一种新型的MWD无线随钻测量系统

・仪器设备・

一种新型的MWD 无线随钻测量系统

李　军　马　哲　杨锦舟　韩建来

(胜利油田钻井工艺研究院　山东东营)

摘 要:文章介绍了一种新型的MWD 无线随钻测量系统(APS 旋转阀定向测量系统)的结构组成与工作原理,阐述了该系统中旋转阀脉冲发生器的功能特点,分析了该系统在现场应用中出现的问题,提出阀系结构的技术改进及软件升级的具体方法,通过现场实践,该系统能够满足应用需求,具有广泛的应用前景。关键词:MWD ;工作原理;旋转阀脉冲发生器;控制模块

中图法分类号:TE271,TP393 文献标识码:B 文章编号:100429134(2006)022*******

0　引　言

随着国内钻井技术的不断发展,随钻测量

(MWD ———Measurement While Drilling )仪器的需求也不断增加。目前,国内无线随钻测量仪器的种类多种多样,市场竞争对无线随钻测量仪器的要求也越来越高。我们针对MWD 仪器现场使用中出现的各种问题,提出了一种新的设计思路,通过引进美国APS 公司的旋转阀式脉冲发生器,与我们自行研制出来的电子测量短节配套,由锂电池组供电,组成了一种新型的MWD 无线随钻测量系统(APS 旋转阀定向测量系统),通过现场应用,取得了一定的应用经验。针对现场出现的问题,对该系统进行了技术改进,并在现场应用中取得了较好的效果。

1　结构组成及工作原理

新型MWD 无线随钻测量系统由井下测量系统和

地面处理系统两部分组成,系统框图如图1所示

。

图1　系统框图

该系统通过无磁钻铤中井下仪器测量短节的传感

器感受定向数据,包括井斜角、方位角、工具面等井下

信息,由测量短节计算储存并传输至APS 旋转阀脉冲发生器电路控制模块,这些井下信息转化成泥浆脉冲信号,以编码的形式传输到地面接收系统。地面系统中的压力传感器将泥浆脉冲信号转换成4mA ～20mA 的电信号,通过电缆传输到地面接口系统,信号处理电路接收到此信号后,自动地进行数模转换,降躁,滤波等处理。然后,将信号传输给图形记录仪,可以图形方式记录下来;同时,将信号传输给上位机译码系统,译码系统根据译码规则将信号转换成井斜、方位、工具面等数据,并在上位机及钻台司钻阅读器上显示出来,给定向井工程师提供实时可靠的井下情况。1.1　井下测量系统

井下测量系统由旋转阀脉冲发生器、供电系统、电子测量短节三部分组成。

(1)旋转阀脉冲发生器[1]

旋转阀脉冲发生器是目前钻井行业中唯一的一种电子式脉冲发生器,通过电子软件控制,具有多种输出方式,其工作原理为:阀系中的转子在受控驱动下产生与定子的相对运动,实现对通道内流体的阻流作用而产生正压力脉冲。

该脉冲发生器组成框图如图2所示

。

图2　旋转阀脉冲发生器系统组成框图

该脉冲发生器采用自适应反馈控制系统,当外界

原因使被控量偏离期望值而出现偏差时,会产生一个

　第一作者简介:李　军,男,1968生,工程师,1996年毕业于石油大学计算机应用技术专业,现在胜利油田钻井工艺研究院自动化所工作,主要从事

MWD ΠLWD 随钻测量仪器的研究开发和现场应用工作。邮编:257017

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03・ 石　油　仪　器

PETROLEUM INSTRUMENTS

2006年04月　

相应的控制作用去减小或消除这个偏差,使被控量与期望值趋于一致[2]

。即旋转阀脉冲发生器电子控制模块在控制电机驱动转子转动的同时,通过电机内霍尔电子传感器监测转子的转动位置,如果未达到所期望的位置,即反馈到控制电路,继续驱动转子转动,达到预想状态。

