周尊鵬　　中石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司

【摘　要】無線隨鉆測量技術(shù)已成為施工定向井、水平井不可缺少的重要組成部分。本文對目前應(yīng)用最為廣泛的泥漿脈沖的三種方式進行了介紹，給出了泥漿脈沖信號傳遞速度公式及影響參數(shù)，分析了信號衰減計算方法及影響因素。研究表明信號傳播速度受泥漿性質(zhì)、鉆柱的尺寸環(huán)境參數(shù)等因素的影響。泥漿脈沖信號的衰減程度與鉆柱的尺寸、脈沖頻率、泥漿參數(shù)、井深等參數(shù)相關(guān)。了解泥漿脈沖的工作原理及信號傳輸特性能可以提升現(xiàn)場施工人員理論水平，進而指導實踐操作。

【關(guān)鍵詞】泥漿脈沖信號；傳輸速度；信號衰減；影響因素

隨著定向井、水平井施工任務(wù)的逐漸增多，無線隨鉆測量技術(shù)得到了廣泛的推廣應(yīng)用。其工作原理為，井下測量探管實時測量工具面等參數(shù)，然后將其所測數(shù)據(jù)傳輸給信號發(fā)生裝置，信號發(fā)生裝置按照特定的編碼規(guī)則將數(shù)據(jù)進行編碼，然后以各種方式傳輸?shù)降孛?，地面接收裝置接收到信號后進行解碼獲得所需參數(shù)。目前無線隨鉆測量技術(shù)中信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)主要有三種，電磁波、泥漿、聲波，其中電磁波在傳輸過程中信號衰減嚴重，只適合某一特定的地區(qū)使用；聲波還處于研發(fā)階段，并沒有廣泛的商業(yè)應(yīng)用；而以泥漿脈沖的方式進行信號的傳輸，具有成本較低、可靠性較好等優(yōu)勢，所以是目前應(yīng)用最多的傳輸方式。

一、泥漿脈沖的分類

目前對于泥漿脈沖傳輸信號的方式

根據(jù)其工作原理的不同可劃分為三種：正脈沖、負脈沖、連續(xù)波，其中以正脈沖應(yīng)用最為廣泛。

1.泥漿正脈沖

正脈沖發(fā)生器主要結(jié)構(gòu)是由針閥和小孔組成，正脈沖發(fā)生器接收到信號后，開始控制針閥的上下運行，進而改變了針閥和小孔間的間隙，引起泥漿流道面積的變化，進而引發(fā)泥漿壓力波的產(chǎn)生。

2.泥漿負脈沖

泥漿負脈沖和正脈沖產(chǎn)生的原理正好相反，泥漿負脈沖主要是通過增大泥漿的流道面積，而引發(fā)泥漿壓力的降低。其主要組成部件是泄流閥和泄流孔，負脈沖發(fā)生器接收到信號后，開始控制泄流閥的運動，引起泄流孔的開啟和關(guān)閉，開啟后泥漿由泄流孔流向環(huán)空引起鉆柱內(nèi)泥漿壓力的降低，關(guān)閉后泥漿壓力恢復正常，這樣就產(chǎn)生了泥漿壓力波。

3.泥漿連續(xù)波

連續(xù)波脈沖發(fā)生器是由一個定子和轉(zhuǎn)子組成，其中定子和轉(zhuǎn)子本身有許多葉片，脈沖發(fā)生器接收到信號后，開始控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)子的葉片和定子

128

的葉片重合時，泥漿流道面積最大，壓力最低，轉(zhuǎn)子的葉片和定子葉片沒有重合就會導致泥漿流道面積的減小，而泥漿壓力升高，這樣就引起鉆柱內(nèi)泥漿壓力的連續(xù)波動。

