鉆井液正脈沖器原理研究

許朝輝,王智明,姜天杰

(中海油田服務(wù)股份有限公司,北京101149) *

鉆井液正脈沖器原理研究

許朝輝,王智明,姜天杰

(中海油田服務(wù)股份有限公司,北京101149)*

對(duì)鉆井液正脈沖的基本原理進(jìn)行了描述,并推導(dǎo)出了正脈沖幅值的理論計(jì)算公式。對(duì)國(guó)內(nèi)外使用非常廣泛、技術(shù)最成熟的鉆井液正脈沖器的原理和工作過(guò)程進(jìn)行了分析。提出了正向設(shè)計(jì)此類(lèi)脈沖器的方法和思路。

鉆井液正脈沖器;MWD;LWD

近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)隨鉆測(cè)量(MWD)技術(shù)和隨鉆測(cè)井(LWD)技術(shù)取得了飛速發(fā)展[1-5],中石油、中石化、中海油以及一些民營(yíng)公司紛紛推出各自的儀器進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),在這些儀器中,用來(lái)進(jìn)行井下信號(hào)傳輸?shù)你@井液正脈沖器以其具有良好的耐沖蝕、信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。由于國(guó)內(nèi)大部分正脈沖器的基本原理和結(jié)構(gòu)基本相同或者相似,因此對(duì)該脈沖器進(jìn)行原理分析和研究,對(duì)于研制、改進(jìn)、提高其可靠性及性能具有重要的意義。

1 正脈沖產(chǎn)生機(jī)理

鉆井液脈沖器的基本原理是將井下需要傳遞的信息經(jīng)過(guò)某種特定的編碼方式進(jìn)行編碼,然后利用脈沖器將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為鉆井液的壓力波動(dòng)信號(hào)傳遞到地面,在地面利用壓力傳感器采集壓力信號(hào),經(jīng)過(guò)各種硬件和軟件消除噪聲的影響后,將這些信號(hào)解碼還原為數(shù)字信息,從而達(dá)到信息傳遞的目的。從功能而言,鉆井液脈沖器是一種將井下信號(hào)轉(zhuǎn)化為鉆井液壓力信號(hào)的工具。根據(jù)轉(zhuǎn)化后的壓力信號(hào)形式的不同,通常將其分為正脈沖脈沖器、負(fù)脈沖脈沖器和連續(xù)波脈沖器[6-8]。

正脈沖脈沖器主要部件及原理如圖1。用機(jī)械控制方式控制蘑菇頭上下移動(dòng),由于移動(dòng)過(guò)程中限流環(huán)與蘑菇頭之間間隙的變化,導(dǎo)致入口壓力 p1和出口壓力 p2之間的壓力差△p發(fā)生較大變化,從而產(chǎn)生一個(gè)正向增加的壓力波動(dòng)。這也是正脈沖脈沖器名字的由來(lái)。△p可以用流體力學(xué)的小孔流動(dòng)理論求解。

圖1 正脈沖脈沖器原理

根據(jù)流體的能量方程推導(dǎo)出小孔流量與壓力變化之間的關(guān)系式,即圓形流道完全形成層流的哈根-泊索葉(Hagen-Poiseuille)流量公式[9]為

根據(jù)圖2,進(jìn)一步推導(dǎo)可得出錐形孔隙的流量公式為

即

式中,υ為流體動(dòng)力粘度,Pa·s;d1為蘑菇頭直徑, m;l為間隙長(zhǎng)度,m;Q為通過(guò)孔隙的流量,m;△r1和△r2分別為入口、出口處錐形孔隙大小,m。

圖2 錐形同軸流道

根據(jù)美國(guó) Halliburton公司的泥漿正脈沖器結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù),用式(3)可以求出理論上的壓力脈沖值。該值是選擇合適的限流環(huán)、計(jì)算蘑菇頭受力和不同工況下脈沖幅值、設(shè)計(jì)柱塞泵流量和壓力的理論基礎(chǔ),也可為解決正脈沖器在使用過(guò)程中的一些實(shí)際問(wèn)題提供指導(dǎo)。

