礦用無線隨鉆測井工具測試循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

明立權(quán)

（上海山潛智能科技有限公司，上海201401）

0 引言

1927年法國的斯倫貝謝兄弟發(fā)明了應(yīng)用于勘探煤碳及油氣資源的測井技術(shù)。我國測井學(xué)科的奠基人是著名的地球物理學(xué)家，已故的中科院院士翁文波先生。測井?dāng)?shù)據(jù)的傳輸方式主要分為有線傳輸與無線傳輸，其中無線傳輸方式按原理又分為“泥漿脈沖信號傳輸”、“電磁波信號傳輸”及“聲波信號傳輸”等常見的3種形式。

目前在我國應(yīng)用最為廣泛的無線信號傳輸方式是泥漿脈沖信號傳輸，該技術(shù)目前已較為成熟地應(yīng)用于石油鉆探行業(yè)之中。煤炭無線隨鉆測井工具的原理及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與石油測井工具基本一致，但是煤炭鉆探相較石油鉆探在以下方面存在較大差異：1）礦井作業(yè)有高級別的防爆要求；2）煤炭鉆井的井孔軌跡多為水平或近水平作業(yè)；3）煤炭鉆井的井孔尺寸小，泥漿循環(huán)排量小、壓力低。基于以上原因，在對礦用無線隨鉆測井工具的開發(fā)過程中，既要充分研究吸收石油鉆探用測井產(chǎn)品的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，又要分析并找出煤炭鉆探與石油鉆探之間差異對測井工具的影響，進(jìn)而對產(chǎn)品進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)。本文中所述裝置所測試的產(chǎn)品主要由探測部分及數(shù)據(jù)傳輸部分組成。其中探測部分主要由定向探管及伽馬探管組成；傳輸部分利用“泥漿脈沖信號傳輸”原理設(shè)計(jì)，主要是一個(gè)泥漿脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)，本文簡稱“泥漿脈沖發(fā)生器”。

為了測試新開發(fā)的泥漿脈沖發(fā)生器是否能夠滿足煤礦鉆探要求，本文設(shè)計(jì)了一套能夠模擬煤礦鉆井水力循環(huán)參數(shù)的試壓循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的水力循環(huán)參數(shù)與煤炭鉆井作業(yè)的實(shí)際水力循環(huán)參數(shù)基本一致，能夠完全滿足產(chǎn)品開發(fā)期內(nèi)在工廠內(nèi)部對工具泥漿脈沖發(fā)生器的測試試驗(yàn)。能夠替代工具開發(fā)期部分鉆井現(xiàn)場試驗(yàn)，從而起到縮短測試周期、提高測試效率、降低開發(fā)成本的目的。

1 礦用無線隨鉆測井工具試壓循環(huán)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及基本功能

試壓循環(huán)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、泵站、循環(huán)套、水箱和輔助管線5個(gè)部分組成。動(dòng)力系統(tǒng)為泵站提供動(dòng)力，泵站提供液動(dòng)力，循環(huán)套內(nèi)部可以安裝被測工具，水箱內(nèi)部承裝試壓液，輔助管線將各部分連接成閉合的“循環(huán)流道”。工作時(shí)，在水箱內(nèi)部加入規(guī)定數(shù)量的試壓液，被測試工具安裝到循環(huán)套內(nèi)。

開啟動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)泵站，將水箱內(nèi)部的試壓液以規(guī)定的壓力及排量經(jīng)出水管注入循環(huán)套內(nèi)，經(jīng)回水管返回水箱形成循環(huán)。此時(shí)開啟被測工具的泥漿脈沖發(fā)生器，系統(tǒng)即可對泥漿脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行采集分析。根據(jù)被采集到脈沖信號的幅值、周期及寬度等參數(shù)，即可有針對性地對工具的泥漿脈沖發(fā)生器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 試壓循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 主要參數(shù)計(jì)算

