礦用無線隨鉆測井工具測試循環(huán)系統(tǒng)設計

明立權

（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)明了應用于勘探煤碳及油氣資源的測井技術。我國測井學科的奠基人是著名的地球物理學家，已故的中科院院士翁文波先生。測井數(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，該技術目前已較為成熟地應用于石油鉆探行業(yè)之中。煤炭無線隨鉆測井工具的原理及產(chǎn)品結構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、結構及應用經(jīng)驗，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，進而對產(chǎn)品進行有針對性的設計。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”原理設計，主要是一個泥漿脈沖發(fā)生機構，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，本文設計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。能夠替代工具開發(fā)期部分鉆井現(xiàn)場試驗，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)結構組成及基本功能

試壓循環(huán)系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。該系統(tǒng)主要由動力系統(tǒng)、泵站、循環(huán)套、水箱和輔助管線5個部分組成。動力系統(tǒng)為泵站提供動力，泵站提供液動力，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，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)。

開啟動力系統(tǒng)帶動泵站，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)生器進行優(yōu)化設計。

圖1 試壓循環(huán)系統(tǒng)結構圖

1.2 主要參數(shù)計算

1.2.1 泵站參數(shù)及功率設計計算

泵站的核心部件是液壓泵，因此泵站設計的核心問題就是液壓泵的設計或者選型問題，為降低本設備的制造難度，我們盡量避免采用自主重新開發(fā)設計液壓泵的方案，而是盡量選擇應用普遍、結構成熟的標準產(chǎn)品直接應用或是經(jīng)簡單改造后應用。為滿足方案要求，對目前常用的液壓泵進行研究，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成熟且應用廣泛；容積泵中往復泵技術成熟應用廣泛。綜合考慮研發(fā)制造成本及后續(xù)維護難度，初步選擇離心泵及往復泵作為設備泵站的初選方案。離心泵及往復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 離心泵及往復泵特性對比[1]

圖2 離心泵及往復泵性能曲線[1]

經(jīng)過以上對比，對離心泵及往復泵的基本特點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）初始位置移動到圖3（b）脈沖觸發(fā)位，當活塞移動到脈沖觸發(fā)位的瞬間即觸發(fā)了一個壓力脈沖。活塞在圖3（a）及圖3（b）的位置以一定的頻率往復切換就能夠產(chǎn)生連續(xù)的壓力脈沖信號。

結合上述分析，泥漿脈沖發(fā)生器的實質(zhì)就是一個開度變化的節(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)，離心泵應用的主要問題是揚程與排量存在一定的對應關系，在揚程不變的情況下很難調(diào)整排量，如果選擇離心泵這個問題幾乎無法解決。而往復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)，往復泵的流量不均勻的問題是可以通過增加往復缸這種技術手段解決的，只要將往復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。結合圖4可以分析不同缸數(shù)往復缸瞬時流量的特點。另外通過對煤炭鉆井現(xiàn)場及國內(nèi)礦用鉆機制造廠進行調(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上，確定三缸單作用往復柱塞泵為本系統(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)往復泵瞬時流量曲線[2]

表2 三缸單作用往復柱塞泵基本參數(shù)表

液壓泵確定后，可依據(jù)公式（1）[1]計算泵站的軸功率：

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，當往復柱塞泵工作在參數(shù)“A”時該泵輸出功率最大；故將表1中對應參數(shù)代入式（1）計算，得到泵站的軸功率Pa=26.8 kW。

1.2.2 原動機功率設計計算

往復泵動力系統(tǒng)可選擇柴油機或電動機，為降低系統(tǒng)噪聲、降低污染，本系統(tǒng)選用三相異步電動機作為泵站原動機，采用V帶傳動，動力系統(tǒng)設計有離合器能夠在系統(tǒng)啟動初期使動力機主從動輪分離，確保動力系統(tǒng)啟動過程安全可靠。原動機理論功率計算公式[1]為

式中：P為原動機功率，kW；k為電動機功率裕量系數(shù)；ηt為傳動裝置傳動效率。

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

1.2.3 水箱容量設計計算

水箱有效容量計算公式[4]為

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

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

1.2.4 進出水管內(nèi)徑設計計算

水管內(nèi)徑計算公式[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)該套設備的特點，兼顧安全可靠的原則，進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）可計算相應管道內(nèi)徑。將計算結果圓整后，得到進水管內(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計

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)超壓即可實現(xiàn)自動泄壓功能。

1.3 系統(tǒng)安裝、原理及特點

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。檢查完成確認系統(tǒng)正常后按要求調(diào)整好液壓泵壓力及流量，搬動離合器使主動輪與從動輪分離，操作二位二通換向閥使該閥處于接通狀態(tài)，啟動電動機待電動機運行平穩(wěn)后，搬動離合器使主動輪與從動輪接合。此時泵站開始工作，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閉狀態(tài)，此時試壓液即流過泥漿脈沖發(fā)生器，此時啟動泥漿脈沖發(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數(shù)據(jù)傳給處理器進行分析處理。一旦循環(huán)管線出現(xiàn)異常導致系統(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

該系統(tǒng)主要具有以下特點：1）性能可靠，技術成熟。本套系統(tǒng)選用三相異步電動機為原動機，液壓泵選擇三缸單作用往復柱塞泵，各管線聯(lián)接部位選擇O形橡膠圈密封。以上設計均應用廣泛且成熟可靠，能夠保證整套系統(tǒng)運行可靠。2）成本低廉，便于采購。無論是三相異步電動機，還是三缸單作用往復柱塞泵在國內(nèi)生產(chǎn)制造均十分成熟，而且應用廣泛。可選擇標準產(chǎn)品經(jīng)簡單改造后應用，不會產(chǎn)生過多的非標開發(fā)費用，能夠有效降低開發(fā)成本。3）操作簡單，便于培訓。泵站流量調(diào)節(jié)采用擋位變速調(diào)節(jié)模式，離合機構采用手動手柄式結構。僅需對操作者進行基本培訓即可掌握設備操作技能。4）結構緊湊，便于安裝。原動機及泵站設計為撬裝結構，具備體積小、集成化程度高的特點。

2 結語

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)，在核心零部件的設計選型中均選擇技術成熟、質(zhì)量可靠的國產(chǎn)零部件產(chǎn)品。經(jīng)實際使用可達到設計預期，能夠完成對礦用無線隨鉆測井工具的測試循環(huán)工作。