机械式无线随钻测斜仪正脉冲发生器研究

机械式无线随钻测斜仪正脉冲发生器研究
测斜仪是石油钻井工程中测量井斜的工具，测斜质量的好坏直接决定着钻井质量。

为此，开展了对机械式无线随钻测斜仪的研究，针对机械式无线随钻测斜仪在深井、超深井中存在着信号衰减、脉冲强度不够等问题，重点对机械式无线随钻测斜仪脉冲发生装置进行了研究分析，通过理论推导算出泥浆传输压力和速度公式，分析泥浆脉冲发生机理。

同时，采用计算流体力学的方法，利用Fluent 对脉冲发生装置内部流场进行数值模拟，通过模拟分析，总结出影响压力脉冲强度的参数。

模拟结果表明，改进后的压力脉冲效果明显，这对于提升信号稳定性、减少衰减具有一定的实际意义。

标签：脉冲发生装置；机械式无线随钻测斜仪；Fluent；数值模拟；泥浆
doi：10.19311/ki.1672-3198.2017.18.088
1 前言
测斜技术分为有线随钻和无线随钻技术，目前，多数测斜仪大都采用无线随钻测斜方式。

对于井斜问题是钻井工程中不可避免的“误差”。

如何最小化的克服井斜问题，是钻井工程中首当其冲的问题，这就要求研发更精密的测斜工具、研究测斜方法和创建系统的测斜理论。

随着钻探技术的成熟，出现了定向井、分支井、水平井、大位移井等特殊工艺井，应运而生的是各种测斜仪器。

世界各国都已经普遍使用无线随钻测斜仪。

该仪器最大好处可以测量井斜角和方位角，同时，可以完成某些井下信息（地质参数、井眼轨迹等）的记录。

这就为钻井工程奠定了可靠的基础。

无线随钻技术能够满足直井、水平井、大位移井、分支井等井的井斜测量，目前，国际钻井作业中大部分都采用无线随钻测斜仪，该仪器脉冲发生装置的核心部分是由电子元件组成的探管，其抗高压和高温的能力差，当井温超过125℃时，测斜仪基本失去作用，在井底停止工作。

为满足高温、高压井的需求，国内外展开了对机械式无线随钻测斜仪的研究，机械式无线随钻测斜仪全部采用金属元件，该仪器密封系统采用耐高温、高压橡胶密封元件，最大抗高压可达到160MPa，抗高温可达到225℃，达到高温、高压等特殊井的测斜要求。

机械式无线随钻测斜仪对于监测井斜，减少成本，提高效益具有长远的意义。

2 机械式无线随钻测斜仪结构分析
机械式无线随钻测斜仪用于井下测量，其结构主要由井底测量装置和地上接受脉冲信号装置组成。

井底测量装置是整个机械式无线随钻测斜仪的主要部分，由脉冲发生装置、行程放大装置、壳体、测量井斜装置和阻尼装置等部分构成。

本文主要研究的是无线随钻测斜仪脉冲发生装置的机理及对脉冲发生装置
的优化计算及改进，现重点阐述脉冲发生装置。

3 脉冲发生装置研究
3.1 脉冲发生装置
脉冲发生装置主要由脉冲筒、脉冲杆和蘑菇头组成。

脉冲发生装置用于发射脉冲压力波。

蘑菇头和脉冲杆可以在脉冲筒内往复运动，当蘑菇头受泥浆的压力而向下运动到脉冲筒中过流孔隙的位置时，蘑菇头和过流孔隙的内径基本吻合，泥浆通道被堵塞，产生一个较强的压力，当蘑菇头通过过流孔隙进入脉冲筒腔体内，泥浆流道恢复，压力恢复正常。

脉冲发生装置正是由于引起泥浆的过流面积的变化而引起压力的波动，达到产生压力波的目的。

3.2 信号传输方式的研究
对于无线随钻测斜信号的传输方式无不外乎泥浆脉冲、声波、电磁波和光纤的传输方式。

泥浆脉冲发生装置是随钻测量和测井中产生压力脉冲的装置，是发送井底信息不可或缺的部分。

当前，对于泥浆脉冲传输的传输方式可分为正脉冲、负脉冲和连续波脉冲三种传输方式。

正脉冲发射传输是目前泥浆脉冲传输应用最广的技术，该技术相对成熟而且具有广阔的市场。

正脉冲传输速度范围在0.5～3Bit/s，速度相对比较低。

负脉冲由于能对井壁的稳定性产生一定的影响，而且对于仪器的装配和现场操作都存在着问题，因此在应用方面远远落后于正脉冲传输。

连续波脉冲传输速率可以达到6～12Bit/s，由于连续波泥浆脉冲器比正脉冲发生装置传输速率高得多，是一项较为有前途的技术。

正脉冲发生装置的结构多种多样，但其脉冲发射信号的原理却基本是一致的。

当泥浆流经正脉冲发生装置时，由于正脉冲发生装置结构的原因，脉冲发生装置的调节阀向上运动，阻碍了泥浆正常流动，从而改变了泥浆在正脉冲发生装置中的过流面积，引起泥浆的压力升高，当调节阀静止不动时，泥浆压力恢复到正常。

