西安石油大學本科畢業設計（論文）負脈沖發生器及地面裝置臺設計摘要:隨著鉆井技術的不斷發展，需隨鉆測量的井下參數越來越多，對測量的實時性要求也越來越高,本次設計依據負脈沖發生器的工作原理和特點，借鑒MWD液壓脈沖信號發生器的工作原理，對負脈沖發生器進行了新的結構設計。重點對信號發生器進行了設計，選擇了合適的直流電動機、電機驅動器、聯軸器及機械密封裝置。最后簡單介紹了發生器地面實驗系統原理及地面實驗系統整體組成，并對信號的干擾與衰減進行了簡單的分析，提出避免干擾與衰減的處理方法。關鍵詞：隨鉆測量，負脈沖發生器原理結構設計，地面裝置設計，信號分析與處理西安石油大學本科畢業設計（論文）NegativepulsegeneratordesigngroundstationequipmentAbstract:Withthecontinuousdevelopmentofdrillingtechnologyrequiredtomeasuredownholedrillingparameters,moreandmorereal-timerequirementsonthemeasurementhavebecomemoresophisticated,thisnegativepulsegeneratordesignbasedonprinciplesandcharacteristicsofthework,drawingonthehydraulicpulseMWDSignalgeneratorworksonthenegativepulsegeneratoranewstructuraldesign.FocusonthesignalgeneratorhasbeendesignedtoselecttheappropriateDCmotor,motordrive,couplingandmechanicalseal.Finally,abriefgroundtestofthegeneratorsystemofprinciplesandtheoverallcompositionofthegroundexperimentsystem,andsignalinterferenceandattenuationofasimpleanalysis,toavoidinterferenceandattenuationapproach.Keywords:MWD,andnegativepulsegeneratordesignprinciple,thegrounddevicedesign,signalanalysisandprocessing西安石油大學本科畢業設計（論文）I目錄1.緒論.11.1無線隨鉆測量系統研究發展狀.11.2無線隨鉆測量系統中信號傳輸方式的應用與研究現狀.41.3課題的研究目的及意義.52.負脈沖發生器的工作原理.62.1負脈沖發生器的基本工作原理.62.2井下旋轉控制系統的理論依據.63.負脈沖發生器控制系統結構設計.83.1井下旋轉控制系統結構.83.2電動機的選擇.93.3電動機的選擇.143.4聯軸器的選擇.143.5機械密封的選擇.153.6、其他部分設計與計算.174.控制系統模擬調試.264.1負脈沖信號發生器地面實驗系統原理.264.2地面實驗系統整體組成.264.3控制系統的組成.274.4信號采集.284.5、鉆井液脈沖信號的影響因素.294.6、信號的衰減因素分析.304.7、其他影響因素.304.8、信號處理.315.結論與研究展望.335.1結論.335.2研究展望.336.參考文獻.347.致謝.35西安石油大學本科畢業設計（論文）11.緒論1.1無線隨鉆測量系統研究發展狀況在地質勘探和油氣田的開發中,鉆井的工作量逐年增加,深井和海上鉆井益增多,鉆井成本不斷上升,這就促使人們把注意力集中到安全鉆井和降低成本兩個方面。快速取得井下鉆井數據的方法為這兩個方面提供了最大的可能性。在鉆井工程中,最早是處于“盲目鉆井”。操作人員憑感覺和經驗來推斷井下情況。而鉆井效率,質量和安全等重要技術經濟指標,主要是取決于操作者的技術水平和豐富經驗程度。