机械式无线随钻测斜仪系统研究

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中国石油大学（华东）博士学位论文机械式无线随钻测斜仪系统研究姓名：蔡文军申请学位级别：博士专业：机械设计及理论指导教师：陈国明20061201 摘要针对现有测斜技术存在的不足和石油钻井工程上特殊复杂直井测斜的需要，开展机械式无线随钻测斜技术研究工作，提出一种新的机械式无线随钻测斜仪设计方案，对机械测斜原理、井斜信息转换与控制技术、钻井液脉冲信息传输理论和脉冲发生器的工作原理，以及机械测斜机构、编码控制与放大机构、往复节流型脉冲发生器等关键部件的结构设计方法进行深入研究，并成功研制机械式无线随钻测斜仪。通过研究，取得一些具有工程应用价值的成果，归纳如下：1机械式无线随钻测斜仪总体设计方案研究在对现有测斜仪器调研分析的基础上，改变传统的电子测斜技术思路，在国内率先开展机械式随钻测斜技术的研究，提出了机械式无线随钻测斜仪的总体设计方案。其基本思路是：井下仪器采用纯机械结构，利用精密机械机构测量井斜；采用钻井液脉冲技术在地面与井下之间传输井斜信息。综合考虑设计、加工制造技术和钻井工程上对测斜仪器的要求。确定了仪器的主要技术参数：精度为O．5。和1．0。两种，测量范围为O～17。，最高工作温度260℃，最大应用井深为7000m。对井斜测量技术、脉冲发生技术、井斜与脉冲对应关系等关键技术的实现方案进行了研究，提出了具体的实施方案。2钻井液脉冲传输理论及脉冲发生器的设计研究钻井液主要由液体、固体组成，并含有少量的气体。考虑液、固、气三相共存情况下，将钻井液流动看作一维伪均质流，推导出钻井液脉冲的传输速度计算公式，分析了影响脉冲传输速度的因素。结果表明，钻井液各组分含量、钻柱的几何尺寸等参数对脉冲传输速度均有影响，其中气体含量影响最为严重。基于水锤瞬变分析方法建立了钻井液脉冲传输瞬变分析模型，得到脉冲传输瞬变分析基本方程，并用特征线法进行了求解。建立起带有脉冲器的钻井液循环系统简化分析模型，整个系统可分为钻井泵至空气包、空气包至钻杆、钻柯至钻铤、钻铤至脉冲发生器、脉冲发生器至钻头等五部分，确定了钻井泵出口、空气包、钻杆与钻铤连接处、脉冲发生器和钻头处的边界条件。在此基础上编制出分析求解钻井液脉冲传输瞬变分析的计算机程序。分析表明，钻井液脉冲在传播的过程发生衰减。脉冲强度与频率是钻井液脉冲的两个重要特性，对脉冲强度的衰减规律进行研究，分析了影响脉冲衰减的因素。结果表明，脉冲频率和钻井液的动力粘度严重影响脉冲强度的衰减。机械式无线随钻测斜仪的信息传输采用正脉冲信号，脉冲发生器为往复节流型正脉冲发生器。对脉冲发生器的工作原理、结构设计计算方法等进行了深入研究。设计了一种用于辅助脉冲发生器工作的液压阻尼器，分析了阻尼性能对脉冲器性能的影响。对往复节流型正脉冲发生器脉冲强度和频率的计算方法进行研究，得到的脉冲强度、频率 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究与钻井液排量的关系对脉冲发生器的设计与现场使用具有重要的指导意义。应用流体有限元分析方法对脉冲发生器的工作过程进行了数值仿真，根扼仿真结果对脉冲产生过程中脉冲强度的变化及脉冲阀的受力情况进行了分析，并与理论计算结果进行了对比。结果表明，数值仿真结果更符合实际。基于以上研究工作，对往复节流型正脉冲发生器进行了优化设计，并分析了其性能。3机械测斜与信息转换技术研究对机械测斜技术进行研究，设计了一种基于重力原理的摆锤一阶梯环机械测斜机构，给出该机构各结构参数的设计计算方法。对测斜机构进行了结构仿真分析，结果表明，测斜机构的最高精度为0．2。，其结构尺寸对仪器的测量精度及测量范围有显著影响。在实际结构设计时需综合考虑测量精度、可靠性及现场要求等因素，合理确定结构参数。采用机械方式实现井斜信息的转换，基本思路是：将测斜机构测得的井斜信息转换为位移变化并进行放大，用位移变化量控制脉冲发生器的工作。研制了一种机械编码控制与行程放大机构，建立了该机构的运动分析模型，给出了结构设计计算方法。通过测斜机构与机械编码控制与行程放大机构的组合设计，可以实现井斜测量、信息转换和控制等功能，对组合设计进行了结构设计仿真。4机械式无线随钻测斜仪研制及应用在以上研究的基础上，进行机械式无线随钻测斜仪的整体结构设计，设计了一种基于浮动密封原理的自动补偿恒压差近平衡密封系统，还对仪器的工作状态进行了详细分析。室内和现场试验表明，仪器各项性能指标均达到设计的要求，且具有很好抗高温性能和现场适用性，能够满足直井随钻测量的需要，解决了高温高压井、深井、超深井测斜的难题。目前，研制的仪器己现场应用40口并，创造了国内高温、高压、深井测斜的记录，取得显著的经济和社会效益。关键词：机械式测斜仪；随钻测斜；信息传输：结构原理；设计计算；研制与应用 ABSTRACTABSTRACTInordertoovercometheshortageofexistedtechniquesformeasuringdeviationofoilwellandtomeettherequirementofcomplexverticalwells，researchonanewtechnologywhichmeasurethedeviationofverticalwellswhiledrillingbymechanicalapparatusisperformedandaninnovativedesignschemeoftheMechanicalWirelessInclinometer(MWl)waspresented．Basedontheinvestigationonprincipleformeasuringthedeviation，techniqueforinformationtransitionandcontrol，theoryofmudpulsetransmission，principleofpulsegeneratoranddesignmethodofthekeymechanismsincludingthedeviation·measuringunit，themechanicalcodedcontrolunitandthemudpulsegenerator,anewtypeofMWlwasdeveloppedsuccessfully．Themainworkissummarizedasfollows1ResearchonDesignSchemeofMWIBasedontheinnovativeidca．researchontechniqueformeasuringthedevitionoftheverticalwellsusingmechanicalapparatuswascarriedonandadesignschemeofMWIWaspresented，bywhichthedownholeapparatusisamechanicalunit，measuringthedeviationbyprecisemechanismandtransferringtheinformationfrombottomofthewelltogroundbymudpulsetechnology．ConsideringthedesignandmanufactureofMWIandtherequirementofdrillingengineering，thetechnicalparametersandthedetailedimplementaryschemesofthekeytechniquessuchasmeasuringthedevition，generatingthepulseandcorrespondingrelationoftheinclinationandthepulseswerepresented．2ResearchonTheoryofMudPulseTransmissionandDesignMethodofPulseGeneratorDrillingfluidmainlyconsistsofliquid，solidandalittleair．Regardingdrillingfluidasonedimensionbogushomogeneousflow，aformulaforcalculatingtransfersspeedofmudpulsewasderived．AnalysisoninfluenceofvariousfactorstOspeedshowsthatthecontentofliquid，solid，gasinfluencedthespeedandtheinfluenceofgasismostserious．Byapplyingthemethodfortransientanalysisofwaterhammer,thebasicequationsfordescdbingthetransientcharacteristicofmudpulsewereestablishedandtheequationsCanbesolvedbyusingmethod—of-characteristics．Thesimplificationmodelfordrillingfluidcirculationsystemwithpulsegeneratorwassetup，dividingthecirculationsystemintofivesections：frommudpumptoairtank，fromairtanktodillingpipe，fromdrillingpipetodrillingcollar，fromdrillingtopulsegenerator，frompulsegeneratortobit．Basedonanalysisontheboundaryconditionsofeverysection，thecomputerprogramtosolvethebasicequationsusing 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究themethod-of-characteristicsandmethod—of-differencewasdesigned．Analysisresultshowsthatattenuationwilloccurduringthepulsetransmissionindrillingfluid．Theamplitudeandffequencearetwoimportantcharacteristicofmudpulse．Attenuationlawofmudpulsewasstudied．analysisonvariousfactorsinfluencingattenuationshowsthatfrequenceofpulseandviscosityofdrillingfluidaffectattenuationofpulseseriously．PositivepulsesignalwasadoptedtotransmitinformationfrombottomofthewelltogroundandasimplereciprocatingthrottledpositivepulsegeneratorWasdeveloped．Theprincipleanddesignmethodofpulsegeneratorwereinvestigated．AdamperprovidingworkconditionforpulsegeneratorWasdesigned，analyzingthedampingcharacteristicofthedamperanditseffecttopulsegenerator．Methodforcalculatingtheamplitudeandfrequenceofpulsewasstudied．andtherelationbetweenamplitude，frequenceofpulseanddrillingfluiddisplacementWasobtained．Itcouldbeguidancefordesignandapplicationofpulsegenerator．TheprocessofgeneratingthepulsewassimulatedusingFEMtounderstandingtheamplitudeofpulseandtheforcethatdrillingfluidactonthepulsevalve．Comparisonshowsthatresultofsimulationwasbetterthant11eoreticalcalculation．Finally．thestructureofthereciprocatingthrottledpositivepulsegeneratorwasoptimized．3ResearchonTechniquesforDeviationMeasurementandInformationTransformationBasedonthegravityprinciple，amechanismcalleddeviation—measuringunit，whichconsistsofapendulumandastiesofgraduatedstopshoulder，wasdevelopedandthemethodforstructuredesignandcalculationoftheunitwaspresented．Structuresimulationondeviation-measuringunitshowsthatthebestprecisionoftheunitis0．20，andtheunit’Sstructuresizeinfluencetheprecisionandmeasurementrangeoftheunitmarkedly，Thestructurepasrametershouldbedeterminedaccordingtotheprecisionandreliabilityoftheunitandfieldrequirement．Thewayofinformationtransformingisrealizedbyamechanismcalledmechanicalcodedcontrolunit，whichtransformtheinclinationinformationintovarietyofdisplacementandenlargeit，theenlargeddisplacementcancontrolpulsegeneratortoproducepulses．Theprincipleandstructureofthemechanicalcodedcontrolunitweredescribed．BasedOntheanalysisonkinematicrelationofallparts，themethodforstructuredesignandcalculationwasgiven．Assembledstructureofthedeviation·measuringunitandthemechanicalcodedcontrolunitCanachievethefunctionofmeasuringthedeviationandtransformingtheinformation．4DevelopmentofMWIandItsApplicationBasedonalltheseresearch，thewholestructureofMWlwithaself-compensatingconstant—pressure—differencesealsystemWasdeveloppedsuccessfully．LabandfieldtestshowsthatalltheperformanceandindexofMWIattaintheexpectedpurpose，anditcansatisfythedemandofmeasuringthedeviationofverticalwellwhiledrilling，especiallytohigh ABSTRACTtemperature&highpressurewell．deepwellandsuper-deepwellbecauseofitsverygoodanti—heatcapabilityandfieldapplicability．Ithasagoodapplicationin40oilwellsandsetuptherecordformeasuringdeviationinheatwell，highpressurewellanddeepwell，whichproduceremarkableeconomicandsocialbenefit．KeyWords：MechanicalInclinometer；MeasuringDeviationWhileDrilling；InformationTransforming；StructureandPrinciple；DesignandCalculation；DevelopmentandApplication 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究独创-|’生声明我呈交的学位论文是在导师指导下个人进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它学位或证书而采用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此声明。声明入(签名)：埘绰，；月多日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国石油大学有关保留、采用学位论文的规定，即：学校有权保留送交学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。特此说明。说明人(签名)：独指导教师(签名)陛望：圣L。．劳嚏月．；日说明人(签名)：域指导教师(签名)f翌型：刍L。-劳嚏月·；日 中国石油大学博士学位论文；机械式无线随钻测斜仪系统研究机械式无线随钻测斜仪系统研究创新点摘要(1)提出基于机械测斜技术与钻井液脉冲技术的机械式无线随钻测斜仪系统的总体设计方案。该方案与常规电子测斜技术的主要区别在于，采用机械测斜技术，井下仪器为纯机械机构。基于该方案研制的机械式无线随钻测斜仪，具有很好的抗高温性能和现场适用性，解决了高温井、深井、超深井随钻测斜的难题，创造了国内高温、高压和深井测斜的记录。(见第2章、第6章)(2)将瞬变流理论引入到钻井液脉冲传输理论，建立钻井液脉冲传输瞬变分析基本方程。在对钻井液循环系统进行简化处理的基础上，确定钻井泵出口、空气包、钻杆与钻铤连接处、脉冲发生器和钻头处的边界条件。应用特征线法知自限差分法对钻井液脉冲传输过程进行精确数值求解时，摩擦项按二阶近似处理，提高了计算结果的精度。(见第3章)(3)采用机械方式实现井斜信息的转换，将井斜信息转变为不同的位移变化量，并对位移进行放大，成为脉冲的控制信息。基于该思路研制的机械编码控制和行程放大机构，将仪器的测斜机构与脉冲发生器联系在一起，使得井斜大小与脉冲数量存在对应关系，实现井斜信息向脉冲信息的转换。(见第4章)(4)利用流体运动理论，建立了往复节流型正脉冲发生器脉冲强度的数学模型，推导出脉冲强度的计算公式，得出的脉冲强度与钻井液排量的关系不仅是脉冲发生器设计的理论基础，还对脉冲发生器的现场使用具有重要的指导意义。根掘脉冲强度与钻井液排量、钻井液性能的关系，在不同井深和钻井液性能的情况下，可以适当调整钻井液的排量，以获得较理想的脉冲信号。(见第5章) 第l章绪论第1章绪论1．1研究目的及意义井斜问题是油气钻井生产中一个非常重要的问题。特别是高陡构造条件下的井斜问题，不仅造成机械钻速低，导致钻井周期长、钻井成本高，而且往往造成井身质量不合格，严重时导致中途填井重钻或报废，贻误建井周期，甚至达不到预定的勘探开发目的⋯。从上世纪20年代起，工程技术人员和科研工作者对井斜问题及防斜措施进行了理论研究和工具丌发，提出了多种井斜控制方案，研制丌发了一些防斜工具{241。这些理论和工具对控制井斜起到了一定的作用，但并不能完全避免井斜的发生。到目前为止，所有的油气井在钻井过程中都会发生不同程度的井斜。既然井斜问题不可避免，就需要测量井斜，以保证井斜在许可范围之内，避免发生井下事故。因此，井斜的测量是钻井工程上不可缺少的工作，对控制井斜、保证井身质量具有重要意义。测斜技术就是为了解决油气井测斜问题而发展起来的，刚开始时主要是为了测量直井的井斜，即测量油气井偏离铅垂线的大小，尽量保证井眼的垂直。后来随着钻井技术的进步和复杂油气藏开采的需要，出现了定向井、水平井等特殊工艺井，随之出现了相应的测量仪器。回顾测斜技术的发展历史，可分为三个阶段。第一阶段是虹吸测斜技术，其原理是利用液面始终保持水平的特性来测量井斜，它是最初的测斜技术，与之相关的仪器是虹吸式测斜仪。这种测斜技术由于操作不方便，需要时|-日J长，耳静已基本被淘汰。第二阶段是照相测斜技术，其基本原理是利用重力和磁性原理，通过摆锤和指南针在罗盘上成像测量井斜和方位角。这种技术从20世纪70年代后期开始发展起来，80年代在油田广泛使用口1。与照相测斜技术相关的仪器包括照相式单点测斜仪，多点测斜仪等。目前，照相式单点测斜仪还在使用，而照相式多点测斜仪因读数不方便而被电子多点测斜仪代替。第三阶段是电子测斜技术，其基本原理是利用地球重力场和地磁场，用加速度计感应地球重力场强而测量并斜，用磁通门用来感应地球磁场强而测量方位。这种技术在20世纪70年代末80年代初首先从国外引进，后来经过我国技术人员的科研攻关，相继研制成功电子单点测斜仪、电子单多点测斜仪等16I。20世纪90年代切期，为满足定向井、水平井钻井工艺需要，我国开始引进有线随钻测量仪器和无线随钻测量仪器(MeasurementwllileDrilling。MWD)[”，并在对关键技术进行消化吸收的基础上开展有线随钻和无线随钻测斜技术的研究工作，开发研制有线随钻测量仪器和无线随钻测量仪器。目前国内己有多个生产有线随钻和无线随钻测量仪器的厂家。表1．1列出了我国目前现场使用的测斜仪类型及其性能参数和适用范围，可以看出，现场使用最多的是电子测斜仪器，其次是照相测斜仪器。电子单点测斜仪主要用于直井测量井斜，电子单多点测斜仪用于直井和定向井，有线随钻测斜仪主要用于定向井 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究和水平井，无线随钻测斜仪(MWD)主要用于水平井、分支井等特殊工艺井。用于直井测斜的有电子单点测斜仪、电子单多点测斜仪和照相式单点测斜仪，它们存在一些共同的不足之处，即仪器的抗高温性能差，最高工作温度仅为125℃：承压能力低，最高工作压力为looMPa：测量操作复杂，测量时|’日J长，不能随钻测量。现场应用表明，虽然这些仪器能够满足一般直井测斜的需要，对直井测斜作出了巨大贡献，但无法满足高温高压并、深并、超深井等特殊复杂直井测斜的需求。表1．1各种测斜仪的性能对比机械式无线随钻测斜技术是一种新型测斜技术，利用精密机械装置测量井斜，利用钻井液脉冲技术传输井斜信息。该技术的井下测量仪器为纯机械机构，井斜测量、井斜信息转换和脉冲信号的产生等功能全部由机械装置实现。与现在广泛使用的直井测斜技术相比，机械式无线随钻测斜技术不仅具有很好的抗高温、耐高压性能，而且可以实现随钻测量，实时监测井斜。随着对石油资源需求的加大，为寻求更多的石油接替阵地，石油勘探丌发范围在不断扩大，从平原向沙漠、高山转移，从浅层向深层发展，以前勘探开发难度大、成本高的油田逐渐投入了开发博J。这些新的勘探区地质结构复杂，地层压力大、温度高，大部分为深井、超深井，钻井难度大，井斜的测量和控制困难f91。同时随着钻井技术的发展和勘探歼发要求的提高，对并身质量的要求越来越高，井斜的测量和控制越来越重要。目前国内还没有可以用于直井的随钻测量仪器，无法对直井井斜进行随钻监测。因此，开展机械式无线随钻测斜技术研究，研制具有自主知识产权的机械式无线随钻测斜系统，对解决深井、超深井、高温高压井等高难度直井随钻测斜的难题，保证井身质量、减少井下事故，提高钻井速度、节约钻井成本等具有重要意义。本论文以胜利石油管理局科研项目“机械式无线随钻测斜仪研制”为依托．丌展机械式无线随钻测斜仪工作机理及结构设计研究，为仪器的设计提供理论基础和依据。本论文涉及的无线随钻信息传输理论、液压阻尼理论、液压密封与润滑理论等不仅适用于机械式无线随钻测斜仪，也适用于其它无线随钻测量仪器与井下工具，为井下仪器及工其的设计提供理论基础。2 第1章绪论1．2随钻测量技术发展研究现状1．2．1随钻测量技术最早的随钻测量技术开始于20世纪30年代初期，多年来研究人员一直致力于研究一种简单可靠的随钻测量技术。但由于井下条件异常恶劣，给仪器的设计和精度的提高带来了很大的困难。随钻测量技术的关键是建立一条有效的、可靠的、信号通道，用于井下和地面信息的传递。1950年，ArpsJ．J．发明了钻井液压力脉冲传输技术，促进了随钻测量技术的发展。60年代后期，形成了随钻测量的工业化基础服务标准和系统可靠性与性能标准，从此，随钻测量技术正式以一项成功技术浮出水面【⋯。70年代，随钻测量技术得到了充分的发展。1971年，正弦波泥浆传输系统由MobilR&D公司试验成功：1970～1973年，BJHughes公司推出有商业价值的无线随钻测斜仪；1978年，TELECO公司推出第一套商业化的随钻测量系统(MWD)系统。20世纪80年代是随钻测量技术飞速发展的时期，众多公司推出了自己的MWD系统。1980年，斯伦贝谢公司的子公司Anadrill公司购买了Gearhart公司的专利，推出了MST多传感器MWD系统。1981年，EASTMAN公司推出了PPT型MWD系统。随着技术的发展与进步，随钻测量也由以前的井斜、方位等参数测量发展为钻头参数、地层参数的随钻测井系统11”。20世纪80年代中期开始，一些专业化服务公司开始相继推出自己的随钻测量系统，功能越来越完善，系统越来越复杂。目前，无线随钻测斜技术在国外已发展成熟，并在现场广泛使用，取得巨大的经济效益和社会效益。我国在上世纪70年代初期曾独立进行过随钻测量技术的研究，当时信息的传输方式采用电磁波信息传输技术，并在江汉油田进行过现场试验，信号传输深度达到1200m。但后来研究工作因故中断，一直到20世纪90年代初期，国外的无线随钻测量技术发展成熟并在油田成功推广应用，取得巨大的经济效益，并大大促进了钻井技术的进步，这时我国开始重视无线随钻测量技术【1”。