矿用无线随钻测井工具测试循环系统设计

明立权

（上海山潜智能科技有限公司，上海201401）

0 引言

1927年法国的斯伦贝谢兄弟发明了应用于勘探煤碳及油气资源的测井技术。我国测井学科的奠基人是著名的地球物理学家，已故的中科院院士翁文波先生。测井数据的传输方式主要分为有线传输与无线传输，其中无线传输方式按原理又分为“泥浆脉冲信号传输”、“电磁波信号传输”及“声波信号传输”等常见的3种形式。

目前在我国应用最为广泛的无线信号传输方式是泥浆脉冲信号传输，该技术目前已较为成熟地应用于石油钻探行业之中。煤炭无线随钻测井工具的原理及产品结构与石油测井工具基本一致，但是煤炭钻探相较石油钻探在以下方面存在较大差异：1）矿井作业有高级别的防爆要求；2）煤炭钻井的井孔轨迹多为水平或近水平作业；3）煤炭钻井的井孔尺寸小，泥浆循环排量小、压力低。基于以上原因，在对矿用无线随钻测井工具的开发过程中，既要充分研究吸收石油钻探用测井产品的原理、结构及应用经验，又要分析并找出煤炭钻探与石油钻探之间差异对测井工具的影响，进而对产品进行有针对性的设计。本文中所述装置所测试的产品主要由探测部分及数据传输部分组成。其中探测部分主要由定向探管及伽马探管组成；传输部分利用“泥浆脉冲信号传输”原理设计，主要是一个泥浆脉冲发生机构，本文简称“泥浆脉冲发生器”。

为了测试新开发的泥浆脉冲发生器是否能够满足煤矿钻探要求，本文设计了一套能够模拟煤矿钻井水力循环参数的试压循环系统，该系统的水力循环参数与煤炭钻井作业的实际水力循环参数基本一致，能够完全满足产品开发期内在工厂内部对工具泥浆脉冲发生器的测试试验。能够替代工具开发期部分钻井现场试验，从而起到缩短测试周期、提高测试效率、降低开发成本的目的。

1 矿用无线随钻测井工具试压循环系统

1.1 系统结构组成及基本功能

试压循环系统的整体结构如图1所示。该系统主要由动力系统、泵站、循环套、水箱和辅助管线5个部分组成。动力系统为泵站提供动力，泵站提供液动力，循环套内部可以安装被测工具，水箱内部承装试压液，辅助管线将各部分连接成闭合的“循环流道”。工作时，在水箱内部加入规定数量的试压液，被测试工具安装到循环套内。

开启动力系统带动泵站，将水箱内部的试压液以规定的压力及排量经出水管注入循环套内，经回水管返回水箱形成循环。此时开启被测工具的泥浆脉冲发生器，系统即可对泥浆脉冲发生器产生的脉冲信号进行采集分析。根据被采集到脉冲信号的幅值、周期及宽度等参数，即可有针对性地对工具的泥浆脉冲发生器进行优化设计。

图1 试压循环系统结构图

1.2 主要参数计算

1.2.1 泵站参数及功率设计计算

泵站的核心部件是液压泵，因此泵站设计的核心问题就是液压泵的设计或者选型问题，为降低本设备的制造难度，我们尽量避免采用自主重新开发设计液压泵的方案，而是尽量选择应用普遍、结构成熟的标准产品直接应用或是经简单改造后应用。为满足方案要求，对目前常用的液压泵进行研究，目前常用的液压泵主要分为两大类别：一类是叶片泵，一类是容积泵。叶片泵中离心泵技术成熟且应用广泛；容积泵中往复泵技术成熟应用广泛。综合考虑研发制造成本及后续维护难度，初步选择离心泵及往复泵作为设备泵站的初选方案。离心泵及往复泵基本特性对比如表1所示，工作性能曲线如图2所示。

表1 离心泵及往复泵特性对比[1]

图2 离心泵及往复泵性能曲线[1]

经过以上对比，对离心泵及往复泵的基本特点及性能曲线有了一定的了解。接下来我们分析泥浆脉冲发生器的基本工作原理。如图3所示，密封套及活塞安装在钻具内孔里面，钻具内部充满试压液，当试压液以定压力、定排量在钻具内部按箭头方向开始循环后，操作活塞使活塞从图3（a）初始位置移动到图3（b）脉冲触发位，当活塞移动到脉冲触发位的瞬间即触发了一个压力脉冲。活塞在图3（a）及图3（b）的位置以一定的频率往复切换就能够产生连续的压力脉冲信号。

结合上述分析，泥浆脉冲发生器的实质就是一个开度变化的节流阀，可以判定系统的流量稳定性、流量均匀性及系统压力对泥浆脉冲发生器的工作可以产生较大的影响。通过对表1及图2的对比分析发现，离心泵应用的主要问题是扬程与排量存在一定的对应关系，在扬程不变的情况下很难调整排量，如果选择离心泵这个问题几乎无法解决。而往复泵能够很好地避免离心泵的缺陷，但是存在流量不均匀的问题。通过研究发现，往复泵的流量不均匀的问题是可以通过增加往复缸这种技术手段解决的，只要将往复泵的流量不均匀性降低到不影响泥浆脉冲发生器工作即可。结合图4可以分析不同缸数往复缸瞬时流量的特点。另外通过对煤炭钻井现场及国内矿用钻机制造厂进行调研了解，目前煤炭常规钻井泥浆水利系统排量在300 L/min左右，循环压力一般不高于10 MPa。通过上述分析，在满足上述参数并兼顾考虑制造成本的基础上，确定三缸单作用往复柱塞泵为本系统的液力源，该泵压力及排量分A、B、C、D四个挡位可调，其主要参数如表2所示。