1.2.1 泵站參數(shù)及功率設(shè)計(jì)計(jì)算

泵站的核心部件是液壓泵，因此泵站設(shè)計(jì)的核心問題就是液壓泵的設(shè)計(jì)或者選型問題，為降低本設(shè)備的制造難度，我們盡量避免采用自主重新開發(fā)設(shè)計(jì)液壓泵的方案，而是盡量選擇應(yīng)用普遍、結(jié)構(gòu)成熟的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品直接應(yīng)用或是經(jīng)簡單改造后應(yīng)用。為滿足方案要求，對目前常用的液壓泵進(jìn)行研究，目前常用的液壓泵主要分為兩大類別：一類是葉片泵，一類是容積泵。葉片泵中離心泵技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛；容積泵中往復(fù)泵技術(shù)成熟應(yīng)用廣泛。綜合考慮研發(fā)制造成本及后續(xù)維護(hù)難度，初步選擇離心泵及往復(fù)泵作為設(shè)備泵站的初選方案。離心泵及往復(fù)泵基本特性對比如表1所示，工作性能曲線如圖2所示。

表1 離心泵及往復(fù)泵特性對比[1]

圖2 離心泵及往復(fù)泵性能曲線[1]

經(jīng)過以上對比，對離心泵及往復(fù)泵的基本特點(diǎn)及性能曲線有了一定的了解。接下來我們分析泥漿脈沖發(fā)生器的基本工作原理。如圖3所示，密封套及活塞安裝在鉆具內(nèi)孔里面，鉆具內(nèi)部充滿試壓液，當(dāng)試壓液以定壓力、定排量在鉆具內(nèi)部按箭頭方向開始循環(huán)后，操作活塞使活塞從圖3（a）初始位置移動(dòng)到圖3（b）脈沖觸發(fā)位，當(dāng)活塞移動(dòng)到脈沖觸發(fā)位的瞬間即觸發(fā)了一個(gè)壓力脈沖。活塞在圖3（a）及圖3（b）的位置以一定的頻率往復(fù)切換就能夠產(chǎn)生連續(xù)的壓力脈沖信號。

結(jié)合上述分析，泥漿脈沖發(fā)生器的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)開度變化的節(jié)流閥，可以判定系統(tǒng)的流量穩(wěn)定性、流量均勻性及系統(tǒng)壓力對泥漿脈沖發(fā)生器的工作可以產(chǎn)生較大的影響。通過對表1及圖2的對比分析發(fā)現(xiàn)，離心泵應(yīng)用的主要問題是揚(yáng)程與排量存在一定的對應(yīng)關(guān)系，在揚(yáng)程不變的情況下很難調(diào)整排量，如果選擇離心泵這個(gè)問題幾乎無法解決。而往復(fù)泵能夠很好地避免離心泵的缺陷，但是存在流量不均勻的問題。通過研究發(fā)現(xiàn)，往復(fù)泵的流量不均勻的問題是可以通過增加往復(fù)缸這種技術(shù)手段解決的，只要將往復(fù)泵的流量不均勻性降低到不影響泥漿脈沖發(fā)生器工作即可。結(jié)合圖4可以分析不同缸數(shù)往復(fù)缸瞬時(shí)流量的特點(diǎn)。另外通過對煤炭鉆井現(xiàn)場及國內(nèi)礦用鉆機(jī)制造廠進(jìn)行調(diào)研了解，目前煤炭常規(guī)鉆井泥漿水利系統(tǒng)排量在300 L/min左右，循環(huán)壓力一般不高于10 MPa。通過上述分析，在滿足上述參數(shù)并兼顧考慮制造成本的基礎(chǔ)上，確定三缸單作用往復(fù)柱塞泵為本系統(tǒng)的液力源，該泵壓力及排量分A、B、C、D四個(gè)擋位可調(diào)，其主要參數(shù)如表2所示。

圖3 泥漿脈沖發(fā)生器工作原理

圖4 不同缸數(shù)往復(fù)泵瞬時(shí)流量曲線[2]

