摆动阀泥浆脉冲器扭杆测试装置设计

摆动阀泥浆脉冲器摆动频率高,载波频率高,调整方式丰富,传输速率快的特点。为了降低电机功率,摆动阀泥浆脉冲器使用扭杆作为弹簧平衡水力转矩,扭杆的疲劳寿命成为脉冲器的关键。为了检测扭杆能否满足长时间井下作业,设计了一套扭杆测试装置。该装置由摆动导杆机构、径向力消除装置、轴向力施加装置、实现扭杆尾端夹紧与止转的尾端夹紧装置、底座固定装置以及电控系统构成,可以同时实现扭杆在拉伸作用下的轴向拉力测试与反复扭转作用下的疲劳性能测试。该测试装置可以实现不同给定频率,两种摆动角度的摆动,提供轴向力满足1000磅的设计要求,该装置的研发成功对于评估扭杆的拉扭性能与疲劳性能具有重要意义。

连续波高速率泥浆脉冲器设计研究

随钻测井的参数越来越多,这些参数需要快速有效地传至地面,研制一套高速率泥浆脉冲遥传系统势在必行。介绍了连续波泥浆脉冲器脉冲发生机理,给出了连续波泥浆脉冲器样机的设计方案及工作原理;详细解释了泥浆遥传系统连续波的编码与解码方式;定量分析了影响井下信号强度的因素,认为噪声的来源主要有电干扰噪声、泥浆泵噪声、泥浆马达噪声、钻头噪声、回声及反射噪声等,这些噪声对井下信号的调制与解调具有较大的影响。研究结果对研制连续波钻井液脉冲器具有一定的参考价值。

旋转阀泥浆脉冲器转子水力特性研究

利用流体仿真法对所建立的泥浆脉冲发生器进行三维流场仿真,分析了定子、转子间隙及钻井参数等因素对泥浆脉冲器性能的影响;总结了这些因素对转子水力转矩和脉冲强度的影响。

连续波泥浆脉冲器控制策略研究

首先对转阀和驱动电机控制系统进行建模仿真,然后采用频移键控和相干解调方式仿真研究了连续波脉冲器的数据传输过程。通过仿真发现,当考虑通道噪声时,由于滤波环节性能已很难再改善,采用PI控制策略无法正确解调,故采用滑模控制改善电机动态性能,从而实现了正确解调。说明研究控制策略提高驱动电机动态性能有利于提高信号传输质量。这对于连续波脉冲器的实物制作具有重要的参考价值。但是并未考虑传输过程中出现的信号衰减和延迟等情况,仿真中仅用高斯噪声模拟了信道中的噪声,这些问题有待进一步地研究解决。

摆动式泥浆脉冲器驱动电机零位偏差检测

摆动式脉冲器通过电机在有限转角范围内往复摆动,带动阀片在泥浆通道内产生压力波动,从而井下数据传输到地面。摆动电机工作在有限转角范围内,为了电机的工作范围得到有效控制,通常会采用限位装置来对电机的摆动角度进行限制。在电机装配完成后,需要对电机的零位偏差进行检测,即电机的定子三相位置和旋转变压器的相对位置进行测量。由于电机摆动角度受限,不能采用传统的零位检测方法,摆动式脉冲器采用了5通道旋转变压器和4极对永磁同步电机,使零位检测的检测难度进一步增加,提出了一种自动零位检测算法,经测试和现场应用,该算法简单实用。

基于CFD的旋转阀泥浆脉冲器转子结构参数研究

解释了旋转阀脉冲器发生工作原理。利用CFD方法,针对所建立的泥浆脉冲发生器定子、转子进行三维流场仿真。分析了转子叶片形状、叶片厚度及叶片个数等结构参数对泥浆脉冲器性能的影响。总结了这些因素对转子水力转矩和脉冲强度的影响,得出了转子的优化设计准则。