90年代初我国进行的研究工作偏于应用，主要是为了解决现场遇到的一些钻井技术难题和满足当时钻定向井和水平井的需要。研究攻关的课题内容主要是在引进国外的MWD系统的基础上，研究与之配套的钻井技术，而对MWD系统有关理论进行研究的不多。直到90年代中后期，随着国内定向井、水平井等特殊工艺井的增多。为满足现场钻井技术需要，国内各大油阳相继引进国外不同厂家的MWD系统，在石油钻井工程中得到了广泛的应用ll2。”J。与此同时，在对国外仪器进行消化吸收的基础上，随着我国加工制造和电子等相关技术的发展进步，国内的一些研究单位和公司开展了无线随钻测量技术的研究工作，对无线随钻测量仪器进行国产化研制工作。但在国产化和研制开发的过程中，对无线随钻测量仪器的基础理论研究不多。主要在国外仪器的基础上并基于经验开发适用于油田钻井需要的仪器，在这方面做的工作最多的有大港油田定向井公司、胜利油田钻井工艺研究院和钻井技术公司、西安石油勘探仪器总厂和北京海篮公司等。目前，这些公司都可以自己生产MWD系统。3 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻：则斜仪系统研究1．2．2信息传输理论在随钻测量技术中，如何解决地面和井下之间的信息传输问题是关键技术之一。根掘文献查阅情况，国外对随钻测量技术中的信息传输技术方面进行了大量的理论研究工fI，包括信息传输的方式及其实现方法115-17】。目前常用的信息传输技术有四种，即电缆传输技术、钻井液脉冲传输技术、电磁波传输技术、声波传输技术。而钻井液脉冲技术是随钻测量中标准的信息传输技术，也是发展最成熟、应用最多的一种技术。目前现场使用的无线随钻测量系统及井下工具的信息传输方式几乎全是钻井液脉冲技术。自从20世纪50年代美国人hrpsJ．J．发明了钻井液脉冲技术以来，它得到了很大的发展和广泛的应用。钻井液脉冲技术的基本原理是将井下测量的信息调制成脉冲电流信号，用调制的脉冲电流信号控制井下脉冲发生器的开关阀，使钻柱中的钻井液压力发生变化，从而产生钻井液压力脉冲，压力脉冲通过钻柱中的钻井液传递到地面，地面的压力传感器检测到压力脉冲，并经解码器解码，得到井下测量信息。因此，在理论研究方面，主要研究内容为井下信息调制编码、压力脉冲的产生和控制、脉冲在钻井液中的传输特性、地面信息的接收和解码技术等。在钻井液脉冲传输特性方面的研究主要包括：压力脉冲在钻井液中的传播规律、传播速度及其影响因素、衰减规律等，钻柱震动对脉冲传输的影响等，压力脉冲在钻杠与钻井液组成的耦合系统中的传播特性等【18粕】。地面信息接收及解码技术研究主要包括信号识别、噪音的影响及处理等【”-291。通过这些研究工作的开展，提高了井下信息传输的速度与质量，使得钻井液脉冲技术更加成熟，数据传输速度更快，更适合于现场应用。与钻并液压力脉冲的传播理论研究相比，钻井液脉冲技术的另外一个重要的研究工作一脉冲发生器设计的理论研究则比较少，很多文献只对脉冲发生器的类型及基本原理、性能等进行简单介绍【l“"】，而没有结构设计理论和试验研究文献，但相关的发明专利很多。这可能是因为各研究开发公司和厂家为了技术保密和与对手竞争，不愿公开自己的关键技术，以达到技术垄断的目的。从钻井液脉冲技术发明并在现场成功应用以来，国外很多公司相继开发出具有自主知识产权的脉冲发生器。作为无线随钻测量技术的～种关键技术，我国在钻井液脉冲技术方面的研究起步较晚，进行的研究工作也很少。目前国内几乎所有有关随钻测量的文献都是现场应用方面的，主要是介绍国外的无线随钻测量系统的组成、基本工作原理及现场使用情况。虽然我国有多个厂家可以生产MWD系统，但主要基于进口仪器和使用经验进行国产化设计，缺少理论根据。大庆石油学院的刘修缮、北京石油勘探开发研究院的苏义脑院士等刈钻井液压力脉冲在钻井液中的传播问题进行了研究，主要研究内容包括脉冲信号的传播速度、传输特性、衰减规律及影响脉冲传播的因素分析等[30-331,房军、苏义脑等对无线随钻测量液压脉冲信号发生器进行了研究，建立了液压脉冲发生器的液压系统模型，通过仿真计算详细地研究了其工作机理与性能特点，并提出了液压脉冲发生器样机设计方案【34-351。4 第1章绪论1．2．3机械式无线随钻测斜技术机械式无线随钻测斜技术集机械、液压和钻井液脉冲技术为一体，利用精密机械结构测量井斜。井下仪器为纯机械机构，井斜的测量、井斜信息的转换、脉冲信号的产生等全部通过机械装置实现。它可以象MwD一样在下钻之前安装到井下钻具上，实现随钻测量，实时监测井斜。由于机械式无线随钻测斜仪具有操作使用方便、不受温度和井深影响等优点，在深井和高温等特殊直井中得了广泛应用。国外在机械式无线随钻测斜技术方面的研究工作从20世纪50年代末开始起步，60年代获得成功II“。70年代末BJHughes公司研制的机械式无线随钻测斜仪商业化，丌始在现场推广应用。经过三十多年的研究和改进，国外在机械式无线随钻测斜技术方面的研究和应用取得了很大的成就，研究设计了多种类型的机械式测斜仪器{3””。我国在钻井测斜仪器方面的研究工作己取得了重要的成就，但在机械式测斜仪器方面的研究还是空白。国内还没有对机械式无线随钻测斜技术进行过系统的研究，也没有研制和生产机械式测斜仪的单位和厂家。原地质矿产部华东石油地质局于1986年申报的中国发明专利“自调机械式随钻测斜仪”中涉及到机械式测斜仪13”，但～直没有产品问世，也没有相关的研究报道。胜利石油管理局钻井工艺研究院针对现场需要，从2002年开始进行机械式无线随钻测斜技术的调研和研究工作，目前已取得很大的研究进展。1．3论文研究内容本论文以机械式无线随钻测斜仪为研究对象，对其工作理论与设计方法进行系统地研究，主要包括以下内容：(1)首先在充分调研国内外测斜技术现状的基础上，提出机械式无线随钻测斜仪的总体设计方案，确定需要研究的关键技术。(2)钻井液脉冲信息传输理论研究：主要研究钻井液压力脉冲的传输特性，以流体力学理论为基础，建立钻井液压力脉冲传输基本方程和带井下仪器时钻井液循环系统模型，分析压力脉冲传输的瞬变特性、衰减规律、传输速度及其影响因素等，从而为脉冲发生器的设计提供理论依据。(3)脉冲产生机理及脉冲发生器的研制：研究脉冲发生器的工作原理及结构设计方法，研制适用于机械式无线随钴测仪的正脉冲发生器。(4)机械测斜与信息转换技术研究：运用理论力学及机械运动学理论研究分析机械测斜的原理及结构设计计算方法；研究用机械方式实现井斜信息转换的方法与技术，将井斜信息转换为可以控制脉冲发生器工作的控制信息，研究信息转换和控制装置的设计方法。·(5)机械式无线随钻测斜仪的研制：研究仪器的整体结构设计和密封润滑方式，研制机械式无线随钻测斜仪，并进行室内和现场试验。5 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究第2章机械式无线随钻测斜仪总体设计方案研究2．1现有测斜仪器存在的不足目前现场广泛使用的直井测斜仪器主要有照相单点测斜仪和电子单点测斜仪，两种仪器与不同的附件组合可以形成多种不同的测斜方法和技术。现场最常用的测斜方法有吊测法和投测法。吊测法是用钢丝绳吊着仪器，用测斜绞车将仪器从钻杠内孔下到井底，待测斜完毕后再用绞车将仪器起出，然后读出井斜大小。投测法有两种，一种是起钻投测法，即将仪器从钻柱内孔投入井中，仪器在重力作用下到达井底，然后起钴，待起钻完毕将仪器取出，读出井斜角；另一种是自浮投测法，这种方法使用的仪器本身带有浮简，可以将从井底将仪器漂浮出来。使用时将仪器从钻柱内孔投入井中，然后开泵用钻井液将仪器打到井底，测斜完毕并停泵后，仪器会自动从井底浮出来．即可读出井斜角。但不管采用哪种测斜方法，这两种仪器在现场使用过程中存在一些共同的缺点和局限性，主要表现在：n)操作复杂、测量需要时间长。不管采用哪种测斜仪器和测斜方法，在测斜时需要将方钻杆卸下，自浮投测时还要甩下水龙头，操作复杂，劳动强度大，而且测量时间长，一次需要30分钟以上，且随井深的增加而增加，对4000～5000m的深井，有时需要2．4小时。测量时间长不仅耽误时间，还导致在快速钻进阶段无法测斜，因为担心钻具静止时间长可能造成卡钻等事故。(2)抗高温性能差，使用时受温度限制。照相式测斜仪的最高工作温度只有105℃，电子仪器的最高工作温度一般为125℃，所以其使用范围受到限制，无法满足高温井的需要。(3)仪器适应性差，对井深、泥浆性能要求苛刻。仪器的抗压性能差，当泥浆密度太高或井深超过一定深度时，仪器无法使用。另外，在测斜作业时，如果操作不当，将会损坏仪器。(4)操作不当，可能给出错误的测量结果。有时由于时间设定不准或仪器下放不到井底而造成测量结果与测点不符，给出的测量结果不是井底的井斜，而是其它位冒的井斜，对钻井施工造成误导，甚至造成并下事故。(5)不能实现随钻测斜。目前直并测斜仪器只能对钻后井眼测斜，而不能随钻测斜，这样即使测出了井斜，也无法改变结果，容易导致钻井事故。(6)测斜作业存在风险。在用自浮式测斜仪测斜时，在仪器被泵入井下的过程中，如果泵速控制不好，可能损坏仪器。有时由于钻井液性能和井深的原因，仪器浮不上来，不仅无法测量井斜，还必须起钻，浪费时间。在使用吊测法测斜时，有时可能因操作不当，钢丝绳断脱，仪器落入井底，导致测斜失败，且需要起钻，浪费大量的时1．日j。而且，由于测斜需要时i．日J长，钻柱长时间静止不动，存在卡钻的风险。以上局限性和不足使得现有仪器不能完全满足直井测斜的需要、特别是深井、超深井、高温高压井等高难度直井测斜的需要。6 第2章机械式无线随钻测斜仪总体设计方案研究2．2机械式无线随钻测斜仪系统设计方案2．2．1机械式无线随钻测斜仪的功能及设计原则机械式无线随钻测斜仪的功能是随钻测量直井井斜，但在性能上应克服现有测斜仪器存在的不足之处，具有抗高温高压性能和随钻测量的功能，现场适应性强，且操作简单、使用方便，弥补现有仪器的不足，不仅满足一般直井随钻测斜需要，更重要的是要解决高温高压井、深井、超深井等特殊复杂直井随钻测斜的难题。基于机械式无线随钻测斜仪的功能及其性能要求，仪器设计时要遵循以下原则：(1)在关键技术上要有所创新和突破。实践证明，现有的电子测斜技术和照相测斜技术已很难提高仪器的抗高温性能，提高仪器的抗高温性能只能通过改变技术思路来实现，必须在测斜技术总体思路上有所创新。(2)在关键技术有所创新的同时，其它相关技术尽可能应用成熟技术或被实践证明安全、可靠的技术，以便缩短研发周期，降低研发成本，提高成功率。(3)仪器设计要安全可靠，不能影响正常的钻井工艺或出现井下事故。(4)仪器的性能要可靠，操作简单，方便现场使用，且使用费用低，适用于大范围推广应用。2．2．2机械式无线随钻测斜仪系统设计思路无线随钻测量涉及到三个方面的技术：井下测量技术、信息传输技术和地面信息接收技术。井下测量技术是随钻测量的关键技术之～，用以完成井下各种参数的测量。由于井下仪器或工具的功能不同，测量参数不同，采用的技术及方法也不同。目前常用的无线随钻测量技术包括井身轨迹几何参数测量、地层参数测量、随钻测井、随钻地震等，这些井下工具和仪器都是采用机电～体化技术，可以测量很多参数，在石油工程领域应用广泛。信息传输技术是在井下与地面之间提供一个有效的、可靠的信息传输通道，以实现地面和井下之I．丑J的信息交换与控制，是无线随钻测量不可缺少的技术。现有的信息无线传输技术主要有钻井液脉冲技术、电磁波传输技术和声波传输技术等。这些信息传输技术各有自己的优缺点，目前使用最多的钻井液脉冲技术。地面信号接收系统用来接收井下信息，将接收到的井下信息进行解码、计算、处理，以便获得需要的井下数据和信息。根据随钻测量的目的，有些地面信息接收系统比较简单，有些则比较复杂。复杂的地面接收系统包括数据采集设备、数据处理设备和显示设备，简单的只需一个记录仪就行了。机械式无线随钻测斜仪属于无线随钻测量的范畴，其相关技术也涉及井下测量技术、信息传输技术和地面信息接收技术[39J。机械式无线随钻测斜仪的主要功能是随钻测量井斜。其井下测量仪器相对简单。机械式无线随钻测斜仪的测量技术采用机械测斜技术，而不用常规的电子测量技术。并下仪器是纯机械结构，井斜的测量、井斜信息的控制与转换、脉冲信号的产生等全部功7 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究能都由机械装置完成。这样做不仅可以提高井下仪器的抗高温、耐高压能力，还能提高其可靠性，使仪器具有更强的适应性。机械式无线随钻测斜仪的信息传输技术采用目前使用最广泛、最成熟的钻井液脉冲技术，并且采用结构简单的往复节流型脉冲发生器，这样既可以保证仪器的整体可靠性，也可以降低研究攻关的难度，节省成本。机械式无线随钻测斜仪的地面信息接收装置的功能是记录脉冲信号，根据脉冲信号计算井斜角的大小，并将结果打印出来。此装置可以利用现有的电子技术，根据本仪器的特殊需要进行设计。总之，机械式无线随钻测斜仪的系统设计方案为：利用机械测斜技术测量井斜，利用钻井液脉冲技术传输信息。与现有的直井测斜仪器相比，主要创新点在于采用机械测斜技术，且可以实现随钻测量。2．2．3系统组成与工作原理图2．1仪器系统组成机械式无线随钻测斜仪的系统组成与现场广泛使用的电子式无线随钻测斜仪(MWD)相似。如图2．1所示，整个系统由井下仪器和地面信息接收系统组成。地面信息接收系统包括传感器和记录仪。井下与地面之间通过钻井液以钻井液脉冲的形式传输信息。井下仪器实现井斜测量、信息转换和控制、脉冲信号的发生等功能，是机械式无线随钻测斜仪的核心，也是本论文研究的重点。以后文中提到的机械式无线随钻测斜仪就指井下仪器，不包括地面接收系统。整个系统的工作原理为：井下仪器的测量装置测得的井斜信息通过一定的机构传 第2章机械式无线随钻测斜仪总体设计方案研究递给控制装置，控制装置将井斜信息转换为控制信息，从而控制脉冲发生器产生脉冲信号，脉冲信号沿钻杠通过钻井液传递到地面的立管，立管上的压力传感器检测到压力脉冲信号，记录仪将脉冲信号记录下来，并显示出井斜的大小。2．2．4主要技术参数的确定测斜仪器的主要技术参数包括测量精度、测量范围、测量深度、工作温度和规格尺寸等。对机械式无线随钻测斜仪来说，要求不仅可用于一般直井，还要解决高温、高压、深井等特殊直井的测斜难题，其工作温度、测量井深等参数非常重要。2．2．4．1精度作为测量仪器，精度是最关键的参数之一。目前，电子式测斜仪的精度可达到±O．1。，而且其显示数值可以精确No．0t。机械式无线随钻测斜仪因采用机械测斜技术，虽然在理论上可以和电子式测斜仪具有同样的精度，但实际上很难实现。机械式无线随钻测斜仪的精度受到结构的限制，最高精度可达0．2。，其读数为某一范围的平均值，且是跳跃式的(增量)。综合考虑钻井工程上对直井井身质量的要求和机械测斜结构的结构限制，机械式无线随钻测测斜仪的精度(增量)定为0．56和1．0。，这样既能满足现场的需要，又降低了零件的设计加工难度，同时提高仪器的可靠性。2．2．4．2测量范围由于机械式无线随钻测斜仪主要用于直井的随钻测量井斜，综合考虑现场的实际需要和仪器设计加工的难度，将仪器的测量范围设计成多个可调的测量范围。当增量为O．5。，单个测量范围可测量的绝对角度为3．0。，最大测量角度为10．0。：当增量为1．0。，单个测量范围可测量的绝对角度为6．O。，最大测量角度可达17．0。。在使用时，可根据实际的井斜及地层情况选择不同精度的仪器和不同的测量范围。2．2．4．3工作温度温度是井下测量仪器的一个重要性能参数，机械式无线随钻测斜仪为纯机械结构，受温度影响较小，考虑到密封件的工作温度，其工作温度定为210℃，最高可达260℃，这也是本仪器的一个显著特点，适用于深井及高温井。2．2．4．4测量井深研制机械式无线随钻测斜仪的目的是为了克服现有仪器的不足，解决深井、超深井测斜的难题，因此仪器应该可以适用于更深的井中，满足深井测斜的需要。综合考虑脉冲衰减与信号接收技术以及目前我国的深井钻井情况，仪器的最大工作井深定为7000m。2．2．4．5规格尺寸仪器设计成31／2”和43／4”两种规格，配合5”以上钻铤使用，可以满足61／2”以上井眼使用。9 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究2．3关键技术的设计方案2．3．1并下仪器的结构组成井下仪器具有井斜测量、信息转换和产生脉冲信号等三方面的功能。如图2，2所示是井下仪器的结构组成示意图，主要包括以下几个部分：井斜测量机构、控制机构、脉冲发生装置等主要机构以及阻尼装置、外壳、密封系统等辅助部分。测斜机构、控制机构、阻尼装詈等安装在密封的壳体中，壳体将内部机构与外界环境隔开。脉冲发生装胃装配在壳体外，壳体固定在底座上。仪器的基本工作原理是：测斜机构用于测量井斜，经信息转换与控制机构将井斜信息转换为位移变化量并进行放大，用放大的位移变化量控制脉冲发生装置产生不同数1虱2-2井下仪器结构组成量的脉冲信号。2．3．2测斜机构的设计方案测斜机构是井下仪器的核心部分，直接决定仪器的精确度及测量范围等重要参数。机械式无线随钻测斜仪的测斜机构采用摆锤一阶梯环机构，其测量原理基于重力原理。如图2．3所示，与摆锤相连的控制轴可以沿阶梯环的中心线往复运动，摆锤上端与控制轴的连接方式是绞接。在重力作用下，摆锤一直处于自由垂直状态，当摆锤随控制篡耸主器轰磊?譬墓瑟塞≥妻主筹图z·，测斜原理梯环是倾斜的，摆锤必定会挂在阶‘。⋯⋯。一lO 第2章机械式无线随钻测斜仪总体设计方案研究梯环的某一台阶上。当阶梯环的倾角不同时，摆锤将挂在不同的台阶上。当阶梯环倾角一定时摆锤挂在哪一个台阶上，与测斜机构的精度有关，由设计时该机构的结构尺寸确定。如果测斜机构的精度为0．5。，当阶梯环的倾角为1．5。时，摆锤挂在如图所示的第2个台阶上，当阶梯环的倾角为t．0。时，摆锤将挂在第1个台阶上；当阶梯环的倾角为2．0。时，摆锤将挂在第3个台阶上。如果测斜机构的精度为0．25。，当阶梯环的倾角为I．5。时，摆锤挂在图中第5个台阶上，当阶梯环的倾角为1．25。时，摆锤将挂在第4个台阶上：当阶梯环的倾角为1．75。时，摆锤将挂在上面第6个台阶上．测斜机构的精度与摆锤和阶梯环的结构尺寸有关，在摆锤尺寸确定的情况下，精度越高，阶梯环的相邻台阶的半径之差越小。测斜范围与精度和阶梯环的台阶数有关，精度越高，相同数量台阶的阶梯环，其测量范围越小，反之相反；精度相同时，阶梯环台阶数越多，测量范围越大。2．3．3脉冲发生器设计方案目前，常用MWD系统的钻井液脉冲发生器多为机电一体化结构，分电磁驱动或液压驱动两种。机械式无线随钻测斜仪为纯机械结构，井下没有电源等动力，其脉冲发生器采用往复节流型正脉冲发生器，如图2．4所示。这种脉冲发生器的优点是结构简单，性能可靠，不需额外的动力，仅以钻井液作为动力。其工作原理为：当钻井泵启动时，钻井液从脉冲环中流过，脉冲阀在高速钻井液的作用下向下运动，当脉冲阀通过脉冲环的节流孔时，钻井液的过流面积将由大变小然后再变大，从而使得钻井液的压力由小变大再变小，产生正压查竺、冲：．竺、冲塑兰篓制罂髦塑簦，苎譬图2．4脉冲发生器示意图詈受控制机构的控制，井斜不同，脉冲一‘。。阀的位詈不同，向下运动过程中经过的节流孔不同，产生脉冲信号的数量不同。2．3．4脉冲数量与井斜角的对应关系机械式无线随钴测斜仪利用脉冲数量确定井斜角的大小，井斜大小与脉冲数量存在对应关系。由测斜机构的设计方案可知，阶梯环台阶与脉冲数存在对应关系，而且仪器的绝对测斜范围由仪器的精度和仪器能够产生的最大脉冲数量共同决定。例如，仪器的精度为0．5。，仪器最多可产生10个脉冲，那么仪器的绝对测斜范围即为5。。虽然仪 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究器的绝对测量范围是一定的，但其可测量的最小井斜角可以不同，所以就有不同的有效测斜范围。例如，对精度为0．5。的仪器，最多可产生10个脉冲，如果其可测量的最小井斜角为1．0。，那么它的有效测量范围就是1．0～5．5。。在结构设计时，一个仪器可以设计多个有效测斜范围，从而增大仪器的测量范围，使用时根据情况选用合适的有效测斜范围。机械式无线随钻测斜仪井斜角的确定与测斜机构的精度、脉冲数量和有效测斜范围有关。当精度和有效测斜范围确定的情况下，井斜角只与脉冲数量有关，并成J下比或反比关系。如果井斜角与脉冲数成正比关系，即井斜角随脉冲数的增加而增大，那么井斜角的表达式可表示为：0=t(Ⅳ一1)+口(2-1)如果井斜角与脉冲数成反比关系，即井斜角随脉冲数的增加而减小，那么井斜角的表达式可表示为：0=k(N—n)+口f2．21式中，0为井斜角；七为仪器的精度；a为可测量的最小井斜角；Ⅳ为仪器最大脉冲数；，l为脉冲数量，n=l，2，3，⋯，N。假设仪器最多有lO个脉冲，精度为0．5。，可测量的最小井斜角口分别为0．5。、1．0。、1．5。、2．0。，那么正比和反比设计情况下，井斜角与脉冲数的对应关系如表2．1、表2．2所示。表2．1正比设计时，井斜角与脉冲数的对应关系由表2．1、2—2可以看出，由于测量的最小井斜角不同。井斜角与脉冲数对应关系将发生变化，但不管测量的最小井斜角是多少，其测量的最大值与最小值之差是一样的， 第2章机械式无线随钻测斜仪总体设计方案研究这就是仪器的绝对测量范围，而当测量的最小井斜角为不同的值时，仪器能够测量的角度范围发生了改变，此角度范围为仪器的有效测量范围，全部有效测量范围加在一起就是仪器的测量范围。因此，增加有效测量范围可以在不增加脉冲数量的情况下增大仪器的测量范围，从而使仪器具有更广泛的适用性。在此方案中，根掘前面确定的精度和测量范围，考虑到加工技术与条件的限制，脉冲数最多为7个，且按正比关系设计，并设计有多个有效测量范围。对精度为0．5。和1．00两种仪器，其绝对测量范围分别为3．50和7．0。。精度为0．5。的仪器，其有效测量范围共15个，仪器的测量范围为o~lOo；精度为1．00的仪器，其有效测量范围共11个，仪器的测量范围为0～17．0。。两种精度仪器的并斜角与脉冲数量、角度范围的关系如表2—3、表2．4所示。对精度高的仪器，其绝对测量范围小，一般用于一趟钻井斜变化不大的场合，而精度低的仪器绝对测量范围大。一般用于一趟钻井斜变化较大的场合。在现场使用时，可根据不同的情况选择不同精度的仪器和合适的测量范围，即根据井斜的变化率选择不同精度的仪器，根据井底的实际井斜选择合适的有效测量范围。表2．3精度为0．5。仪器的角度范围、信号数与并斜角的对应关系表 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究表2．4精度为1．0。仪器的角度范围、信号数与井斜角的对应关系表2．4方案的特点本设计方案具有以下特点：(1)本设计方案改变以前常规的电子测斜技术思路，利用机械测斜技术测量井斜，利用钻井液脉冲技术传输井斜信息，可实现随钻测量直井井斜。(2)本方案既充分利用现有成熟技术，又有所创新。系统的组成和工作原理与现有的电子无线随钻测斜仪相似，都有井下测量部分、信息传输部分、地面信息接收部分组成，但本设计方案井下仪器的结构及测斜原理与现有电子测量技术完全不同。虽然利用成熟的钻井液脉冲技术在井下与地面之间传输信息，但脉冲发生器结构简单，且不需要电源提供动力，仅以钻井液为动力，与其它机电一体化的脉冲发生器有着本质不同。(3)本方案系统组成简单，使用方便，更适合现场使用。使用时只需将井下仪器放在近钻头的钻铤短节中，测量时只需停泵和开泵一次即可，井斜结果马上可以知道。操作非常方便。在现场使用时，不需要专门的技术人员，司钻就可以操作使用。(4)由于井下仪器为纯机械结构，没有复杂的电子元器件，结构相对简单，从而增加了井下仪器的可靠性，使得仪器具有很好的抗高温性能，具有更广泛的适应性，适用于深井、高温井等。(5)本方案提出的技术参数合理，仪器的加工制造难度小，易于实现，同时也能够满足钻井工程上测斜的需要。4 第2章机械式无线随钻测斜仪总体设计方案研究2．5本章小结(1)在对现有测斜仪器的优缺点进行深入分析的基础上，提出了机械式无线随钻测斜仪的整体设计方案，包括系统组成、基本工作原理、主要技术参数的确定等。(2)详细阐述了机械式无线随钻测斜仪关键技术的设计方案，包括井斜测量机构的设计方案、脉冲发生器设计方案、井斜与脉冲信号对应关系设计方案等。(3)该设计方案既克服了现有测斜仪器的不足，具有显著的特点和优点，在总体设计思路上有所创新，同时在具体实施方案中又充分利用现有成熟技术，实现技术创新与成熟技术应用的统一。15 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究第3章钻井液脉冲传输理论研究在无线随钻测量技术中，信息传输技术是关键技术之一。信息传输技术的作用是在井下与地面之间提供一个有效的、可靠的信息传输通道，以实现地面和井下之间的信息交换与控制。无线随钻测量信息传输技术是随着随钻测量技术的发展而发展起来的。最初用于随钻测量的信息传输技术是有线传输，即用电缆传输数掘信息。随着技术的发展，出现了无线信息传输技术。无线信息传输技术的应用促进了随钻技术的发展，拓宽了随钻技术的应用范围。现有的无线信息传输技术主要有钻井液脉冲技术、电磁波传输技术和声波传输技术。另外，用于信号传输的方法还有示踪法、钻柯震动法、扭矩测试法、井下记录法等1401，这些技术在现场应用很少。本章在对电磁波传输技术和声波传输技术进行简要总结的基础上，结合机械式无线随钻测斜仪的信息传输问题，重点对钻井液脉冲传输理论进行研究，研究压力脉冲在钻井液中的传输特性、传输规律等。3．1无线随钻测量信息传输技术3．1．1电磁波传输技术电磁波传输技术可追溯到上世纪40年代初期，但最初是应用于煤矿安全和军事方面，后来被用于石油工业【4⋯。自从1944年Silverman首次提出了钻柱一大地电磁波传输的概念以来，人们一直为该技术的应用做出了不懈的努力。1972年GeoscienceElectronics公司首先研制出用于煤层气钻井的电磁波传输MWD系统。1981年GE公司又推出了用于浅水平井的小尺寸电磁波传输MWD系统。目前有两种以电磁波方式传输信号的方法：以地层为传输介质的大地电磁波传输方法和以钻杠为传输导体的钻杜一大地电磁波传输方法。研究表明，对大地电磁波传输方法，由于电磁能量衰减过大，很难达到实用的目的，目前已被放弃。钻柱一大地电磁波传输方式相当于一个双线传输线路，钻杜作一根导线，大地作另一根导线。传输过程中的功率损失有：地面和地下传感器的功率损失以及地面和地下通讯终点功率不匹配损失。由于高频信号在地层中衰减较快，只能传输低频信号。然而，这些低频信号的频率接近于大地的频率，因此背景噪声将导致对信号的探测和恢复困难。为了补偿功率损失，让电磁波传输更远的距离，可以应用现代中继器技术，在钻柱上安装中继器，从而实现高速远距离传输，但其可靠性随之降低。目前，世界上用电磁波信息传输技术应用最深的井不超过5000m。