連續波脈沖發生器關鍵技術與穩定性研究

李若飛 黃繼龍 任偉

摘要：隨著世界各國對天然氣、石油的需求量不斷增加，各行各業對鉆井技術也提出了非常嚴格的要求。隨鉆測量數據高速率傳輸是增強鉆井技術的必要條件。而連續波發生器則是其傳輸系統的一個核心技術，所以，本文對其關鍵技術及穩定性進行探討，旨在為我國自主設計成高效率傳輸鉆井液連續波發生器等提供所需要的理論依據。

關鍵詞：隨鉆測量鉆井液;連續波發生器;關鍵技術;穩定性

由于工業化水平的不斷發展，很多行業對天然氣、石油等資源的需求量在持續提升，對此，能源緊缺是世界各國不得不面對及思考的重要難題。所以，促使現代鉆井技術升級則是提高能源采收率的一個必要途徑。而隨鉆測量技術則是優化現代鉆井技術的一個必要基礎，根據目前的隨鉆井下信息傳輸技術來說，鉆井液連續波發生器則是一個效率最高的輸送模式，不過，在具體應用前需要對其展開全面探討。所以，接下來我們對其關鍵技術及穩定性展開探討，進而明確出一套科學、完善、有效的理論體系。

一、隨鉆測量鉆井液連續波發生器概述

MWD（隨鉆測量）是指：鉆井期間測量井眼軌跡數據（定向參數），然后將其迅速、技術上傳的隨鉆測量系統。其組成有三部分，即;隨鉆測量儀、兼有地面信號接收與數據處理功能的地面系統。LWD（隨鉆測井）是指：在鉆井期間測量用于地層評價的地質參數的隨鉆測量系統，通過MWD系統對其隨鉆測量信息進行及時、高效的傳輸。而在隨鉆測量信息傳遞技術中，則需要一個信號傳遞媒介，通常是有三種，即：負脈沖發生器、正脈沖發生器、連續波發生器。其中，前兩種不是本文的研究重點，所以在此無需贅述。

連續波發生器的運行原理是;將一個旋轉閥置于鉆鋌內孔中，確保其轉軸軸線與后者軸線重疊，也就是說，轉子的旋轉面和鉆井液流動方向正交。當旋轉閥的合度逐漸減少的時候，鉆柱中鉆井液的流道出現堵塞問題，旋轉閥之上的液柱內形成一個非靜態的正脈沖，然后往上傳遞，且旋轉閥下端的液柱中形成一個非靜態的負脈沖，然后往下傳遞;在轉子旋轉的過程中，且旋轉閥的合度逐漸增加的時候，鉆柱中鉆井液流道不再受堵，慢慢地順暢，旋轉閥的上端和下端的液柱壓力慢慢地返回至之前的靜態值。其中，圖1.1表示連續波發生器旋轉閥的轉子與定子都包括三個葉片，轉子旋轉一周，旋轉閥上端的液柱中則會形成三個正脈沖，同時它們會連接起來出現一個持續性的壓力波，故而又稱“連續波”。

站在聲學的角度進行分成，正脈沖與負脈沖發生器均會形成持續性的壓力波。不過，因為壓力波無法連接，所以僅會形成斷斷續續的壓力波，那么必然會對數據傳輸率造成一定的影響，通常來說是不會超過5bps。不過，根據目前隨鉆傳輸技術的具體應用來說，連續波發生器在傳輸效率方面是非常大的。由于其關鍵技術基本上是被個別外國企業所壟斷，對此，我國需要對其進行自主研發，力爭能夠掌握其核心技術，促使其在相關領域中得到有效地推廣和應用。

二、隨鉆測量鉆井液連續波發生器關鍵技術與穩定性研究

（一）連續波發生器關鍵技術

連續波發生器在設計時，一定要重點探討以下關鍵技術，即：脈沖發生器定、轉子材料、遠程磁力定位器設計、初始結構設計;結構參數和脈沖信號物理性質的關系;旋轉機械的流動特性仿真與定轉子結構優化設計等。

通常轉子與定子是在井下運行的，因為鉆井液內存在固相顆粒或雜質，偶爾會導致阻塞問題。若要降低其發生率，需要在減速箱和轉子間通過遠程磁力定位器進行調控。同時，借助于CFD工程軟件對脈沖發生器轉子與定子的流場進行探討，此時必須要應用到滑動網格理論;值得注意的是，還需要對汽笛轉子、定子和發電機渦輪葉片形狀進行優化制作，其目的是為了規避沖蝕，增強發電機功效。

若要增強信號質量，務必要對影響信號傳遞的相關因素進行研究：信號傳遞衰減的影響因素包括鉆井液的塑性粘度、鉆井液密度、傳輸頻率、鉆井泵壓力等;影響傳遞信號的因素包括鉆桿的震動、鉆井液的條件、反射等;同時也包括鉆井泵噪音、鉆頭噪音、馬達噪音等等。

（二）穩定性研究

從力學角度來看，轉動機械中的轉子與其軸承、支承座等均屬于轉子系統的重要組成部分。若出現液膜渦動、液膜震蕩等問題的話，必然會出現液膜失穩，進而引起轉子系統失穩。所以，若要確保鉆井信息傳遞技術的有效、及時和穩定，務必要對轉子系統的穩定性進行探討和評價。

在鉆井過程中，因為鉆頭牙齒間斷性地與地面接觸或巖石碰撞，必然會引起間斷性的震蕩，所以，其是造成轉子系統失穩的關鍵因素。對此，我們需要根據不同的條件對轉子系統失穩的影響因素進行探討，然后創建力學模型如圖2.1，確保在其鉆井期間，盡可能地規避這些消極因素。圖2.1所示兩個轉子系統，其質量圓盤對軸承呈不對稱分布特點，兩側軸承的幾何參數一樣，轉軸自身需精簡成無質量的等截面的彈性軸。TC軸承的外圈置于鉆鋌內，鉆鋌的剛度明顯超過轉軸的剛度，對此，將軸承外圈與鉆鋌模化成剛體。

2.1轉子系統的力學模型

我們結合不同的問題及工況進行個性化地分析，把握最本質的要點，將一些次要因素整合在一起，然后進行鉆井操作步驟的調整，力爭確保系統的穩定和安全。總之在井下作業時，造成轉子系統失穩的外界環境是主要的干擾要是，TC軸承在輕載條件下容易出現渦動，所以，確保要確保TC軸承液膜具備較強的抗穩性，其會對鉆井液連續波發生器的信息傳輸效率造成直接影響。

三、結束語

隨著世界各國對天然氣、石油等需求量的不斷提升，目前的鉆井技術也需要不斷優化和升級，否則無法滿足市場不斷增長的客觀需求。根據國內相關企業不斷開拓海外市場的戰略計劃來看，自主研制關鍵技術則是一個亟需重視及突破的核心任務。連續波發生器容易受到鉆井液的沖蝕，同時在井下運行期間，其內部組成系統-轉子系統的穩定性也容易受到外界環境的干擾，由此來看，其屬于一個相對復雜的設備。當然，通過研究鉆井配套設備的構成來看，其也屬于MWD、LWD系統中一個很常見的配件，其結構特點、系統參數及穩定性等都會對信號傳輸的效率及質量造成直接的影響，對此在進行關鍵技術研發及涉及到過程中，務必要在這方面加大研發力量，力爭盡早實現技術性的突破，此對我國成功研制出所需要的關鍵技術做出巨大的貢獻，并且也能夠進一步推動世界鉆井技術的升級和發展。

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