图3 泥浆脉冲发生器工作原理

图4 不同缸数往复泵瞬时流量曲线[2]

表2 三缸单作用往复柱塞泵基本参数表

液压泵确定后，可依据公式（1）[1]计算泵站的轴功率：

式中：Pa为泵站额定工况下的轴功率，kW；Pd为泵站出口压力，MPa；Ps为泵站入口压力，MPa；Q为泵站额定流量，m3/s。

根据表1给定参数和式（1）分析可知，当往复柱塞泵工作在参数“A”时该泵输出功率最大；故将表1中对应参数代入式（1）计算，得到泵站的轴功率Pa=26.8 kW。

1.2.2 原动机功率设计计算

往复泵动力系统可选择柴油机或电动机，为降低系统噪声、降低污染，本系统选用三相异步电动机作为泵站原动机，采用V带传动，动力系统设计有离合器能够在系统启动初期使动力机主从动轮分离，确保动力系统启动过程安全可靠。原动机理论功率计算公式[1]为

式中：P为原动机功率，kW；k为电动机功率裕量系数；ηt为传动装置传动效率。

依据文献[1]，k值按1.15选取；V带传动效率为0.92。将1.2.1结果及上述参数代入式（2），计算得P=33.5 kW。依据计算结果结合文献[3]，该系统选用额定功率为37 kW的三相异步电动机。

1.2.3 水箱容量设计计算

水箱有效容量计算公式[4]为

式中：V为水箱有效容量，m3；a为经验系数；QS为泵站流量，m3/min。

依据系统工作压力可得经验系数在2～4范围内，该设备选取中间值3，根据表2参数，最大流量为0.32 m3/min，计算得水箱有效容量V=0.96 m3。

1.2.4 进出水管内径设计计算

水管内径计算公式[4]为

式中：d为管道内径，mm；v为管道允许流速，m/s。

v可参照以下规则取值：对于常压类管道，进水管可在0.5～1.5 m/s范围内取值，回水管可在1.5～2.5 m/s范围内取值；对于承压类管道压力在2.5～16.0 MPa之间的可在3～4 m/s范围内取值。根据该套设备的特点，兼顾安全可靠的原则，进水管速度在推荐范围内选择偏下限数据，出水管压力及流速均选取推荐范围的中位值，将选取的数据及其他已知数据代入式（4）可计算相应管道内径。将计算结果圆整后，得到进水管内径为3.5 in（89 mm），回水管内径为2 in（50 mm），出水管内径为1.75 in（45 mm）。

1.2.5 接头、辅助零件及安全装置设计

由于系统内部循环的试压液易引起普通碳钢锈蚀，为保证接头等管路连接件及水箱不被锈蚀，管路接头选择304不锈钢制造，水箱选用PE塑胶制成；循环套内部安装被测工具，套体本身不能对被测试的工具的磁通量产生干扰，因此可选择钛合金管加工制造；接头连接螺纹采用米制直螺纹形式，连接部位选择O形圈密封；循环套入口部位的压力变送器量程选择0～10 MPa范围，采用复合垫密封。另外，为确保操作人员安全，泵站出口位置加装溢流阀，一旦系统超压即可实现自动泄压功能。

1.3 系统安装、原理及特点

1）泵站需安装并固定在水平的地面上，被测工具安装到循环套内部并固定在试验基座上，将泵站、循环套及水箱等用管线连接牢固。

2）系统原理图如图5所示，其中泥浆脉冲发生器等效为开度可调的节流阀。开泵前检查液压管线各连接位置是否连接可靠、各控制阀是否工作正常。检查完成确认系统正常后按要求调整好液压泵压力及流量，搬动离合器使主动轮与从动轮分离，操作二位二通换向阀使该阀处于接通状态，启动电动机待电动机运行平稳后，搬动离合器使主动轮与从动轮接合。此时泵站开始工作，观察系统回水口，待回水口出水量平稳后操作二位二通换向阀使该阀处于关闭状态，此时试压液即流过泥浆脉冲发生器，此时启动泥浆脉冲发生器，管线内部即产生脉冲压力，压力变送器检测到脉冲压力后即可将相关数据传给处理器进行分析处理。一旦循环管线出现异常导致系统超过安全压力，安装在管线支路的溢流阀即可开启泄压，以确保工作人员及测试系统安全。

图5 系统原理图

1.4 系统主要特点

该系统主要具有以下特点：1）性能可靠，技术成熟。本套系统选用三相异步电动机为原动机，液压泵选择三缸单作用往复柱塞泵，各管线联接部位选择O形橡胶圈密封。以上设计均应用广泛且成熟可靠，能够保证整套系统运行可靠。2）成本低廉，便于采购。无论是三相异步电动机，还是三缸单作用往复柱塞泵在国内生产制造均十分成熟，而且应用广泛。可选择标准产品经简单改造后应用，不会产生过多的非标开发费用，能够有效降低开发成本。3）操作简单，便于培训。泵站流量调节采用挡位变速调节模式，离合机构采用手动手柄式结构。仅需对操作者进行基本培训即可掌握设备操作技能。4）结构紧凑，便于安装。原动机及泵站设计为撬装结构，具备体积小、集成化程度高的特点。

2 结语

该系统是为矿用无线随钻测井工具研制而开发的一套测试循环系统，在核心零部件的设计选型中均选择技术成熟、质量可靠的国产零部件产品。经实际使用可达到设计预期，能够完成对矿用无线随钻测井工具的测试循环工作。