至今這種狀況有了很大的改變,但是鉆井工人和地質人員還是依靠間接的地面參數,（如大釣負荷、轉盤轉速、扭矩、泥漿排量和泵壓等）或事后的（中斷鉆井并起出鉆柱或在完井階段,再用鉆柱、電纜或鋼絲繩將測量儀器下入井內進行測量）測量,測得的井下參數和觀察鉆頭磨損情況,機械鉆速,鉆屑和泥漿中的油氣顯示等來判斷井下情況。然而,隨著鉆井技術的不斷發展,鉆井工程正進入一個新的發展階段一在鉆進當中測量（隨鉆隨測）的新時期。所謂隨鉆隨測（MeasureingWhileDrilling簡稱為MWD）,即在鉆井當中測井、測量或井眼遙測,更確切地講是在鉆進當中的井下檢測。目前,隨鉆隨測的內容包括兩類測量數據:第一類是關于安全鉆井和經濟效果的數據(井眼的斜度和方位、鉆壓、鉆頭扭矩、鉆頭工作情況、井底壓力和流度、泥漿性質和動力鉆具工況等)；第二類是實時測井和對地層評價的數據（巖層電阻率、伽傌射線、自然電位、中子密度、聲速、導熱性及其它）。當前主要測量第一類數據,以滿足鉆井的需要。該數據又分為三方面：安全、方向測量和控制（即定向鉆井）、鉆井效率。其中前兩方面最重要。按照從井底到地面的不同傳輸方法,隨鉆隨測技術主要有四種類型：1.泥漿脈沖傳輸系統；2.有線傳輸系統；3.聲波傳輸系統；4.電磁傳輸系統。其比較見表1。目前,西方國家有四十多家公司在研究隨鉆隨測系統,家公司有了試驗方案,測量參數有限的隨鉆測量裝置已用于生產（如井斜、方位等）,測量參數較多、傳輸能力較大的正處于野外試驗的最后階段,多功能的完善裝置可能在今后幾個月或幾年的時間才能完成。在今后五年,隨鉆測量裝置獲得成功與應用將使鉆井工藝發生變化,到那時鉆井工人和地質人員隨時都可以了解到井下的情況,按照井下數據,控制鉆井過程,達到鉆井的最佳化。西安石油大學本科畢業設計（論文）2隨鉆隨測系統對鉆井工程師和地質師的重要性完全相同。在鉆井現場,這種系統早已使用于測量有關井眼方位和傾斜角的數據,特別是在定向鉆井中。其它的鉆井參數,例如鉆壓,鉆挺扭矩和井下壓力及溫度測量,可幫助鉆井工程師提高鉆速和改進鉆井效率,實現最佳化鉆井。隨鉆隨測還有助于改善泥漿配制,并可更準確地選擇套管鞋設置的層位,盡可能避免（減少）下技術套管或尾套管。大大減少鉆井中非有效時間并節省鉆井費用。隨鉆隨測可以改善定向鉆井的控制,使鉆井效率得到提高,減少停歇時間。估計隨鉆隨測將提高鉆井效率（降低成本）530%。現在一個海上平臺,通常要鉆1836口定向井,而每一口井將近測60次井斜方位,如果采用隨鉆測量可節省大量時間,約幾十萬美元。根據資料計算,隨鉆隨測如果提高鉆井效率5%,西方國家每年就可以節省幾億至幾十億美元。地質隨鉆測量儀器給地質師提供非常好的對比和識別斷裂層、取芯點和下套管深度的數據。做到一進入含油、氣層地帶就能及時識別出來,以便及時測試和取芯。此外,電阻率測量對含油氣地層提供定量分析的數據。毫無疑問,隨鉆隨測技術的首要價值就是獲得數據及時。現在可由當班司鉆隨時根據從井下得到的數據來控制鉆進操作。這樣不僅效率高,而且安全和節約時間。同樣有重大意義的是：如果油井出事故,地層測井已獲得的數據,可以作進一步分析更深地層的地質情況,以便合理地決定對油井的報廢或重鉆。今后,隨鉆隨測還將提供反饋電路,可以用作實現鉆井全部自動化。井下探測儀器還可以提供雙向傳輸信號的能力,可以隨時根據地面指令進行井下測量和操作。隨鉆測量系統（MWD）能在鉆進過程中自動連續測量井底附近的有關參數并傳輸到地面，進行計算機實時顯示、存儲、處理和打印，為下一步施工設計提供依據MWD最大的優點是可實時地“看”到井下正在發生的情況，從井底測量參數到地面接收到數據只延誤幾分鐘，所以可以改善決策過程。在地質鉆探、石油鉆井中，特別是受控定向斜井和大位移水平井中，隨鉆測量系統是連續監測鉆井軌跡、及時糾偏必不可少的工具。西安石油大學本科畢業設計（論文）3MWD的信號傳輸方式分為有線（電纜）和無線兩種。電纜方式的優點是可直接向井內傳感器供電，實現井內和地表設備之間的雙向通訊，實時性好，數據傳率高。但電纜往往影響正常鉆進過程。無線方式不使用電纜，是定向鉆井技術發展歷程中的一個里程碑。導向鉆進和自動定向鉆進等現代鉆探技術都以無線方式為基礎。無線隨鉆測量儀一般有兩大部分組成：一是地面系統，一般由地面接口箱、鉆臺顯示器、上位機軟件組成，其主要功能是把井下脈沖發生器傳來的信號從立管壓力中解讀，計算測量參數，并顯示給操作人員，指導定向鉆井；二是井下部分，主要由測量控制短節、動力短節和信號傳輸短節組成，而液壓脈沖信號發生器是信號傳輸短節的核心部分。