高速率泥浆脉冲器工作模式设计与试验

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(中海油田服务股份有限公司，北京 101149)

随着地层评价技术的不断发展，井下数据量在逐渐增大，需要更高传输速率的脉冲发生器。在钻进过程中，井下传感器测得工程参数及地层参数，这些测得的模拟信号，通过数据编码器，转换为数字信号；数字信号经过控制电路调制，调制后控制信号传递给驱动电路；驱动电路从供电短节取电，且按照控制电路给定的控制信号驱动电机，带动脉冲器转子摆动；脉冲器的定转子剪切流体，产生脉冲压力信号；信号经过钻杆传输到地面立管上，数据采集系统采集立管上压力传感器信号；通过解调系统对井下的压力信号进行解析。传输上来的泥浆脉冲信号可转换为井下工程参数和地层参数[1-2]。摆动阀高速率泥浆脉冲遥传系统的框图如图1。

通过地面对泥浆泵开关或对循环管汇中泥浆进行分流来改变井下仪器或工具的工作模式，已经得到较为普遍的应用。哈里伯顿的井斜方位测斜仪-探管，可通过地面关停泵，来改变探管的工作模式。已经商业应用的旋转导向仪器，例如贝克休斯公司的旋转导向仪器，也是采用分流装置，分走部分流向井下的泥浆，来实现预置工作模式切换的。国内随钻测井仪器也采用了利用泥浆向井下传递信息的方法，例如中海油服自主研发的旋转导向仪器，就是通过分流装置，实现指令下传[3-4]。

图1 摆动阀高速率泥浆脉冲遥传系统框图

1 工作模式定义及改变方法

在钻进过程中，随着地质条件、钻进深度变化，对应的泥浆泵排量，泥浆密度、黏度等也要改变。为了能够产生出易于地表解调的压力波形，既要保证压力波的压力幅值，也要保证每个压力波的一致性和稳定性。泥浆脉冲信号能否采集到,及易于解调，依赖井下压力波幅值大小及最终信噪比。

从结构上看，压力波幅值主要取决于定转子的轴向间隙，仪器下井前要根据泥浆情况进行调整。压力波的一致性和稳定性是通过精确控制转子位置实现的，流体在钻柱内的流动状态多为紊流状态，且泥浆中固相颗粒对脉冲器定转子有冲蚀作用，太小的轴向间隙使定转子更易于被冲蚀破坏。钻柱内高速流动的泥浆压力会产生较大的波动，脉冲器驱动电机的位置波形经常会发生超调。

1.1 工作模式定义

为了使转子的运动轨迹和运动方式满足设计要求，就需要根据井深、井况改变井下泥浆脉冲发生器的波形，即调制方式(调相、调频)，摆动频率，即载波频率，转子开合角度等，包含了上面几个参数的一组命令称为工作模式。由于钻井过程中，遇有复杂地质条件，需要在泥浆中添加堵漏材料，或井下需要全力供液时，需要有仪器初始或定位的指令。

井下的泥浆脉冲压力波幅值大些，压力波形的一致性，波形稳定性好些，有利于解调。但泥浆脉冲压力波幅值大，会造成井下电动机功率增大，运动件过快磨损等问题。在得到合理的，即能够解调脉冲幅值的前提下，最大限度地降低脉冲器的功率，减小对脉冲器转子的冲蚀[5-6]。希望能根据解调情况，在地面控制调整转子运动的频率，改变定转子开合角度和调制方式等参数。

1.2 由地面下传指令改变井下工作模式的方法

随钻测井系统在钻进过程中，能够下行且与井下信息沟通的只有泥浆，通过地面供液管汇中的电磁分流装置短时间内分流出部分泥浆，快速改变钻柱内泥浆排量，排量变化也会使钻柱内的压力产生变化，井下传感器检测到排量或压力的变化，会给井下控制电路发出指令，以改变脉冲器中预置的参数及工作模式。

1.2.1检测排量变化

摆动阀脉冲器的供电一般用涡轮发电机[7]。涡轮发电机转子转速受排量变化影响，一般呈线性关系，为了改变泥浆脉冲发生器的工作模式，可以通过瞬间改变向井下供液量，使井下涡轮发电机检测到流量的变化，通常使用指令下传装置瞬间分流，使流向钻柱内泥浆流量瞬间降低，流量降低会使涡轮发电机的涡轮转速降低，检测涡轮发电机三相电流的变化频率变慢，当频率降低到某个数值以下时，涡轮发电机的控制电路，检测到合法指令后，会发出指令给高速泥浆脉冲发生器的驱动控制芯片，实现泥浆脉冲发生器工作模式的切换。