表2 三缸單作用往復(fù)柱塞泵基本參數(shù)表

液壓泵確定后，可依據(jù)公式（1）[1]計(jì)算泵站的軸功率：

式中：Pa為泵站額定工況下的軸功率，kW；Pd為泵站出口壓力，MPa；Ps為泵站入口壓力，MPa；Q為泵站額定流量，m3/s。

根據(jù)表1給定參數(shù)和式（1）分析可知，當(dāng)往復(fù)柱塞泵工作在參數(shù)“A”時(shí)該泵輸出功率最大；故將表1中對應(yīng)參數(shù)代入式（1）計(jì)算，得到泵站的軸功率Pa=26.8 kW。

1.2.2 原動(dòng)機(jī)功率設(shè)計(jì)計(jì)算

往復(fù)泵動(dòng)力系統(tǒng)可選擇柴油機(jī)或電動(dòng)機(jī)，為降低系統(tǒng)噪聲、降低污染，本系統(tǒng)選用三相異步電動(dòng)機(jī)作為泵站原動(dòng)機(jī)，采用V帶傳動(dòng)，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)有離合器能夠在系統(tǒng)啟動(dòng)初期使動(dòng)力機(jī)主從動(dòng)輪分離，確保動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)過程安全可靠。原動(dòng)機(jī)理論功率計(jì)算公式[1]為

式中：P為原動(dòng)機(jī)功率，kW；k為電動(dòng)機(jī)功率裕量系數(shù)；ηt為傳動(dòng)裝置傳動(dòng)效率。

依據(jù)文獻(xiàn)[1]，k值按1.15選取；V帶傳動(dòng)效率為0.92。將1.2.1結(jié)果及上述參數(shù)代入式（2），計(jì)算得P=33.5 kW。依據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合文獻(xiàn)[3]，該系統(tǒng)選用額定功率為37 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)。

1.2.3 水箱容量設(shè)計(jì)計(jì)算

水箱有效容量計(jì)算公式[4]為

式中：V為水箱有效容量，m3；a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；QS為泵站流量，m3/min。

依據(jù)系統(tǒng)工作壓力可得經(jīng)驗(yàn)系數(shù)在2～4范圍內(nèi)，該設(shè)備選取中間值3，根據(jù)表2參數(shù)，最大流量為0.32 m3/min，計(jì)算得水箱有效容量V=0.96 m3。

1.2.4 進(jìn)出水管內(nèi)徑設(shè)計(jì)計(jì)算

水管內(nèi)徑計(jì)算公式[4]為

式中：d為管道內(nèi)徑，mm；v為管道允許流速，m/s。

v可參照以下規(guī)則取值：對于常壓類管道，進(jìn)水管可在0.5～1.5 m/s范圍內(nèi)取值，回水管可在1.5～2.5 m/s范圍內(nèi)取值；對于承壓類管道壓力在2.5～16.0 MPa之間的可在3～4 m/s范圍內(nèi)取值。根據(jù)該套設(shè)備的特點(diǎn)，兼顧安全可靠的原則，進(jìn)水管速度在推薦范圍內(nèi)選擇偏下限數(shù)據(jù)，出水管壓力及流速均選取推薦范圍的中位值，將選取的數(shù)據(jù)及其他已知數(shù)據(jù)代入式（4）可計(jì)算相應(yīng)管道內(nèi)徑。將計(jì)算結(jié)果圓整后，得到進(jìn)水管內(nèi)徑為3.5 in（89 mm），回水管內(nèi)徑為2 in（50 mm），出水管內(nèi)徑為1.75 in（45 mm）。