由于电磁波信号在岩石中衰减严重以及受钻井设备的电气干扰，使得电磁传输技术的应用受到了限制，但电磁波传输方式具有数掘传输速度快、对钻井液的性能要求低、不受钻井液含气量的影响等优点，适用于泡沫钻井液或充气钻井液。因此电磁波传16 第3章钻井液脉冲传输理论研究输技术仍具有较大的吸引力【4“。有关这方面的研究还在进行，也取得了较大的进展。俄罗斯一直开展电磁波传输技术研究，研制的电磁波MWD从1985年开始应用于现场，后来不断改进，现已批量应用，使用井深达3200m。目前仪器的稳定性和可靠性等指枷、已接近广泛使用的钻井液脉冲MWD系统，但其价格刨便宜很多【4”。2003年10B俄罗斯沙玛拉地平线公司生产的ZTS一172M电磁波MWD在胜利油田进行了现场试验14”，试验井深达到1600m。世界三大石油服务公司HaIlibvnon、Schlumberger、BakerHughes也都进行了电磁MWD系统的研究工作，并在现场应用。中国从20世纪70年代末开始进行电磁MWD方面的研究工作⋯，帅1，采用了当时刚问世的集成电路技术，并在江汉油田进行了试验，试验井深达1200m。但后来研究工作因故停止。中国电波传播研究所的熊皓、胡斌杰等人对随钻测量电磁传输信道技术进行研究【4¨纠，建立了电磁传输信道激励物理模型，应用改进均等效传输线法与电极法，研究了影响地面电极检测电压的信道参数，给出了随钻电磁信道最大可测深度与地层电阻率、工作频率及井场干扰噪声的关系，并进行了现场试验，将理论结果与实际测量结果进行了对比，二者吻合较好。国防科技大学的果明明等人对煤勘探钻孔电磁波信号传输途径、天线型式与激励方式、绝缘电极发射机及其参数等关健问题进行过研究，但传输深度只有1000m146]。虽然我国从很早就开始电磁传输技术方面的研究，并取锝了一定的研究成果，但至今没有在现场应用。随着空气钻井、泡沫钻井等钻井新技术的应用，电磁信号传输技术将具有很好的应用前景和发展潜力。3．1．2声波传输技术声波传输方式是利用声波或地震波经过钻杆或地层来传输信号。声波传输信息量小，而且由于钴柱接头处直径的变化和丝扣装配的影响，信号会发生反射和折射，信号衰减，造成信号强度降低，不易接收，难以在干扰噪声中分辨出有用信号140'”1。为了提高信号的强度，需要在钻柱中每隔400～500m装一个中继站，包括电源、发射器、放大器、接收器等电器元件。因此，声波传输技术在深井中应用是不现实的，其应用的最大井深3000～4000m[411。声波传输方式的优点是系统结构简单、实现方便，成本较低、投资少。缺点是信号衰减严重，受杂音干扰，信号弱，难于辨别。HalI．bv哟n、Schlumberge、BakerHughes、Motorola等公司都对声波传输技术进行过研究。但没有取得重大的研究突破，也一直没有在现场推广应用。国内在声波传输方面的研究较少。3．1．3钻井液脉冲传输技术钻劳液脉冲传输技术是20世纪50年代由美国人ArpsJ。J，发明的1101。钻井液脉冲技术的出现。促进了随钻测量技术的发展，在石油钻井工程领域得到了广泛的应用。20世纪60年代第一套钻井液脉冲随钻测量系统现场试验成功，70年代基本成熟，达到了推广应用的水平，具备了商业价值，80年代开始在全世界推广应用。我国于90年代初开始引进17 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究钻井液脉冲MWD并应用于现场，在对引进仪器消化吸收的基础上，丌始了相关的技术研究和产品开发工作。目前，中国石油集团石油勘探开发研究院、西安石油勘探仪器总厂、大港油田定向井公司，中国石化集团胜利油FFI钻井工艺研究院、北京海蓝公司等单位L二”制成功钻丹敞n水(PMWD糸玩，升位饥切仳J胜川。钻井液脉冲技术的基本原理是将井下测量的信息调制成脉冲电流信号，用调制的脉冲电流信号控制井下仪器的钻井液脉冲发生器的开关阀，使钻柱中的钻井液压力发生变化，从而产生压力脉冲，压力脉冲通过钻柱中的钻井液传递到地面，地面的压力传感器检测到压力脉冲，并经解码器解码，得到井下测量信息。目前，钻井液脉冲有3种类型，正脉冲、负脉冲和连续波脉冲。正脉冲是指井下仪器产生的压力脉冲高于钻井液的正常压力：负脉冲是指井下仪器产生的脉冲压力低于钻井液的正常压力。连续波脉冲实际是正脉冲，但与正脉冲的编码方式不同。钻井液脉冲技术的优点是不需要绝缘电缆和特殊钻杆，而是用泥浆作为介质。尽管该传输技术存在数据传输较慢，信号受噪声的影响等缺点，但与其它传输技术相比，从传输深度、传输速率、可靠性和开发成本等各方面综合考虑，该技术比其它技术具有明显的优势，在世界范围内得到了广泛的应用[401。目前，世界上现有的无线随钻测量系统绝大部分采用的是这种信息传输方式。钻井液脉冲传输技术主要涉及三个方面的关键技术，脉冲信号的产生、脉冲信号的传输以及脉冲信号的接收。其中脉冲的产生机理及脉冲发生器的设计方法将在第5章详细介绍，脉冲信号的接收技术涉及到电子技术，在本论文中不做研究。3．2压力脉冲在钻井液中的传播速度3．2．1钻井液的组成及特性钻井液主要分水基钻井液和油基钻井液两种【4”。水基钻井液是由膨涧±、各种处理剂、加重材料以及钻屑等组成的多相分散体系，油基钻井液是以水为分散相，油为连续相，并添加适量乳化剂、润湿剂、亲油的固体处理剂(有机土，氧化沥青)、石狄和加重材料等所形成的乳状液体系。不管是水基钻井液、还是油基钻井液，主要有固、液两相组成，并含有少量的空气。在流体运动理论中，根据固相颗粒在管道中的运动输移规律，固液两相流可分为伪均质流和非均质流。所谓伪均质流，一般指固相颗粒较细，在一定的流动条件下，颗粒基本可以均匀悬浮，颗粒的速度和周围液体的流速基本相同。非均质流则与伪均质流相反，由于固体颗粒较粗，在一定的流动条件下颗粒不能均匀悬浮，并存在大量推移，在稳定流状态下颗粒速度小于周围液体的流速，当流速发生变化时，由于固体颗粒的惯性大，固体颗粒的速度变化滞后于周围液体的流速变化。对常规钻井液来说，含有粘土、岩屑、重晶石粉等固相物质，并且存在着游离状态的气体，因此，钻井液的流动属于气、液、固三相流。一般情况下，钻井液的含气量很小，且经固控系统处理以后，其 第3章钻并液脉冲传输理论研究所含固相颗粒也很小，在液体中可以充分悬浮，浓度分布较均匀。在钻井液的流动过程中，固相颗粒的流速与周围液体的流速基本一致，因此钻井液属于伪均质流，可按单相流来处理。在以后分析压力脉冲传输特性时，钻井液按伪均质流来考虑【30l。3．2．2压力脉冲的传播速度钻井液压力脉冲在钻井液中的传播速度是脉冲传输特性中的一个重要参数，受钻井液特性的影响，研究脉冲信号在钻井液中的传播速度是钻井液脉冲技术的～个重要内容，对脉冲发生器的设计及地面信号的接收等具有重要意义。3．2．2．1压力脉冲产生及传播过程描述石油钻井中有一套完整的钻井液循环系统，钻井液从泥浆池经钻井泵进入钻柱，然后由钻头到环空，通过环空返回地面，经固控系统处理后返回泥浆池。在正常钻进过程中，钻柱内的压力是稳定的。如果底部钻具装有随钻测量系统，在测量时需要将信息传至地面，这时随钻系统的井下脉冲发生器将会减小钻井液的过流面积或将部分钻井液经旁通阀直接进入环空，从而引起底部钻柱内压力的升高或降低，产生正脉冲信号或负脉冲信号，即压力波。这种脉冲信号在钻井液中传播，引起上部钻柱内的压力发生变化。如图3一l所示是正脉冲传输速度计算分析示意图。正常情况下，钻井图3．I脉冲传输速度分析液从上向下流动。当需要产生脉冲时，脉冲阀向上移动，钻井液通道变小，流动受阻。由于惯性流体的连续流动，这时紧靠在脉冲阀上游的流体层压力升高，从而使流体层所在管段的截面发生膨胀。根据流体的连续性，如果忽略钻柱的伸长，由惯性运动而积聚的多余体积应等于钻杠截面膨胀变形体积和钻井液中固相颗粒、液体及气体的体积压缩变形之和。由于钻柱管壁材料的弹性模量和钻井液的体积弹性模量很大，为了盛下多余的钻井液体积，钻杠膨胀段的边界将迅速向上游扩展，即脉冲阀处产生的压强以波的形式向上传播，其扩展速度即为脉冲的传播速度a。3．4．2．2压力脉冲传播速度计算如图3．1所示，假设钻井液由固、液、气三部分组成，并认为是伪均质流。钻柱内钻井液的仞始流速为△‰o，脉冲阀关闭一微小时间段△f后的流速变为“。，，流速差为19 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究△ff，。，4’2AA为销村惭而而积及钻幸t膨目K的f葡积增量，月,lJAt时l明内进入控制段越内的钻井液体积为：△r。=(“m一“⋯)AAt=Au卅0AAt(3-1)如果钻柱内钻井液动量改变引起的压强增量为卸，则△￡管长内钻井液中液体的压缩变形体积为△所可根据液体的弹性模量的定义求得。弹性模量局的表达式为局2二壹二(3．2)(1一口，一口g)Aaz式中，啦为钻井液中体积含气率，m3／m3；％为钻井液中固体的体积浓度，in3／m3。由式(3·2)可得△弘A。P．(1-a-％)爿址(3．3)同理，A￡管长内钻井液中固相颗粒和气体的体积压缩变形量可分别由固体及气体的体积弹性模量求出，即△¨=等叫缸(34)△％=罢叫虬(3-5)式中，恐为固体体积弹性模量，Pa；磁为气体体积弹性模量，Pa。钻柱内的压强升高引起钻柱的环向应变￡r为白：上乃：三垒里(3-6)。E。E2e式中，i沩钴杜的拉应力，Pa；D为钻杜内径，mm,l￡为钻柱材料的弹性模数，Pa；e为钻柱壁厚，mm。钻柱的径向变形增量为△R：旦占，：三垒坐(3-7)214Ee那么钻柱断面的面积增量△彳为鲋：7rDAR：爿竿(3-8)在忽略钻枝的纵向变形时，△￡段钻杜体积膨胀增量为 第3章钻井液脉冲传输理论研究△o=警一缸(3-9)根据流体的连续性原理，△f时伺内进入控制段越内的钻井液体积等于钻井液中液体、固体、气体的变形量和钻柱的变形量之和，即式(3·1)等于式(3—3)、(3-4)、(3—5)及(3-9)之和，即觚。。爿出。K笔-(1-or,-a'g，爿址+冬吼彳越+罢吃爿虬+警一越c，圳，由动量定理得A·t,p·At=p．-A·AL-Au。(3-11)p。=(1一瑾g一口。)一十口gPg+口．P，(3·12)式中，砌为钻井液的密度，kg／m3；力、风、庙分别为液体、气体、固体的密度，kg／m3。根据波速的定义口：丝(3一13)At、’将(3—13)代入式(3—10)得△“。=望(3-14)P。a由式(3．10)、(3．1I)、(3—13)、(3-14)可得钻井液中正脉冲信号传播速度计算公式为K，p。l+ct(_KI一1)+口。(堕一1)+_KID(3-15)对于负脉冲，正好与正脉冲相反，钻柱内压力降低，内部钻井液膨胀，钻杠壁收缩，可以根据同样的分析方法，得到负脉冲信号传播速度计算公式为足，p。№，c扣嵋c扣一警(3一16)由式(3-15)、(3-16)可知，无论是正脉冲信号还是负脉冲信号，其在钻井液中的传输速度公式为2 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究K，P。t埘。c扣心c丢叫±警(3—17)其中，对正脉冲，取“+”号：对负脉冲，取“．”号。由式(3．17)可以看出，脉冲信号的传播速度与钻井液的组成、密度、体积弹性模数和钻柱的弹性变形有关，即传播速度与钻井液的特性和钻柱的特性有关。钻杠的特性取决于钻柱材料的弹性和变形特性，而变形特性又与钻柱的横截面积形状、管道的约束条件和几何尺寸有关。实际上，钻井液脉冲信号的传播过程与流体输送管道中的水击波传播现象相似，只是传播介质不同。对流体输送管道的水击波传播速度的研究表明[49-501，管道的约束条件影响水击波的传播速度，而且管道的壁厚比不同，约束条件的影响也不同。对钻柱来说，其壁厚比小于25(D／e<25)，属于厚壁管，约束形式对传播速度的影响可以用一个系数p徕表示，式(3．17)可变为：a=置，p。H纵知心c惫卸±∥等(3—18)根据wylie和Streeter的研究【53-541，约束条件可分为三类，且其影响系数卿由钻杜内径D、壁厚e和材料的泊桑比确定，表达式为：∥=羔(1一刍+¨2e、1De2DⅧ上、，、J，熹(1∥)+考(1+∥)一D+丝(1+p)D-eD、’7仅一端固定两端崩定(3—19)轴向自由对钻井液在钻杠中的流动，系数甜算方法的选择可根据钻井现场实际情况确定。如果脉冲信号产生和传播时钻头提离井底，钻杜静止，可认为是～端固定，另一端自由的情况：如果在萨常钻进时产生脉冲并传播，这时钻头与井底接触，且有很大的摩擦阻力，可以认为是两端固定的情况。3．2．2．3几个参数的计算方法(1)气体的密度和体积弹性模数气体的密度和体积弹性模数可分别由式(3-20)、(3-21)下式计算：P&2二ZRT(3-20) 第3章钛并液脉冲传输理论研究Kg2mP(3—21)式中，P为绝对压力，Pa；Z为实际气体的压缩系数；尺为气体常数，对空气R=287N·m／kg·砭：T为温度，K：m为气体的比热比，通常取m=l～1．2。由式(3-20)、(3-21)可以看出，气体的密度及体积弹性模数与压力及温度有关。对于钻井液与钻柱组成的系统，随着井深的增加，系统各处的压力和温度是变化的，导致钻井液的性能也发生变化，特别是对含有气体的钻井液，气体的体积含量受压力、温度影响严重，从而影响脉冲的传输速度。不同井深处的温度『可根据地层温度梯度计算：T=瓦+GⅣ(3．22)式中，％为地面温度，K；G，为地层温度梯度，不同井深处的压力可用伯努利方程求得．则有：K／m；日为井深，m。设钻井液在同径钻柱中从1点流向2点，B=只+p．gl(H1一H2)一h，】(3-23)式中，PI，P2为分别为I点、2点处的压力，Pa；岛为钻井液密度，Kg／m3：磁，恐为分别为1点、2点处的位置压头，m；^，为损失压头，m，且有hf吖去丢(3-24)式中，，为钻井液与钻柱内壁的摩擦系数；三为钻井液流经钻柱的长度，m：D为钻柱内径，IT／jv为钻井液流速，m／s。(2)气体与固体的体积含量(浓度)气体的压缩性主要与压力和温度有关，与气体相比，液体和固体的压缩性是tlid,的。假设液体、固体的体积弹性模数保持不变，当压力由凡变P时，含气量和固体浓度分别为：旷瓦再丢等韵pzs，铲百再≤鼍雨p2s，式中，％，％D分别为压力P和尸。时对应的气体体积含气率，m3／m3；啦，瓯。分别为压力P和凡时对应的固体体积浓度，n13／m3：Ct，G，cg分别为液体、固体、气体的压缩系数，且有 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究c。一z争音c，：卜等c，斗等Bz，，如果认为液体和固体相对于气体是不可压缩的．则C尸l，G=1。从上述分析可以看出，钻井液密度、钻井液各组分含量和密度之间是相互影响的，所以需要进行迭代计算。3．2．2．4脉冲传播速度影响因素分析由钻井液脉冲传播速度公式可以看出，脉冲在钻井液中的传播速度与钻井液的性能、组成以及钻柱的尺寸、材料特性等有关，分析各因素对传播速度的影响，找出主要影响因素，对于脉冲器的设计及脉冲信号的控制、接收等具有重要意义。下面分析各参数对钻井液脉冲传播速度的影响。在后面的分析中，除了变化的参数，其它各参数的取值如下：固相的密度风=2660kg／m3，弹性模量Ks=16．18×109Pa；水的密度功=1000kg／m3，弹性模量Kt=2，04GPa；钻柱材料的弹性模量E：：2．1×10”Pa，泊松比“=03；地层压力梯度Gt=3．0K／100m。钻杆尺寸，31／2“钻杆，外径d=-88．9mm，壁厚e=11．4mm，9．35mm：5”钻杆，外径d=127mm，壁厚e--9，19mm，12．7mm：51／2”钻杆，外径d=139．7mm，壁厚e=9．17ram，10，54mm。(1)固相含量对传输速度的影响固相含量对钻井液的密度影响较大，但对压缩性的影响相对较小。从传播速度计算公式可知，如果固相含量只对钻井液的密度产生影响，而钻井液的压缩性保持不变，则随着固相含量的增大，传输速度减小；如果固相含量只对钻井液的压缩性产生影响，而钻井液的密度保持不变，则随着固相含量的增大，传输速度也增大；如果固相含量对浓度和压缩性的影响相当，则对传输速度没有明显的影响。实际上，固帽含量对密度及压缩性都有影响，而影响的相对程度取决于固相与液体之问密度和压缩性的差异程度。如图3—2所示是脉冲传输速度随固相含量的变化关系曲线。可以看出，随着固相含量的增加，脉冲的传输速减小；当固相含量达到一定值时，随着固相含量的增加，传输速度丌始增大，且负脉冲增加的幅值大于正脉冲。这说明，当固相含量低于某一定值时，固相含量对钻井液的密度的影响大于对压缩性的影响：当固相含量大于某一定值时，固相含量对钻井液的密度的影响小于对压缩性的影响，对负脉冲来说尤为明显。(2)钻柱径厚比对传输速度的影响由脉冲传输速度公式可以知，钻柱的径厚比对传输速度有一定的影响。如图3—3所示是脉冲传输速度与钻杠的径厚比的关系。可以看出，在其它条件都相同的情况下，对J下脉冲信号，传输速度随径厚比的增加而减小；而对负脉冲信号，正好相反，传输速度随径厚比的增加而增大。但不管是J下脉冲还是负脉冲，径厚比对传输速度的影响不大。这说明无论现场使用什么规格的钻杆，不会对脉冲传输速度产生较大的影响。 第3章钻并液脉冲传输理论研究口l一≈型捌铎芒18001700160015∞140013001200l10017001600著1500型1400幽萋13001200ll∞O1020304050圆相含量毋(％)图3-2固相含量对传输速度的影响径厚比(D店)图3—3径厚比对传输速度的影晌(3)气体含量对传输速度的影响含气量对钻并液的密度影响很小，但对压缩性影响严重，而气体的密度、体积弹性模数与温度和压力密切相关。因此，含气量对脉冲传输速度的影响，与钻井液的压力与温度有关。如图3—4所示是温度为60℃时、不同压力情况下，脉冲传输速度随含气量的变化关系曲线。可以看出，脉冲传输速度对古气量非常敏感，特别是含气量较小时，脉冲速度随含气量的增加而急剧降低：随着含气量的增加，降低的幅度越束越小。分析表明，当含气量达Nlo％时，脉冲速度的变化不再明显。另外，压力不同时，含气量对传输速度影响也不同，压力高时，含气量的增加对传输速度的影响小些：压力小时，含气量对传输速度影响较大。这说明，在高压的钻井液循环系统内，含有少量气体不会对脉冲信号的传播速度造成很大的影响。因此，对于以钻井液脉冲技术进行信息传输的无线随钻测量系统，在使用时对钻 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究井液中的含气量都有一定的要求，超过某一范围值时，传输速度将大大降低，影响系统的工作。而对常规水基或油基钻井液体系，在常压下气体含量很小，当钻井液被钻井泵泵入钻柱后一般压力比较高，气体含量更小。因此常舰水基或油基钻井液体系中自然含气量对脉冲传输速度影响丁弋．仅从传输速度角度考虑不会影响随钻测量系统的工作。口l—e世蚓解啦OI234气体含量卢g(％)图3-4含气量对传输速度的影响(4)脉冲类型的影响由图3．2、3，3可以看出，当钻井液性能与钻柱特性等条件相同的情况时，负脉冲的传输速度要大于正脉冲，其差值为10％左右。(5)井底至地面脉冲传播速度的变化对钻井液循环系统来说，从钻井泵到钻头是一高压系统，且随着井深的增加，钻杠内的压力在不断增加。而且由于地温梯度的存在，随着井深的增加，钻井液的温度也在升高，故在不同的井深，钻井液的压力和温度是不相同的，从而导致其固、液、气含量及密度发生改变，影响脉冲在不同井深处的传输速度。图3．5～3—7给出了4000m深的井，地面温度为20℃．温度梯度为3。／IOOm，钻井液排量为30L／s，立管压力为IOMPa时，不同含气量的钻并液在不同井深处的含气量、密度和脉冲传输速度。由图3．5可以看出，对同一种钻井液，随着井深(压力)的增加，钻井液含气量减小，特别是在浅井段时，减小速度很快，且含气量越大，减小的速度越快，而到深井段时，含气量的变化变小，接近直线状念。这主要是因为气体的压缩性很大，体积随压力变化显著。刚丌始时，随着井深(压力)的增加，气体体积剧烈减小，钻井液中的气体体积含量减小：当气体压缩到一定程度后，气体的压缩性变小，体积随压力变化的现象变得不太明显。珊瑚㈣啪鲫枷 第3章钻并液脉冲传输理论研究O5001000150020002500300035004000井深(m)图3-5钻井液含气量随井深变化关系由图3—6可以看出，随着井深的增加，钻井液密度增大，但增加幅度不大。而且，对不同含气量的情况下，钻井液密度随井深增加而增大的幅度基本相同，说明气体含量的变化对钻井液密度的影响不大。0500100015002．I／002500300035004000井深(m)图3—6钻井液密度随井深銮化关系由图3．7可以看出，随着井深的增加，脉冲传输速度增大，而且这种变化受含气量的影响，含气量越大，增大的幅值越大，但含气量少的钻井液在任何井深的传输速度大于含气量大的钻井液。这说明当钻井液中有气体时，随着井深的增加，钻井液的压缩性对脉冲速度的影响超过密度的影响，从以上分析钻井液的含气量和密度随井深的变化也反映出这种情况。还可以看出，不冠含气量的钻井液，随着井深的增加，脉冲传输速度差别变小，当达到一定井深时，脉冲传输速度基本不再变化，且差别很小。总之，通过对脉冲传输速度的研究表明，影响传输速度的因素包括钻井液的组成、钻井液的性质、钻柱特性、环境参数和脉冲类型：钻井液脉冲的传输速度随着钻井液密度的增加而减小：含气量对钻井液脉冲的传输速度影响显著，随着含气量的增加，％叭呲¨慨慨懈呲o^采一逡嘲扣肇圹湖娜挪娜枷珈^nE，搴邑&越协餐{f毒 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钴测斜仪系统研究脉冲传输速度下降：固体含量对钻井液脉冲传输速度的影响取决于固体含量对钻井液的密度和压缩性影响的差异程度，当固相含量低于某一定值时，其对钻井液的密度的影响大于对压缩性的影响，脉冲传输速度随固相含量的增加而减小；当固相含量大于某一定值时，其对钻井液的密度的影响小于对压缩性的影响，脉冲传输速度随固相含量的增加而增大，对负脉冲束说尤为明显：负脉冲信号的传输速度高于正脉冲信号，相差lO％左右；随着径厚比的增加，正脉冲的传输速度减小，而负脉冲的传输速度增大。1300毫世1200蚓察垃00o5001000150020002500300035004000井深(m)图3．7传输速度随井深变化关系3．3钻井液脉冲传输瞬变特性分析流体在管道中流动时，如果管路中任一点流体的压力和流速仅仅与该点的位置有关，而与时间无关，称之为恒定流或稳定流。相反，如果管路中任一点流体的压力和流速不仅与该点的位置有关，而且还与时间有关，称之为不稳定流或瞬变流。瞬变流是从一种稳定流态过渡到另一种稳定流念的过渡状态。对于钻柱内的钻井液流动，在正常钻进时，整个循环系统的压力和流速是稳定的，钻井液的流动属于稳定流。但当有压力脉冲产生时，系统的压力和流速都要随时问发生变化，这时的流动是瞬态流。研究钻井液脉冲的传输特性问题实际上就是研究钻井液在钻柱中的瞬态流动问题。在研究钻井液脉冲传输理论时可借鉴管道流体瞬态流动理论，分析钻井液脉冲产生及传输过程中钻杠内各点压力和速度的变化规律。3．3．1流体瞬变流动理论的研究现状及方法对流体瞬变流动的研究是从水击理论研究开始的。俄国学者儒柯夫斯基(Joukowsky)在1898年发表了关于水击问题的论文，推导了水击波速和水击压力的方程，指出管道内的水击压力的大小与流速、水击波速和介质的密度变化有关。1913年，意大利水力学家埃利维(Allievi)提出了水击过程的微分方程及图解分析方法，扩展了儒柯夫斯基的研究成果，为后来几十年内该领域的进一步发展奠定了基础f551。 第3章钻井液脉冲传输理论研究此后，水击问题的图解法不断完善，它不仅可以精确的考虑摩阻损失的影响，还可以应用于复杂的边界条件。在对水击问题研究的过程中，研究人员试图得到水击过程两个偏微分方程的解析解，但由于非线性摩擦的存在，存在很大的难度。20世纪60年代，随着电子计算机的发展应用，为水击分析应用于工程提供了条件。美国密执安大学的斯特利特(V．H．Stieeter)教授第一次应用特征线解法，用计算机求解了考虑摩擦影响后的水击压力，得到了满意的结果瞰l。从此开始了真正将水击计算用于实际的工程设计。管道内瞬态流动的分析方法主要有三类，图解法、解析法和数值计算法15。”J。图解法以两个波动方程为理论依据，在压力．速度图上，按一定的线性规律进行，画出特征线，从而确定管道一定长度内各点的压力升高值。但由于这种方法求解会产生累积误差，特别是处理复杂边界时计算精度低，作图过程繁琐，目前基本被数值计算方法取代。解析法是对描述瞬态现象的两个偏微分方程中的非线性摩擦项进行各种简化，以获得解析解的方法。由于简化，影响求解的精度，计算结果的准确性无法保证。这种方法未得到广发应用。数值计算法以计算机为基础，利用一些特殊算法，对偏微分方程进行数值求解，主要有特征线法和隐式差分法。数值计算法是目前主要的方法，很多问题都是利用数值进行求解。数值法便于准确处理边界条件和管道的摩阻损失，可得到精确的计算结果，是一种有效的计算方法，在管道瞬变流动分析中得到了广发的应用。3．3．2钻井液脉冲传输基本方程对管道瞬变流动的理论研究，通常分为刚性理论和弹性理论两种15引。刚性理论以流体不可压缩和管壁不能变形的假设为基础，基本方程为常微分方程，容易求得理论解，但其精度受到限制。弹性理论以流体能压缩和管壁为弹性为基础，基本方程为偏微分方程，求解复杂，但此理论比较符合客观实际，被广泛应用于研究各种瞬变流动现象。下面应用弹性理论研究分析钻井液脉冲的瞬变流动问题。应用弹性理论分析钻柱内钻井液的瞬变流动基于以下几点假设：’①假设钻柱是连续的，钻柱的管径、材料、壁厚相同；②钻柱管壁与钻井液的变形均为线弹性变形；③钻杠内的钻井液介质是一维伪均质流，即沿钻柱各截面上的压力、流速和密度都是均匀分布的：④钻井液的流动为一维不定常流动。对钻井液脉冲传输问题进行瞬态分析时，可以选取钻柱内瞬变流动的一段钻井液作为隔离体，应用牛顿第二定律建立运动方程，根据流体的连续性原理建立连续性方程。将两方程联立，并确定相应的边界条件，使用不同的算法即可分析钻井液脉冲的瞬变流动过程。3．3．2．1运动方程如图3，8所示是从处于瞬变过程的钻柱中取出的微元流体的控制体。流体渤正方向， 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究流动，微元长度为△x，与水平轴夹角为0。距离为x处横断面积为A，另一横断面积为_O．4缸。沿x方向对控制体应用牛顿第二定律，则有C％图3-8运动方程分析图PA一[PA+昙(削)刚+p掣缸一倒＆sin口一％加蠡=∥缸警(3—28)OX饿讲方程两端除以控制体的质量，整理得一；10出Pgsino_4叫ro=∥a,a讲r(3．29)poxpUm。在不稳定流动中，精确确定粘性力是非常复杂的。