阀系是由转子和定子组成,定子相对固定,转子有四个叶轮,定子中有四个泥浆流通孔道,转子的四个叶轮与定子的四个泥浆流通孔道对齐时为关闭状态,对泥浆有阻碍作用,通道完全释放为打开状态。当井下电子测量短节测量井下数据后,传送到旋转阀脉冲器电子控制部分,控制直流马达驱动转子转动到关闭位置,保持一定时间后,又转回到初始位置;转子与定子的相对运动阻碍泥浆在钻铤内的流动,从而产生正脉冲泥浆压力脉冲信号。阀系定子转子产生正压力脉冲示意如图3所示

。

图3　阀系定子转子产生正压力脉冲示意图

转子处于关闭与打开不同位置时,对管柱内流体产生限流作用的压力值之差为脉冲器产生的压力波幅

值(即信号强度)。由于阀系的特殊结构,小球堵漏剂不影响仪器的正常工作。

脉冲驱动模块包括直流伺服电机、变速箱、连轴器等机械部件完成机械传动功能。其特点是采用磁耦合连轴器进行传矩传动,通过软件可以设置或改变电机的驱动电流来实现高排量下的扭矩控制。

电子控制模块采用智能自学习控制方法,具有脉冲调整智能解卡功能,即由控制模块连续监视脉冲器转子的开、闭状态位置以保证脉冲器在每个脉冲驱动信号作用下产生一个完整脉冲(转子实现一次关闭打开),当转子遇阻卡住的情况下,能够恢复到全开全关的位置;在脉冲器不产生脉冲的闲置状态下,监视转子位置的功能,已经发现在某些流量条件下,脉冲器本身产生的压差会引起转子关闭的趋势,控制软件监视转子的位置,保证在不发脉冲期间,调整转子向打开方向

漂移,使其处于全开状态;此外,还具有工作参数存储功能(包括最大温度、脉冲数、电池电压,脉冲器的开关次数等)。

流量开关是一种电子开关(压电传感器),利用一种专利算法,通过监视泥浆泵产生的压力波动来检测流量,它是通过变化的压力驱动(在静压下不响应),当流体压力大于1PSI 时,频率为1Hz ～10Hz 的流量频率重复25s 后压力开关闭合,激励力持续25s 后流量开关闭合,激励力停止10s 后流量开关断开,可以通过软件设置激励力的门槛与频率范围以适应不同的工作要求,流量开关的门槛及频率设置参考曲线如图4所示

。

图4　流量开关压力门槛及频率设置

软件设置参数3、4、5、6分别对应0.5、1、1.5、2

PSI 这是流量开关打开门槛压力值及关闭门槛压力值的范围,如果压力开关模块在低频下不关闭,可以增加流量开关关闭门槛压力值。

(2)供电系统

电池总成内含高容量的锂电池,它为整个井下仪器总成提供电源。单D 电池可连续工作100h (工具面方式);双D 电池可连续工作150h 以上(工具面方式)。

(3)电子测量短节电子测量总成由传感器短节和电路测量短节组成,传感器短节内装有具有工业标准的三轴磁力计和加速度计,用来测量地球的重力场和磁场的三轴矢量,然后送到电路测量短节计算出该点的井斜角(0～

180°)、方位角(0～360°)和工具面角(井斜<3°,显示磁工具面角TTF 0～360°;井斜>3°,显示重力工具面角GTF 0～180°L 或GTF 0～180°R )、磁场强度、井底的温度。计算机进行编码后送到旋转阀脉冲发生器的控制电路驱动转子转动,产生正泥浆压力脉冲传输到地面检测系统。同时在地面通过按设定的时序开停泥浆泵,操作人员可获得全测量和开、关工具面等。

泥浆脉冲信号传输为正脉冲传输方式[3],将测量数据通过泥浆传输至地面。1.2　地面处理系统

该系统由立管压力传感器、信号传输电缆、地面接口箱、司钻阅读器、计算机、上位机软件组成。其功能

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13・　2006年　第20卷　第2期 李　军等:一种新型的MWD 无线随钻测量系统