2 鉆井液正脈沖器工作原理

鉆井液正脈沖器主要組成部件及工作原理如圖3。在脈沖器外部對(duì)應(yīng)磁軸的部分有一個(gè)帶葉片的渦輪,渦輪葉片的進(jìn)、出口角度不同,所以在鉆井液的沖擊下轉(zhuǎn)子始終會(huì)以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體,在轉(zhuǎn)子的帶動(dòng)下永磁體與磁軸上的永磁體相互作用,帶動(dòng)磁軸也以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。磁軸上安裝有斜盤(pán),斜盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)與柱塞彈簧的交互作用推動(dòng)柱塞泵中的柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng),使柱塞泵始終向高壓腔內(nèi)泵油。

圖3 鉆井液正脈沖器工作原理

控制閥是一個(gè)電磁控制的單向閥,脈沖器的控制電路根據(jù)編碼程序?qū)⒁l(fā)送的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)施加到電磁閥上,控制電磁閥的關(guān)閉。

在常態(tài)(如圖3)下控制閥不通電,是通過(guò)流管連接主閥。主閥是一個(gè)壓差式溢流閥,由于泵內(nèi)的高壓,使流體經(jīng)過(guò)主閥閥芯上的小孔后流經(jīng)流管到達(dá)控制閥,在高壓作用下控制閥處于常開(kāi)狀態(tài),從而形成一個(gè)回路1。在此回路中,由于流體流經(jīng)主閥閥芯中的小孔時(shí)會(huì)形成一個(gè)壓差,壓差隨著流量的增大而增大,當(dāng)這個(gè)壓差增大到一定閾值時(shí),在上下壓差作用下壓縮主閥彈簧,使閥芯下移至圖3位置,主閥旁路打開(kāi)形成另一個(gè)回路2。

當(dāng)控制電路給控制閥通電(如圖4)時(shí),電磁閥產(chǎn)生磁力吸引壓盤(pán)磁鐵,壓盤(pán)壓住閥球,控制閥關(guān)閉回路1使主閥內(nèi)外壓差消失,在主閥彈簧力的作用下,主閥閥芯上移直至關(guān)閉回路2。此時(shí),柱塞泵泵出的流體在高壓腔中的壓力繼續(xù)增大到一定閾值后推動(dòng)活塞上移,即頂桿頂出蘑菇頭。在活塞殼體上距離活塞初始位置向上一定的距離,即蘑菇頭的行程上有一卸油孔,當(dāng)活塞上移到這個(gè)位置后,流體通過(guò)卸油孔流回低壓區(qū)形成回路3。如果電磁閥始終保持供電狀態(tài),蘑菇頭將一直保持在完全伸出位置,如圖5。

圖4 鉆井液正脈沖器控制閥供電狀態(tài)

圖5 鉆井液正脈沖器蘑菇頭完全伸出狀態(tài)

當(dāng)電磁閥斷電后,控制閥開(kāi)啟,回路1開(kāi)通;主閥閥芯下移,回路2開(kāi)通,高壓腔壓力下降。由于泥漿對(duì)蘑菇頭的沖擊力和復(fù)位彈簧(Halliburton較高傳輸速度的脈沖器中才有)的共同作用,活塞又迅速回到圖3所示位置,完成脈沖器的整個(gè)工作過(guò)程。

3 結(jié)論

1) 可根據(jù)井下工況,通過(guò)所需脈沖壓力信號(hào)強(qiáng)度,即蘑菇頭的大小、泥漿密度、流量、蘑菇頭限流環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸等計(jì)算出泵壓,根據(jù)傳輸信號(hào)的速率計(jì)算出活塞速度,從而確定泵的流量。

2) 根據(jù)控制信號(hào)的大小和系統(tǒng)壓力,可計(jì)算控制閥的開(kāi)啟壓力,設(shè)計(jì)控制閥的電磁參數(shù)。

3) 通過(guò)控制閥的開(kāi)啟參數(shù)和活塞推力,能夠確定主閥的開(kāi)啟壓力和主閥旁通口的大小,設(shè)計(jì)主閥彈簧。

[1] 張向維,陳 兵,馬軍亮,等.隨鉆地層測(cè)試器預(yù)測(cè)試技術(shù)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(1):13-16.

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[9] 宋鴻堯,丁忠堯.液壓閥設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982.

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

中海油總公司“SPOTE系統(tǒng)工程化研制”(JSB10YF006)

許朝輝(1976-),男,高級(jí)工程師,碩士,從事井下石油工具的研究和設(shè)計(jì)工作,E-mail:xuzhh@cosl.com.cn。