为简单起见，假设不稳定流动过程中，粘性力是不变的，并且等于稳定流动的粘性力。根掘流体力学的知识，由稳定流动时力的平衡条件可得粘性力的表达式为％：掣(3-30)％2—≯式中的绝对值号可保证剪应力总是与流动方向相反，伪达西摩擦系数。为便于理解，把压力尸换算成液柱高度，BPP=pg(H-z)，H为液体的能量压头，2为工处管中心距基准线的距离，工不随时间变化，且d∥dx=sinO，则有丢芸叫警一争g豢铡gnp(3-31)ji29‘i一一J29i一81删而加凉席可以用涑度的微分形式表示为30 第3章钻井液脉冲传输理论研究一dV：y竺+竺dl敏at把式(3—30)、(3-31)、(3-32)代入式(3—29)可得运动方程为g豢彬a叙v+詈+∥：,。lv_Jl=。积mol￡￡J(3—32)(3—33)3．3．2．2连续性方程如图3—9取控制体，由流体的连续性原理可知，在f时刻流入控制体的质量等于控制体内质量随时问的变化率，则有图3-9连续方程分析图图3．10压力管道变形分析一掣OX＆=昙(∥∞讲方程展开，并除以脚出，可得旦丝+土丝+兰塑+上望+竺：oA瓠Aatp瓠pat孤可以看出，式(3．20)ee的前两项为全微分(1／A)／dA／at的表达式，(1／p)dp／dt的表达式，将式(3—20)的偏微分写成全微分的形式，有三坐+上塑+里：o(3-34)(3—35)第3、4项是全微分(3·36)方程左边的第一项表示管壁随压力的弹性变形率。如图3．10所示的圆管，单位长度的管壁在压力作用下的弹性变化率为(D／2)dP／dt，除以壁厚e可得应力变化率为(D／2e)dPIdt，应力变化率除以管壁材料的弹性模量，可得应变变化率Yg(D／2Ee)dP／dt， 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究乘以管道半径可得径向伸长率，再乘a：D可得面积的变化率dADdPD．一一一，班，dt2eEdt2因此有(3·37)土塑：旦鲨(3．38)AdteEdt、’第二项表示液体的可压缩性，根据液体弹性模量的定义，有1dp1dPodtKd|将式(3-38)、(3-39)代入式(3—26)，并整理得上鲨十f型旦、竺：0一——十(—————-_二_——一I一2Pdt、1+(K／E1(D／e)’反式中第二项的系数是一个常数，可以表示为dz：茎丝1+(K／E)(D／e)式中的a实际是液体压力波的传播速度。将压力JP换算成液柱高度，P=H-z，则有去鲨dt=gc警一争=gc詈+矿警卜gc妄+矿》Db、dtdf。6、8fj。a％’6、8fj缸J叫詈十矿警执inp将式(3—40、(3-42)代入式(3—40)，得到连续性方程为～OH+vO_H_H一矿sin口+￡里：o3．3．3钻井液脉冲传输方程的解法(3-39)(3·41)(3—42)(3-43)上面推导出了钻井液脉冲瞬态流动的运动方程和连续方程，它们是一组双曲型偏微分方程。由于二次摩擦项的存在，无法求出它们的解析解，只能用数值方法求解。具体的求解方法有多种【56-591，包括特征线法、带插值的特征线法、差分法等，而应用最多、最典型的方法是特征线法。3．3．3．1特征线方程对钻井液脉冲传输的基本方程，它有两条特征线，沿着特征线原来的偏微分方程可以转变为全微分方程，对全微分方程积分便可得到易于用数值方法求解的有限差分方 第3章钻井液脉冲传输理论研究睫二誊V矬i：。叫。，l厶：型+矿塑+。n一+￡里：o‘’【‘Ot苏g叙=【詈+尝(y+^譬)】+^【詈+警(矿+署)】(3．45)∥M十允Vsinp+二—上』=0百2百+i—dt(3—46)一dt。百+i—dt(3-47)生=矿+五￡(3-48)dt。gd击xV+导(3-49)西兄坐+^一dH+五Vsin0+f12／。'[V-型[dtdt=。(3—50)1‘2D⋯。^=±导(3-51)口生=y士口(3-52)dt 中国石油大学溥士学位论文二机械式无线陛钻测斜仪系统研究式(3-49)是式(3·45)必须满足的两个条件。把^l代入式(3-50)，并与式(3—52)对应组合，就得到两个常微分方程组。用c+和C。分别代表两个方向的特征线，则有沿C+沿C。+ysin护+里21堕：o29D陋dH一一a—d—V+矿sin目一4vIvI：ojdtgdt290l鱼：V一日【dt(3—53)(3-54)(3-55)(3-56)式(3-53)和式(3—55)为特征方程或相容性方程，式(3·54)和式(3-56)称为特征线方程，式(3—53)、(3-54)、(3-55)、(3-56)总称为特征方程。在通常情况下，钻柱内钻井液的流速燧远小于波速a，故可将特征线方程中的∥省略，则有沿C+沿C’塑+旦坐+VsinO+型：odtgdt29Ddx一==a击—dH—一⋯adV+-VsinO--Jvlv__51：odtgdt29D出_2一口(3—57)(3—58)(3—59)(3—60)将式(3．58)和式(3—60)在独立变量X．，平面上展开，它们是斜率为±l亿的两条曲线。如果口是常数，就是两条直线，如图3．1l所示，相容性方程式(3—57)和式(3·58)各自在自己相应的特征线上成立。可以看出，在将偏微分方程转变为常微分方程过程中，没有作任何数学近似。因此，原来求解偏微分方程的问题已转变为在X．t平面上沿特征线求常微分方程的问题。3．3．3．2有限差分方程特征方程虽然是常微分方程的形式，但由于摩擦项是非线性的，仍不能用积分方法得到解析解，但可以用有限差分法求得数值解。在用差分方法进行数制计算时，摩擦坐出竹口一占矿+II掰一班出一出，●__JJf●I_J‘l●__l●I_L 第3章钻井液脉冲传输理论研究项的处理有两种近似方法，一阶近似法和二阶近似法。对于短管路和摩擦力较．小的管路系统，采用一阶近似，可以保证计算结果的精度和稳定性；对长管路和摩擦力大的管路，沿线摩阻比较大，如果采用一阶近似处理，可能会对分析结果产生较大的误差，需要采用二阶近似处理。0为了求得管柱各点的压力及速度随时间的变化，将管柱等分为Ⅳ段，每段长为缸，并将时间也分为若干时间步，步圈3—11x-t平面上的特征线长为△f。若满足缸=口△r，且认为波速口为常数，那么在静，平面上就可得出矩形计算网格，并且矩形的对角线工F好是特征线，如图3—12所示。f14f2d，4fn(‰一％)+詈(％也1)+％缸sinO+2fgD缸％N=。(3．61)(Hp,--¨一詈(‰叱1)+‰心肛茄‰叫=。(3_62)H蒹尹1l+只+l+如，叱I)-觚枷眼一+1)p。，，一器(哪托帆，|)】V“’ 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究同理，将式(3—61)和式(3-62)相减，消去H。，得％2攀一，氓M‰叱卜半眼∥。p。。，一等(哪彬肌，|)】p⋯’这样，已知管柱上有N+1个结点在t=0时刻的￡阳瞄，利用式(3-63)年D式(3—64)可求得，=At时刻网格内部结点的Ⅳ和唯，管柱两端结点的Ⅳ和矿值根据式(3-63)或式(3—64)，并结合两端边界条件确定。求出At时刻的H和瞄后就可以求得忙2At时刻的聊H值。重复以上步骤，直到达到要求的时刻为止。3．3．4摩擦项的处理式(3—63)、(3-64)是存摩擦项采用一阶近钞的情况下得到的差分汁箩公式，一孵适用于摩阻损失比较小的低压头瞬变分析过程。如果分析的瞬变系统距离比较长，或者系统的流速较高，摩阻损失较大，在用一阶近似计算摩阻损失时，会对系统的瞬变分析结果产生较大的误差或造成解的不稳定15”。对钻井液循环系统来说，首先它是一个高压系统，有时距离长达几千米，它又是一个长管路系统。因此在进行瞬态分析时，摩擦项采用一阶近似可能会影响计算精度。为了解决这个问题，摩擦项的处理可采用二阶近似法。常用的二阶近似法有以下三种形式[55,60】。沿c+特征线：”器(半)l生手lpas，一皿01％I+％I吃一—29—O——1一(3-66)小器附_，(3．67)研究表明，用式(3，66)的--阶近似方法计算摩阻，既方便又能保证计算精度。如果用二阶近似法计算摩阻，在将相容性方程写成差分形式时，将摩擦项按式(3—66)J茳行处理即可，可得对C+(‰巩)+影圳峨触口喘坐掣=。(3-as)对C。 第3章钻并液脉冲传输理．7研究(”㈨一詈(％州¨,，Atsin0。f历ax掣=。(3．69)利用式(3—68)、式(3-69)不能直接求解％和％，，可以采用牛顿叠代法和预测一校正叠代法进行求解15"。3,4钻井液循环系统模型建立与边界条件确定通过以上分析，得到了钻井液脉冲瞬变方程及其求解方法。对于简单的流动系统，只要确定入口和出口的边界条件，就可以用上述分析方法分析液体的瞬变流动问题。钻井液循环系统是一个复杂的管路系统，由多个不同几何尺寸的管路组成，且系统内装有空气包、阀门、钻头等，用上述方法分析脉冲的瞬态传输特性性，必须对系统进行合理简化，并诈确处理各处的边界条件。3．4．1钻井液循环系统模型简化钻井液循环管路系统由泵、地面高压管汇、立管、水龙带、水龙头、钻柱，底部钻具组合和钻头等组成，底部钻具组合中还装有随钻测量仪器，如图3．13所示。在这个管路系统中，井下脉冲发生器就像一个阀门，当需要向地面发送脉冲信息时，脉冲发生器的脉冲阀开始工作，产生钻井液脉冲。图3-13钻井液循环管路系统模型钻井液循环系统实际上是一个复杂的管路系统，管路的内径与壁厚都不相同，脉冲信号在它们中的传输特性也不同，所以在分析钻井液脉冲瞬变流动时，如果完全按实际管路情况进行分析将是非常复杂的。为了分析方便，可以对管路做一些简化处理，即忽略钻杆和钻铤连接处的影响，规格相同的钻柯或钻铤连接在一起看作一个特性相同的 中国石油大学博士学位论文；机械式无线随钻测斜仪系统研究管路，而且把地面管汇当作直管道处理。这样整个管路系统可以看作一个由多个不同特性的直管路串联而成，可分为以下几个部分：(1)从钻井泵出IEI至空气包：(2)从空气包至钻杆；(3)钻柱部分；(4)钻铤至随钻测量仪器的脉冲发生器；(5)脉冲发生器至钻头。对钻井液循环系统简化处理并分段以后，可以对每一段管柱进行单独分析，并根据相邻两段之{、BJ的关系确定边界条件，从而得到整个管路的结果。因此，分析确定各段相连处的边界条件是分析钻井液脉冲瞬变分析的关键。3．4．2边界条件的确定根据循环系统的简化模型，需要确定以下各处的边界条件：钻井泵出口、空气包、不同特性管路连接处、脉冲阀处及钻头处等。3．4．2．1钻井泵出口钻井泵是一种往复活塞泵，钻井泵的边界条件有几种处理方法，但没有一种是非常准确的。一般情况下，通常把钻井泵的边界条件看作是恒流量和恒压力，即泵出口的流量和压力恒定不变。对由钻井泵、管汇、钻井管柱和钻头等组成的循环系统，比较符合实际情况的边界条件是恒功率假设，即泵给钻井液输出的能量不随瞬时压力脉冲发生变化。、，，3图3-14钻井泵出口边界条件如图3．14所示，P点的压头和速度可由c‘方向的相容性方程和恒功率边界条件联合求得。根据C。方向的相容性方程，可得npHz(ag+Atsin0_zf∥ax．V2])V2十詈咋(3-7。)对恒功率条件，则有HP咋=HoK(3-71、式(3—70)、(3．71)除缉和Vp夕t"，其它参数都是已知的，二式联立可求得P点的压头％和速度％分别为耻蒜+4CCCp，z，。√c；l—lu。纠 第3章钴笄液脉冲传输理论研究式中咋：孥Ci=!gc2=日：一(旦Ⅷsin0-竺删V2)V292gUC=Ho％(3—73)3．4．2．2空气包空气包在钻井液循环系统中起缓冲和平衡钻井泵引起的压力波动、稳定系统压力的作用。当系统压力发生增大或减小时，可以利用空气包内压缩气体的压力和体积的变化来平衡系统压力的变化。如图3—15把空气包前后的管路分为(1)、(2)两部分，在任意f+1时刻，管路中Pl、P2盛r妞图3．15空气包边界条件两点处的压力相等，而且等于空气包的压力彤1与空气包内液柱压Hj“力之和，即H畿=H蛊=H≯+H≯O．74)由质量守恒可知，从管路(1)流出的液体等于流进空气包的液体和流出管路(2)的液体之和，而且进入空气包的液体等于空气包的体积变化量，设，4。为管路过流面积，A。为空气包的截面积，管路(1)和管路(2)的流速分别为昨+1和晖+l，即有 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究％Ial"--(竽r”吲4微分变为差分形式晖；tap=(艺≠"吲鼻整理得Ⅳ；”=月一百ApAIn,+-l一嘞空气包的体积和压力满足压缩方程，且取压缩指数炉1．2，则有日。o■2=彤1(上一Ⅳ，’)12=／-／；(L一日j)”变换整理得日。t+l=n：(篇尸将式f3．77)、(3—79)代入式f3．74、得r3-75)r3—76)(3—77)(3—78)(3-79)础‘卅务"面棼AtAt鬲Lr州宁AeAt吲吲“ps。，对管路(1)，由C+方向的相容性方程得月茁1=H；+(生-AtsinO-g拿29弩Df％j)％～鱼g_：：1(3-81)～』对管路(2)，由C．方向的相容性方程得日爿=Ⅳ2’一(垒+Atsin0-g垂29笔DI巧I)蟛+生g晖：‘(3．82)r一，由式(3-80)、(3—81)、(3-82)可以组成四个方程，仃四个未知数，其它参数部是己知的，空气包两端的压力和速度可以求出。但以上四个方程中有两个指数方程，直接求解不太方便，可以通过迭代法求解。3．4．2．3脉冲发生器脉冲发生器安装在底部钻具组合中，其下端接钻铤、钻头等其它钻井工具。脉冲器的脉冲阀在工作时，与一般管道系统中的阀门相似。在分析确定脉冲器处的边界条件时，应该把它看作内边界点，需要同时考虑脉冲器的上端边界与下端边界，同时应用c+方向和C。方向的相容性方程及孔口流量方程，求得脉冲器处的压力和速度。40 第3章钻井液脉冲传输理论研究如图3．16所示，把钻柱从脉冲器处分成两部分，对上部管柱，由c+方向相容性方程，点B处的压头和速度满足下式：图3-16脉冲阀边界条件日n=巩+(詈一△fsin0-f。a∥x,IVN[)Vn一生g％(3-83)对下部管柱，由c‘方向相容性方程，点Px的压头和速度下式：Hex=H2-(-詈+△fsin0-f。a∥x[V2[)V2+詈％(3．84)由于流出上部管柱的流量等于流入下部管柱的流量，并根据孔口压力流量关系，设脉冲阀的流量系数为Cj，则有O～=Oh=yhAP=PhAP=CPAPq29(H～一HPll【3-85、而在幻时刻，设脉冲阀的流量系数为Co，流经脉冲阀的流量为Oo=％40=CoA0429(HJo一日∞)(3-86)由式(3—85)和式(3—86)得：％=％嘶岳等(3_87)式中，r为脉冲阀的开度系数，表示脉冲阀的开度随时问的变化关系，对正脉冲发生器的且小r。阀，其初始开度r=1，当开始产生脉冲时，其开度随着时间的增加而变小，即r<1。但脉冲阀不同于管路中的阀门，它不能完全关闭。即r>0。由式(3·83)、(3—84)、(3-87)BP可求得脉冲器处的压头和速度为：匿日 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究其中H。：c。一生(墨—竺堕)gzⅣ。％+生(墨—拿盟)gZ17—17一一C，+IZ甄％2‰2—三』?二CN=H¨(a,_AtsinO-fjAgxUjVNIj)Vug￡gUj(3—88)(3·89)r3—90)C2=H2一(a,+Atsin0-f拶axlV21j)Vzg罐Uje：生+生gc。=差cCN-C2，3．4．2．4钻头钻头处的边界条件与脉冲阀的边界条件相似，区别在于钻头的水眼是固定孔口，且钻头出口的压力玩是恒定的，而脉冲阀的过流孔是变化的。根扼C+方向的相容性方程及孔口流量方程，可求得钻头处的压头和速度。如图3．17所示，由C+方向的相容性方程得Ⅳ，·=JVⅣ+(a_Atsin0-29D[fAxV．[)Vu—gV,g(3．91)～，根据孔13流速与压力关系，设钻头水眼的流速系数为Cb，则有K=G压丽■瓦i(3．92)在to时刻，由孔口流速与压力关系有％=Cb再丽：习万(3—93)由式(3-91)、式(3-92)、式(3—93)可得％：—而H瓜Se-Hb％(3-94)tHA—Hb、 第3章钻井液脉冲传输理论研究其中耻型乎c《+希g‰‘L爿。一爿6Jcw巩+(旦一△fsin0-g啬瞻I)％￡gUj(3—95)3．4．2．5管路的串联图3．18是管路串联连接的示意图。对管路l和管路2串联的管路系统，它们的壁厚、内径等几何尺寸不同，而且材料也可以不同。对任意两个串联的管路，满足以下两个条件：(a)任何时刻其连接处满足连续性方程，即流出管路l末端的流量等于流入管路2的1HN+1图3．17钻头处边界条件流量：(b)若连接处的局部损失可以忽略不计，即满足下式I疗P12日，2【％，Al=％2—2图3．18管路串联边界条件则管路1末端与管路2首端的压头相等。两个管路的端部各自适应其相容性方程，可得43(3·96)日艮日西 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究‰叫∥(詈-Atsin0-f2AgDx。㈨巩”一》‰魄一c≯咖p一铷舭一》。固7’由式(3—96)、(3-97)目0可求得管路连接处的压力和流量分别为：Hpl=CH一右‰(cⅣ一c：，Hp2c2+孝‰(cⅣ．c2)(3-98)对于串联的管路，计算时不同管路的时间步长△r应该是统一的，但距离步长Ax则因管路性质的不同而不同。由于管路的长度不同，对一个多管路串联的系统，在对管路分段时，当某一管路分成整数段时，其它管路不一定能分成整数段，但计算时必须要求所有管路都分成整数段，这时一般通过改变时间步长、调整波速等方法进行调整【57】。3．4．3数值计算程序编制根据前面介绍钻井液脉冲的运动方程和连续性方程，采用特征线法求解方程、并用莘分法、结合边界条件就可以得到方秤的数值解，即钻井渺咻冲产生过秤中，管路系统各点的瞬时压力和流速，进而分析钻井液脉冲在管路系统中的瞬态传输特性。计算时首先从／=0时刻丌始，求得各点的初值，然后依次求得每一个时问步△f之后的值，一般应按以下步骤进行。(1)输入掐述系统的瞬变特性参数数据，确定时ftJ步长和管路系统的分段步长等，即确定计算所需的有限差分网格：(2)确定初始条件，R口t=0时刻稳定状态时钻井液循环管路系统各节点的压力及流速：(3)计算户At时刻，网格内各点的压力及流速；(4)根据边界条件和相邻的相容性方程求解边界点的压力和流速；(5)增加时间步长△f，返回到步骤(3)，计算该时刻的各节点的压力及流速，直至时问等于要求的最大时间为止。(61输出计算结果根据以上步骤，编制计算机程序的框图如图3．19。用c++编制钻井液脉冲瞬态分析程序，并对实例进行了分析。饕 第3章钻井液脉冲传输理论研究3．4．4算例分析图3-19程序框图设有--4000m深的井，用5”钻杆，外径d=127mm，壁厚9．19ram；钻井液密度为1150kg／m3，钻井液排量30L／s，脉冲传输速度为1250m／s。在近钻头钻具组合中安装有脉冲发生器。脉冲产生时，脉冲阀先关后开，其过流面积随在时间的变化关系(开度特性)如图3．20所示。当脉冲产生之前，脉冲阀处于最大开度位置，当脉冲产生时，脉冲阀开始关闭，即过流面积开始变小，达到一定值后，又开始变大，从而产生一个完整的脉冲。利用特征线方法，根据编制的计算机程序对上述钻井液脉冲产生的瞬变过程进行了分析，得到了不同时刻钻柱内各个位置的压力和流速。如图3．21所示是脉冲产生后， 中国石油大学博士学位论文：机械式无线照钻测斜仪系统研究从井底传至2000m深处和地面时脉冲的变化情况，其中纵轴的压力是表压与位胃压头之和，且以井底为基准面。55主罢s。幽45400002一o．0015g莲o．OOl媸HO．0005O0l234时间(s)图3．20脉冲阀的开度特性O0时『日】(s)20图3—2l压力脉冲传播过程由图3．21可以看出，脉冲在井底产生时，随着脉冲阀的关闭，过流面积不断减小，压力升高。过流面积达到最小时，压力达到最大值；随后脉冲阀开始开启．压力开始下降，直到脉冲阀开到最大位置，压力稳定，不再变化．产生一个完整的脉冲。接下束重复上述过程，产生又一个脉冲，图中给出两个脉冲的情况。由图3．2l还可以看出，脉冲从井底向上传播的过程中，幅值减小，说明压力脉冲在传播过程中有衰减，且传播的距离越长，衰减越严重。本例中，脉冲幅值在井底为3．3MPa，在2000m深处衰减为2．8MPa，传至地面为2．2MPa。同时还可以看出，压力脉 第3章钻井渣脉冲传输理论研究冲从井下向地面传播的过程中，有时间延迟，延迟时间长短与传播的距离和传播速度有关。本例中，地面与井底的时间延迟为3．2s。从以上分析结果可知，钻井液脉冲在传播过程中有衰减，对于一定幅值的脉冲其可传播的距离是有限的，当并深超过某一范围时，脉冲从井底传播至地面时，可能完全衰减，在地面无法检测到。3．5钻井液脉冲的特性钻井液压力脉冲有两个主要特性，脉冲强度和频率。脉冲强度也称为脉冲幅值，即脉冲发生器工作时所产生的压力变化的大小。脉冲强度是压力脉冲的～个重要特性参数，其大小影响传输距离及地面对脉冲信号的识别。脉冲频率是指单位时『日J内产生的脉冲数量，它是钻井液压力脉冲的另一个重要特性参数，脉冲频率影响信息传输速度和脉冲在传输过程中的衰减。钻井液脉冲技术的关键是在井下产生压力脉冲经钻井液传输至地面。压力脉冲的强度和频率决定脉冲可以传播的距离，即决定脉冲发生器可以使用的井深范围。一些随钻系统的脉冲发生器．把脉冲强度和频率设计为在一定范围内可调，这样就可以根据不同的井深和钻井液性能，对脉冲强度和频率进行适当的调整，以便能够以较快的速度传输信息，并在地面接收到清晰的信号。压力脉冲的传输特性与压力波的传输特性相似，由于钻井液的吸附作用(衰减原因)，压力脉冲在传播过程中有衰减现象发生，而且脉冲频率影响其衰减。因此，钻井液脉冲技术在现场应用时存在一定的局限性，即脉冲传输的距离是有限的。在其它条件不变的情况下，脉冲强度的大小及脉冲频率决定其能够传输的距离。即决定脉冲发生器可以使用的井深。3．5．1脉冲强度从脉冲信号的接收、识别等方面来讲，希望脉冲信号的强度越大越好，这样地面接收到的信号越清楚，越易于识别与判断，同时，其能够传播的距离越长，即脉冲器可以用于更深的井中。但由于钻柱内钻井液压力波动对钻井液循环系统的设备有影响，强度太大可能会影响钻井泵和钻具的寿命，造成一定的危害。在实际应用时，要求脉冲强度不能太小，也不能太大，既能满足信号传输的需要，又不对钻井设备造成太大的影响。这就要求在设计脉冲发生器时，要对脉冲强度进行精确计算。对于脉冲强度的计算方法，可以利用流体力学中的动量定理求得，脉冲强度的表达式为【57,621△p=P—Po=一pa(V—Vo)f3—100)式中，印为脉冲强度，Pa；瑚为形成压力脉冲之前脉冲阀处的瞬时压力，Pa：P为形成压力脉冲之后脉冲阀处的最大瞬时压力．Pa；％为形成压力脉冲之前脉冲阀处的瞬时流速，m／s；哟形成压力脉冲之后脉冲阀处钻井液的瞬时流速，m／s；口为压力脉冲在钻井 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究液中的传输速度，m／s。可以看出，脉冲强度与钻井液的密度、脉冲的传播速度和脉冲形成前后的速度有关。如果钻井液通道突然被全部堵塞，这时钻井液停止流动，速度变为零，这种情况与输送流体的管道中阀门突然关闭类似，即流体力学或液压系统的水击或液压冲击现象，这时将会产生最大的脉冲强度。这种现象在钻井液脉渖技术中不会发生，脉冲发生器不会将钻井液通道全部堵死，形成压力脉冲后的瞬时流速V不容易确定，用式(3．100)无法计算脉冲强度，但可以用其它方法确定脉冲强度。对机械式无线随钻测斜仪的脉冲强度计算方法将在第5章详细介绍。3．5．2脉冲频率脉冲频率决定信息传输的速度，并影响脉冲强度的衰减。从信息传输速度方面来讲，频率越高，传输速度越快，但频率高却会影响脉冲的传输，导致脉冲信号失真，在地面难以接收和辨认。如图3．22所示是低频和高频脉冲从井底传至地面后的变化情况。可以看出，对于图3-22(a)所示低频脉冲，传至地厂_、门接收信号厂]—_rL几一初始信号(a)(b)图3．22脉冲频率对信号衰减的影响面后接收到的脉冲非常清楚，而对于图3-22(b)的高频脉冲，地面接收到的脉冲就不清楚，好像一个脉冲一样。在进行脉冲发生器设计时，要合理确定脉冲的发生频率，以便能够满足现场的需要，获得易于识别和辨认的脉冲信号。3．6钻井液脉冲的衰减规律前面对钻井液脉冲传播瞬态特性分析的结果表明，由于钻杜的弹性变形和管壁对钻井液的阻力作用，钻井液脉冲信号在钻柱中传播过程中，其强度将会不断地衰减。研究脉冲信号的强度及其衰减规律，找出影响其衰减的丰要因素，可以为脉冲发生器的设计及现场使用提供理论依据和指导。钻井液脉冲信号沿钻柱传播的损失大部分来自于管壁的摩阻。与其它物理传输现象相似，钻井液脉冲信号传输也符合指数衰减规律13l】：rP=eoexp(一÷)(3．101)L式中。P为脉冲传Nx距离后的强度，Pa：eo为信号源的强度，Pa：￡为信号衰减到信源强度的l尼时的传输距离，m，可用下式表示：48 第3章钻井液脉冲传输理论研究工一．匡21『硝(3一102)式中，口为钻井液脉冲的传播速度，m／s，用式(3．i8)计算；D为钻柱内径，m；胁为钻井液密度，kg／m3：∥为钻井液粘度，Pa．s．／为信号频率，Hz。将式(3一18)、(3-102)代入式(3—101)得：P：Rexp(一i2xU硝坚绁型≮坐业)(3．103)由式(3—103)口-Y以看出，钻井液脉冲信号的衰减主要与钻柱的尺寸及材料特性、脉冲频率以及钻井液的类型、组分、粘度和压缩性有关，而与钻井液密度无关。可以用式(3．103)对影响脉冲衰减的各因素进行分析。分析时，除了变化的参数，其它各参数的取值如下：地面温度To=20。C，立管压力为Po=gMPa，脉冲频率户0．1Hz时；钻井液排量为Q=20L／s，运动粘度u=5mPa；固相的密度庙=2660kg／n，，弹性模量Ks=16．18，(109Pa；液体的密度所=1000kg／m3，弹性模量Kt=2．04GPa；钻柱材料的弹性模量E=2．1xlO“Pa，泊松比“=o．3：地层压力梯度Go=3．0K／100m；钻杆外径赤127ram，壁厚e---9．19ram。由本章第2节内容可知，固体与气体含量不仅影晌钻井液的密度，还影响脉冲的传输速度。由式(3．103)可以看出，虽然钻井液密度对脉冲衰减没有影响，但脉冲传输速度影响脉冲的衰减。在不同的固相含量、含气量情况下，脉冲从立管沿钻杠向下传播7000m,t：J．干芏中，脉冲强度的衰减情况见表3．1、3—2。表中列出的固体、气体含量是指在大气压条件下钻井液内的固体、气体的体积含量。可以看出，由于管壁阻力的存在，脉冲强度衰减程度随传输距离的增大而增大。但固相含量、气体含量的变化对脉冲强度的衰减影响不大。在不同固相含量、气体含量的情况下．脉冲强度在相同井深处的衰减基本相同。表3．