无线随钻测量泥浆脉冲传输方式工作原理

张诒民

摘  要：无线随钻测量泥浆脉冲传输中，根据无线传输通道的不同，可分为四种方式：泥浆脉冲的传输方式、电磁波的传输方式、声波的传输方式、光纤的传输方式。在生产实践中应用泥浆脉冲的传输方式和电磁波的传输方式钻井，信号可以传输到地面，不仅能够远距离传输，而且具有良好的可靠性。本文着重研究无线随钻测量泥浆脉冲传输方式工作原理。

关键词：无线随钻测量;泥浆脉冲;传输方式;工作原理

引言：

无线随钻测量泥浆脉冲传输方式主要包括两种传输方式，即有线传输方式和无线传输方式。随钻测量及其相关技术发展速度非常快，从有线随钻测量到无线随钻测量，参数增多了，测量结果更加准确。无线随钻测量技术已经成为工程技术领域中的重要方向。对于该种信号传输方式进行研究中，准确掌握工作原理是非常重要的。具體如下。

一、正脉冲方式

泥浆正脉冲发生器上的针阀与泥浆正脉冲发生器小孔的相对位置会改变泥浆流动通道并在此处积聚，从而提高钻柱内泥浆压力。针阀处于运动状态，发挥了驱动控制电路的作用，由探针管编码的测量数据来实现。电磁阀直接驱动针阀需要的动力是非常大的，主要使用功能了小阀推大阀的方式，将泥浆的动力充分利用起来[1]。同时，通过连续检测立管压力的方法，对不断变化的压力全面掌握，采用解码的方法将其转换成相应的测量数据。

涡轮钻具随钻测量系统可以在钻井液循环的情况下进行连续测量。用钻盘钻孔时，钻具必须停止转动1.5秒之后才能测量。其它液压通道的随钻测量系统与上述仪器的区别在于脉冲发射器的不同。脉冲发生器的阀门由电磁线圈或步进电机控制，步进电机有较高的精度。当测井传感器在测量的过程中有信号产生的选时候，起动器促使阀动作提升，节流钻井液。

压力脉冲信号的产生是通过地面检测设备检测获得的。当钻杆停止旋转并保持钻井液循环的时候，传感器开始测量角度。电动钻具钻进的过程中，钻井液循环多长时间，方位角的重复测量时间、井斜角的重复测量时间以及工具角的重复测量时间，都采用10位二进制测量，通常信号传输时间为50秒，传输深度超过7000米，由于技术环境有限，中国目前依然采用正脉冲模式[2]。

二、负脉冲方式

当一部分钻井液通过旁通阀流向管道外空间的时候，就会发现有负压脉冲出现。当喷射钻头或者钻井马达钻进的过程中，将负泥浆脉冲发生器在专用的无磁短节内安装好，将负泥浆脉冲发生器上所安装的排放阀打开，使钻柱中的泥浆通过排液阀的排液孔以及无磁挺杆上的排液孔进入到井眼环空，将泥浆排出。阀的开启时间非常短，通常为0.25秒，不会超过1.0秒，造成钻柱中泥浆压力迅速降低[3]。

将压力信号转换为电信号，就会有负脉冲形成，可以像正脉冲一样传输数字信息。为了让负压脉冲的信息通道形成，就需要建立管道内外的初始压降。在水力牙轮钻头的工作过程以及随钻测量系统的装配过程中，压力降被消耗掉。脉冲压降的大小对钻井泵高压管路中的压降起到决定性的作用。数据传输速度大约是1bit/s，通过连续检测立管产生的压力变化，采用解码的方式，可以形成各种不同的测量数据。泥浆负脉冲传输方式具备较多的优点，同时也存在缺点，就是在运行的过程中会有部分钻柱压力被释放出来，不仅会造成随钻测量系统运行中出现故障，还会井底动力机械设备运行中出现故障。

三、连续波方式

与泥浆脉冲的正负脉冲有所不同，这种系统不通过钻井液产生的脉冲传输井底所产生的信息，而是通过相位调制器传输信号，信号的表达方式是数字方式。当马达驱动的旋转阀接收到测井传感器的信号的时候，就会以一定的速度垂直于流体旋转。泥浆作用下会产生连续波脉冲发生器的转子，形成正弦压力波。由测井探头编码的测量数据，发挥调制系统的作用控制定子相对于转子产生的位移或者所产生的角位移，使正余弦压力波同步时间产生[4]。为了连续检测这些相位或频率上产生的变化，计算机对压力传感器所接收到的信号会有所放大，对于信号进行分析并处理，采用解码的方式和计算的方式获得数据信息。

Mobile的MWD系统产生频率是连续压力波，24赫兹，并通过在指定时间，通常为0.66秒的时间内就可以改变波的相位或者保持波的相位，用于传输10位二进制数据。当旋转阀在短时间内运行速度加快或者突然滞后的时候，相位交换的相位发生变化，通常在0.ls中会产生相位偏移，大约为180度，保持相位则使用0表示。当使用水基钻井液的时候，系统的最大应用深度通常可以保持在6000米左右，加入加重剂的时候可以达到4200米左右[5]。斯伦贝谢的MWD系统的载波频率是12赫兹，会持续地发出信号。MWD系统可以同时监测方向参数方法监测顶角、岩石想电阻率、方位角、井温、伽马放射性以及钻头扭矩等等。连续波的脉冲的共同频率大约为0.02赫兹，通常不会超过0.2赫兹，如斯伦贝谢MWD系统系统，在随钻测量的过程中，当工作距离达到6公里的时候，工作频率会有所降低，甚至会低于小数位的赫兹数。

结束语：

通过对上面内容的研究可以明确，无线随钻测量泥浆脉冲所采用无线随钻数据传输不仅实现远程传输，而且信号传输的速度快，具有较高的精度，用于深井钻井工作中，不会受到钻机噪声的影响，而且对钻井作业起到很好的监督控制作用。其缺点是井卜传输和地而检测设备复杂。

参考文献

[1]  李泉新. 矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置研发及应用[J]. 煤田地质与勘探，2018，46（06）：197-201+206.

[2]  方俊，谷拴成，石智军，et al. 矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置及其应用[J]. 工矿自动化，2019，45（02）：15-20.

[3]  耿岩，唐鸣宇. 机械式无线随钻测斜仪正脉冲发生器研究[J]. 现代商贸工业，2017（18）：162-163.

[4]  吕海川，窦修荣. CGMWD新型正脉冲无线随钻测量系统及应用[J]. 石油仪器，2006（06）：7+42-43+46.

[5]  郭福祥，邓胜聪，李旭，et al. 随钻测井系统泥浆脉冲影响因素研究及故障诊断[J]. 石油矿场机械，2015（10）：28-33.