流量的高低变化，可调整参数变化指令，指令使用二进制的方式下传，命令可多达上万条。通讯板将编译后的指令传给泥浆脉冲发生器电动机的控制板。芯片中预置的程序需要由一条特定的指令触发，这条特定的指令可由专门的通讯电路板芯片发出。摆动阀泥浆脉冲器工作模式改变原理框图如图2。

图2 工作模式改变原理框图

1.2.2检测压力变化

通过高速泥浆脉冲发生器中内置的压力传感器，检测钻柱内泥浆压力变化。流向钻柱内泥浆流量降低时，会使钻柱内泥浆压力瞬间降低，当泥浆压力降低到某个临界值，也会给高速泥浆脉冲发生器的驱动控制芯片一个指令，泥浆脉冲发生器开始切换预置的工作模式。

2 工作模式设计及参数确定

2.1 工作模式设计方法

与压力波幅值及压力波质量相关的因素有定/转子间隙、电机转矩和功率、电机位置跟随精度、排量区间。经仿真分析和试验研究，各因素之间有以下的关系。

压力波幅值与排量成线性关系；压力波幅值可以通过改变定转子开合度进行改变，角度增大，压力波幅值升高[8]。为了得到合适幅值且特征一致压力波，可根据工程需要改变传输速率。摆动阀脉冲器载波频率与电机功率消耗成正比。传输速率与一般摆动频率成正比。仪器组合具有频率选择性，需要扫频确定工作频率。

摆动阀脉冲器在车间组装完成，下井时其结构参数已固定，即定/转子间隙及环隙已不能改变。能够改变的参数有调制方式，摆动频率，转子的工作位置。调制方式分为3种方式，即OOK，FSK和PSK，摆动频率0～36 Hz。

2.2 井下工作模式参数确定

能够切换工作模式是高速泥浆脉冲器必备的功能。根据钻进过程中地质条件的不同，例如围岩的压力，地层的渗漏情况等，需要配备不同黏度，不同密度的泥浆。此外，钻井工程参数如钻速、转速、钻压等也会影响数据传输。泥浆脉冲发生器要根据这些参数的变化切换工作模式。

脉冲器工作需要通过扫频来确定工作频率，试验表明循环系统具有频率选择的特性，确定调制方式和基频频率前，需要扫频来确定系统适合的频率。通过地面指令下传机构，触发剪切阀泥浆脉冲发生器进入扫频模式，该扫频需要在驱动电动机工作能力内，通过扫频获取适合当前泥浆条件，即黏度、密度下的载波频率。

仪器组装完成后，定转子的轴向间隙不能改变。可通过改变定转子开合角度来变化泥浆压力幅值。此外，还可以通过改变排量来改变压力幅值，但要结合钻井工程来确定。

内置的工作模式程序为参数化程序，可对某一参数进行连续改变，多种参数的组合可以满足井下泥浆脉冲发生器的工作需要。工作模式中变化的参数有以下几种。

1) 摆动频率。压力波在不同黏度和密度的泥浆中，其传播特性是不同的，如幅值衰减速度，传播速度等。通过地面指令下传机构，修改井下泥浆脉冲发生器的工作频率，使波形更易于解调。

2) 定转子开合角度。定转子开合角度减小，能够有效降低高速泥浆脉冲发生器系统的功率。随钻测井系统有时会与旋转导向系统一同作业，当这些大功率的仪器一起共同使用时，根据各仪器的工作制度，已有的涡轮发电机电能或许就要有合理分配。根据地质条件、钻进条件来切换井下高速泥浆脉冲发生器的工作模式，在波形满足解调的前提下，使泥浆脉冲发生器消耗的功率最小。

3) 调制方式。是指改变井下脉冲发生器的调制方式，使泥浆脉冲发生器产生的压力波，在一致性，等特征上更加明显。地面解调系统能否成功解调，取决于信噪比，泥浆压力波的质量至关重要，当一种包含有调制方式、运动频率等工作模式的信号不能很好解调时，要试着切换另一种工作模式，以便使产生的压力波易于地面解调系统进行解调。

4) 转子位置。电动机位置初始化及电动机定位。当井底需要大流量的泥浆供入时，需要保持泥浆脉冲发生器的定转子持续保持在全开或者某一角度的开启状态时，需要通过地面指令下传方式触发此命令。