1不同固相含量时脉冲在不同井深处的衰减艨(m)————堕监塑-—一5％10％15％ 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究表3．2不同气体含量时脉冲在不同井深处的衰减井深(。)—————皇鲢堂L——一0．5％5％10％15％表3．3不同内径及壁厚的钻柱情况下脉冲的衰减表3．3是钻柱的几何尺寸对脉冲衰减的影响分析结果。可以看出，钻柱的尺寸对脉冲衰减有一定的影响，钻柱内径越小，脉冲衰减越严重，内径越大，脉冲衰减越小。图3．23～3—25是分析得到的钻井液的粘度和频率对脉冲衰减的影响。可以看出，脉冲衰减对钻井液的粘度反应敏感，钻井液粘度的变化直接影响脉冲衰减的程度。钻井液的粘度越大，脉冲在其中传播过程中衰减越严重。脉冲的频率对脉冲衰减有严重影Ⅱ向，频率越高，脉冲衰减越严重。而且脉冲频率变化的影响比钻井液粘度变化的影响大，即高频信号更易于衰减。当脉冲频率较高、钻井液粘度较大时，信号衰减得更快。在目前常规的钻井作业中，钻杠的材料和尺寸不易变化，而钻井液体系的选择主要是以地质条件、油藏工程和钻井工艺的要求为依据。所以只有脉冲频率与仪器有关，在设计脉冲发生器时要充分考虑到。实际上，脉冲的频率与传输深度之间是矛盾的。一方面，需要提高脉冲频率来提高数据信息传输速度，而另一方面，为了传输更长的距离，应用到更深的井中，需要频率较低的脉冲。在设计脉冲发生器时，要综合考虑这两个因素．达到既能满足数据传输速度，又能够保证脉冲传播的距离。 星!兰苎茎鎏壁!!生塑堡笙竺至0．9々冬邕0．8丑蜊簸0．7是藿0．6OlooO20000．8奄是S0．6越疆0,4是蕾O．2030004000500060007000井深(m)图3．23粘度对脉冲衰减的影响O1000200030004000500060007000井深(m)图3．24频率对脉冲衰减的影响5l 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究台氅S0．6丑型唾0．4走萱0．2O3．7本章小结O1000200030004000500060007000井深(m)图3—25粘度、频率对脉冲衰减的综合影响(1)无线随钻信息传输技术主要有电磁波传输技术、声波传输技术和钻井液脉冲技术，其中钻井液脉冲传输技术是目前应用最广泛、发展最成熟的信息传输技术。(2)钻井液在钻柱内的流动属于伪均质流，基于弹性理论推导出钻井液压力脉冲的传播速度计算公式，分析了各参数对脉冲传播速度的影响。(3)应用瞬变流理论分析钻井液脉冲传输瞬变特性，建立了脉冲传播瞬态分析模型，得出了脉冲传输基本方程，并用特征线法和有限差分方法对方程进行了求解，其中摩擦项的处理采用一阶或二阶近似方法处理。(4)建立起钻井液循环系统的简化分析模型，确定了包括钻井泵出口、空气包、管道串联、脉冲阀、钻头等处的边界条件，编制出基于特征线法分析脉冲瞬变传播的计算机程序。脉冲瞬变传播分析结果表明，钻井液脉冲从井底向上传播的过程中发生衰减，且传播的距离越长，衰减越严重。(5)脉冲强度与频率是钻井液脉冲的两个重要特性。分析了脉冲强度的衰减觑律。结果表明，钻井液的粘度和脉冲频率严重影响脉冲强度的衰减。 第4章棍械测斜与信息转换技术第4章机械测斜与信息转换技术对机械式无线随钻测斜仪来说，机械测斜和信息转换技术是仪器的核心技术。测斜技术涉及到如何用机械机构实现井斜测量，与仪器的测量精度、测量范围等关键参数直接相关；信息转换技术是如何将测量机构测得的井斜信息通过一定的机构转变为可以控制脉冲发生装置工作的控制信息，以便控制脉冲发生装置产生不同的脉冲信号。本章主要研究机械测斜与信息转换技术的相关理论及结构设计方法，并对测斜机构及信息转换机构进行仿真设计与分析。4．1机械测斜技术及测斜机构设计目前石油工程上常用的测斜仪器有电子测斜仪和照相测斜仪。电子测斜仪的测斜原理是利用地球重力场，用加速度计感应地球重力场强而测量井斜，具体实现方法是利用三个相互垂直安装的重力加速度计测量井下I仪器的物理姿态相对于重力的变化，从而确定井斜的大小【5】。电子测斜技术测量精度比较高，现有一些测斜仪器的精度可达0．1。。照相测斜技术是基于重力和成像原理，即利用自由垂直的测锤在倾斜同心刻度盘上投影成像，根据成像位置偏离中心的距离确定井斜角。照相测斜技术的精度与电子测斜相比要低一些，最高为0．2。，而且由于需要根据成像位置人工读取井斜，会造成一定的人为误差。以上两种测斜技术及原理必须借助电子元件来完成，还需要信号转换与放大电路及电源等，结构相对复杂，且对电子元器件的要求高．仪器受温度、压力等影响严重。而机械测斜技术完全不同于电子与照相测斜技术，利用机械结构实现井斜的测量。l。控制轴；2．摆锤：3．阶梯环图4．1测斜原理图4．1．1机械测斜技术的原理及实现方法机械测斜的基本原理是利用物体在重力作用下始终处于垂直状态的特性，如图4—1所示是机械测斜的原理图。测斜机构由摆锤、阶梯环和控制轴构成，其中摆锤与控制轴是铰接，可以自由摆动，在重力作用下一直指向地心方向，且控制轴可以沿阶梯环的中心线往复运动。其测量原理为：在重力作用下，摆锤一直处于自由垂直状态，当摆锤随 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究控制轴从下向上运动的过程中，由于阶梯环是倾斜的，摆锤必定会挂在阶梯环的某一台阶上。当阶梯环的倾角不同时，摆锤将挂在不同的台阶上。这样根据摆锤所挂台阶的位置就可以确定阶梯环的倾斜角度，从而确定被测井眼的斜度。利用上述原理设计摆锤一阶梯环测斜机构时，关键是如何确定摆锤与阶梯环的尺寸，以保证某一倾斜角度，摆锤挂在相对应的阶梯环台阶上，进而保证测量的准确性。4．1．2机械测斜机构的设计计算如图4—2所示建立坐标系，假设测斜机构的阶梯环共有Ⅳ个台阶，每个台阶的高度均为a，则有图4．2测斜机构计算分析R，=x／r2+h2sin(fz+屈)i=l，2，3，AA，N(4一1)H，：(Ⅳ一f+1)口+而cos(a+p,)i：1⋯23人人，N(4。2)式中，^为摆锤顶端绞接点距摆锤挂齿的距离，mm：r为摆锤挂齿的半径，mm；口为摆锤中心线与挂齿外沿和顶端铰接点连线的夹角，a=arctg(r／h)；届为摆锤挂住第i个阶梯环时。摆锤中心线与阶梯环中心线的夹角(图中么DD，02)，屏=屏．，+aft，△∥为角度增量，即摆锤挂住两个相邻台阶时的角度差，也就是测斜机构的精度，且∥l=△屈R，为阶梯环第f个台阶的半径，mm；H为摆锤挂住阶梯环第f个台阶时，摆锤顶端铰接点距阶梯坏下端面的距离。 第4章机械测斜与信息转换技术由式(4一1)和(4．2)可知，阶梯环的各台阶半径尼与摆锤的结构尺寸，，^有关，只要r，椭自定以后，对不同的倾角卢．，就可以得到对应的阶梯环台阶半径R．和摆锤铰接点距阶梯坏下端面的距离髓。阶梯环台阶半径足是阶梯环结构设计必需的参数，而总则与控制轴的位移有关，是下文介绍的机械编码控制机构的关键尺寸。在实际的结构设计中，为了让摆锤的挂齿能够牢固地挂住阶梯环的台阶，保证仪器的可靠性，相邻台阶的半径之差必须有一定的距离。相邻台阶的半径之差可用下式计算r—：————●，．AR=,Jr2+h2lsin位+屈)一sin(a+屈一I)Ji=1,2，3，AA，|Ⅳ(4—3)由式(4-3)可知，相邻台阶的半径之差AR与摆锤的结构参数和相邻台阶的角度增量△乃有关。实践表明，相邻台阶的半径之差AR不能低于0．5mm，否则不仅造成阶梯环难以加工，还影响测斜机构的可靠性。一般情况下，根据石油工程上对测斜仪器的要求，仪器精度应在0．2。～1．0。之间，否则不能满足现场的要求。这样，基于相邻台阶的半径之差△R和角度增量△p的取值限制，可以根据式(4．1)、(4．3)对测斜阶梯环和摆锤的结构尺寸进行设计计算。4．I．3机械测斜机构的仿真设计基于以上原理及设计计算方法，对测斜机构的结构参数进行了设计计算和结构仿真，并对仿真结果进行分析，找出影响测斜机构的关键结构参数，为测斜机构的实际结构设i1提供理论基础。设摆锤的挂齿半径r=7mm，挂齿至铰接点的距离h分别取70mm，80mm，90mm，100mm：阶梯环共15个台阶，EpN=15，台阶高度a=5mm。角度增量Ap置ao．2。和0，5。时，对阶梯环进行结构仿真设计，仿真计算结果见表4．1。由表中仿真结果可知，当角度增量△厨目同时，阶梯环台阶半径矗随摆锤h的增大而增大；当摆锤的h值相同时，阶梯环台阶半径R随角度增量△口的增大而增大。图4—3是h=70，角度增量△口分别取0．2。和0．5。时，阶梯环的结构仿真图。从图中可以看出，增量为O．5。阶梯环的相邻台阶半径之差较大，为0．6mm，其可测量的角度范围为7．54，但它的结构尺寸大。台阶最大半径为16。07mm，而且测量精度低；而增量为O．2。的J下好相反，阶梯环的相邻台阶半径之差仅为O．26mm，台阶最大半径为10．65mm，其测量范围为3．0。，测量精度相对较高。这一现象正反映了测斜结构设计与实际应用要求之间存在的一对矛盾。一方面，对井下仪器来说，由于受井眼空I、日J限制，要求尺寸越小越好，特别是径向尺寸，而且要求精度越高越好，即要求角度增量△触小越好，但在相同台阶数的情况下，其测量范围小；另一方面，从仪器的工作可靠性和加工方面来说，又要求阶梯环相邻台阶的半径之差越大越好，即要求角度增量△触大越好，而且相同台阶的情况下，测量范围大，但阶梯环台阶半径随角度增量△∥增大而增大。因此，在设计中要综合考虑，兼顾两方面要求，达到既保证仪器的可靠性，又能够满足现场的要求。 中国石油大学溥士学位论文；机械式无线随钻测斜仪系统研究表4．1不同角度增量△研寄况下，摆锤的^不同时，阶梯环的仿真结果 第4章机械测斜与信息转换技术02。In』。1Il6。I舻lno10I{‘4r舻nol’o^op84lnol(a)筇=0．2。(b)△口=0．5。图4．3阶梯环结构仿真图为了避开上述矛盾，最大限度地满足两方面的要求，可以通过改变摆锤的结构尺寸来解决。如图4．4所示是在增量△口=O．29时，摆锤的h值分别取70mm和100ram时，不同角度，，对应的阶梯环各台阶半径尺。。可以看出，阶梯环台阶半径与角度成正比关系。对相同角度对应的台阶，^越大，台阶半径越大；而且h越大，半径与角度关系曲线的斜率越大，即阶梯环相邻台阶的半径之差也越大。这说明在测量精度不变的情况下，可以通过增加摆锤的h值来增大阶梯环相邻台阶半径之差，但相同角度对应的阶梯环半径也增大。≮栏斗角度口，图4—4对不同h时．阶梯环台阶半径对比 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究4．2信息转换技术及其实现方法对所有随钻测量仪器来说，无论采用何种测斜技术，如何将测得的井斜信息转换为可以控制脉冲发生器工作的控制信息是非常重要的。对机械式无线随钻测斜仪来说，如何将测斜机构测得的井斜信息转换为用于控制脉冲发生器的控制信息，从而控制脉冲发生器根据不同的井斜发出不同的脉冲信号，这就是信息转换技术研究的问题，它是机械式无线随钻测斜技术的关键技术之一。与电子测斜仪将井斜信息转换为时间序列脉冲不同，机械式测斜仪的信息转换技术的基本思路是利用机械机构将摆锤一阶梯环测得的井斜信息转变为位移变化量，并进行放大处理，用位移变化量控制脉冲发生器的工作。这样，测斜机构与脉冲发生器之间就建立起一种对应的关系，实现井斜信息与脉冲信号的统一。基于以上技术思路，研制了一种机械编码控制与行程放大机构(简称编码{}窘制机构)，可以实现信息转换的功能。(a)(b)I．控制弹簧；2．弹簧；3．控制轴；4．限位筒5．控制筒：6．钢球：7．挡球柠：8．执行筒图4．5控制机构示意图 第4章机械测斜与信息转换技术4．2．1编码控制机构的组成及原理如图4．5所示是编码控制机构的结构图，主要有控制筒、主弹簧、控制弹簧、控制轴、限位筒、钢球、执行筒等组成。控制轴在中心，控制轴上有挡球柱，控制弹簧套在控制轴的下端，控制简装在控制轴和控制弹簧的外面，钢球在控制筒的钢球孔中，限位筒套在控制筒的外面，执行筒与限位简相连，主弹簧在最外面，一端支撑在控制筒的一端，另一端支撑在限位筒上。其工作原理为：执行筒在垂直外力作用下，处于如图4—50)所示的状态。当执行筒失去外力作用时，主弹簧推动限位筒向上运动，从而带动执行筒也向上运动，与此同时，因控制轴的上端与执行筒的内孔上端脱离而失去执行筒的作用，在控制弹簧的作用下，控制轴也向上运动。如果控制轴的下端有另外的机构相连，可以控制其向上运动的距离，且其运动的距离正好使控制轴上的某一挡球杜运动到其对应的钢球位冒，这时钢球将被推出。在限位筒向上运动的过程中，因被钢球挡住而停止，同时执行筒的运动也将停止。这样，控制轴只运动很小一段距离，而执行筒就运动很大一段距离，从而实现行程控制和放大的目的，如图4．5(b)所示。而且，当中心轴运动不同的距离时，会有不同的挡球柱将对应的钢球推出，从而使执行筒运动不同的距离，从而形成多级放大。放大级数与挡球柱和钢球的数量一致，图4．5所示为3级放大。如果想要执行筒回到初始位置，那么只需给执行筒施加一向下的力，就会将主弹簧压缩，推动限位筒向下运动。同时，当执行筒与控制轴的上端接触时，控制轴将压缩控制弹簧向下运动，回到初始位置。4．2．2编码控制机构的运动学分析与计算由编码控制机构的结构和工作原理可知，本机构的关键部件是控制轴和控制筒，它们直接控制该机构的工作，并决定行程放大的大小和级数。下面主要分析控制轴和控制筒的几何运动关系和设计计算方法。为了便于分析，将控制轴与控制筒简化为如图4．6所示，图中4．6(a)的状态是控制轴在最下端的位置。为了实现行程的放大和控制功能，控制轴的运动和控制筒的钢球孔位旨要符合以下关系，即控制轴向上移动距离，后，最上端的第t'／个挡球杜诈好在控制筒最上端的钢球孔位置，如图4—6(b)所示，当移动2s后，上端第盯．1个挡球杜正好在拧告I】简上端的第2对钢球孔位置，以此类推。这样，移动括距离时，第n—f+1个挡球杠位于控制筒的第耐钢球孔的位置，如图4—6(c)所示。以上是这种机构的一种控制放大方式，它还可以有另一种控制方式，即当控制轴向上移动～距离s后，最下端的第1个挡球杠正好在控制筒最下端的钢球孔位置，当移动2s后，下端第2个挡球柱正好在控制筒下端的第2对钢球孔位置，以此类推。下面以第一种控制方式为例推导设计计算公式。如图4．6(a)建立坐标系，根据上述分析，当控制轴移动isle离后，满足如下关系式：h+(f—1)6=(仃一i+1)s+，+，l+O一1)(，I+，2)，=1,2，3，人人，疗(4．4) 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究在满足上式的前提下，还必须满足一个条件，就是当中心轴移动距离为捃时，第ifh+(／一2)b—d>括+，+，I+(j-2)ql+f2)，=2,3，A，i{(4—5)【矗+(，一2)6<捃+，+(，一2)(，I+，2)，=2，3，A，f。’。’即：而且，为了保证机构的工作稳定，则要求挡球杠的长度要大于钢球孔的直径，由式(4．4)可知，当f_l时，．>d口u¨nnnHHHHi口¨nnnnHHu¨nⅣni^HwuuuuH0j且黼州川川盥'匡盥■HHHnnnnninnnnnnn且wnuHHHwHH且0m川㈣耻噼耻 第4章机械澳4斜与信息转换技术h=埘+Z+lli=n时h+(珂一1)b=s+，+，1+(以一1)(，I+，2)由(4·7)、(4-8)可得：b=‘+f2一s将式(4—9)代入式(4-5)并结合式(4—6)可得出如下不等式：{：：i<6一。万一2，s(4-7)(4—8)(4—9)(4·10)以上各式中，H为挡球柱的个数，也是机构放大的级数；h为坐标原点到第一个钢球孔的距离，toni；6为相邻两钢球孑L之间的距离，也是单级放大距离，ram；J为控制轴的单个控制距离，控制轴的移动距离只能是其整数倍，nlm：，为控制轴下端距第一个挡球柱的距离，mltl；，，为挡球柱的长度，mm：b为相邻两挡球柱之间的距离，ram：d为钢球孔的直径，IBAll。以上就是控制轴与控制筒的运动学关系及计算方法，也是编码控制机构设计的理论基础。在实际设计时，，和d根据仪器的整体结构，结合其它零部件的尺寸确定，疗、b、s可以根据需要确定，这样h、Ii和如就可以通过式(4．7)、式(4．9)和不等式(4．10)确定。由式(4—7)、(4．9)丰ll不等A(4．1o)可以看出，，，和12与n、b、d、s等参数畜坊旧天，在设计时可根据需要调整各参数的值，使之满足式(4．7)、式(4．9)和不等式(4—10)，从而得到最优的参数值。由控制轴与控制筒的运动学分析，并结合编码控制机构的示意图(浏4—5)，“J以6-出，当控制轴移动S时，执行筒移动的距离为b，编码控制机构的单级放大倍数爿为彳=b／s(4·11)放大倍数A与第5章将要研究的脉冲发生器的设计有关。4．2．3编码控制机构结构设计仿真分析根据编码控制机构的理论和设计计算公式，编制计算机程序，可以对给定条件下的控制轴与控制筒进行仿真设计。在仿真计算时，可以先给定s、，、“如、d等参数，利用式(4．9)求b，然后代入不等式(4．10)，看是否满足该不等式，如果不满足，则调整“12，直至不等式(4．10)成立。当这些参数确定以后，就可以根掘控制轴与控制筒的运动关系，确定控制轴移动不同距离时，相应的挡球柱对应的位置。表4．2中给出了当r／、s不同时，钢球孔直径d=3．5ram，仿真得到的fl、如和b值。可以看出，控制轴单次移动的位移s相同时，级数n越多，两挡球柱之间的距离12就，同时控制筒上两钢球孔之间的距离b也越大；级数n相同时，控制轴单次移动的位移S越大，两6l 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究挡球柱之|’日j的距离，2就。同时控制筒上两钢球孔之|’日J的距离6也越大。由表4．2可以看出，对一编码控制机构，当H、s、卜定时，其它参数如爪f2和b的值不是唯一的，只要大于某一数值，都是可以实现的。至于，l、12和b的取值则可以根掘编码控制机构或仪器的整体结构尺寸进行确定。表4五编码控制机构结构参数仿真结果已知参数仿真计算参数nJ，l，2b108>3．5>72>67，5105>3．5>45>43．58>3．5>56>51．5表4—3是n=lO、萨8，l=100，11=17，h=73，b=82时，摆锤挂在不同台阶时，各挡球杠的位置仿真结果。如图4．7所示是控制筒与控制轴的结构仿真图，由图4．7可以清楚地看出控制轴的位移与挡球柱和钢球孔位置的对应关系。表4—3挡球柱位置的仿真结果 第4章机械测斜与信息转换技术图4—7控制筒与控制轴的结构仿真 中国石油大学博士学位论文：机城式无线随钻测斜仪系统研究4．3机械测斜与编码控制机构组合设计与仿真由于测斜机构的摆锤与编码控制结构的控制轴相连，两机构有非常密切的联系，编码控制机构的控制轴移动的距离受测斜机构摆锤的控制，在设计测斜和编码控制机构叫，根据测斜机构和编码控制机构的设计方法，将两机构的相关尺寸进行综合考虑，进行组合设计，即将测斜机构中阶梯环的高度当作编码控制机构中控制轴移动的距离，就可以设计与测斜机构相匹配的编码控制机构。通过测斜机构与编码控制机构的组合设计，测斜机构测得的井斜信息就可以转变为位移信息，并经编码控制机构放大，用以控制脉冲发生器产生不同数量的脉冲，并且井斜信息与编码控制机构、脉冲数量存在严格的一一对应关系，从而根据脉冲数量可以方便地确定井斜的大小。根据测斜机构和编码控制机构的设计计算方法，综合考虑二者的关联结构，将测斜机构阶梯环的台阶高度a当作编码控制机构控制轴移动的距离s，根据设计计算公式编制计算机程序，可对测斜与编码控制机构进行组合设计仿真。表4．4阶梯环直径仿真结果序号12345678角度(4)0．51．01．52．02．53．03．54．0堕竖里：堕堡(翌型!!：!!!!：丝!!：!!!!：垄!!：!!丝：!j丝!j!!：塑表4．5编码控制机构鲁挡球柱位置的仿真结果已知摆锤长度h=75mm，挂齿半径r=7．5mm，阶梯环角度增量△伊O．5。，台阶高度a=5mm，台阶数量N=8，钢球孔直径为d=3．6mm。根据仿真程序计算得到的阶梯环各台阶的直径见表4．4。编码控制机构的各参数值分别为：l=45mm，11=17ram。／2=36rnm，d=3．6mm，b=48mm，摆锤挂不同的台阶时，各挡球杜的位置见表4．5。根据表4—4、4-5的计算数据，测斜机构与编码控制机构的组合设计结构仿真图如图4—8所示。 第4章机械测斜与信息转换技术 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究图4-8测斜机构与编码控制机构的组合结构仿真由图4—8可以看出摆锤挂住不同的台阶时，对应的控制轴挡球杠与控制筒的钢球孔位置，二者存在一一对应关系。当摆锤挂在阶梯环最下边的台阶时，控制轴最上面的挡球杜位于控制简最上面的钢球孔位置：当摆锤挂在阶梯环最上边的台阶时，控制轴最下面的挡球柱位于控制筒最下面的钢球孔位置。组合仿真结果表明，测斜机构与编码控制机构的组合设计可以实现井斜测量与信息转换的功能。4．4本章小结(1)研究了机械测斜技术的基于原理，设计了一种基于重力原理的摆锤一阶梯环测斜机构，给出该机构各结构参数的设计计算方法。对测斜机构进行了结构仿真分析，结果表明，测斜机构的最高精度为0．2。，其结构尺寸对仪器的测量精度及测量范围有显著署；m角(2)采用机械方式实现井斜信息的转换，设计了一种机械编码控制与行程放大机构。分析了该机构各部件的运动关系和结构设计计算方法，并进行了结构仿真设计。(3)通过对测斜机构和编码控制机构进行组合设计，可以实现井斜测量和信息转换。对测斜和编码控制机构进行组合仿真设计。 第5章脉冲发生器的工作原理与结构设计钻井液脉冲技术的核心是压力脉冲信号的产生及其在钻井液中的传输。第3章详细介绍了脉冲传输理论，包括脉冲的传输速度、瞬态传输特性及脉冲衰减规律等。本章将在第3章研究的基础上，结合第4章介绍的测斜与编码控制机构，研究钻井液压力脉冲产生的机理及脉冲发生器的结构原理与设计方法，包括脉冲发生器工作原理、脉冲强度及频率的计算及确定方法、脉冲发生器的结构设计等。5．1钻井液脉冲的产生机理及脉冲类型对钻井液循环系统来说，从钻井泵开始经地面管汇、水龙头、钻柱到钻头是一个密封的液体压力系统。根据液体压力波的传播原理，系统任何地方的压力突然发生改变，将会产生压力波动，并在系统内传播，从而引起整个系统的压力变化。钻井液脉冲技术就是基于这～原理，通过压力波在钻井液的传播，实现井下与地面之f'日J的信息传输。如果在井下钻具组合的钻头上部安装压力调节装置，阻止钻井液的流动或让部分钻井液直接流入环空，从而引起系统内的压力升高或降低，产生压力脉冲。目前，钻井液脉冲的类型有3种：正脉冲、负脉冲和连续波ll“。如果在井下钻具组合中安装压力调节装霄，该装置可以堵塞钻井液通道，阻止钻井液流动，从而使系统的压力升高，称之为正脉冲。相反，如果在井下钻具组合中安装压力调节装置，该装置可以与环空直接相通，使部分钻井液不经钻头直接流入环空中，从而使系统的压力降低，产生负脉冲。连续波脉冲实际上是正脉冲的一种特殊形式，安装在钻具中的旋转阀可以产生连续的正压力脉冲，它与正脉冲的区别是脉冲的编码方式不同，即通过不同的编码技术柬处理和传递信息。5．2脉冲发生器的类型及结构原理脉冲信号的类型决定了脉冲发生器的类型。三种脉冲信号对应有3种类型的脉冲发生器，它们分别为正脉冲发生器、负脉冲发生器及连续波脉冲发生器。J下脉冲发生器的原理是用一种特殊的结构来阻止钻柱中钻井液的流动，从而引起压力升高，使钻井液压力高于正常的压力，即产生正脉冲信号。如图5．1所示是正脉冲发生器的结构原理图，当阀芯向上运动时，将会堵塞钻井液的通道，从而引起压力升高，产生正压力脉冲。基于以上基本原理，研制了多种不同结构的正脉冲发生器。负脉冲发生器的原理是将钻柱中少量的高压钻井液释放到低压的环空中，使钻杜中的钻井液压力降低，从而产生负脉冲信号。负脉冲发生器的结构原理如图5—2所示，难常情况下，阀是关闭的，当需要发脉冲时，阀芯左移，阀门打开，部分钻井液直接进 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究入环空，引起钻柱内压力降低，产生负压力脉冲。连续波系统是利用旋转阀产生固定频率的正压力连续波，根据连续波的相位移将信息进行编码。连续脉冲发生器的结构原理如图5．3所示。转子可以绕中心转动，当转图5—1正脉冲原理图5．2负脉冲原理圈醉⑦⑦(a)关(b)开图5．3连续波脉冲原理 第5章脉冲发生器的工作原理与结}勾设计子的叶片处于定子叶片之间时(如图s．3a)，钻井液通道被堵，系统压力升高；当转子与定子的叶片重合时(如图5．3b)，钻井液通道打开，压力降低，这样随着转子的旋转，将产生连续的压力波。5．3往复节流型正脉冲发生器的结构与工作原理机械式无线随钻测斜仪的信息传输采用正脉冲信号。能够产生正脉冲的方法很多，目前现有的无线随钻测量系统中使用最多的方法是采用机电一体化结构，用电磁力驱动阀芯运动或旋转，也有些采用液压驱动的方式。但不管是采用机电驱动方式还是液压驱动方式，都需要电子元件协助工作，需要电源提供动力。但机械式无线随钻测斜仪的脉冲发生器无法使用以上两种形式，因为其井下仪器为纯机械机构，没有电子元器件，也没有电源等。因此，机械式无线随钻测斜仪只能采用机械结构，且唯～的动力源只有钻井液。根据机械式无线随钻测斜仪的特点和需要，其脉冲发生器采用往复节流型，结构如图5．4所示。主要由脉冲环、脉冲阀和脉冲杆组成，脉冲阀固定在脉冲杆上，可以与脉冲杆一起在脉冲环中作上下往复运动，脉冲环上带有多个节流孔。脉冲杆与第4章介绍的控编码控制机构相连，工作时受编码控制机构的控制。(a)(b)1．脉冲环；2．脉冲阀3．节流孔；4．脉冲杆图5．4脉冲发生器结构示意图往复节流型正脉冲发生器的基本工作原理为：当钻井泵启动后，高速钻井液流经脉冲环，脉冲阀在高速钻井液的作用下，推动脉冲杆一起在脉冲环内向下移动，当脉冲阀经过脉冲环的节流孔时，钻井液的过流面积将由大变小然后再交大。从而使得钻井液的压力由小变大再变小，产生l下压力脉冲，这样脉冲阀向下运动过程中每经过一个节流孔，就会产生压力脉冲，直到脉冲阀移动至最下端位置，如图5．4(a)所示。当钻井液停止循环后，脉冲阀失去钻井液的作用，脉冲杆连同脉冲阀在仪器编码控制机构的控制和 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究驱动下向上运动至某一位置，如图5．4(b)所示，由于受控制机构的控制，井斜不同时，脉冲阀停在不同的位置。由于脉冲阀的位置不同，开泵时，脉冲阀向下移动过程中所经过的节流孔数量不同，从而产生不同数量的脉冲信号。由第四章可知，由于编码控制机构的作用，使得井斜测量机构与脉冲发生器协同工作，井斜与脉冲存在一定的对应关系，因此在地面可以根掘脉冲信号确定井斜大小。