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(中海油田服務股份有限公司，北京 101149)

隨著地層評價技術的不斷發(fā)展，井下數(shù)據(jù)量在逐漸增大，需要更高傳輸速率的脈沖發(fā)生器。在鉆進過程中，井下傳感器測得工程參數(shù)及地層參數(shù)，這些測得的模擬信號，通過數(shù)據(jù)編碼器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；數(shù)字信號經(jīng)過控制電路調(diào)制，調(diào)制后控制信號傳遞給驅(qū)動電路；驅(qū)動電路從供電短節(jié)取電，且按照控制電路給定的控制信號驅(qū)動電機，帶動脈沖器轉(zhuǎn)子擺動；脈沖器的定轉(zhuǎn)子剪切流體，產(chǎn)生脈沖壓力信號；信號經(jīng)過鉆桿傳輸?shù)降孛媪⒐苌?，?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集立管上壓力傳感器信號；通過解調(diào)系統(tǒng)對井下的壓力信號進行解析。傳輸上來的泥漿脈沖信號可轉(zhuǎn)換為井下工程參數(shù)和地層參數(shù)[1-2]。擺動閥高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)的框圖如圖1。

通過地面對泥漿泵開關或?qū)ρh(huán)管匯中泥漿進行分流來改變井下儀器或工具的工作模式，已經(jīng)得到較為普遍的應用。哈里伯頓的井斜方位測斜儀-探管，可通過地面關停泵，來改變探管的工作模式。已經(jīng)商業(yè)應用的旋轉(zhuǎn)導向儀器，例如貝克休斯公司的旋轉(zhuǎn)導向儀器，也是采用分流裝置，分走部分流向井下的泥漿，來實現(xiàn)預置工作模式切換的。國內(nèi)隨鉆測井儀器也采用了利用泥漿向井下傳遞信息的方法，例如中海油服自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導向儀器，就是通過分流裝置，實現(xiàn)指令下傳[3-4]。

圖1 擺動閥高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)框圖

1 工作模式定義及改變方法

在鉆進過程中，隨著地質(zhì)條件、鉆進深度變化，對應的泥漿泵排量，泥漿密度、黏度等也要改變。為了能夠產(chǎn)生出易于地表解調(diào)的壓力波形，既要保證壓力波的壓力幅值，也要保證每個壓力波的一致性和穩(wěn)定性。泥漿脈沖信號能否采集到,及易于解調(diào)，依賴井下壓力波幅值大小及最終信噪比。

從結(jié)構(gòu)上看，壓力波幅值主要取決于定轉(zhuǎn)子的軸向間隙，儀器下井前要根據(jù)泥漿情況進行調(diào)整。壓力波的一致性和穩(wěn)定性是通過精確控制轉(zhuǎn)子位置實現(xiàn)的，流體在鉆柱內(nèi)的流動狀態(tài)多為紊流狀態(tài)，且泥漿中固相顆粒對脈沖器定轉(zhuǎn)子有沖蝕作用，太小的軸向間隙使定轉(zhuǎn)子更易于被沖蝕破壞。鉆柱內(nèi)高速流動的泥漿壓力會產(chǎn)生較大的波動，脈沖器驅(qū)動電機的位置波形經(jīng)常會發(fā)生超調(diào)。

1.1 工作模式定義

為了使轉(zhuǎn)子的運動軌跡和運動方式滿足設計要求，就需要根據(jù)井深、井況改變井下泥漿脈沖發(fā)生器的波形，即調(diào)制方式(調(diào)相、調(diào)頻)，擺動頻率，即載波頻率，轉(zhuǎn)子開合角度等，包含了上面幾個參數(shù)的一組命令稱為工作模式。由于鉆井過程中，遇有復雜地質(zhì)條件，需要在泥漿中添加堵漏材料，或井下需要全力供液時，需要有儀器初始或定位的指令。

井下的泥漿脈沖壓力波幅值大些，壓力波形的一致性，波形穩(wěn)定性好些，有利于解調(diào)。但泥漿脈沖壓力波幅值大，會造成井下電動機功率增大，運動件過快磨損等問題。在得到合理的，即能夠解調(diào)脈沖幅值的前提下，最大限度地降低脈沖器的功率，減小對脈沖器轉(zhuǎn)子的沖蝕[5-6]。希望能根據(jù)解調(diào)情況，在地面控制調(diào)整轉(zhuǎn)子運動的頻率，改變定轉(zhuǎn)子開合角度和調(diào)制方式等參數(shù)。