高速泥浆脉冲遥传系统推广适应性研究

介绍了中海油服自主研发随钻测井系统(简称:Drilog■)井下仪器和地面系统的基本组成,说明了Drilog■在传输速率方面的需求及不足之处,解释了研制自主高速率泥浆脉冲遥传系统(简称:HSVP■)必要性和迫切性。自主研发的HSVP■经过燕郊水循环测试,新疆实钻试验,陆地多井次试作业,海上推广试作业,能实现0.5~12bps的实时数据上传,满足作业要求,经过对解码系统的持续改进和迭代,在泵噪较好的情况下,系统的误码率可低于2%。定性分析了HSVP■对泵噪、BHA组合、钻井参数等的适应能力,同时对剪切阀形式泥浆脉冲器作业安全性及风险进行了评估。经过多井次作业,表明HSVP■上传速率快,定向及时准确,陆地作业稳定可靠,同时也能够适应海上钻井工况,满足ROP较快时的作业需求。

675型泥浆脉冲器短节应力分析及结构设计优化

为给钻柱上功能短节的结构设计及优化提供指导,以承受压弯扭组合载荷的极限工况为例,对675型仪器串的泥浆脉冲器短节模型进行简化处理,建立了有限元分析模型。针对675型仪器串上泥浆脉冲器短节的结构特点,对泥浆脉冲器短节的不同区域采取不同的网格划分方法。在模型两侧添加工装以进行复合加载,对于压弯扭组合载荷中的弯曲载荷,通过计算极限狗腿度下产生的最大挠度进行等效加载。分析结果表明,在压弯扭组合载荷共同作用的极限工况下,应力集中现象主要出现在钻铤及电子骨架上,开孔及开槽处为薄弱位置,基于分析结果提出了675型仪器串泥浆脉冲器短节的结构改进建议。本文提出的分析方法和设计经验可为此类功能短节设计及优化提供参考。

连续波钻井液脉冲器电流解耦控制器的研究

连续波钻井液脉冲器作为钻井液脉冲随钻测井技术中的最新技术,数据传输效率远高于目前广泛应用的正脉冲型钻井液脉冲远传系统,永磁同步电机(PMSM)作为连续波钻井液脉冲器转阀的驱动电机,其动态性能直接影响着井下信息的传输质量。针对井下温度变化造成的电机参数不匹配,导致电机控制性能降低的问题,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的复合解耦控制方法。该方法将定子电阻压降、交叉耦合项、内部不确定干扰以及外部干扰等均视为扰动。利用扩张状态观测器对扰动进行实时观测,并将其补偿到电流控制器的输出端,从而实现系统的解耦控制,达到精准控制电流环的目的。仿真分析中,当电阻参数不匹配时,将复合解耦应用在电机的电流环控制中,可以有效提高永磁同步电机的动态性能,从而提高连续波钻井液脉冲器的信息传输质量。

高速泥浆脉冲数据传输技术综述

高速泥浆脉冲数据传输技术是随钻测量系统的重要研究内容,以目前普遍采用的连续波脉冲传输技术原理为基础,阐述了高速泥浆脉冲数据传输技术进步的历程与思路;结合通信系统的基本结构,剖析信源、信道与信宿方面的技术瓶颈。仿真分析泥浆信道的衰减与反射、泥浆泵噪声等影响信号传输的关键因素,探讨现有模型差异及其原因;讨论了地面信宿的信号检测、处理与解码技术,分析了现有滤波、信道均衡算法的优势与不足;简述了数据传输性能测试方法;总结了亟待研究的问题及未来发展趋势,为高速泥浆脉冲数据传输技术的研究和系统研制提供参考与借鉴。