往复节流型正脉冲发生器具有以下特点和优点，第一，纯机械结构，没有复杂的电子元器件，不需要电源；第二，结构简单，易于加工制造，且性能可靠；第三，不需额外的动力，仅以钻井液作为动力。5．4液压阻尼系统液压阻尼系统是利用充满液压油的液压缸，在控制阻尼阀的作用下，在液压缸两腔中产生压力差，从而对负载产生阻尼力，阻尼力的大小与负载运动速度有关。液压阻尼系统可以吸收负载、振动、冲击，限制负载速度和位移，防止共振、补偿热膨胀位移，保障设备的安全可靠1”J。对往复节流型正脉冲发生器来说，脉冲阀向下运动时要求平稳、速度匀速，且不能太快。而脉冲阀向下运动的动力来自钻井液的冲击力，此力是一个不确定的值，与钻井液的性能、排量等有关。因此，仅用机械结构很难达到脉冲器工作的条件，无法满足工作要求。为了达到让脉冲阀平稳运动、控制脉冲阀的运动速度、同时避免脉冲阀在向下移动时产生较大冲击等目的，保证脉冲发生器的正常工作和可靠性，液压阻尼器是一种最好的选择，可以满足脉冲器工作的要求。因此，根掘脉冲器的结构特点和工作要求，特别设计了专用的液压阻尼系统，辅助脉冲发生器工作。5．4．1液压阻尼系统的结构原理如图5．5所示是阻尼系统的结构图，主要由阻尼阀、活塞、恢复弹簧和密封件等组成。脉冲杆、外简、活塞和各密封件组成密封腔，并充满液压油。阻尼控制阀把密封腔分隔成上下两部分。脉冲阀安装在脉冲杆的上端。其工作原理为：脉冲杆在钻井液冲击力的作用下有向下运动的趋势，由于液压油不可压缩。使得上部腔体的压力升高，当上媚髂休与下部腔体之间的压差足以让液压油克服阻尼控制阀的节流小孔时阻力时，液压油丌始从上部腔体流入下部腔体，脉冲杆也开始向下移动，进入上部的密封腔体内。进入下部腔体的液压油会推动活塞下移，恢复弹簧被压缩。当脉冲卡T失去作用力时，上部腔体内的压力减小，下部腔体内的压力大于上部腔体内压力，受压缩的恢复弹簧将推动活塞上移，下部腔体的液压油通过阻尼控制阀的回流孑L推开钢球进入上部腔体，从而推动脉冲杆上移。基于以上原理，为了满足井下仪器结构的需要，将其中的阻尼阀设计成如图5-6所示的结构，将其中的节流孔设计成孔板组结构，即在阻尼套中装有多个阻尼孔板，每个阻尼孔板上都有一个很小的节流7L，多个很薄的阻尼孔板相当于一个很长的节流孔。这 第5章脉冲发生器的工作原理与结车勾设计样主要是为了易于加工，避免节流小孔堵塞，且可增加阻尼效果【70l。过滤网主要用于过滤液压油，以免杂质颗粒将阻尼孔板上的小孔堵塞。l一脉冲杆：2一密封圈；3一外筒；4一节流小孔：l—挡圈；2一导流座：3—密封圈5—钢球：6—密封；7一阻尼阀：8一回流孔；4～过滤网；5一阀体；仁小球9一捎圈：lO—密封圈；1l一活塞；ll一恢复弹簧7一阻尼孔扳：8一丝堵图5．5阻尼系统结构图5-6阻尼阀结构5．4．2阻尼系统的性能要求根据脉冲发生器工作的需要，阻尼系统的性能应满足以下条件：(1)系统的最大阻尼力应小于或等于脉冲阀受到的冲击力，保证脉冲柯可以在钻井液冲击力的作用下向下运动，即F≤只(2)脉冲杆的运动速度应在一定范围内，满足脉冲发生器工作要求，即Vmm≤V≤Vm科5．4．3阻尼系统的结构设计计算及性能分析研究阻尼系统的设计计算方法，对其阻尼性能进行分析，找出影响阻尼性能的因素，是结构设计的基础和依据。阻尼系统的设计计算基于以下假设：(1)阻尼介质内不含空气，且不可压缩；(2)脉冲丰T和活塞的质量、脉冲杆和活塞处的摩擦力忽略不计：根据阻尼系统的结构，其理论分析模型简化为如图5．7所示。d是脉冲杆直径，D是活塞直径，锄是节流孔直径，2是阻尼孔板的数量。根据小孔流量公式，通过孔板组的流量蔓3170]：7l 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究图5-7阻尼系统分析模型Q=c：吼愕6。’式中，e为孔数及孑L板间隔流量修正系数：C为孔板节流小孔流量系数，其取值与：JqL的几何形状有关，根据实验确定[73-741，一般取0．6--0．8：爿。为孔板小孔面积，A。=7rd；／4；△尸为孔板组前后的压力差，AP=B一只；PI、n分别为孔板组前后的压力：，，为油液密度：z为孔板数。脉冲杆进入外筒内的体积应与流经阻尼阀孔板组的流量相等，即：p：A，v(5-2)式中，A2为脉冲柯面积，A，=蒯2／4：v为脉冲杆运动速度。出式(5一1)、(5-2)可得：v—c：唼房6-3’假设脉冲秆匀速运动，由脉冲秆和活塞的受力可得：F+PoA2=P2爿2(5·4)鼻彳l=咒爿I+K(xo+工)(5—5)式中，F为阻尼力(脉冲卡T的冲击力)；Po为环境压力；AI为活塞面积，A．=加2／4；K为饮复弹簧的刚度；勒为饮复弹簧的切始压缩量；X为活塞运动后，恢复弹簧增加的压缩量。由式(5—3)、(5．4)、(5-5)可得出阻尼力的表达式： 第5章脉'枣发生器的工作原理与结构设计F=丛A产+黪l2c：c2“式(5—6)给出了阻尼力和脉冲杆运动速度的关系。可以看出，在其它参数都一定的情况，知道F署'flv中其中的一个，就可以计算得到另一个。如果v已知，可以根掘v计算脉冲杆需要的力：如果己知凡就可以计算脉冲杆的运动速度。由式(5—61还可以看出，对阻尼力Fkl]脉冲杆的运动速度v，其中的一个参数一定时，另一个参数主要与节流孔直径西、阻尼孔板的数量z、活塞的直径d等参数有关：同时还与恢复弹簧的压缩量x有关，而x与脉冲杆的运动有关，是一个变量，在脉冲杆运动过程中，F或v是一变化的值。当脉冲杆到达最下端时，肱到最大值，相反，v达到最小值。5．4．4各参数对阻尼性能的影响根据式(5—6)，可以计算分析阻尼力戚阻尼速度v随各参数的变化情况。如图5—8-5·ll所示是阻尼力和阻尼速度随阻尼孔板数量及阻尼孔直径的变化关系曲线。由图5．8可以看出，当阻尼速度一定时，阻尼力随阻尼孔板数量的增加而增大，且阻尼孔板数量较多时，阻尼力的增加显著。579Il1315阻尼孔板数：图5．8阻尼孔板数对阻尼力的影响由图5-9可以看出，可以看出，当阻尼力一定时，阻尼速度随阻尼孔板数量的增加而减小，但当阻尼孔板数量z达到一定值时，再增大阻尼孔板数量z对阻尼速度v的影响不大，因此在实际设计中，阻尼孔板的数量不需要太多，一般为10个左右。由图5—10可以看出，阻尼力随阻尼孔直径的增大而减小，且在函很小时，这种影响严重，当面较大时，影响变弱，当西大到一定程度时。阻尼力变得很小，且几乎不受幽变化的影响。因此，在实际设计时，为了获得较好的阻尼效果，幽需要非常小，一般在lmm左右，有时小于0．5ram。 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钴溺斜仪系统研究由图5．1l可以看出，当阻尼力一定时，阻尼速度随阻尼孔直径的增大而增大，但当阻尼孔直径嘞较小时，阻尼速度v随阻尼孔直径而的变化不大，比较稳定：当阻尼孔直径如较大时，阻尼速度v随的变化较大。因此，在实际设计时，为了获得稳定的阻尼速度，阻尼孔直径而越小越好。宙巳g}蜊鲻57911阻尼孔板数：图5．9阻尼孔板数对速度的影响0305070，9I1．3l5l719阻尼孔直径dO(ram)图5．10阻尼7L直径对阻尼力的影响由图5．10、5．11还可以看出，当阻尼孔板数量和阻尼孔直径都相同的情况下，阻尼速度与阻尼力成正比，随阻尼力的增大而增大，随阻尼力的减小而减小。脉冲柯速度v随节流孔直径函增大而增大，在节流孔直径相同的情况下，脉冲杆速度v随阻尼孔板数量z的增加而减小，但阻尼孔板数Z越大，v的减小幅度变小。 第5章脉冲发生器的工作原理与结构设计宙暑邑)瑙捌0．30．50．70．91．11．31．51．7I．9阻尼孔直径d0(Ⅻn)图5一I1阻尼孔直径对透震的影响根据以上分析，明确了各参数对阻尼性能的影响，从而可以指导阻尼器的设计和使用。在进行阻尼系统设计时，可以根据井下仪器的总体结构尺寸及性能要求，首先确定D、d、v等参数，然后调整函、和z，以满足公式(5．3)。由式(5．4)可以看出，～旦脉冲杆的速度和阻尼孔直径确定，此式的第二项就是一定值，所以阻尼力F只与活塞面积爿，和恢复弹簧刚度磁压缩Ix等参数有关，当脉冲柯到达极限位置时，，达到最大值，阻尼力也达到最大。在设计时，如果最大阻尼力达不到要求，可以通过改变^，j阳弹簧仞始压缩量却，获得需要的阻尼力。在现场使用时，可以根据Fglv的关系指导仪器的使用。仪器设计好以后，除，和v以外，式(5—6)中的其它参数都是确定的。所以，在现场使用时。如果想要脉冲柯运动速度快一些，需要增大钻井液对脉冲阀的作用力凡相反，如果想要脉冲杆运动速度慢一些，需要减小力凡丽肿大小与钻井液的流量和脉冲器的结构有关。5．4．5钻井液对脉冲阔的作用力计算对往复节流型正脉冲发生器来说，阻尼系统需要提供的阻尼力实际上是用来平衡和缓冲钻井液对脉冲阀的冲击力。由于脉冲阀运动可以看作匀速运动，钻井液对脉冲阀的作用力大小与阻尼系统的阻尼力大小相等。钻井液对脉冲阀的作用力对脉冲发生器的研究和结构设计非常重要，影响脉冲发生器的性能，是设计中必须重点考虑并需准确计算的一个参数。钻井液对脉冲阀的作用力的求解问题，实际上与流体力学中流体在固体边壁的限制下流动时流体与固体边壁之『目j的作用力的问题相似。在实际流体运动过程中，流体的运动必然与固体边界存在着一定的联系，这种联系往往以作用力的形式表现出来。在流 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究体力学中，研究流体和限制其流动的固体边壁间的作用力关系，寻求作用力的计算方法，是流体力学的一个重要课题1751．钻井液在脉冲发生器内流动过程中，钻井液与脉冲阀之间的相互作用力，或者说钻井液对脉冲阀的作用力的计算，可以借鉴流体力学的有关理论和方法，原则上可采取两种方法。一是先求出脉冲阀上各点的压力分布规律，在对整个脉冲阀作用面积分以求出总作用力。这种方法在流体静力学中得到了很好的应用。而在流体动力学中，由于流体运动本身的复杂性和固体边壁的不规则，要确定流体运动参数沿壁面的分和规律，找出数学表达式，往往是很困难的，甚至是不可能的。因此，此方法难以在很多问题中得到应用。而对有些问题，虽然不能找出流体运动参数沿壁面分布规律的数学表达式，但可以通过有限元等方法得到体运动参数沿壁面分布的数值解，进而通过计算得到作用力，这种方法可以应用在工程实际中。另一种方法是将有关质点系的动量方程或动量矩方程应用于运动流体中，推求有限的流体质点系统动量方程或动量矩方程。这种方法的特点是避免了寻求沿壁面应力分布的繁琐和困难，而针对某一宏观质点系控制体，研究其动量变化和作用力之间的关系，以解决在工程上具有实际意义的作用力问题。下面采用动量守恒法推导钻井液对脉冲阀的作用力。在5．6节的数值仿真中，可以用数值分析的方法求得钻井液运动参数沿脉冲阀壁面分布的数值解，从而求得钻井液对脉冲阀的作用力。由于脉冲阀的特殊结构，其工作过程可分为三个阶段，如图5．12所示。下面应用流体力学的动量定理分析计算钻井液对脉冲阀的作用力。(a)(b)(c)图5．12脉冲阀受力计算如图5．12所示选取控制体，忽略钻井液与固体边壁间的粘性力和钻井液的重力，由于脉冲阀的运动速度很小，忽略因脉冲阀运动而引起的控制体动量变化，沿轴线方向列动量方程，可得 茎!兰壁!!茎兰塑塑三堡要堡兰茎塑堡盐∑F=鼻一l—只一2cosO-F‘=pQ，(％cos0一K)(5-7J对图5—12a所示的情况，0=鼠；对图5．12b所示的情况，0=0；对图5—12c所示的情况，0=02。，’=鼻4一最彳2cosO-pQ，(％cos0一K)(5-8)式中，F’为脉冲阀对控制体的作用力；n、圪分别为进出控制体过流断面上的平均速度：Pl，尸2为流入、流出断面上的压力；q，吼为脉冲阀的上下半锥角，即液流角：P为钻井液的密度；Q为流经脉冲阀的流量；AI为流入断面的过流面积，其表达式为：A．：zzD2／4；A，为流出断面的过流面积，其表达式为：A．：nd(hsin0+尘二生cos口)(5·9)。2对图5-12a所示的情况，0=鼠：对图5．12b所示的情况，0=0；对图5—12c所示的情况，口=02。根据流体力学小孔流量公式，出流速度场和流经脉冲阀的流量O，可由下式求出：¨，序《乎p埘Q叫。廖叫zJ掣aJu式中，cv为流速系数：C为流量系数，通常由试验确定，其近似值可参考相关文献‘7。76I：AP为控制体进出截面的压力差。由于进出控制体的质量守恒，即Q=K^(5-12)因此可得K=Q，／A。(5-13)由式(5．10)、(5-11)、(5-13)代入式(5—8)并整理得：F。=州．吐cos町‘丽1一瓦Cvc。s口+去)趔(5-14)由力的作用原理可知，控制体对脉冲阀的作用力F与脉冲阀对控制体的作用力F大小相等，方向相反，即F=一F’，负号仅表示方向。所以，控制体对脉冲阀的作用力F的表达式，州At-A：cosOM丽1一丽Cvcosp+々砭(5．15) 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究5．5往复节流型正脉冲发生器的脉冲强度与频率由第3章可知，脉冲强度与脉冲频率是钻井液脉冲的两个重要特性参数。如何确定和计算这两个参数是脉冲发生器结构设计的关键。根据脉冲强度衰减与频率的关系，为了在地面上接收到清晰的脉冲信号，脉冲的强度需要足够大，频率不能太大，但考虑对钻井工艺的影响和井下仪器结构的限制，脉冲强度不能太大。往复节流型正脉冲发生器产生脉冲的强度和频率取决于脉冲器的结构尺寸、液压阻尼器的阻尼性能及钻井液的性能与排量。结构尺寸影响钻井液的过流面积及其变化规律，从而影响脉冲的形状与强度，阻尼器的性能影响脉冲阀的运动速度，从而影响脉冲的频率，钻井液的性能与排量影响脉冲阀的受力，对强度和频率都有影响。因此，研究脉冲强度与频率的计算方法，搞清楚与各参数之J．日J的关系，分析各参数对强度与频率的影响，对脉冲发生器的设计、使用等具有重要意义。5．5．1脉冲强度计算由第3章可知，脉冲强度的大小可以利用式(3—100)计算。但对往复节流型正脉冲发生器的特殊结构，钻井液流经脉冲阀后的速度不易确定，用此式计算有一定的难度。对往复节流型正脉冲发生器所产生的脉冲强度的大小，还可以根据流体运动学理论束确定。在分析之前先作以下假设：(1)假设钻井液中不含空气，不可压缩；脉冲器的各部件为刚性结构，高压下不发生弹性变形。(2)钻井液流经脉冲阀与脉冲环的间隙时，流速小随时间而变化，即液体处于稳定的流动状态。(a)(b)(c)图5—13脉冲强度计算如图5．13所示是脉冲强度计算分析示意图。由流体运动学理论可知，流经脉冲阀与脉冲环间隙的流量Qv的表达式为 第5章脉冲发生器的工作原理与结构设计g，=tr．A，y，(5-16)式中，口为过流断面收缩系数，如图5．13所示，脉冲环节流孔直径d与脉冲环过流孔直径D相比不算很小，为不完善收缩，所以，口可按经验公式确定【751晓=0．63+0．37(d)2(5-17)A。为过流间隙截面积，如图5一13所示。当脉冲阀处于不同的位置时，有不同的表达式。当脉冲阀的下端进入节流孑L时，其表达式为：A，：剧(^sin岛+生粤c。s幺)(5-18a)当脉冲阀的中部进入节流孑L时，其表达式为：A=去万(d2一彩)(5-18b)当脉冲阀的上部进入节流孔时，其表达式为：A，：耐(矧ng+生卑cosq)(5-18。)K为钻井液流经脉冲阀与脉冲环间隙的流速，可以通过能量平衡方程求得。设脉冲阀上部钻井液的压力为Pl，速度Vl，位置高度ZI；脉冲阀下部钻井液的压力为忱，速度V2，位置高度Z2，由伯诺利方程得：∞P_L+丢+五=鲁+昙”!秘，(5．19)pg29pgzg式中，hj为钻井液流经脉冲阀与脉冲环间隙时的阻力水头损失。将式(5．19)移动合并，则得^，：掣+兰÷三堕+(z．一z：)(5-20)。pgzg在式(5．20)中，ZI-z2等于脉冲阀的厚度，数值很小，可以忽略；脉冲阀上下的流速”I和V2相同。这样，式(5—20)可变为■z生兰(5-21)。偌式(5．21)表明，当钻井液在脉冲阀与脉冲环的I．日j隙流动时，如果液体处于稳定的流动状态，则脉冲阀上下的压力差，主要由钻井液流经脉冲阀与脉冲环的间隙处所产生的水力损失造成的。由流体力学的原理可知，液体的局部阻力与流速有关。而脉冲阀的局部阻力实际 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究上包括两个方面，断面收缩阻力和断面扩大阻力。液体由脉冲环上部进入脉冲阀与脉冲环的问隙时，断面突然收缩，其局部损失为：“=卣曙／：g(5-22)液体由脉冲阀与脉冲环的间隙进入脉冲环的下部时，断面突然扩大，其局部损失为：hs2=岛嘭／29(5-23)流经脉冲阀的总水头损失为以上两部分之和，即矿2hf2‰+&：2幅+岛)去(5-24)式(5—22)、(5-23)、(5-24)qh，缶、岛分别为断面突然收缩和突然放大时的局部阻力系数，其精确的数值必需通过试验得到，但一些文献中给出了不同结构、不同工况下输水管断面突然扩大和突然缩小的局部阻力系数【”I，见表5．1、5-2，在计算时可作为参考。将式(5—21)、(5-24)联立，得圪2志J等掣一c，2(pjpP2)pzs，式中，c。为流速系数，其表达式为C，=、h{、+{2将式(5—25)、(5—16)联立，得Ap=pt-P2=蔫22(5-zs)式(5—26)即为往复节流型J下脉冲发生器脉冲强度的计算公式。当过流间隙的截面积最小时，即可得到脉冲强度的最大值。由式(5．26)可以看出，脉冲强度与脉冲发生器的结构尺寸和形状有关，如过流通道直径d、节流孔直径巩、收缩系数口、流速系数G等，同时还与钻井液的密度和流量有关。脉冲强度与各结构参数和钻井液排量之间的关系不仅是脉冲发生器设计的基础，还对脉冲发生器的现场使用具有重要的指导意义。在进行结构设计时，可以把钻井液的流量作为定值，重点考虑结构尺寸的影响，对结构进行优化设计；对设计好的脉冲发生器，其结构已经确定，与之相关的口、G都是一定的。在现场使用时，如果想改变脉冲的强度，可以通过改变钻井液的流量来实现。因此，对影响脉冲强度的各参数进行分析，找出其关键的影响因素，不仅可以指导脉冲发生器的设计，还可以指导现场的操作使用。80 第5章脉冲发生器的工作原理与结构设计表5．1断面突然扩大的局部阻力系数流速V(m／s)亘丝些!塑!旦盔童堡型：亘堡!以小直径为准t．21．41．61．822．534510表5．2断面突然缩小的局部阻力系数流速V(m／s)重堡些!型鲤盔重堡型!查堡2以小直行为准1．1I．21．4I．61．8253451081 中国石油大学博士学位论文：车凡械式无线随钻测斜佼系统研究5．5．2脉冲强度的影响因素分析如图5—14、5-15、5-16所示是当钻井液密度p=1150k∥m3，排量为Qt20L／s时，不同结构尺寸的脉冲发生器产生的最大脉冲强度与其结构尺寸的关系。芷邑魁嘎是鲞言a_苫一趟蹬定蓬节流孔与过流孔直径比diD图5-14d=55时，不同d／D和(d-dO，2对脉冲强度的影响0．9节流孔与过流孔直径比d／D图5—15赤《5时，不同抛和(小巩)／2对脉冲强度的影响由图5一14、5-15可以看出，当节流孔直径相同时。节流孔直径与过流直径之LLd／D越大时，即过流直径D越小时，产生的最大脉冲强度越小；当脉冲环结构尺寸相同(J、D都相同)时，脉冲阀的直径巩越大，即阀隙(小巩)／2越小，产生的最大脉冲强度越大，且影响严重。由图5．16n'fi]'以看出，当d∞和阀隙(d-dO／2相同，而节流孔直径d和脉冲阀直径巩不同时，脉冲阀巩直径越小，产生的最大脉冲强度越大。从以上分析可得出结论：在 第5睾脉冲发生器的工作原理与结构设计设计脉冲发生器时，为了获得较大的脉冲强度，应增大节流孔与过流孔直径之比d／D，减小脉冲环节流孔直径d，同时减小阀隙(d-d，)／2。罡邑趟鹱是鲞O．50550．60，650．70．750．80．8509节流孔与过流孔直径比d／D图5．16(d-dd／2j}fl时，不同d，D和积f脉冲强度的影响如图5．17所示是在钻井液密度P=1150kg／m3，d／D=O．7，d=55mm时，脉冲强度与钻井液流量的关系曲线。可以看出，相同结构的脉冲发生器，其最大脉冲强度随钻井液流量的增大而增大，且影响显著。o12】41618202224钻升液流量(Us)图5-17钻井液流量对脉冲强度的影晌 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测辩仪系统研究如图5一18所示是在钻井液的流量Q=20L／s，d／D=-0．7，d=55mm时，最大脉冲强度随钻井液密度变化关系曲线。可以看出，最大脉冲强度与钻井液密度成正比，随密度的增大而增大。蛊苫趟魑走蓬)16001800密度(kg／nO)图5—18密度对脉冲强度的影响5．5．3脉冲频率计算由往复节流型正脉冲发生器的结构和原理可知，在脉冲阀经过脉冲环节流孔的过程中，产生连续的脉冲。因此，往复节流型正脉冲发生器的脉冲频率取决于两个方面，一是脉冲环的结构，即相邻两个节流孔之间的距离J：二是脉冲阀的运动速度v。脉冲频率的表达式为／=二(5-27)S式中，脉冲阀的运动速度v可用式(5—6)计算求得．代入上式得，=纠筹卜等孚，卜j1／百”一—才一J(5—28)由式(5—28)可以看出，往复节流型脉冲发生器的脉冲频率不仅与相邻两个节流孔之f．日J的距离s有关，还与脉冲器的结构、脉冲阀的受力F、阻尼器的孔板数量、阻尼孔大小、恢复弹簧刚度等有关，而脉冲阀的受力F与钻井液的特性，流量等参数有关。因此，在设计脉冲发生器时，需要综合考虑多种因素，合理地确定脉冲的频率；在使用脉冲发生器时．可以通过适当调整钻井液排量的方法以改变脉冲的频率，进而获得比较清楚的脉冲信号。 第5章脉冲发生器的工作原理与结构设计5．6脉冲发生过程的数值模拟以上用流体力学的理论分析推导出脉冲强度的计算公式，根据公式可以计算脉冲阀在不同位置时，脉冲阀上部的压力变化，计算所有位霄的压力值即为脉冲的形成过程。为了检验理论分析结果的准确性，可以用流体有限元方法对脉冲发生器内的流场进行数值模拟。分析脉冲阀在不同位置时的流体的压力和速度分布情况，进而模拟脉冲发生器的脉冲发生过程。5．6．1模型建立5．6．1．1几何模型由图5—4可知，往复节流型脉冲发生器的结构简单，为轴对称结构，分析时只需分析一个截面即可，建立二维平面分析模型。由于脉冲环节流孔的结构相同，当脉冲阀经过每一个节流孔产生脉冲时，其过程是相同的。为了分析方便，且考虑相邻节流孔的影响，分析仅考虑三个节流孔的情况。同时为了减小进口和出口边界对分析结果的影响，进口和出口的长度适当加长。建立的分析模型如图5．19a所示。(a)(c)(d)图5．19数值分析模型5．6．1．2网格划分网格划分的疏密影响计算精度和速度。一般来说，在单元相同且保证单元正常的情况下，网格越密计算精度越高。但计算速度变慢。在分析中，对脉冲阀周围的区域， 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究网格适当加密，特别是在脉冲阀进入脉冲环节流孔时，必须加密，保证脉冲阀与节流孔之间有足够的单元，否则对分析结果影响很大。如图5．19b所示是初始划分的网格，图5-19c是加密后的网格，图5．19d是加密部分的放大图。5．6．1．3边界条件(1)入口边界条件脉冲发生器的入口边界为流速均匀的钻井液，分析时在入口处加载均匀流速即可。(2)出口边界由于分析的目的主要是模拟脉冲产生过程中脉冲器内流体压力的变化和流场分布，因此，可以把出口边界定为出口压力为零。(3)固壁边界条件当高速流体在流动过程中遇到一固定壁面的障碍时，在固壁上将产生很薄的附壁层，沿着壁面的法向方向具有着很高的流速梯度。由于计算机硬件条件，计算时间等因素的限制，固壁附近的网格不可能布置的足够细，无法合理地分辨出固壁上很大的法向速度梯度，因而在固壁附近采用壁函数法进行处理。采用壁面无滑移条件，即u=v=0，对壁面的压力条件为Op／a．=0。(4)对称边界条件在模型的对称边上施加对称边界条件。5．6．2模拟结果分析基于以上分析模型，对脉冲发生器的工作过程进行了数值模拟，脉冲发生器的尺寸如图5．20所示。钻井液的流量分别取15L／s和17．5L／s两种情况，钻井液密度为llOOkg／m3。共模拟了脉冲阀的16个位置的情况，各模型的h值见表5．3。通过分析，得出了脉冲产生过程中脉冲发生器内锍侔的压力变化及流场分和。表5．3各模型脉冲阀的位置序号I23456781i里型!i：ii：：i!：j!：i!!：i序号9101112131415161(尘唑!!：i!!：i垫i!!：i!!：i!!i!：15．6．2．1脉冲强度数值模拟结果分析如图5—21所示是当h=14．5mm，Qel7．5L／s时分析得到压力分如图。可以看出，脉冲阀以上的压力基本是相等的，脉冲阀下面从离开节流孔开始压力基本不变，且压力值很小。因此，脉冲阀在不同位置时，分析得到的其上部流体的压力即为压力脉冲的大小。分析结果还显示，由于液体的附壁效应和涡流作用，在脉冲阀的下边沿出现一个负压 第5章脉冲发生器的工作原理与结构设计层，在涡流中心出现负压区。图5—20分析模型的几何尺寸图5．21压力分布图图5．22所示是钻井液流量为15L／s时，数值模拟得到的压力脉冲结果与理论计算结果对比图。可以看出，数值分析与理论计算的脉冲形状是完全相似的，说明理论计算的方法是正确的。但数值模拟结果大于理论计算结果，特别是在脉冲的最大值处尤为明显。通过分析认为，造成理论计算结果偏小的原因主要是由于在理论计算时脉冲器节流孔处的局部损失计算不准确和公式推导过程中一些简化引起的。在流体计算中，一些结构的局部损失系数往往需要试验确定，本次计算是借用其它相似结构的试验值，对结果有一定的影响。对于脉冲的最大值相差很大，还有一个主要原因，那就是在理论计算时，从脉冲阀的最大直径处开始进入节流孔至完全退出节流孔的过程，认为脉冲阀与节流孔之I'日J的间隙不变，产生的压力大小也不变，没有考虑其它的影响。实际上，在这个过程中，虽然脉冲阀与节流孔之间的间隙不变，但在脉冲阀的最大直径处刚进入节流孔时，阻力较小。而脉冲阀的最大直径处完全进入节流孔时，相当于阻尼孔加长了，阻力必然增大，产生的压力会更高，数值模拟的结果真实地反映了这一现象。因此，数值分析方法可以得到更准确的结果。图5．23所示是钻井液流量分别为15L／s和17．5L／s时，数值模拟脉冲产生过程得到的 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究脉冲强度的变化。可以看出，流量为17．5L／s时的脉冲强度明显大于流量为15L／s的脉冲强度。而且在脉冲开始产生和快要结束时，脉冲强度幅值变化较小，而在脉冲产生的中间阶段，即在脉冲强度增至最大然后从最大开始减小时，脉冲强度的幅值变化较大。这与理论计算结果是一致的。罡邑q_剖憩定蕾言羔q一螂孽蹙藿脉冲阀位置h(rm)图5-22数值模拟与理论计算结果对比脉冲阀位置h(ram)图5—23不同流量时压力脉冲仿真结果 第5章脉冲发生器的工作原理与结构设计5．6．2．