二、泥漿脈沖信號傳播速度

在泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)中，信號的傳

輸速度是一個基本參數(shù)。由于泥漿中含有巖屑、重晶石粉等各種固相物質(zhì)，同時存在著以氣泡形式的游離狀態(tài)氣體，進而增加了信號傳輸速度問題的復雜性。根據(jù)前人研究成果可知泥漿脈沖的傳播速度主要由系統(tǒng)的彈性模量和流體密度決定，所以其計算公式為：K(1lv=Ke?βg?βs)ρl+βgρg+βsρsρ1+μKEelD+βKKg(Kl?1)+βs(Kl?1)gs式中：ρg—氣體的密度，kg/m3；ρl—液體的密度，kg/m3；ρs—固體的密度，kg/m3；βg—體積含氣率，m3/m3；βs—固體的體積濃度，m3/m3；Kg—氣體的體積彈性模量，Pa；Kl—液體的體積彈性模量，Pa；Ks—固體的體積彈性模量，Pa；E—管材的彈性模量，Pa；D—鉆桿內(nèi)徑，m；e—鉆桿壁厚，m；μ—鉆桿材料的泊桑比。

研究表明，泥漿中各組分的含量和密度直接影響到泥漿的密度和壓縮性。通常，隨著泥漿密度和壓縮性的提高，泥漿脈沖的傳輸速度是降低的。此外，泥漿脈沖的傳輸速度對含氣量非常敏感，隨著含氣量的增加，傳輸速度急劇下降。

三、泥漿脈沖信號衰減分析

由于鉆具的彈性變形和管壁對泥漿的阻力作用，因此，在信號傳輸過程中，其泥漿脈沖強度將會不斷地衰減。與長度相比，鉆柱的徑向是相對剛性的，并且直徑很小，因此鉆柱的軸向?qū)⒆鳛槊}沖信號的傳輸通道，研究中可以認為幾乎所有的脈沖能量都傳給了鉆具內(nèi)的泥漿。泥漿脈沖信號沿鉆具傳播的損失大部分來自于管壁的摩阻。與其它物理傳輸現(xiàn)象相似，泥漿脈沖信號也符合指數(shù)衰減規(guī)律。根據(jù)前人研究，得出

其信號衰減計算公式為：

=pp0.exp(?xL)其中

L=DK2πfμ??KDKK??1+μ?Ee+β(K?1)+β(K?1)???式中：p0—信源信號的強度，Pa；p—傳輸x 距離后的信號強度，Pa；x—傳輸距離，m；L—信號衰減到信源強度l/e 時的傳輸距離，m；D—鉆桿內(nèi)徑，m；ρ—泥漿密度，kg/m3；μ—泥漿粘度，Pa·s；f —信號的頻率，Hz。

研究表明，信號頻率、泥漿粘度和井深對信號的衰減程度均有顯著的影響，但信號頻率及其變化比泥漿粘度及其變化的影響相對更大，即高頻信號更易于衰減。當脈沖頻率較高、泥漿粘度較大時，信號強度隨井深衰減得更快。通過計算及曲線圖表明提高泥漿脈沖信號的頻率和傳輸深度是一對矛盾的，數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑娇煨盘査p的越嚴重，這也是提高隨鉆測量傳輸速率的難題之一。

四、結(jié)論

1.泥漿脈沖信號傳播速度受泥漿組分及性質(zhì)、鉆柱的尺寸及材料特性、環(huán)境參數(shù)等因素的影響。隨著泥漿密度和壓縮性的提高，脈沖信號的傳輸速度是降低的。泥漿脈沖的傳輸速度對含氣量非常敏感，隨著含氣量的增加，傳輸速度急劇下降。

2.泥漿正脈沖信號的衰減程度主要與鉆柱的尺寸及材料特性、脈沖頻率以及泥漿參數(shù)、井深等有關(guān)。脈沖頻率比正脈沖信號傳輸影響相對更大，即高頻信號更易于衰減。當脈沖頻率較高、泥漿粘度較大時，信號衰減得更快。

參考文獻：

[1]劉修善,岑章志.鉆井液脈沖傳輸速度的影響因素分析[J].石油鉆采工藝，1999,21(5)：l～4.[2]劉修繕,蘇義腦.鉆井液脈沖信號的傳輸特性分析[J].石油鉆采工藝,2000，22(4)：8～10.