铁，并使之与上部静磁铁相连的部件协同工作，从而封闭导流孔，增加液体流动阻力。 关闭电磁阀后，电磁阀的磁性立即消失。 在复位弹簧的作用下，电磁阀恢复到初始状态，导流孔打开。 电磁阀的往复动作控制导流孔的开启和关闭，从而控制脉冲发生器的运行。 电磁阀后部设计有脉冲幅值调节杆，可以控制电磁阀阀芯的伸缩行程，控制导流孔的闭合程度，从而产生不同幅值的压力脉冲信号。

图1 井下电磁控制压力脉冲信号产生机理

当电磁阀关闭时，液体的流动被堵塞。 如果流量保持不变， 脉冲发生器中的压力必然会上升。 当电磁阀开启时，液体流动畅通，压力会恢复到原来的状态。 由于这种信号是阀芯突然开或关时产生的，其产生的脉冲信号高于常压的脉冲信号，因此也常被称为正脉冲信号发生器。 从信号产生机理上看，也属于节流型信号发生器。

1.2 脉冲信号传播模型的建立

井下脉冲发生器的伯努利方程如下：

式中 g——重力加速度，m/s2；

h1——脉冲发生器入口高度，m；

h2——脉冲发生器出口高度，m；

nc——连续关阀次数；

no——连续开阀次数；

ΔP——脉冲幅值，Pa；

Q1——脉冲发生器入口流量，m3/s；

Q2——脉冲发生器出口流量，m3/s；

S1——脉冲发生器入口截面积，m2；

S2——脉冲发生器出口截面积，m2；

α——阀门开度，%；

ρ——液体密度，kg/m3；

ζ——局部压力损失系数，与阀门开度和沿程阻力有关。

注水井脉冲发生器的脉冲信号传输过程是一个不断衰减的过程。 通过研究脉冲信号的衰减因子可以得到影响脉冲信号传输质量的因素，通过改善相应因素，调整系统结构参数，设计合理的注水井脉冲传输系统，可以有效利用信号能量并减少脉冲信号的衰减，从而达到提高脉冲信号传输质量的目的。

注水井脉冲发生器脉冲信号衰减属于指数衰减，其计算式为：

式中 D——脉冲器内径，m；

E——脉冲器的弹性模量，Pa；

e——脉冲器壁厚，m；

f——注水井脉冲发生器脉冲信号的频率，Hz；

Kg——气体的体积弹性模量，Pa；

Kl——液体的体积弹性模量，Pa；

Ks——固体的体积弹性模量，Pa；

P——注水井脉冲发生器脉冲信号传输强度，Pa；

P0——注水井脉冲发生器脉冲信号传输的初始强度，Pa；

x——传输距离，m；

αg——气体密度，kg/m3；

αs——固体的体积浓度，m3/m3；

μ——水的黏度，Pa·s。

由式（2）可以看出，注水井脉冲发生器脉冲信号的衰减与脉冲器内径、介质黏度、注水井脉冲发生器脉冲信号传输频率等相关。 此外，压力脉冲信号的传输还受到信号的反射与透射、孔口噪声干扰、孔内流道阻塞等因素的影响，但由于其影响效果微弱，故可以忽略。

基于理论定性分析，并通过测试试验测量脉冲信号的衰减程度与井深的匹配关系，得出脉冲波在油管内的每千米最大衰减率小于2.5%，并建立图2所示的脉冲幅值随注水井深度变化的关系，实现井口附加脉冲的定量表征。

图2 脉冲压力损失率与井深的关系曲线

基于脉冲波能量衰减率拟合函数，并结合井口与井下脉冲信号衰减关系式可得：

式中 H——注水井深度，m；

P井口——井口压力，Pa；

P井筒损失——井筒损失压力，Pa；

ΔP井口——井口脉冲幅值，Pa；

ΔP井下——井下脉冲幅值，Pa；

y——压力损失率。

反推得到阀前压力脉冲幅值大于0.8 MPa时，井口可测得脉冲信号。 因此，后续需要在保证阀前压力脉冲幅值大于0.8 MPa的前提下， 根据式（1）研究各项结构参数对脉冲幅值的影响。

2 结构参数对脉冲幅值的影响分析

根据压力脉冲信号传播公式（式（1）），采用MATLAB软件进行仿真，并通过改变阀门开度、注水流量来研究结构参数对脉冲幅值的影响关系。

阀门开度分别选取为0.25、0.50、0.75，固定侧孔数量为2，流量为150 m3/d，局部压力损失系数ζ=0.8。 对脉冲发生器脉冲幅值进行仿真分析，结果如图3所示。 可以看出，随着阀门开度的增加，脉冲发生器脉冲幅值逐渐减小。

图3 不同阀门开度下的脉冲幅值

阀门开度选取为0.25， 固定侧孔数量为2，局部压力损失系数ζ=0.8， 在不同流量（30、60、90、120、150、180、210、240、270、300 m3/d） 下对脉冲发生器进行脉冲幅值仿真分析，结果如图4所示。可以看出，随着流量的增加，脉冲发生器脉冲幅值逐渐增大。

图4 不同流量下的脉冲幅值

图5为脉冲压力幅值随流量的变化曲线。 在电磁阀开度及侧孔个数一定的条件下，明确了井下压力脉冲幅值与流速的变化规律，形成了分析决策图版。

图5 水的流量对装置工作特性的影响

3 结束语

笔者建立了脉冲特性参数与注水参数的匹配关系。 具体而言，进行了注水井脉冲波传播衰减规律的分析，得到了当阀前压力脉冲幅值大于0.8 MPa时，井口可测得脉冲信号。 研究了阀门开度与脉冲幅值的相关性，得出在流量一定的条件下，阀门开度为25%～50%时，阀前压力的变化幅度较大；当阀门开度高于50%后，阀前压力的变化趋于平稳且幅值无法满足传输需求，即脉冲幅值随阀门开度的增大而减小。 研究了不同流速与脉冲幅值的变化规律，得出在阀门开度一定的条件下，脉冲幅值随流速的增大而增大。