1.2 由地面下傳指令改變井下工作模式的方法

隨鉆測井系統(tǒng)在鉆進過程中，能夠下行且與井下信息溝通的只有泥漿，通過地面供液管匯中的電磁分流裝置短時間內(nèi)分流出部分泥漿，快速改變鉆柱內(nèi)泥漿排量，排量變化也會使鉆柱內(nèi)的壓力產(chǎn)生變化，井下傳感器檢測到排量或壓力的變化，會給井下控制電路發(fā)出指令，以改變脈沖器中預置的參數(shù)及工作模式。

1.2.1檢測排量變化

擺動閥脈沖器的供電一般用渦輪發(fā)電機[7]。渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受排量變化影響，一般呈線性關系，為了改變泥漿脈沖發(fā)生器的工作模式，可以通過瞬間改變向井下供液量，使井下渦輪發(fā)電機檢測到流量的變化，通常使用指令下傳裝置瞬間分流，使流向鉆柱內(nèi)泥漿流量瞬間降低，流量降低會使渦輪發(fā)電機的渦輪轉(zhuǎn)速降低，檢測渦輪發(fā)電機三相電流的變化頻率變慢，當頻率降低到某個數(shù)值以下時，渦輪發(fā)電機的控制電路，檢測到合法指令后，會發(fā)出指令給高速泥漿脈沖發(fā)生器的驅(qū)動控制芯片，實現(xiàn)泥漿脈沖發(fā)生器工作模式的切換。

流量的高低變化，可調(diào)整參數(shù)變化指令，指令使用二進制的方式下傳，命令可多達上萬條。通訊板將編譯后的指令傳給泥漿脈沖發(fā)生器電動機的控制板。芯片中預置的程序需要由一條特定的指令觸發(fā)，這條特定的指令可由專門的通訊電路板芯片發(fā)出。擺動閥泥漿脈沖器工作模式改變原理框圖如圖2。

圖2 工作模式改變原理框圖

1.2.2檢測壓力變化

通過高速泥漿脈沖發(fā)生器中內(nèi)置的壓力傳感器，檢測鉆柱內(nèi)泥漿壓力變化。流向鉆柱內(nèi)泥漿流量降低時，會使鉆柱內(nèi)泥漿壓力瞬間降低，當泥漿壓力降低到某個臨界值，也會給高速泥漿脈沖發(fā)生器的驅(qū)動控制芯片一個指令，泥漿脈沖發(fā)生器開始切換預置的工作模式。

2 工作模式設計及參數(shù)確定

2.1 工作模式設計方法

與壓力波幅值及壓力波質(zhì)量相關的因素有定/轉(zhuǎn)子間隙、電機轉(zhuǎn)矩和功率、電機位置跟隨精度、排量區(qū)間。經(jīng)仿真分析和試驗研究，各因素之間有以下的關系。

壓力波幅值與排量成線性關系；壓力波幅值可以通過改變定轉(zhuǎn)子開合度進行改變，角度增大，壓力波幅值升高[8]。為了得到合適幅值且特征一致壓力波，可根據(jù)工程需要改變傳輸速率。擺動閥脈沖器載波頻率與電機功率消耗成正比。傳輸速率與一般擺動頻率成正比。儀器組合具有頻率選擇性，需要掃頻確定工作頻率。

擺動閥脈沖器在車間組裝完成，下井時其結(jié)構(gòu)參數(shù)已固定，即定/轉(zhuǎn)子間隙及環(huán)隙已不能改變。能夠改變的參數(shù)有調(diào)制方式，擺動頻率，轉(zhuǎn)子的工作位置。調(diào)制方式分為3種方式，即OOK，F(xiàn)SK和PSK，擺動頻率0～36 Hz。

2.2 井下工作模式參數(shù)確定

能夠切換工作模式是高速泥漿脈沖器必備的功能。根據(jù)鉆進過程中地質(zhì)條件的不同，例如圍巖的壓力，地層的滲漏情況等，需要配備不同黏度，不同密度的泥漿。此外，鉆井工程參數(shù)如鉆速、轉(zhuǎn)速、鉆壓等也會影響數(shù)據(jù)傳輸。泥漿脈沖發(fā)生器要根據(jù)這些參數(shù)的變化切換工作模式。