鉆井液脈沖無線隨鉆測量儀器的信號傳輸方式是：首先將井下測量的電信號數據轉換為機械信號，然后轉換為壓力脈沖信號，再以鉆柱內的鉆井液為介質帶到地面，最后在地面接收脈沖信號并解碼獲取隨鉆參數。隨著受控定向斜井、分支井和大位移水平井等鉆井技術的迅猛發展，美、俄、法、英的無線隨鉆測量技術日趨完善，其井內儀器已經系列化并大面積推廣使用，如：（1）斯倫貝謝公司用新的SlimPulse回收式MWD系統解決了深水平井作業面臨的高溫、高壓兩大難題。在意大利Villafortuua-Trecate油田，用SlimPulseMWD技術鉆成了世界上最深的水平采油井。最終井深達6421m，井斜角，創造了在垂深6062m、斜角8590的條件下水平鉆進184m的世界紀錄。（2）PrecisionDrillingComputalog公司其惡劣環境MWD（HELMWD）系統能在180，172Mpa的井下環境中穩定工作。HEL包括定向探測器、高溫方位伽馬儀、環境惡劣度測量和井眼/環空壓力探測器。HEL系統已在墨西哥和美國進行了廣泛的現場試驗，在泥漿密度高達1.87g/cm，井下溫度超過170的井中成功作業。（3）俄羅斯電磁波式MWD系統1987年研制成功后，曾在西伯利亞幾個油田的20口井內502000m深度的井段進行了93個回次的生產試驗。與傳統測斜儀的比較試驗表明，其中75%的回次吻合的很好或較好，表明俄羅斯的該遙測系統已經滿足工業要求。1999年11月該系統曾用于“亞馬爾地質科技生產公司的No2030井。在井深25032818m的井段，用了兩個回次進行造斜，使頂角增至34.5。經過一段穩斜段后，在井深3422m處再次造斜，使頂角達到85.6，終于鉆到了設計的層位，并順利準確地從油層中穿過。結果表明，這種電磁波式系統不僅在鉆井過程中，而且在接鉆桿停止鉆井液循環的情況下，都可保證井眼彎曲參數的正確測量，同時還可記錄鉆進過程中的巖層電阻率曲線。正是由于在No2030號井中使用了電磁波式系統，才使這口井深3756m，水平偏距950m(其中水平井段450m)的油井在94天的時間內完成了全部鉆井、固井和測井工作，并達到了沿含油層鉆進的目的。與國外技術相比，我國還處在引進和消化國外無線MWD西安石油大學本科畢業設計（論文）4技術的階段，但正在加快研究步伐。如中國石油天然氣總公司、大港油田、勝利油田和北京海藍公司等單位和相關研究機構正在進行國產隨鉆測量儀器的研制工作，以盡快消除MWD技術長期被國外壟斷的局面。1.2無線隨鉆測量系統中信號傳輸方式的應用與研究現狀無線MWD按傳輸通道分為泥漿脈沖、電磁波和聲波三種方式，最新的組合式目前還處在研究階段。其中泥漿脈沖和電磁波方式已經應用到生產實踐中，以泥漿脈沖式使用最為廣泛。（1）聲波傳輸系統該系統利用聲波傳播機理來工作。當鉆柱、鉆頭與井底相互作用時，鉆柱中會出現縱向彈性波，能監測的主要參數是巖石破碎工具的回轉頻率，其中主要是牙輪的振動諧波。由于振動的幅值和頻率與牙輪的磨損程度具有相關性，所以可據此來判斷工具的狀態。當鉆進規程保持不變時，信號的幅值變化情況還可以反映巖石的力學性質。由于信號在鉆桿柱中傳播衰減很快，所以在鉆桿柱內每隔400500m要裝一個中繼站。聲學信息通道的缺點是傳送的信息量少，類似于噪聲的聲學信號不可能給出準確的工藝解釋，信號隨深度衰減很快。（2）電磁波通道系統該系統把一個類似低頻天線的電磁波發射器裝在井內儀器中，通過遠離鉆機的電極來接收由井底發至地面的信號。其優點是信息傳輸速度比水力通道快；對鉆井液的質量要求和鉆探泵的不均勻性要求更低；對正常鉆進沒有干擾；與其它方法相比，準備工作簡單，起下鉆時也能傳輸井下資料。缺點是信號衰減大，只能傳播低頻電磁波，易受井場電氣設備的干擾和巖石電阻率的影響。由于鉆井空間狹小，電磁波發射實際只有垂直天線(沿鉆桿的軸向電流)和垂直磁天線(繞鉆桿的水平電流環激勵沿鉆桿方向的磁場)兩種激勵方式。激勵軸向電流最簡單而有效的方法就是使特制的鉆桿成為用絕緣接頭連接的兩段結構，由激勵器輸出的電壓通過密封接頭饋于兩端，形成一種類似雙極天線的地下非對稱雙極激勵裝置。最合適的井下激