遥传脉冲器磨损机理研究

遥传脉冲器转子在使用过程中存在磨损现象,这些磨损直接导致泥浆脉冲器无法实现随钻仪器采集的各种井下参数的上传。根据泥浆脉冲器转子本体磨损标准,分析泥浆脉冲器转子橡胶材质的性能、泥浆中岩屑摩擦以及外围部件缺陷所导致的泥浆脉冲器转子磨损。从设备管理过程中增加动平衡测试、改进橡胶性能、改进生产到应用过程中橡胶的存放等方法被提出,这些方法有助于降低磨损风险。研制了新型金属耐磨套替换方案,水循环和角度测试表明新型泥浆脉冲器转子性能明显改进。

随钻泥浆脉冲器信号处理技术研究

随钻泥浆脉冲测量系统是目前煤层气定向井开发的必需设备,而地面信号接收处理技术是泥浆脉冲器的关键技术之一,由于接收信号中含有大量的泥浆泵噪声和反射噪声,给有用信号的提取带来了相当大的困难。根据脉冲信号的正弦特性,提出了基于时域定向差分滤波与频域带通滤波相结合的方法,并进行了理论分析和实验,证明这种方法是可行的。

基于CFD仿真技术的钻井液传输数据能力分析

钻井液是石油行业无线随钻领域典型的信息传输介质。但是长久以来，缺乏对其数据携带能力影响参数的相关研究，导致很难开发出高性能的泥浆脉冲发生器。针对这个问题，以CFD流体仿真技术为工具；以油田实际井下工作环境为背景；并以井深参数为变量对水基钻井液本身的数据传输能力进行了系统的研究。最终通过仿真实验得到了1000-6000m深度下的泥浆压力波传输速率与井深的可靠对应关系；通用极限速率；并总结出了压力波振幅随深度增加而产生的变化规律，整个仿真实验的结果对高速泥浆脉冲发生器的研制具有重大意义。

连续波钻井液脉冲器边界反射机理数值仿真

目前,国内对高速率连续波技术地面水循环管线试验结果分析中,缺乏对下游管线边界反射干扰的理论分析。为此,建立了脉冲器与试验管线的数值仿真模型,以研究不同长度管线及工作频率下的压力波发生、反射过程。研究结果表明:转子旋转时,上、下游同时产生相位相反、幅值相等的膨胀波与压缩波;压力波在大气出口发生“软边界”反射,幅值相等、相位相反,而且反射波在转子处发生二次反射与透射,幅值减小、相位不变;发生波与反射波的时延为整数倍周期时,二者幅值翻倍,波形改善;时延为非整数倍周期时,二者幅值减小,波形甚至会严重畸变;地面试验下游管线设计推荐采用0 m出口管线。研究结果可为地面水循环试验压力波信号的频率选择以及管线设计提供理论指导。

高速泥浆脉冲传输技术在随钻测井系统的应用研究

中海油服自主研发的Drilog■随钻测井系统由MWD系统、DSM参数仪,以及ACPR电阻率伽马组成,该系统已成功作业上百井次。为提高机械钻速ROP,挂接更多高端成像仪器,中海油服自主研发了HSVP■高速泥浆脉冲遥传系统,包括井下仪器及地面解码系统,经过水循环测试及实钻测试,可实现12 bps实时解码。在油气田勘探开发中,高速泥浆脉冲器可提高井地传输效率,有助于及时调整井眼轨迹,对提高油气田单井产量,提高采收率发挥重要作用。文章介绍了高速泥浆脉冲器在山西页岩气田某井81/2in井段的使用过程,根据MWD系统上传数据,分析轨迹控制、动态轨迹测量、随钻测井质量等效果。结果显示HSVP■系统的钻进效率高,上传速率快,定向及时准确,证明了系统在钻进过程中测井质量优良,为系统的扩大使用积累了作业经验。