脈沖器工作需要通過掃頻來確定工作頻率，試驗表明循環(huán)系統(tǒng)具有頻率選擇的特性，確定調(diào)制方式和基頻頻率前，需要掃頻來確定系統(tǒng)適合的頻率。通過地面指令下傳機構(gòu)，觸發(fā)剪切閥泥漿脈沖發(fā)生器進入掃頻模式，該掃頻需要在驅(qū)動電動機工作能力內(nèi)，通過掃頻獲取適合當前泥漿條件，即黏度、密度下的載波頻率。

儀器組裝完成后，定轉(zhuǎn)子的軸向間隙不能改變?？赏ㄟ^改變定轉(zhuǎn)子開合角度來變化泥漿壓力幅值。此外，還可以通過改變排量來改變壓力幅值，但要結(jié)合鉆井工程來確定。

內(nèi)置的工作模式程序為參數(shù)化程序，可對某一參數(shù)進行連續(xù)改變，多種參數(shù)的組合可以滿足井下泥漿脈沖發(fā)生器的工作需要。工作模式中變化的參數(shù)有以下幾種。

1) 擺動頻率。壓力波在不同黏度和密度的泥漿中，其傳播特性是不同的，如幅值衰減速度，傳播速度等。通過地面指令下傳機構(gòu)，修改井下泥漿脈沖發(fā)生器的工作頻率，使波形更易于解調(diào)。

2) 定轉(zhuǎn)子開合角度。定轉(zhuǎn)子開合角度減小，能夠有效降低高速泥漿脈沖發(fā)生器系統(tǒng)的功率。隨鉆測井系統(tǒng)有時會與旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)一同作業(yè)，當這些大功率的儀器一起共同使用時，根據(jù)各儀器的工作制度，已有的渦輪發(fā)電機電能或許就要有合理分配。根據(jù)地質(zhì)條件、鉆進條件來切換井下高速泥漿脈沖發(fā)生器的工作模式，在波形滿足解調(diào)的前提下，使泥漿脈沖發(fā)生器消耗的功率最小。

3) 調(diào)制方式。是指改變井下脈沖發(fā)生器的調(diào)制方式，使泥漿脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的壓力波，在一致性，等特征上更加明顯。地面解調(diào)系統(tǒng)能否成功解調(diào)，取決于信噪比，泥漿壓力波的質(zhì)量至關重要，當一種包含有調(diào)制方式、運動頻率等工作模式的信號不能很好解調(diào)時，要試著切換另一種工作模式，以便使產(chǎn)生的壓力波易于地面解調(diào)系統(tǒng)進行解調(diào)。

4) 轉(zhuǎn)子位置。電動機位置初始化及電動機定位。當井底需要大流量的泥漿供入時，需要保持泥漿脈沖發(fā)生器的定轉(zhuǎn)子持續(xù)保持在全開或者某一角度的開啟狀態(tài)時，需要通過地面指令下傳方式觸發(fā)此命令。

5) 靜默模式。指定轉(zhuǎn)子位置處于常開位置，主要用于井下噪聲采集，或者需要開大排量進行井下巖屑上返。

6) 掃頻。不同頻率的信號，其在泥漿中的傳輸特性不同，當井深、排量等發(fā)生變化時，需要確定不同頻率的信號的衰減特性，選擇有利于解碼的信號頻率。

3 室內(nèi)驗證及實井鉆進應用

3.1 室內(nèi)循環(huán)驗證

鉆進時，泥漿泵通過地面管匯，經(jīng)鉆桿向井下供泥漿，泥漿有維持井下圍巖的壓力平衡，冷卻鉆頭，攜帶巖屑等作用。泥漿在泥漿泵至井底鉆頭之間的鉆柱內(nèi)處于高速、高壓狀態(tài)。在地面管匯加裝一個三通閥門，旁通處加一個改變流量的快速執(zhí)行電磁氣動閥，實現(xiàn)對流向孔底的泥漿分流[9-10]。

在中海油服燕郊科技園3 000 m循環(huán)管線試驗時，利用指令下傳裝置分流，通過改變泥漿泵向井下的供液量，渦輪發(fā)電機通過監(jiān)測轉(zhuǎn)速感知流量的改變，進而向泥漿脈沖發(fā)生器的驅(qū)動控制模塊發(fā)出指令，實現(xiàn)高速泥漿脈沖發(fā)生器工作模式切換。循環(huán)系統(tǒng)示意如圖3。