根据压力的变化，这样就发出一个正压力脉冲信号。

经过地面安装在立管上的传感器获得这个信号，经过编码处理，将压力高于正常压力记为1，压力不高于正常压力记为0。

再由计算机处理掉干扰的杂波，最终由记录仪显示出来。

从记录仪的记录纸可以打印出来，这样就可以看到比较真实清晰的信号波形。

机械式无线随钻测斜仪正是基于正脉冲传输信号的原理，该正脉冲发生装置为往复节流型正脉冲发生装置。

往复节流型正脉冲发生装置是机械式无线随钻测斜儀的关键组成部分，用于产生脉冲信号，将井斜信息从井底传至地面。

往复节流型正脉冲发生装置的脉冲发射机构由脉冲筒、蘑菇头和脉冲轴三部分构成，
装配的时候蘑菇头通过卡簧连接固定在脉冲轴上，脉冲轴底端连有弹簧，这样脉冲轴和蘑菇头随着泥浆压力的变化可以在脉冲筒中往复运动。

当正常钻进的时候，由于泥浆泵工作，泵入泥浆的压力很高，泥浆作用在蘑菇头上的压力较大，所以，蘑菇头连同脉冲轴一起被压缩，一直处于最底端。

当接单根或者停泵测斜的时候，这时候泥浆泵不工作，立管中的泥浆压力变小，被压缩的底部弹簧要恢复弹性形变，这样脉冲轴连同蘑菇头在弹性力的作用下向上运动，当井斜不同，蘑菇头上升的高度取决于机械式无线随钻测斜仪内部测斜装置。

该内部测斜装置主要根据重锤所挂在台阶筒上不同的台阶来进行测斜作用。

利用泥浆压力变化来传输信号是当前适用范围最广的一种传输方式，该传输方式的特点是在传输井的深度、传输速度和稳定性方面都满足了当前测量作业的需要，尤其是利用泥浆发脉冲造价很低，仅以泥浆作为媒质，可以为井队大大节省成本，对正常的钻井作业没有太大的影响，但是该传输方式不能满足于欠平衡和各种气体钻井，对于气体的压缩性特点，利用泥浆产生的压力脉冲很难被地面立管上的传感器捕获。

因此，对于泥浆传输的适用范围有一定的局限性。

另外，随着井深的增加以及泥浆性能的改变，信号衰减问题相当显著。

4 脉冲信号传输参数研究
影响脉冲信号传输的参数最主要的是脉冲强度和信号传输速度，这两个参数直接关系到脉冲从井底到地面的传输，本文着力分析两个特性参数对正压力脉冲传输的影响
4.1 脉冲强度的计算分析
在泥浆脉冲发生过程中，泥浆的脉冲强度直接影响着信号的强弱。

计算推导出脉冲强度是优化设计脉冲发生装置的关键，根据水力学和流体力学已有的公式，推导出脉冲发生装置的压降公式。

4.2 脉冲信号传输速度的计算分析
在泥浆脉冲发生过程中，信号的传输速度是一个很重要的参数。

传输速度过快，容易导致信号紊乱，不易辨认，传输速度过慢，则导致信号延迟，井下脉冲已经发生，而地面很长时间没有接收完信号，而且信号周期过大，浪费记录纸。

泥浆的组分是影响泥浆脉冲信号的传播速度的原因之一。

浆体在管道中的流动有伪均质流和非均质流两种形式。

泥浆中的固相颗粒可认为是充分悬浮的，因此属于伪均质流。

本文分析含有固体颗粒、气体成分和水的泥浆，应用非定常流动理论，由纳威—斯托克斯连续方程可以推导出泥浆脉冲传输速度的计算公式。

泥浆流经脉冲发生装置时，泥浆流道受阻，泥浆压力升高，根据流体的流变性，这时泥浆体积变化应和泥浆中固相颗粒的变化、液体的压缩变化和气体的变形变化的体积以及钻杆的微量膨胀后的体积四者之和是相等的。

根据威列和斯垂特的研究以及蔡文军、刘修缮等人的推导分析，影响因子作为一个修正参数，其值可根据现场应用情况来确定。

5 结论与建议
（1）通过对机械式无线随钻测斜仪脉冲强度和传输速度进行了理论计算，得出蘑菇头在不同位置时过流孔隙截面积的变化引起的脉冲筒内压力变化的脉冲强度和信号传输速度公式。

这对研究正脉冲机理和现场技术服务有一定的指导意义。

（2）有脉冲强度计算可知，对于提高脉冲强度，通过改变泥浆的过流面积可以达到提高脉冲强度的目的，这对于解决深井、超深井正脉冲信号传输困难的问题提供了一个很好的方法。