2钻井液对脉冲阀的作用力本章5．4．5节介绍了用流体动量定理求解脉冲阀受力的方法。如果己知脉冲阀各壁面的压力分布，就可以通过积分的方法求得脉冲阀所受的力。对脉冲阀来说，其壁面的压力分布用数学表达式表示比较困难，但用数值模拟的方法可以方便地求出沿壁面的压力分布，进而求得脉冲阀的受力情况。如图5—24所示是模拟得到的脉冲阀在不同位置时沿AB线、CD线、EF线(参见图5一19、的压力分布情况。可以看出，沿脉冲阀边壁的压力分布基本上是均匀分布，而且沿AB线的压力较沿CD线、EF线分布的压力大，且EF线和CD线的有些点压力为负值。蛊苫R出Z邑R取墨竞莲4710131619节点图5—24脉冲阀边沿的压力分布05101520253035脉冲阀位置h(mm)图5．25脉冲阀的受力 中国石油大学博士学位论文；机械式无线随钴测竽耳仪系统研究根据脉冲阀边壁的压力分布，可以方便地计算脉冲阀的受力。如图5—25所示是钻井液流量Q=17．5L／s时，脉冲阀在不同位冒时的受力情况。可以看出，脉冲阀在不同位霄时的受力情况与脉冲强度变化相似，即脉冲强度大的位置，脉冲阀的受力也大，这说明脉冲阀所受的力主要来自于脉冲阀上边的压力，下边的压力对脉冲阀产生的作用力不大。同时，还可以看出，在脉冲产生过程中，钻井液作用在脉冲阀上的力变化非常大，最大值约为最小值的30倍。根据5．3节介绍的液压阻尼器的特性，脉冲阀的运动速度随其受力的增大而加快，但在设计阻尼系统时，应尽量减小脉冲阀的受力对其运动速度的影响，这样才能保证在脉冲产生过程中，虽然脉冲阀的受力变化很大，但其运动速度却变化很小，进而保证脉冲发生器的性能。5．7往复节流型正脉冲发生器的设计5．7．1脉冲强度的确定在进行脉冲发生器设计时，首先要确定脉冲强度的大小，然后对结构进行优化设计。脉冲强度确定要综合考虑多个方面的因素，一方面，对钻井液脉冲技术束说，强度越大越好，强度越大，在地面接收到信号越明显，易于判断；而且，脉冲越强，脉冲器适用的井深越深，脉冲器的使用范围更大，但脉冲器的设计、加工困难，工作工况恶劣，影响其本身的寿命及可靠性。另一方面，对钻井工艺来讲，脉冲强度越大，对钻具及钻井设备的影响越大，严重时影响设备的寿命。如果脉冲强度小，对钻井工艺影响小，脉冲器本身设计、加工也相对容易，但对信息传输不利。由于脉冲强度在传输过程中存在衰减，强度太低会造成地面接收困难，且传输的距离短，脉冲器适用范围小。因此，脉冲强度的确定应以满足信号传输和钻并工艺两方面要求为原则。对现场广泛使用的无线随钻测量仪器，其最大脉冲强度设计为1．5MPa左右。为了能清楚地辨别出信号，对井深小于4500m的深井，在地面接收到的信号强度应大于0．5MPa，对井深大于4500md、于7000m的超深井，地面接收到的脉冲强度应大于0．2MPa。根据第2章提出的总体设i1方案，机械式无线随钻测斜仪的最大应用井深为7000m。这要求脉冲发生器产生的脉冲具有较大的强度，能够传输较远的距离，因此机械式无线随钻测斜仪的最大脉冲强度设计为2．O~2．5MPa。5．7．2脉冲频率的确定脉冲频率是压力脉冲的一个重要特性参数，它既影响信息的传输速度，又影响脉冲的衰减和地面信号的接收。从信息传输速度的角度束讲，频率越高，信息传输越快，对整个仪器系统来讲是有利的，发送相同量的信息，可以节省时间。而且，信息传输速度是无线随钻测量系统的一个重要性能指标。但从脉冲信号的衰减和地面信号接收的角度来讲，则是频率越低越好，因为频率低，信号衰减小，相同强度的脉冲信号可以传输更远的距离，且地面接收到的信号易于辨认和识别，仪器可以适用更深的井。因此，频90 第5章脉冲发生器的工作原理与结构设计率对信息传输速度和脉冲衰减的影响是～对矛盾，在确定脉冲频率时要综合考虑多方面的因素，根据仪器的主要用途适当确定频率的大小。常用的脉冲频率范围为0，02--0．2Hz，高于此频率范围，信号不易接收和识别，低于此频率范围，传输速度太慢，影响正常的钻井工艺。对机械式无线随钻测斜仪来说，综合考虑信息传输速度、脉冲衰减等因素，脉冲频率定为0．07-4)．2Hz。5．7．3往复节流型正脉冲发生器的结构设计及性能分析根据脉冲强度的确定方法及各种因素对脉冲强度的影响，经过对各种尺寸的结构进行对比分析和优化设计，最后确定脉冲发生器的结构尺寸满足以下关系比较合适，即d／D=O．65-4)．8，d=50-．65mm。经过优化设计的一种往复节流型正脉冲发生器的结构及尺寸如图5．26所示，其结构参数如下：d／D=-O．7，庐55mm，两节流孔之间的距离s=35mm，脉冲阀直径的&=53mm。此脉冲发生器的性能如图5．27-5．30所示。图5-26优化的脉冲发生器结构如图5．27所示是脉冲频率分另lf=o．08唧f=o．16Hz时，脉冲阀与节流孔之『日j的过流面积随时间的变化。可以看出，随着脉冲阀的移动，钻井液的过流面积先由大变小，然后再由小变大，即脉冲阀先关后开。脉冲频率(脉冲阀的关歼时间)取决于钻井液的排量与阻尼系统的阻尼性能。图5—28所示是流量互I=12。5L／s时，不周频率情况下产生的脉冲强度。可以看出，只要流量相同，脉冲发生器的几何尺寸确定，其产生的脉冲强度大小是一样的，不随脉冲频率的变化而变化。9l 中国石油大学博士学位论文．机械式无线随钻测斜仪系统研究0．00240002gO．0016聪0．0012陶蟋捌O．00080．0004021．5一￡邑型1嗳是垂05O0246810时间t(s)图5．27脉冲阀在运动过程中阀隙过流面积随时间的变化02时间t(s)122图5．28不同频率时的脉冲强度图5．29所示是脉冲频率不变，不同钻井液流量时的脉冲强度。可以看出，在其它条件都相同的情况下，钻井液直接影响脉冲强度的大小。在现场使用时，如果想得到较强的脉冲强度，可以通过适当提高钻井液流量的方法来实现。图5．30所示是流量乏宁15L／s，脉冲频萼戛产0．08Hz时产生的连续脉冲。 第5章脉冲发生器的工作原理与结构设计受羔倒穗殳董2．52I．5n5O246时间f(s)图5．29不同流量时的脉冲强度01520253035404550聍同，(s’图5．30连续脉冲信号经过计算分析可以确定，如图5．26所示的脉冲发生器的工作参数及性能参数如下：工作时钻井液的流量范围为12．5～17．5L／s，脉冲频率范围为0．08"0．15Hz，脉冲强度范围为1．8～3．5MPa。在仪器装配和现场使用时，可以根据实际情况，适当调整阻尼性能和钻井液的流量，以改变脉冲的性能，适应现场的需要。4535251S04"，如：¨●¨o宙山至v毯鳗跫鲞 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究5．8本章小结(1)脉冲发生器有3种类型，正脉冲发生器、负脉冲发生器和连续波脉冲发生器。机械式无线随钻测斜仪采用往复节流型正脉冲发生器，它具有结构简单，性能可靠等优点。(2)为了保证往复节流型正脉冲发生器的正常工作，提高其可靠性，设计了一种专用液压阻尼器，研究了阻尼器的结构设计计算方法及阻尼性能，分析了脉冲阀运动速度与阻尼力的关系。(31基于流体力学理论研究往复节流型正脉冲发生器脉冲强度的计算方法，推导出计算公式，对影响脉冲强度的各种因素进行分析。分析表明，脉冲强度与钻井液的流量的平方成正比，这一结论对脉冲发生器的设计和使用具有重要意义。r4)利用流体有限元方法对脉冲发生器的工作过程进行了数值模拟分析，得到了脉冲阀在不同位置时的脉冲强度与流场分布。以数值模拟数据为基础，分析了脉冲阀的受力。(51基于信息传输速度和脉冲衰减两方面考虑，确定了往复节流型脉冲发生器的脉冲强度和频率范围，并进行了结构优化设计，分析了脉冲发生器的性能。 第6章机械式无线随钻测斜仪研制及其应用第2～5章分别对机械式无线随钻测斜仪的设计方案及相关的钻井液脉冲理论、机械测斜与控制技术、脉冲产生机理以及各机构的结构设计及计算方法等进行了研究。根据总体设计方案，以各部分结构设计为基础，可以对仪器的整体结构进行设计，实现仪器的测斜、信息转换与控制、脉冲信号发生等功能，研制新型机械式无线随钻测斜仪。本章介绍机械式无线随钻测斜仪的研制及应用情况。6．1仪器整体结构设计机械式无线随钻测斜仪的功能是随钻测量井斜，主要包括三个方面的功能：井斜的测量、井斜信息的转换和产生脉冲信号。井斜测量通过摆锤．阶梯环测斜机构完成，井斜信息的转换通过编码控制机构实现，脉冲信号由脉冲发生器产生。为了实现井下仪器的三个功能，三个机构相辅相成，互相关联，加上阻尼装置、密封系统等辅助系统组成一个统一的整体。首先由测斜机构完成井斜的测量，然后通过测斜机构与编码控制机构之间的关联机构将井斜信息传递给编码控制机构，编码控制机构根据井斜信息控制脉冲发生器产生不同的脉冲信号，从而实现井斜的随钻测量。根据仪器的测量过程及各部分机构动作的先后顺序，总体结构如图6一l所示。主要由脉冲发生器、编码控制机构、测量机构、阻尼平衡装置、密封润滑系统等几部分组成，各部分之间彼此相连，协调工作。仪器的上部是脉冲发生器，由脉冲阀、脉冲杆和脉冲环组成。其功能是根据编码控制机构的控制产生不同的脉冲信号。由于脉冲发生器工作时以钻井液为动力，产生的脉冲信号需要在钻井液中传播，因此脉冲发生器的各部件在钻井液中工作。脉冲发生器的下面是编码控制机构，其上端与脉冲发生器的脉冲卡T相连，下端与测量机构的摆锤连接。其功能是在把脉冲发生器与测量机构联接起来，对测斜机构测得的井斜信息进行；；换、放大，用以控制脉冲发生器产生脉冲信号。测斜机构安装在编码控制机构的下面，用来测量井斜。测斜机构的摆锤与编码控制机构的控制轴相连，测得的井斜信息传递给编码控制机构。阻尼器和平衡装置在仪器的下部，其功能主要为仪器提供足够的阻尼，协助脉冲发生器工作，控制脉冲杆的运动速度，同时对仪器起缓冲、减震等作用，改善仪器的工作情况，提高可靠性。仪器测斜机构和编码控制机构都是精密的机械机构，是仪器的核心，安装在仪器的密封系统中。由仪器上壳体、角度调节套、连接套、下壳体、浮动活塞和各连接处的密封构成一个密闭腔体，并充满润滑油，构成仪器的密封润滑系统，为仪器的核心部件提供密闭、清洁的工作环境，并对仪器进行润滑。 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究脉冲发生器编码控制机构娑f罂1斟图6一I仪器结构总图|以”qJ针，瓣=： 第6章机械式无线随钻测斜仪研制爱其应用根据总体方案设计，为了增大仪器的测量范围，设计了多个测量范围，在结构设计时需要考虑角度范围的调节装置。仪器中部的角度调节套可以完成这一功能，它是一套螺纹副结构，与测量机构的阶梯环相连，通过转动角度调节套，可以调节阶梯环的位置，从而改变仪器的测量范围。6．2仪器密封与润滑对所有钻井井下仪器来说，密封和润滑是决定能否成功的关键因素之一。通过密封技术来屏蔽井下恶劣的工作环境，让仪器在一个清洁的环境中工作；通过润滑技术来改善井下仪器的工作条件，保证仪器各部件的正常工作和可靠性。对机械式无线随钻测斜仪来说，密封和润滑更为重要，因为其井下仪器为纯机械结构，各部件之间互相关联，相互运动。为它们提供清洁的工作环境和良好的润滑条件是井下仪器工作的前提和基础。6．2．1密封系统的设计6．2．1．1密封系统的作用对石油钻并来说，井下环境恶劣，压力和温度随并深发生变化，钻并液中含有岩屑、砂子等固相和其它化学药品，对仪器的工作不利。井下仪器密封系统的作用则是为井下仪器各部件提供一个清洁的环境，保证仪器的正常工作，而且通过密封系统为井下仪器提供一个恒压环境，使得仪器工作不受环境压力变化的影响。6．2．1．2井下仪器对密封系统的要求由于井下仪器的工作环境异常恶劣，对密封系统提出了更高的要求。总体来说，对井下仪器密封系统的要求有以下几点：第一，密封性能好，且具有自动补偿功能。密封系统必须具有良好的密封性能，且对微小的泄漏，系统可以自动补偿，且要求只允许润滑油向外泄漏，不允许外界的污物进入仪器内部。所以，密封系统要设计成内部压力高外部压力低的系统。第二，密封系统抗高温性能好。因为井下仪器随钻在井下工作，井下的温度随井深的增加而升高，对一些深井，温度可达260℃，所以要求仪器的密封系统具有耐高温性能，在高温环境下密封不会失效。第三，密封系统内外压力不随井下压力的变化而变化。随着井深的增加，井下压力升高，如果密封系统内外压力随环境压力变化，不仅增大密封的难度，更重要的是影响仪器的正常工作。所以要求密封系统内外压力不随井下压力变化而变化。第四，密封系统能适应井下恶劣的环境。井下环境不仅温度高、压力高，而且仪器一直在高速流动的钻井液中工作，钻井液含有多种固相和化学药品，在选择密封件材料时应考虑环境介质可能对密封系统造成冲刷和腐蚀等影响。第五，密封系统可靠性高、寿命长，满足长期连续工作的需要。井下仪器在井下 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究长期连续工作，密封系统是否正常，在地面无法知道，不易判断，因此要求密封系统具有较高的可靠性和较长的寿命。6．2．1．3密封系统设计根据井下仪器对密封系统的要求及井下仪器的工作需要和结构特点，井下仪器的密封系统如图6．2所示。由堵头、脉冲柯、调节套、连接套、上壳体、下壳体、浮动活塞和密封件组成一个封闭的系统，仪器的i贝4量机构、编码控制机构等安装在这个封闭系统中，内部充满润滑油。1．防尘同：2．X形密封：3．0形密封：4．堵头；5，脉冲杆：6．0形密封：7．调15套8．o形密封；9．连接套；lO．O形密封：I1．上壳体：12．浮动活塞；13．x形密封；14．恢复弹簧：15．下壳体；16．下堵头图6．2井下仪器密封系统 第6童机械式无线随钴测斜仪研制及其应用根据仪器的工作原理和工作需要，脉冲杆作往复运动，从而带动浮动活塞也随着作往复运动，调节套与上壳体和连接套之间可以相对转动。整个系统有7处密封，其中2、13两处是往复运动密封，6、8N处为旋转密封，3、10两处为静密封，1是防尘密封。设外界的环境压力为Pl，密封腔内的压力为您，脉冲秆的截面积为AI，浮动活塞的截面积为A2，脉冲杆受钻井液的冲击力一，恢复弹簧作用在浮动活塞上的力为尼，脉冲杆处密封摩擦力为凡，浮动活塞处的摩擦力为如，当脉冲杆在一的作用下匀速向下运动或静止时，脉冲杆和浮动活塞的力平衡方程为：B爿l=e,A1+只一■I(6一11县A2=B彳2+E+‘2易、如可由式(6—3)、式(64)求得降79]：乃。22砺dLtP。l一2=2nf2DL2p。I弹簧力F2由下式求得：E=k(xo+X)将式(6—3)、(6．4)、(6—5)代入式(6．1)、(6-2)稠t：最一只=等戮逝B一鼻=盟芝骅式中，^、五为脉冲杆和浮动活塞处的摩擦系数；上l、L2为脉冲杆和浮动活塞处密封的接触宽度；P。。I、仇lIl2为脉冲卡丁和浮动活塞处密封的接触压力；d、D为脉冲杆和浮动活塞的直径：t为恢复弹簧刚度；X0为恢复弹簧的预压缩量：。为活塞运动的距离。由式(6．6)、(6．7)可以看出，P2始终大于Pl，即密封腔内的压力始终大于外界压力，这样即使密封系统发生微小泄漏，只能是内部的润滑油向外泄漏，外界的污物不会进入仪器内部；而且由于恢复弹簧有一定的预压缩量，即使密封系统发生微小泄漏，恢复弹簧会将泄漏的体积自动补偿，不会影响仪器的工作。更重要的是，由式(6．7)可以看出，密封腔内的压力巳随外界压力P1变化而变化，但内外压力之差局一尸l基本不变，也就是说，当井下仪器在不同的压力环境c；；1f#时，其内外压力之差基本不变，使得仪器可以在高压环境下工作，适用于深井、高压井，同时对密封件的要求也降低了。另外，当仪器的脉冲杆从上向下运动过程中，由于浮动活塞的移动导致恢复弹簧被进一步压缩，在脉冲杆上下运动过程中，内外压差有些变化，变化大小与恢复弹簧的刚度和活塞的行程动∞却$回D∽睁恤他恤睁 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究有关。根据以上分析可知，此密封系统是一个自动补偿恒压差密封系统。6．2．2仪器的润滑技术6．2．2．1润滑的作用及要求井下仪器为纯机械机构，大部分是精密零件，且有很多运动部件，在运动过程中不可避免地产生摩擦。为了减少各零部件之间的摩擦，减少磨损，保证仪器的正常工作，延长仪器的寿命，需要对井下仪器密封系统内的部件进行润滑。仪器的润滑和密封系统不仅为仪器提供清洁的工作环境和必要的润滑，同时还是一个液压系统，辅助完成仪器的功能，如阻尼、减震等。井下仪器工作在高温高压的环境中，润滑油在一个密封的系统内，要求润滑油中不能含有空气，润滑油的热稳定性要好，压缩性能低，以防止润滑油因压力、温度变化而发生体积变化，从而影响整个密封系统。6．2．2．2润滑方式及润滑油的选择井下仪器的工作空间狭小，工作环境恶劣，井下没有动力，而且仪器的润滑系统同时也是一个液压系统，这些特点决定了井下仪器的润滑方式只能采用油池润滑方式，但又与油池润滑有不同之处，比油池润滑要求要高。由于仪器在井下高温高压环境下工作，润滑油在仪器中起着非常重要的作用，选择合适的润滑油对仪器来说非常重要。对润滑油的性能有以下要求：(1)具有很好的高温稳定性。仪器的工作温度最高可达260"0，要求润滑油在高温性能不变。(2)具有很好的粘温特性，即粘度稳定，受温度变化影响小。井下仪器的润滑油同时还充当液压油，如果粘度随温度变化大，将影响仪器阻尼系统的阻尼性能，进而影响仪器的工作性能。(3)闪点高。保证仪器在井下工作安全，不发生爆炸。(4)低压缩性和低热膨胀性。为了避免高温、高压引起润滑油体积发生较大变化。基于以上要求，可选择硅油作为润滑油。硅油适用温度范围大，低温可达．60℃，高温可达300℃，闪点在300℃以上：粘度范围大，且粘度随温度的变化小，具有很好的阻尼和减震性能【s⋯。因此，硅油的各项性能可以满足仪器润滑的要求。6．3仪器工作状态分析机械式无线随钻测斜仪在现场使用时，需要安装在一个专用的钻铤短节中，如图6．3所示。钻铤短节作为底部钻具组合的一部分接在近钻头位置，从而可以随钻测量井底的井斜。在正常钻井过程中，钻井泵开启以后，高速钻井液将通过钻铤内孔进入仪器的脉冲环，脉冲阀在钻井液的作用下将推动脉冲杆向下移动，直到脉冲阀靠紧堵头，如图6．100 第6章机械式无线随钻测斜仪研制殛其应用3a所示。只要钻井泵不停止，仪器将～直处于这种状态。1．钻铤；2．仪器；3．钻头图6．3仪器工作状态当需要测量井斜时，首先将钻井泵关闭。钻井泵关闭后，钻井液停止流动，仪器的脉冲阀失去钻井液的作用，仪器内部弹簧将推动脉冲打与脉冲阀一起向上移动。与此同时，仪器的测量机构开始测量井斜，编码控制机构根据测得的井斜信息控制脉冲柯的移动距离。最终，脉冲杆根据井斜的不同停在某一位置，如图6．3b，测量过程结束。当10l 中国石油大学博士学位论文：枧械式无线随钻测斜仪系统研究再次启动钻井泵时，钻井液将推动脉冲杆向下移动。移动过程中，脉冲阀将经过脉冲环的节流孔，钻井液通道将由大变小，再由小变大，从而引起钻井液压力由小变大，再由大变小，产生压力脉冲。这样，脉冲阀每经过一个节流孔，就会产生一个压力脉冲，直到脉冲阀靠紧堵头。停泵后，脉冲杆上移的高度不同，再开泵时产生的脉冲信号数量不同。产生的脉冲经钻井液传至地面，地面立管传感器检测到脉冲，根据脉冲数量即可确定井斜大小，至此信号发送过程结束，整个测斜过程也随之结束。这时仪器又回到了正常钻井时的状态，可以继续钻进。从测量过程可以看出，整个过程操作简单，时间短，只需3～5分钟。6．4主要技术参数机械式无线随钻测斜仪技术参数如下：(1)测量精度(增量)：O．5。和1．o。(2)井斜测量范围：精度为o．5。时，0～lO。：精度为1．o。时，0～17。(3)最高工作温度：260℃(4)最大适用井深：7000m(5)单次测量对|、日j：3～5min(6)仪器外径：89ram和120mm(7)仪器长度：1500mm(8)钻铤短节系列：43／4”、61／4”、7”、8”、9”(9)钻铤短节长度：2650mm6．5结构特点与优点机械式无线随钻测斜仪具有自己的特点，在测量原理及结构上不同于其它电子测斜仪器与国外现有机械式测斜仪器。与电子测斜仪器相比，机械式无线随钻测斜仪采用机械测斜技术，且为纯机械结构。脉冲发生器采用结构简单正脉冲发生器，性能可靠。与国外现有机械式测斜仪器相比，本仪器采用编码控制机构实现井斜信息的转换，不同于国外相同类型的仪器。本身固有的结构特点使得机械式无线醑钻测斜仪具有以下t芝点：(1)操作简单，使用方便。使用时只需将井下仪器放在近钻头的钻铤短节中，测量时只需停泵和开泵一次即可，井斜结果立刻知道，操作非常方便。(2)测量时间短，可在任意井深时测量井斜。测量一次井斜仅需要3—5分钟，且可以在接单根时进行。使用该仪器可以在任何时候、任何井深测量井斜，而不需担心卡钻的风险。(3)具有耐高温，抗高压性能，对钻井液性能具有较强的适应性。机械式无线随钻测斜仪的最高工作温度可达260℃，工作压力无限制，最大工作井深可达7000m，完全可以满足目前深井和高温高压井测斜的需要。 第6章机械式无线随钻预Ⅱ斜仪研制及其应用(4)可实现随钻测量，实时监测井斜。机械式无线随钻测斜仪直接安装在钻具上，实现对井斜的随钻监测，从而根据井斜变化趋势及时调整钻井参数，保证井身质量，同时提高钻井速度。6．6室内试验为检验机械式无线随钻测斜仪的各项性能指标，对样机进行了室内试验。试验内容包括：仪器的准确性试验、阻尼性能试验、耐高温性能、可靠性及寿命试验等。6．6．1试验情况为了进行室内试验，设计了一台仪器试验架，如图6—4所示。试验架主要包括工作模拟架、压缩机、数显倾角仪、秒表、电加热炉、控制阀、单向节流阀和气管线等。工作模拟架主要由支架、摆架、摆架固定杆、气缸等设备组成，其作用是模拟仪器的工作情况，图6—5所示是模拟架的实物照片。压缩机为工作模拟架的气缸提供气源，控制阀用来控制工作模拟架气缸的工作状态，单向节流阀用来调节气缸的运动速度。电加热炉为仪器提供高温环境，以模拟井下的高温环境。该试验架能够模拟仪器的工作状态，对仪器的各种性能进行试验。I．摆架支撑轴；2．气缸；3．支架；4．摆架：5．摆架I可定杆；6．仪器：7．调节螺栓；8．节流阀；9．控制阀：lO．压缩机图6-4试验架103 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究图6．5试验架照片试验前，先用调节螺栓将支架调节好，让摆架处于垂直状态。试验时，将仪器放在摆架上，摆架可以绕支架上部的支撑轴转动，从而可以使仪器转动一定的角度，形成一定的倾斜，模拟仪器倾斜的状态，仪器倾斜角度的大小，用数显倾角仪测量。气缸用来模拟钻井液对仪器的冲击力，推动仪器的脉冲轴下移，与仪器在井下工作时状念一样。当仪器的脉冲阀移动至最下端后，用控制阀改变气缸的进气方向，脉冲阀开始向上移动，并根据倾角大小停在一定的位置，根据脉冲阀的位置可以判断仪器测得的倾角大小。在进行准确性试验时，只需将仪器测得斜度与数显倾角仪的测量结果进行对比，如果二者一致，则说明仪器的测量结果是准确的。仪器的阻尼性能最直观的表现是脉冲轴的下降速度。试验时，调整压缩机的压力，在不同压力下，测量脉冲轴下降的时11日J即可。如果在一定的压力范围内，脉冲轴的下降速度在设计的速度范围之内，说明仪器的阻尼性能达到了要求。为试验仪器的抗高温性能，将仪器放迸电加热炉中，分别加热到不同的温度，按仪器准确性试验方法进行试验，同时观察仪器在高温下的密封性能。如果在不同的温度下，仪器的准确性不受影响，阻尼性能变化不大、密封性能仍能满足仪器正常工作的需要，且寿命能够达到设计寿命，说明仪器具有良好的抗高温性能。对精度为0，5。和1．0。的两种仪器的所有有效测量范围的准确性进行了试验。试验结果分别见表6．1和表6—2。表中摆架倾角是工作模拟架调节的角度，即用数显倾角仪测量得到的实际倾斜角，测量角度是仪器测量的角度值。由表6一l和表6—2可以看出，精度 兰!兰垫垫壅至丝堕竺型型堡竺型墨墨垦旦为O．5。和1．0。的两种仪器在各有效测量范围内，其测量结果与摆架的实际倾角是吻合的，说明仪器的测量结果是准确的，达到了设计要求。表6．1精度为0．5。仪器准确性试验结果角度范围试验对比值摆架倾角(o)0．450．971．512．052．483．063．52⋯。测量角度(。)0．5l1．522．53>3摆架倾角(。)0．981．451．992．5l3．13．494．03⋯。测量角度(。)11．522．533．5>3，5摆架倾角(o)1．512．102．483．083．533．994．54⋯。测量角度(。)1．522．533．54>4摆架倾角(。)2．122．522983．5l4．054．565．06⋯。测量角度(o)22．533．544．5>4．5摆架倾角(o)2．473．093．464．134．425．055．55⋯。测量角度(o)2．533．544．55>5摆架倾角(。)2．993．454．064．495．035．476．03⋯。测量角度(o)33．544．555．5>5．5摆架倾角(o)3．484．034．474．995．565．986．54⋯。测晕角度(o)3．544．555．56>6拦架倾角(。)4，044．524．965．475．996．487．034。·6·5。测量角度(。)44．555．566．5>6．5摆架倾角(。)4．555．0l5．476．046．547．017．57⋯’测草角度(o)4．555．566．57>7摆架倾角(。)5．025．486．026．487．047．498．02⋯。测荤角度(o)55．566．577．5>7．5摆架倾角(。)5．476．OI6．497．027，568．048．53～。测晕角度(o)5．566．577．58>8拦架倾角(。)5．986．537．047．467．988．469026。-8·5。测晕角度(o)66．577．585>8．5摆架倾角(。)6．497．Ol7．477．978．539．049．59～。测量角度(o)6．577．588．59>9．5摆架倾角(。)6．987．548．058．489．039．5l10．02’～测量角度(o)77．588．599．5>9．5捏架倾角(。)7．477．898．479．039．489．67IO．56：!!型里鱼鏖(：21：i!!：!—旦一!：!!!三!1105 ±里互鎏查兰堡主兰竺笙茎：垫篓茎垂丝堕笪型型坚墨篓竺茎表6．2精度为1．00仪器准确性试验结果角度范围试验对比值——摆架倾角(。)0．991．983．044．035．025．967．05测量角度(。)123456>7摆架倾角(。)2．OI3．043．974．966．036．97806。。测晕角度(。)234567>8摆架倾角(。12．983．975．045．997．038．04906。。测量角度(。)345678>9摆架倾角(。)3．984996．027．047．959．0210．0’～测量角度(。)456789>10摆架倾角(。)5．006．027．047．999．0510．011．03。～测量角度(。)