5) 静默模式。指定转子位置处于常开位置，主要用于井下噪声采集，或者需要开大排量进行井下岩屑上返。

6) 扫频。不同频率的信号，其在泥浆中的传输特性不同，当井深、排量等发生变化时，需要确定不同频率的信号的衰减特性，选择有利于解码的信号频率。

3 室内验证及实井钻进应用

3.1 室内循环验证

钻进时，泥浆泵通过地面管汇，经钻杆向井下供泥浆，泥浆有维持井下围岩的压力平衡，冷却钻头，携带岩屑等作用。泥浆在泥浆泵至井底钻头之间的钻柱内处于高速、高压状态。在地面管汇加装一个三通阀门，旁通处加一个改变流量的快速执行电磁气动阀，实现对流向孔底的泥浆分流[9-10]。

在中海油服燕郊科技园3 000 m循环管线试验时，利用指令下传装置分流，通过改变泥浆泵向井下的供液量，涡轮发电机通过监测转速感知流量的改变，进而向泥浆脉冲发生器的驱动控制模块发出指令，实现高速泥浆脉冲发生器工作模式切换。循环系统示意如图3。

图3 室内循环系统示意

通常，工作模式被预置在井下泥浆脉冲发生器的驱动芯片中。室内试验表明，从地面发出的指令，能够被泥浆脉冲发生器检测到，并能够切换工作模式。可进行调制方式，载波频率，摆动频率，摆动起始角度，摆动幅度等切换。

3.2 实钻应用

2016-10，在室内试验验证的基础上，在中海油服新疆轮台基地A6Sb井进行了实钻应用验证，2 500 m以内，脉冲器在不同井段停留，完成泥浆介质条件下实时解调测试，在井深2 500～2 700 m进行实钻实时解调实验，实现了大量的模式切换。

在完成套管井循环测试以及实钻试验基础上，实现3 000 m井深实钻时，数据实时传输12 bps。期间进行了多次模式切换。图4为新疆实钻井眼轨迹，其中2 700～3 000 m井段为经过工作模式切换后，获取最优载波频率，最佳转子摆动角度的情况下，进行的钻进。得到的结论如下。

1) 泥浆试验中达到的最大解码深度为3 016 m(FSK 12 bps)，解码效果比较稳定，工况为双泵2.2 m3。

2) 实钻中解码最为稳定的调制方式为FSK 10 bps。在深度2 712 m附近连续解码，误码几乎为0。当时工况为双泵2.0 m3。

3) 解码效果受连接钻杆以及倒滑等操作的影响较为明显，稳定钻进时解调效果相对良好。

4) 解调方面碰到的问题主要为信号畸变导致时间同步效果变差乃至失效，经常导致误码率从上一帧的0突变至全错。该现象已在钻进期间的单机调试中进行了部分验证。首帧容易出错的问题尚需对数据进行进一步整理分析。

5) 扫频结果表明，泥浆井的信号衰减频段范围扩大，从10 Hz起至16 Hz频段均衰减严重。低频段(约4 Hz以内)以及高频段(26 Hz以上)也存在较大衰减。一旦工作模式确定后，是可以适应某段井深。

1—A6Sb设计轨迹；2—A6Sb实钻轨迹。

4 结语

随钻测井仪器在作业过程中，需要调整仪器井下工作的模式。为了提高工作效率，不将仪器提到地面，而是通过关停泵或者调整流入钻柱内泥浆的流量，井下压力传感器或涡轮发电机监测到流量，或压力变化后，进而触发预置的工作模式，改变井下仪器的工作状态。即，地面下传指令，切换井下随钻仪器的作业模式是一种常用方法。利用这样的作业模式，设计了针对摆动阀原理特征的泥浆脉冲器工作模式，扩展了泥浆脉冲器的适用性。

1) 根据摆动阀脉冲器工作原理，设计了并确定了脉冲器井下工作模式。考虑了改变波形，改变频率，改变幅值，扫频，电动机定位，初始位置、存储等工作状态和专有指令。

2) 工作模式充分考虑了钻井工程参数如泥浆密度，井深，泥浆黏度等对井下泥浆脉冲发生器工作状态的影响。

3) 高速泥浆脉冲发生器在井下作业过程中，需要根据钻井工程参数，对脉冲发生器的工作模式进行更改。例如需要改变调制方式，运动频率，工作角度(转子摆动工作时)等。

4) 设计的脉冲发生器工作模式将需要修改的参数变量化，可实现连续修改、多种组合。