圖3 室內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)示意

通常，工作模式被預置在井下泥漿脈沖發(fā)生器的驅(qū)動芯片中。室內(nèi)試驗表明，從地面發(fā)出的指令，能夠被泥漿脈沖發(fā)生器檢測到，并能夠切換工作模式。可進行調(diào)制方式，載波頻率，擺動頻率，擺動起始角度，擺動幅度等切換。

3.2 實鉆應用

2016-10，在室內(nèi)試驗驗證的基礎上，在中海油服新疆輪臺基地A6Sb井進行了實鉆應用驗證，2 500 m以內(nèi)，脈沖器在不同井段停留，完成泥漿介質(zhì)條件下實時解調(diào)測試，在井深2 500～2 700 m進行實鉆實時解調(diào)實驗，實現(xiàn)了大量的模式切換。

在完成套管井循環(huán)測試以及實鉆試驗基礎上，實現(xiàn)3 000 m井深實鉆時，數(shù)據(jù)實時傳輸12 bps。期間進行了多次模式切換。圖4為新疆實鉆井眼軌跡，其中2 700～3 000 m井段為經(jīng)過工作模式切換后，獲取最優(yōu)載波頻率，最佳轉(zhuǎn)子擺動角度的情況下，進行的鉆進。得到的結(jié)論如下。

1) 泥漿試驗中達到的最大解碼深度為3 016 m(FSK 12 bps)，解碼效果比較穩(wěn)定，工況為雙泵2.2 m3。

2) 實鉆中解碼最為穩(wěn)定的調(diào)制方式為FSK 10 bps。在深度2 712 m附近連續(xù)解碼，誤碼幾乎為0。當時工況為雙泵2.0 m3。

3) 解碼效果受連接鉆桿以及倒滑等操作的影響較為明顯，穩(wěn)定鉆進時解調(diào)效果相對良好。

4) 解調(diào)方面碰到的問題主要為信號畸變導致時間同步效果變差乃至失效，經(jīng)常導致誤碼率從上一幀的0突變至全錯。該現(xiàn)象已在鉆進期間的單機調(diào)試中進行了部分驗證。首幀容易出錯的問題尚需對數(shù)據(jù)進行進一步整理分析。

5) 掃頻結(jié)果表明，泥漿井的信號衰減頻段范圍擴大，從10 Hz起至16 Hz頻段均衰減嚴重。低頻段(約4 Hz以內(nèi))以及高頻段(26 Hz以上)也存在較大衰減。一旦工作模式確定后，是可以適應某段井深。

1—A6Sb設計軌跡；2—A6Sb實鉆軌跡。

4 結(jié)語

隨鉆測井儀器在作業(yè)過程中，需要調(diào)整儀器井下工作的模式。為了提高工作效率，不將儀器提到地面，而是通過關停泵或者調(diào)整流入鉆柱內(nèi)泥漿的流量，井下壓力傳感器或渦輪發(fā)電機監(jiān)測到流量，或壓力變化后，進而觸發(fā)預置的工作模式，改變井下儀器的工作狀態(tài)。即，地面下傳指令，切換井下隨鉆儀器的作業(yè)模式是一種常用方法。利用這樣的作業(yè)模式，設計了針對擺動閥原理特征的泥漿脈沖器工作模式，擴展了泥漿脈沖器的適用性。

1) 根據(jù)擺動閥脈沖器工作原理，設計了并確定了脈沖器井下工作模式。考慮了改變波形，改變頻率，改變幅值，掃頻，電動機定位，初始位置、存儲等工作狀態(tài)和專有指令。

2) 工作模式充分考慮了鉆井工程參數(shù)如泥漿密度，井深，泥漿黏度等對井下泥漿脈沖發(fā)生器工作狀態(tài)的影響。

3) 高速泥漿脈沖發(fā)生器在井下作業(yè)過程中，需要根據(jù)鉆井工程參數(shù)，對脈沖發(fā)生器的工作模式進行更改。例如需要改變調(diào)制方式，運動頻率，工作角度(轉(zhuǎn)子擺動工作時)等。

4) 設計的脈沖發(fā)生器工作模式將需要修改的參數(shù)變量化，可實現(xiàn)連續(xù)修改、多種組合。