1.2.5 接頭、輔助零件及安全裝置設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)的試壓液易引起普通碳鋼銹蝕，為保證接頭等管路連接件及水箱不被銹蝕，管路接頭選擇304不銹鋼制造，水箱選用PE塑膠制成；循環(huán)套內(nèi)部安裝被測工具，套體本身不能對被測試的工具的磁通量產(chǎn)生干擾，因此可選擇鈦合金管加工制造；接頭連接螺紋采用米制直螺紋形式，連接部位選擇O形圈密封；循環(huán)套入口部位的壓力變送器量程選擇0～10 MPa范圍，采用復(fù)合墊密封。另外，為確保操作人員安全，泵站出口位置加裝溢流閥，一旦系統(tǒng)超壓即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泄壓功能。

1.3 系統(tǒng)安裝、原理及特點(diǎn)

1）泵站需安裝并固定在水平的地面上，被測工具安裝到循環(huán)套內(nèi)部并固定在試驗(yàn)基座上，將泵站、循環(huán)套及水箱等用管線連接牢固。

2）系統(tǒng)原理圖如圖5所示，其中泥漿脈沖發(fā)生器等效為開度可調(diào)的節(jié)流閥。開泵前檢查液壓管線各連接位置是否連接可靠、各控制閥是否工作正常。檢查完成確認(rèn)系統(tǒng)正常后按要求調(diào)整好液壓泵壓力及流量，搬動(dòng)離合器使主動(dòng)輪與從動(dòng)輪分離，操作二位二通換向閥使該閥處于接通狀態(tài)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)待電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后，搬動(dòng)離合器使主動(dòng)輪與從動(dòng)輪接合。此時(shí)泵站開始工作，觀察系統(tǒng)回水口，待回水口出水量平穩(wěn)后操作二位二通換向閥使該閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)試壓液即流過泥漿脈沖發(fā)生器，此時(shí)啟動(dòng)泥漿脈沖發(fā)生器，管線內(nèi)部即產(chǎn)生脈沖壓力，壓力變送器檢測到脈沖壓力后即可將相關(guān)數(shù)據(jù)傳給處理器進(jìn)行分析處理。一旦循環(huán)管線出現(xiàn)異常導(dǎo)致系統(tǒng)超過安全壓力，安裝在管線支路的溢流閥即可開啟泄壓，以確保工作人員及測試系統(tǒng)安全。

圖5 系統(tǒng)原理圖

1.4 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

該系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)：1）性能可靠，技術(shù)成熟。本套系統(tǒng)選用三相異步電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)，液壓泵選擇三缸單作用往復(fù)柱塞泵，各管線聯(lián)接部位選擇O形橡膠圈密封。以上設(shè)計(jì)均應(yīng)用廣泛且成熟可靠，能夠保證整套系統(tǒng)運(yùn)行可靠。2）成本低廉，便于采購。無論是三相異步電動(dòng)機(jī)，還是三缸單作用往復(fù)柱塞泵在國內(nèi)生產(chǎn)制造均十分成熟，而且應(yīng)用廣泛。可選擇標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品經(jīng)簡單改造后應(yīng)用，不會產(chǎn)生過多的非標(biāo)開發(fā)費(fèi)用，能夠有效降低開發(fā)成本。3）操作簡單，便于培訓(xùn)。泵站流量調(diào)節(jié)采用擋位變速調(diào)節(jié)模式，離合機(jī)構(gòu)采用手動(dòng)手柄式結(jié)構(gòu)。僅需對操作者進(jìn)行基本培訓(xùn)即可掌握設(shè)備操作技能。4）結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。原動(dòng)機(jī)及泵站設(shè)計(jì)為撬裝結(jié)構(gòu)，具備體積小、集成化程度高的特點(diǎn)。

2 結(jié)語

該系統(tǒng)是為礦用無線隨鉆測井工具研制而開發(fā)的一套測試循環(huán)系統(tǒng)，在核心零部件的設(shè)計(jì)選型中均選擇技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠的國產(chǎn)零部件產(chǎn)品。經(jīng)實(shí)際使用可達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，能夠完成對礦用無線隨鉆測井工具的測試循環(huán)工作。