摆动阀式泥浆脉冲器电机输出特性及影响因素分析

摆动阀泥浆脉冲器本身可以产生较高频率的载波,成为高速泥浆脉冲传输的较好选择。由于工作时负载力矩复杂,影响因素众多,为电机输出特性研究带来较大困难。利用在井下工作时的动力学平衡方程,通过水循环实验方式测量得到摆动阀电机在最大转矩比电流控制方式下的位置角度和输出电流数据,进而计算井下工作时电机输出转矩和输出功率,并对其影响因素进行综合分析。结果表明,受惯性转矩、弹性转矩和动态水力转矩的影响,电机输出转矩在不同工作频段表现为不同特征;低频段时,电机输出转矩的变化幅度随载波频率的增大而减小,输出功率随载波频率的增大而缓慢增大;中低频段时,电机输出转矩和输出功率在该频段幅度变化较小,相对比较稳定;高频段时,电机输出转矩和输出功率均随频率的增大而快速增大。可以通过增大扭杆刚度系数和降低摆动阀转子轴系转动惯量的方式降低电机在高频段的输出,以保证电机在额定转矩和额定功率下可以控制摆动阀在井下实现高频快速的摆动,产生稳定高载波频率下的泥浆脉冲压力波形,实现高频载波的目的,为随钻测井数据的高速传输提供了保障。

泥浆脉冲发生器转子水力转矩多相流数值模拟

连续波脉冲发生器是现代油气钻井系统的核心部件之一,脉冲发生器主要部件是其中的定子和转子,定、转子的相对运动会导致钻井液的复杂变化。定转子附近机构复杂,钻井液流速快,有明显的湍流现象,而且实际钻井液主要是由水和细砂组成的多相流混合物。着重考虑多相流对转子水动力特性的影响,使用CFD数值仿真方法比较不同情况下,考虑多相流因素和纯水时的转子水动力特性。研究表明:转子水动力转矩基本不受多相流因素的影响,与来流速度、定转子间隙、相对旋转角度关系密切。研究还发现,流道内固相物质在定转子衔接处有积聚的特性。

密勒码在随钻测井高速泥浆脉冲遥测系统中的应用

随钻测井技术的快速发展和应用对数据传输速率提出了更高的要求。采用适合钻井环境下泥浆传输信道特点的编码方式是实现高传输速率的关键技术。密勒码编码具有直流分量少、占用频带窄,抗干扰能力强等特点,适用于随钻测井泥浆信道高速传输的要求。分析高速泥浆脉冲遥测系统数据序列传输格式,介绍基于密勒码编解码算法,采用MATLAB进行了仿真,验证了算法的正确性和可行性。

剪切阀泥浆脉冲器扭杆标定装置研制

泥浆脉冲发生器遥传系统是随钻测量和随钻测井设备的重要组成部分,是将井下信息实时传输到地面的重要手段。剪切阀式泥浆脉冲发生器因其传输速率快、精度高,逐渐被油田服务公司采用。剪切阀泥浆脉冲发生器设计和制作时,充分考虑了水力转矩对泥浆脉冲发生器转子的关闭趋势,并设计了扭簧扭转机构,有效降低了脉冲发生器对电机转矩及功率的需求,简化了脉冲发生器结构。扭簧设计时,不同扭转角度和对应的转矩值之间有一个理论计算值,需要进行严格的检验和标定。由于扭簧扭转装置的刚度系数与电机瞬时输出转矩存在对应关系,为了能更精确地控制驱动电机,使电机输出转矩与扭簧扭转装置的转矩匹配,需要进行转矩常数的标定。

石油钻井泥浆脉冲发生器数据传输速率分析

泥浆脉冲发生器的性能,直接影响石油钻井过程中对井下状况的在线掌控能力。然而长久以来由于井下环境、技术和成本等原因少有对实际传输速率的相关研究,导致在进行开发时缺乏必要的理论依据。为解决上述问题,以流体仿真技术为方法和工具;以某油田井下工作环境为研究背景;并以脉冲发生器工作频率为变量对1000米固定深度下泥浆本身的数据传输能力进行了系统的仿真研究。最终得到了脉冲发生器工作频率与泥浆实际传输能力之间的对应关系和变化规律以及此深度下泥浆传输速率的极限。证明研制脉冲发生器可为泥浆传输优化控制提供科学依据。