MWD連續波井下脈沖發生器結構設計探討

黃繼龍 任偉 李若飛

摘要：隨著鉆井工程技術的不斷發展，井下井眼軌跡控制技術發展創新，隨鉆測量技術在工作中需要采集的數據與參數數量越來越多，對地上與井下之間的通訊質量與效率都提出了更高的要求。連續波鉆井液脈沖發射器技術的研發與制造可以在很大程度上提高信號傳輸的速率，對我國鉆井工程及隨鉆測量技術具有積極的推動作用。本文對連續波鉆井液脈沖發射器的相關問題進行了簡要論述，在結合筆者的工作實踐的基礎上，對連續波鉆井液脈沖發射器的結構設計提出了幾點建議，提高我國自主設計研發的脈沖發射器的信號傳輸效率，促進我國隨鉆測量技術及相關設備研發制造工作的創新發展提供參考。

關鍵詞：連續波鉆進液;脈沖發射器;結構設計

連續波鉆井液脈沖發射器技術是在正脈沖信號、負脈沖信號發射器技術的基礎上更為先進的一種發射技術，在信號的傳輸效率上有了較大的提高，研究連續波鉆井液脈沖發射器的結構設計對于我國鉆井隨鉆測量工作的提升具有重要的現實意義。

一、連續波鉆井液脈沖發射器概述

石油鉆井過程中井眼軌跡控制技術直接影響鉆井實施工作質量。由于鉆井工程往往需要鉆入地下數千米的距離，在鉆井設備與地上控制設備之間進行無線電信號傳輸過程中，電磁波信號在鉆井中衰減比例高，信號采集及譯碼難度增大，因此，地面上與鉆井下的信息傳輸是鉆井井眼軌跡控制的核心技術，隨著鉆井液脈沖信號傳輸技術的出現，鉆井信號傳輸技術實現了突破性的進展。從我國目前石油鉆井測量系統使用的技術來看，多數鉆井都使用正脈沖發射器輸出脈沖信號，信號輸出效率較低，一般在0.5-3b每秒左右。連續波鉆井液脈沖發射器的理論傳輸效率則可以達到3-6b每秒，相較于正脈沖波發射器信號傳輸效率大大提高。連續波鉆井液脈沖發射器的核心部件由一個定子和一個轉子組成，轉子和定子上有多個葉片，通過調節轉子與定子上葉片的重合角度控制相對位置中間的空隙可以調節通過葉片中間流體的大小，從而達到連續釋放壓力波的產生。目前各科研機構對于連續撥脈沖發射器的優化設計主要有轉子的優化設計、脈沖波信號接收系統優化等多種優化方式，對于信號輸出的優化效果的提高都有不同程度的影響。由于世界上正在投入使用的先進的連續波脈沖發射器主要被外國一些先進廠家壟斷，而且采用只租不售的方式進行獲利，因此我國國內對于連續波脈沖發生器的研發工作在很長一段時間內都將會是石油鉆井設備研發工作中的重點內容。

二、連續波鉆井液脈沖發射器結構設計

（一）優化轉子定子葉片

連續波脈沖發射器的工作機理是通過轉子和定子上葉片的周期性轉動，實現葉片之間空隙大小面積的周期性變化，從而周期性的控制同構空隙間的鉆井液，最終實現鉆井液脈沖信號的輸出，而轉子與定子的葉片材料、加工工藝、形狀、運動狀態下的機械特性都對脈沖信號的輸出有很大的影響。不同的葉片形狀對于鉆井液在流動狀態下產生不同的阻力，同時也會產生不同的脈沖波形，對于地上的脈沖型號接收裝置而言，最理想狀態的波形應為標準的正弦波，但是在實際情況中，脈沖發射器產生的脈沖信號很好能產生標準的正弦波，因此，在連續波鉆井液脈沖發生器的優化設計思路中，很多都是從定子、轉子的葉片優化入手，通過改變葉片的形狀、材質、機械加工工藝等方面屬性，使其產生的脈沖型號更加貼近于理想的正弦波。從理論實驗與實際運用的結果來看，葉片采用圓角的邊緣設計、圓弧形的葉片形狀設計可以很好的控制鉆井液的流動狀態，對于脈沖信號的輸出具有很好的提升效果。

（二）大量實驗總結衰減特性

脈沖發射器產生的脈沖信號隨著鉆井液在鉆井中的流通過程中會產生大量的衰減，因此在連續波鉆井液脈沖發射器的設計過程中應該需要進行大量的實驗來采集脈沖信號衰減的規律的相關信息，從而在設計過程中將衰減的特性進行預期考慮，以提高產生的脈沖信號波的效果。如果不考慮脈沖信號的衰減特性，脈沖發射器產生的波形在不同的物理作業環境下都會產生與預期有較大的初入，在信號的傳說的速率與質量方面都與預期產生較大的差異，很難達到具體工作使用的要求。而為了得到比較準確的衰減特性的規律總結，需要在理論實驗中反復進行經過大量的實驗，總結優化回歸方程以得到更精確的數據。脈沖信號衰減特性的一些較小的差別，在實際操作過程中都會對脈沖發射器產生的信號以及輸出效率產生較大的影響，因此，脈沖信號的衰減特性的采集是連續波鉆井液脈沖發射器的設計過程中的重要工作之一。

（三）優化脈沖信號接收的數學模型

我國目前在連續波鉆井液脈沖發射器的研發與制造過程中已經取得了一定的突破，攻克了一些技術性的難關，但是在將產品進行量產并投入鉆井工程使用的環節中還存在較大的困難。一方面是因為脈沖發射器的信號發射階段的信號不準確，另一方面是因為在地上的信號接收設備的接收數學模型沿用國外的數學模型，與我國設計的發射裝置的兼容性不高，對于接收到的信號的譯碼質量與效果不高，從而影響了鉆井液脈沖發射器的信號傳輸效率。因此，在脈沖型號發射器的結構設計中，還需要充分考慮接收信號的數學模型，對鉆井液脈沖信號的傳播特性進行分析，加強脈沖信號編譯的準確性。在機械結構的設計上，也要進行相應的優化設計，以降低信號傳播過程中的復雜性，降低建立數學模型進行編譯的工作量與設計難度。對于不同作業環境下的脈沖發射器設計，需要在數學模型的建立上體現設計思路的差異化，在傳輸型號的頻率上也體現差異化，兼顧脈沖信號接收分析模型的特殊性與適用性，從而提升脈沖信號發射的信號發射與信號輸出效果。

結語

綜上所述，連續波鉆井液脈沖信號發射器的研發與優化工作在很長一段時間內都將是我國鉆井隨鉆測量領域的重要工作之一，我國的脈沖型號發射器研發與制造現狀與國外發達國家還存在較大的差距。連續波鉆井液脈沖信號發射器研發我設計工作者可以從優化轉子定子葉片、大量實驗總結衰減特性、優化脈沖信號接收的數學模型三個方面入手，優化脈沖發射器的結構設計，提高我國自主設計研發的脈沖發射器的信號傳輸效率，促進我國隨鉆測量技術及相關設備研發制造工作的創新發展。

參考文獻：

[1]鄢志丹，耿艷峰，魏春明，高廷正，吳光韜，王田農.連續波脈沖隨鉆數據傳輸系統設計與實現[J].電子測量與儀器學報，2018，32（12）：85-92.

[2]楊磊，張剛，程濤，魏鴻，張麗.連續油管鉆井技術分析[J].化工設計通訊，2018，44（11）：241.

[3]宿恒毅.高速脈沖信號傳輸機理和優化設計[J].中國石油和化工標準與質量，2018，38（22）：94-95.