5678910>11摆架倾角(。)6．027．037．989．04IO．0411．0212．I⋯测量角度(o)67891011>12摆架倾角(。)6．998．008．9910．OI10．9811．971305’～测量角度(。)78910ll12>13摆架倾角(。)8．049．0210，Ol10．9911．9913．051405。～测量角度(。)8910111213>14摆架倾角(。)8．9910．031I．02I1．9713．0l14．0415．07⋯。测量角度(o)91011121314>15摆架倾角(。)10．01I1．0012．0212，9713．9914．9716．01100-160测量角度(。)10II12131415>16摆架倾角(o)11．0l12．0312．9913．9714．9816021704—二二二一型量鱼鏖(：211：!：!!!i!!：!!在气缸压力分别为0．6、0．7、O．8MPa的情况下，仪器脉冲轴的下降速度(阻尼性能)如表6．3所示。由表中结果可以看出，不同压力情况下，脉冲轴的下降速度不同，下降速度随气缸压力的增大而增大，这与理论计算结果是一致的。但不同压力下的下降速度变化不大，这说明仪器的阻尼性能比较稳定，有利于仪器整体性能的稳定。表6．3不同压力下的脉冲轴下降速度气压(MPa)壁壁塑盟!望堕塑f生123456平均值0．686878588868786．5078380828l828181．5Q：!Z垒!!Z!!垒!!!垒Z垒：1106 第6章机械式无线随钻测斜仪研制及其应用对不同温度下仪器的准确性、阻尼性能、密封性能等进行了试验，准确性试验结果见表6-4。可以看出，在90℃、120"12、150℃、210℃四种温度条件下，仪器的准确性没有受到影响，其测量结果都是准确的。阻尼性能试验结果见表6—5，阻尼试验结果表明，温度对仪器的阻尼效果影响很小，说明润滑油具有较好的温度稳定性，能够满足高温工作的要求。另外，在高温试验过程中，没有发现密封泄露情况，说明仪器的密封系统达到了耐高温的要求。表6．4不同温度下，仪器的准确性试验结果温度(℃)角度范围试验对比值(。)摆架倾角(o)0．480．991．54I．982．553．043，5390Or5。．30测量角度(。)0．5l1．522．53>3摆架倾角(o)0．52I．091．492．Ol2．542．983，55120O·5。·3。测量角度(。)0．5l1,522．523>3摆架倾角(o)0．490．97I．521．982．483．023．49150O·5。-3。测量角度(。)0．5l1．522．53>3摆架倾角【。)O．54O．981,512，042493．033．5l210O·5q。测量角度(o)O．51I．522．53>3表6—5压力为0．8MPa时，不同温度下的阻尼效果黼℃1__了学幽5塑6L矿l234平均值6．6．2试验结论(1)仪器的准确性达到了设计的要求，各有效测量范围符合设计确定的井斜与脉冲数量的对应关系。而且，温度对仪器的准确性没有影响。(2)仪器的阻尼系统达到了设计要求，阻尼性能良好，不同压力情况下脉冲轴的下降速度变化很小，下降时间在85秒左右，符合设计要求的70～120秒。(3)高温下仪器的阻尼性能变化不大，说明润滑油的温度稳定性好，能够满足高温环境的要求。“)常温和高温试验过程中没有发生泄露现象，说明仪器的密封系统性能良好，且密封件具有很好的抗高温性能。(5)室内试验表明，仪器的各项性能完全达到了设计要求。 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究6．7现场试验为全面检验机械式无线随钻测斜仪的各项性能及其现场适用性，特别是检验仪器的脉冲发生器的性能、信号传输性能，在对仪器进行室内试验的基础上，进行了现场试验。6．7．1试验过程2004年7月20日至10月7日，研制的机械式无线随钻测斜仪在黄河钻井三公司45700钻井队和黄河钻井四公司45701钻井队试验，共试验了四口井，具体情况见表6—6。表6．6现场试验情况表在试验的4口井中，有2口井仪器出现故障，2121井仪器工作正常。发生故障的两个仪器，一个在井下工作6小时，另一个在井下工作400多小时。仪器取出后，对产生故障的原因进行了分析，发现仪器出现故障不是设计方面的原因，而是由于仪器内的弹性挡圈质量问题引起的。由于挡圈的质量差，在装配的过程中，导致挡圈产生塑性变形，引起挡圈尺寸变小，导致在仪器使用过程挡圈滑脱，仪器出现故障。通过试验，发现仪器的抗冲刷能力差，仪器与泥浆接触的部件锈蚀严重。仪器从井下取出后发现，使用时间短的仪器，外壳冲刷磨损非常少，而使用时间长的仪器，外壳冲刷磨损严重。分析认为这主要因为仪器的外壳在加工时，为了提高其抗冲刷能力，其表面做了硬化处理，但处理深度不够，只要硬化层存在，仪器的抗冲刷能力就明显增强，一旦硬化层被磨损掉，冲刷就非常严重。仪器现场试验的测量结果与电子单点测量结果对比情况见表6—7。可以看出，测量结果与电子单点结果吻合较好，最大误差o．340，在仪器的误差范围之内，说明仪器的精度达到了设计要求，测量结果准确。 第6章机械式无线随钻测斜仪研制及其应用表6．7测量结果对比如图6—6所示是现场试验时在地面接收到的脉冲信号。可以看出，最大脉冲强度为1．5~2．0MPa，在设计的范围之内。另外，脉冲信号的形状与理论分析结果有所不同，主要原因是在理论分析时认为脉冲阀的运动是匀速运动，实际上脉冲发生器在工作时，脉冲阀的受力是变化的，其运动速度也会发生变化，从而导致脉冲形状的变化。尽管脉冲形状与理论计算相比有些不同，但脉冲非常清楚，很容易分辨，完全可以满足现场数据读取的需要。(a)(b)图6-6地面接收到的压力脉冲信号针对现场试验中出现的问题，分别采取了改进措施。对挡圈进行重新设计，不按照常规设计，增加挡圈的安全系数，并重新选择了弹性好的挡圈，从而解决挡圈滑脱问题。针对仪器外壳冲刷严重和锈蚀问题，选择了一种高强度的不锈钢，硬度可达HRC40以上，且具有良好的抗腐蚀性能。改进后的仪器在黄河钻井三公司45700钻井队施工的史3．1．2l井和渤海钻井一公司70420钻井队施工的进行试验，具体试验情况见表6．8。共对3套仪器进行了试验，在史3-1—2l井试验1套仪器，在孤北古100井试验2套仪器。仪器共在井下工作800多小时，一切正常，没有出现任何问题。同时仪器的抗冲刷性能大大提高，仪器的腐蚀问题也得到了解决。 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究表6．8改进后的现场试验情况将试验测量井斜结果与井队用电子单点测斜仪的测斜结果进行了对比，对比结果见表6．9。可以看出，最大偏差0．320，在仪器的误差范围之内，两种仪器测量结果非常吻合。说明仪器的精度达到了设计要求，测量结果准确可靠。表O一■诫目Ⅲ珀朱J0CC6．7．2试验结论通过6121井的现场试验，可得出以下结论：(1)仪器的各项性能达到设计要求，测量结果准确、稳定，仪器能够适应井下的环境条件；(2)仪器具有操作使用简单、方便，测量时|．日J短，适应性强等优点，克服了目前其 第6章机械式无线随钻测斜仪研制及其应用它相同功能的仪器存在的不足，适合现场使用；(3)仪器具有较长的寿命，能够满足现场随钻测斜的需要6．8推广应用情况现场试验成功标志着机械式无线随钻测斜仪的研制获得成功。2005年t2月19只研制的机械式无线随钻测斜仪通过了中国石化集团公司科技开发部组织的鉴定，鉴定委员会认为：“该仪器具有操作简单、使用方便、测量时间短、适应性强、性能可靠、可随钻测量等优点；该测斜仪的设计与制造技术填补了国内空白，研究成果整体达到国际先进水平，其中的机械编码控制与行程放大技术达国际领先水平。建议在深井、高温井进一步推广应用”。机械式无线随钻测斜仪已在中国石化集团胜利油田、南方勘探公司、西北分公司、西南分公司和中国石油集团塔里木油田的40口井上应用，特别是在中国新疆和川东北地区的一些高难度重点探井中得到了应用，包括胜利油田的胜科1井、渤古602并，中石化西北分公司的塔深1井、秋南1井、大古l井，中石化西南分公司龙深1井，中石化南方勘探开发公司的黑池1井、马l井、大湾l井、老君l井，中石油塔里木分公司的阿北1井等，取得了良好的应用效果，创造了国内高温、高压及深井随钻测斜记录。瞻科1井是肚利油田的一口重古探井，也是中国东部油田最深的一口井，设计井深7000m。该井地层结构复杂，地温梯度高，深井段测斜是面临的一个技术难点。该并从二丌(井深300m)开始一直使用机械式无线随钻测斜仪，随钻测量井斜。目前井深5500m。井下温度超过185‘C，钻井液密度1．8kg／cm3．左右，仪器正常使用。塔深l井是中国石化西北分公司为实现“塔河之下找塔河”战略目标而布置的一口重点探井，也是中国及亚洲第一深井，设计井深8000m。控制井斜、提高井身质量是此井施工的关键。在其它测斜仪器无法使用的情况下，从井深4800m时丌始使用机械式无线随钻测斜仪，随钻监测井斜，应用井深达7264m，井底温度大于150℃。该仪器的使用，解决了塔深l井测斜的难题，为塔深l井深井段顺利钻进作出了贡献。如图6．7所示是塔深1井5400--,6200m井段井斜测量结果与电测结果对比曲线。可以看出，二者吻合较好。p菇鞍5430548055305580563056805730578058305880593059806030608061306180井深(m)图6-7塔深l井5400,．-6200m并段井斜曲线 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究图6-8塔深1井并场黑池l井是中国石化南方勘探开发公司在川东北通南巴构造带黑池梁断背斜高点部署的一口重点预探井，设计井深5540m。该井地下情况复杂，易塌、易漏、易喷，施工难度大。为了预防井斜和提高钻井速度，从二开开始该井使用斯伦贝谢的PowerV自动垂直钻井系统和机械式无线随钻测斜仪，两工具一起配合使用。PowerV工具在井下自动防斜、纠斜，机械式无线随钻钡《斜仪用束随钴测量井斜和监钡：JPowerV系统的工作。在使用过程中。PowerV工具曾几次在井下出现故障，机械式无线随钻测斜仪及时监测到井斜增大，井队马上起钻，避免了井斜的继续增大，保证了井身的整体质量，使得钻进的井段(470-1970m)井斜整体控制在1．5。以内，且大大提高了钻井速度【8”。图6—9是测量得到的井斜曲线，其中的散点是电子单点测量结果。21．5o碡I采0504506007509001050i!(Joi350150016501800195021002250升耀(m)图6-9黑池1并450-2300m井段测斜结果对比112 第6章机械式无线随钻最4斜仪研制爱其应用图6一10黑池I井井场渤古602井是胜利油田一口重点探井，设计井深5400m。当钻至3800m时，由于井底温度高，电子测斜仪无法使用，连续损坏两套仪器。这时开始使用机械式无线随钻测柑仅，一直憷盾至q，qum三丌完钻。由亍陔仪器的使用，克服了囚并底温度高其岜汶器不能测斜的问题。图6．1l所示是渤古602井电测结果与机械式无线随钻测斜仪测量结果的对比曲线。可以看出，测量结果与电测结果非常吻合。井深(m)图6一ll渤古602井4150--4950m井段井斜曲线6．9本章小结(1)对机械式无线随钻测斜仪的整体结构进行设计，主要由脉冲发生器、编码控制机构、测量机构、阻尼器、密封润滑系统等几部分组成，分析了各部分的相互关系、作用及仪器的工作状态，介绍了井下仪器的主要技术参数和结构特点。(2)仪器的密封及润滑系统为仪器提供的清洁工作环境和必要的工作条件。基于浮 中国石油大学博士学位论文：机械式无线隧钻测斜仪系统研究动密封原理，设计了一种恒压差自动补偿密封系统，该系统可以保证仪器内部压力高于外部压力，内外压差恒定，不随外界环境改变，且能够自动补偿泄露。选用耐高温、稳定性好的硅油作为润滑油，不仅可以对仪器润滑，还可起到阻尼作用，有利于仪器工作性能的稳定。(3)室内和现场试验结果表明，仪器的各项性能指标达到了设计要求，标志着研制的仪器获得成功，同时说明本课题研究得出的理论成果是正确的。(4)截止目前，仪器已在40口并上应用，创造了国内高温、高压和深井随钻测斜的纪录，取得了显著的经济和社会效益。114 第7章结论与展望7．1研究结论测斜技术广泛应用于石油钻井工程，用以测量油气井的井身偏离垂直线的大小。目前现有的测斜技术主要是以电子技术为基础的电子测斜技术，但电子测斜技术在现场应用时受到很多因素的限制，存在一定的不足之处，无法完全满足石油钻井工程上井斜测量的需要。针对电子测斜技术存在的不足和石油钻井工程上特殊复杂井测斜的需要，通过改变常规的电子测斜技术思路，在对国内外测斜技术充分调研的基础上，系统深入地研究了机械测斜技术的相关理论及仪器的结构设计方法，提出了一种新的机械式无线随钻测斜技术方案，对机械测斜原理、井斜信息转换与控制技术、钻井液脉冲的产生机理、脉冲信息的瞬态传输特性和脉冲发生器的工作原理等进行了深入的研究，给出了机械测斜机构、机械编码控制与放大机构、往复节流型脉冲发生器等关键部件的结构设计与计算方法，并最终研制成功机械式无线随钻测斜仪。通过研究，取得了一些具有理论和实用价值的成果，归纳如下：(1)改变传统的电子测斜技术思路，开展机械式无线随钻测斜技术的研究，提出机械式无线随钻测斜仪的总体设计方案。无线随钻测斜技术涉及井下测量技术、信息传输技术和地面信息接收技术。机械式无线随钻测斜技术的井斜测量采用机械测斜技术、信息传输采用钻井液脉冲技术。井下测量仪器测得的井斜以钻井液脉冲的形式传输到地面，地面根据接收到的信号确定井斜大小，从而实现随钻测斜。该方案的最大特点是井下仪器为纯机械机构，没有电子元器件：工作时仅以钻井液为动力，不需要电源等额外动力。(2)对钻井液脉冲信息传输理论进行了深入地研究。以弹性理论为基础．推导出钻井液脉冲的传输速度公式，分析了影响脉冲传输速度的因素；建立了钻井液脉冲传输的瞬变分析模型，得出了脉冲传输的基本方程，用特征线法和有限差分法求得了脉冲传输方程的解。为了将脉冲传输瞬变分析理论用于实际的钻井液循环系统，对带有脉冲器的钻井液循环系统进行了简化，确定了钻井泵出口、空气包、不同管路串联、脉冲阀、钻头等各处的边界条件，研究应用特征线法和有限差分法对钻井液循环系统模型进行数值求解的方法，用C++语言编制了相关的计算机程序。对钻井液脉冲衰减规律进行了分析，分析结果表明，钻井液的特性及脉冲频率等影响脉冲的衰减，其中钻井液的粘度和脉冲频率影响比较严重。研究得到的结论对指导脉冲发生器的设计及现场使用具有重要的指导意义。(3)对井斜测量与信息转换控制技术、测斜机构和编码控制机构的设计计算方法进行研究。机械测斜技术基于重力原理，采用摆锤．阶梯环测斜结构测量井斜，建立起测 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究斜机构数学分析模型，提出机械测斜结构关键参数的确定原则与设计计算方法，指出机械测斜的精度应在0．2。～1．0。之间，并进行结构仿真设计。研究用机械方式实现信息转换的方法，研制一种机械编码控制与行程放大机构，建立起该机构的运动学分析模型，给出其结构设计计算方法，并进行仿真分析。对测量和控制机构进行组合设计与仿真分析结果表明，通过测斜和控制机构的组合设计与协调工作，可以实现井斜的测量与井斜信息的转换。(4)脉冲发生器是钻井液脉冲的发生装置，在分析脉冲的产生机理及脉冲发生器的类型及工作原理的基础上，设计了一种结构简单的往复节流型正脉冲发生器。该脉冲发生器为纯机械结构，不需要额外的动力。液压阻尼系统辅助脉冲发生器工作，研究了阻尼系统的结构及其设计计算方法，分析了各因素对阻尼性能的影响及脉冲阀运动速度与阻尼力的关系。分析表明，钻井液排量是影响脉冲发生器工作性能的一个重要参数。脉冲强度和脉冲频率是钻井液脉冲的两个重要性能指标。基于流体力学理论研究了往复节流型正脉冲发生器脉冲强度的计算方法，推导出计算公式，对影响脉冲强度的各种因素进行了分析。研究表明，脉冲强度与钻井液的流量的平方成正比，这一结论对脉冲发生器的设计和使用十分关键。对脉冲发生器的工作过程进行了数值仿真，分析了脉冲产生过程中脉冲强度的变化及脉冲阀的受力情况，并与理论计算结果进行了对比。结果表明，数值模拟得到的结果较准确，比较符合实际情况。基于信息传输速度和脉冲衰减两方面考虑，确定了往复节流型脉冲发生器的脉冲强度和频率的取值范围，对脉冲发生器的设计具有非常重要的指导作用。在理论分析的基础上对往复节流型脉冲发生器的结构进行了优化设计，分析了脉冲发生器的性能。(5)在以上研究的基础上，开展了井下机械式无线随钻测斜仪的研制工作。对机械式无线随钻测斜仪的整体结构进行设计。为了保证仪器在井下恶劣环境中正常工作，设计了基于浮动密封原理的恒压差自动补偿密封系统，该系统内部压力始终大于外部压力，且内外压差基本保持恒定，不随井下环境压力的改变而变化。对研制的仪器进行了室内试验和现场试验，结果表明，仪器各项性能指标已达到设计的要求，标志着仪器研制获得成功。目前，研制的仪器己在国内钻井工程应用，取得了良好的应用效果，克服了现有测斜仪器的不足，解决了高温、高压井随钻测斜的难题，创造了国内高温高压测斜、深井测斜的记录，最高温度达190℃，最高压力140MPa，最大井深7264m。截至目前，研制的仪器已在包括塔深l井在内40口井上推广应用，加工生产仪器50套，创造了显著的经济和社会效益。7．2展望对机械测斜技术的研究在国内才刚刚起步，尽管通过本次研究，取得了一定的研究成果，研制成功了机械式无线随钻测斜仪，为开展这一领域的研究打下了孥实的基础，但将来需要研究的问题还很多，研究的重点应集中在以下几个方面：(1)深化机械测斜原理方面的研究，重点对机械测斜的其它实现形式与方法进行探116 第7章结论与展望讨。(2)提高机械测斜技术的测量精度。考虑仪器加工工艺及仪器工作可靠性，本文提出的机械测斜结构，精度最高只能为O．2。，这种精度在一定程度上可以满足现场的需要，但对于一些要求严格的井，精度偏低。以后应从两个方面开展提高机械测斜测量精度的研究，一是研究其它的测斜结构，采用不同的测斜方式，提高精度：二是在本方案的基础上，研究如何通过转换、控制技术提高测量精度。(3)扩大测量范围。由于受井下空间的限制，本次研究提出的方案，其测斜范围有限，从而限制了仪器的使用。在以后的研究中，还应该研究如何扩大仪器的测量范围，以扩大仪器的应用范围。(4)扩充功能，扩大应用范围。目前的机械式测斜仪，只能测量井斜，不能像电子仪器一样既能测量井斜又能测量方位。以后的研究中，应在保留机械测斜技术特点的基础上，考虑增／Jn钡,fJ量方位的功能，这样不仅可以用于直井，还可以用于定向井等，从而扩大仪器的应用领域。117 中国石油大学博士学位论文：机械式无线髓钻测斜仪系统研究参考文献⋯1苏义脑．油气直井防斜打快技术．北京：石油工业出版社，2003：1-15【2】2江海阁，苏义脑．直井防斜打快理论研究进展．石油学报，2004．25(3)：86---90【3】高宝垒，高德利．直径防斜原理综述，石油钻采工艺。1996．18(6)：8-13【4】孙岿．防斜打快技术现状与对策．石油天然气工业，2003，23(3)：67-69[5]张绍槐，张洁．21世纪中国钻井技术发展与创新．石油学报，2001，22(6)：63—68f6】桂德洙．浅谈钻芳测斜仪．石油钻采工艺，1999，21(5)：45-49【7】乇宁．水平井随钻测量技术．水平井配套技术专题调研报告集，1992【8】赵金州，赵金海．胜利油田深井超深井钻井技术．石油钻探技术，2005．33(5)：56～61【9】9王斌编著．定向钻井测量仪器．北京：石油工业出版社，1990：22～60【10】王若．随钻测量技术发展史．石油仪器，2001，15(2)：5-7，15【1l】赖信坚．随钻测量技术与传感器原理探讨．石油钻采=r艺。1991，13(4)：啦!7【121田树林．SDI，MWD无线随钻测量仅信号质量的影响因素分析及控制．石油钻探技术，2004，32(4)：78-79【13】苏义脑，窦修荣．随钻测量、随钴测井与录井工具．石油钻采r艺，2005，27(1)：74～78【14】张涛，鄢泰宁，卢春华．无线随钻测鼍系统得工作原理及应Hj现状．两部探矿1‘稃．2005，105(2)：126--128【15】熊育坤．国外井F随钻测量传输系统概述．石油机械，1990，18(4)：23-26【161McdonaldWJFourDifferentSystemsUsedforMWD．Oil＆GasJ，1978，76(14)：Ii5-124【17】Gearhart，M．，Moseley，L．M．，Foste，M．CurremStateoftheArtofMWDandItsApplicationinExplorationandDevelopmentDrilling．InternationalMeetingonPetroleumEngineering，Beijing，China，March17—20，1986[18】BemdSchmalhorst，EberhardBrommundt，AndreasBaumgart，UweRichterDrillingDynamicsinthePresenceofMudFlow．IADC／SPEDrillingConference，NewOrleans，Louisiana，23—25February。2000，1-12【19】Marvin，Ziemer，KellyA．，Knight，OrienM．MudPulseMwDSystemsReport．JPT1981【20】Chen，S．J．，Aumann，J．T．NumericalSimulmionofMWDPressurePulseTransmission．SPE14324，SocietyofPetroleumEngineers60thAnnualTechnicalConferenceandExhibitionoftheSocietyofPetroleumEngineers，LasVegas，NVSeptember22—25，1985【21】SoulierlLouis，Lemaitre，Michel—E．M．MWDDataTransmissionStatusandPerspectives．SPEflADCDrillingConference，Amsterdam23-251993，121-127[22】Lea,Svein—Helge，Kyllingstad，Age．PropagalionofCoupledPressureWavesinBoreholewlthDrillstring．SPEInternationalconferenceonHorizontalWellTechnology，Calgary，Canada，l8·20，118 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个人简历、在学期M的研究成果个人简历、在学期间的研究成果1个人简历蔡文军，男，1972年11月23日生于河南省虞城县。现在胜利石油管理局钻井工艺研究院从事石油机械装备与井下工具的研究与开发工作。1991．09～1995．07在中国石油大学(华东)矿场机械专业学习，获学士学位。同年被保送硕士研究生；1995．09～199804在中国石油大学(华东)石油天然气机械工程专业学习，获工学硕士学位；1998．04～1998．11在胜利石油管理局海洋石油丌发公司实习：1998．11～至今在胜利石油管理局钻井工艺研究院工作。期间，从2003年09N开始在中国石油大学(华东)攻读博士学位。2在学期间研究成果2．1参加研究的课题f1)国家“863”计划前瞻性研究课题：旋转导向钻井系统整体方案设计与关键技术研究(2)国家“863”计划课题：旋转导向钻井系统关键技术研究f3)中国石化集团公司科研课题：旋转导向钻井技术研究(4)胜利石油管理局科研课题：机械式无线随钻测斜仪研制与应用2．2发表的论文(1)蔡文军，王平，陈国明等机械式无线随钻测斜仪设计方案及关键技术，石油学报，2006，27(2)：103-106(2)蔡文军，王平，陈国明等．～种液压阻尼器的就阻尼结构及阻尼性能分析．机床与液压2006，24(6)：149M50，153(3)紫文军，王平，陈国明等．石油井下工具用液压阻尼器研制．液压与气动，2005．27f9)：30-32(4)蔡文军，王平等．机械式无线随钻测斜仪及其应用，石油钻探技术，2005，33(1)：39-40(5)蔡文军，王平．机械式无线随钻测斜仪结构原理与性能特点，石油机械，2005，33(9)： 中国石油大学博士学位论文：机械式无线随钻测斜仪系统研究49-50(6)蔡文军，韩来聚，王平等机械式无线随钻测斜技术研究及应用，第五届全国石油钻井院所长会议论文集．北京：石油工业出版社，2005：298～303(7)下平，蔡文军，陈国明等．机械测斜机构的原理及结构设计仿真，石油矿场机械，2005，34(6)：42-44(8)刘以明，蔡文军等．PowerV和机械式随钻测斜仪在黑池1井的应用，石油钻探技术，2006，34(1)：7l-73(9)董怀荣，王平，蔡文军ZS6B型直线振动筛隔振性能的理论分析，石油机械，2004，32(7)：20-22，25(10)董怀荣，王平，蔡文军．油井振动筛波浪型筛网粘接技术，粘接，2003，24(6)：45～47(12)董怀荣，王平，蔡文军．粘接技术在石油装备上的应用，粘接，2004，25(2)：115～l18(13)董怀荣，王平，蔡文军．一种全自动闭环控制钻井液高速离心机2006，18(6)：20％2l】2．3获得的奖励(1)“机械式无线随钴测斜仪研制与应用”，获胜利石油管理局2005年科技进步一等奖，排名第3。(2)“旋转导向钻井技术可行性研究及系统方案设计”，获胜利石油管理局2003年科技进步一等奖，排名第6。(3)“近海石油结构物安全分析与评估理论及应用研究”，2004年获第二届全国安全生产科技成果二等奖(国家安全生产监督管理局)，排名第7。2,4申请的专利(1)机械式无线随钻测斜仪，2005获国家实用新型专利，专利号：ZL200520080036．1，排名第1。(2)一种机械式无线随钻测斜仪，2005申请国家发明专利，申请号：2005100420352，排名第1，已公开，正在进行实质性审查；(3)一种往复式机械控制及放人机构，2005年申请国家实用新型擘利，申请弓：200520080037．6，排名第2。 机械式无线随钻测斜仪系统研究作者：蔡文军学位授予单位：中国石油大学(华东)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1028096.aspx授权使用：北京服装学院(bjfzxy)，授权号：91b432bc-f71f-4e76-847d-9e6b014b28a1下载时间：2011年1月14日