负脉冲MWD泥浆脉冲信号的影响因素

负脉冲MWD泥浆脉冲信号的影响因素

摘要：通过分析负脉冲泥浆压力脉冲传输原理并结合现场使用的经验，研究和总结了负脉冲MWD泥浆压力脉冲信号传输过程中的衰减及干扰因素，对负脉冲MWD的现场应用具有一定的指导意义。

主题词：负脉冲 MWD 泥浆脉冲信号 影响因素

负脉冲MWD无线随钻测量仪已成功地应用于定向井、水平井及欠平衡钻井中。对负泥浆脉冲信号的检测是MWD仪器能否正常工作的重要条件，但是在实际应用中，往往由于外部环境不能满足仪器的正常工作条件，特别是负脉冲泥浆脉冲信号的传输条件，而使泥浆脉冲信号不能被正确地检测出来，造成仪器不能正常工作。因此对影响MWD泥浆脉冲信号检测的因素进行分析，对负脉冲MWD的现场应用具有一定的指导意义。 一、脉冲MWD的脉冲遥测系统简介

负脉冲MWD的脉冲遥测系统主要包括：脉冲发生器、脉冲传输通道（泥浆信道）和地面接收识别设备。由脉冲发生器发出的脉冲信号经泥浆信道传至地面，通过地面接收识别设备接收,如图1所示。

脉冲发生器由阀门（从钻杆通向环空）组成，当阀瞬时开启时，使泥浆从钻铤中流入环空从而产生一个微小的压降，该压降以音速通过钻柱中的泥浆传到地面，这些压力脉冲被立管上的压力传感器检测出来。

图1 负脉冲MWD的脉冲遥测系统

压力信号变为电信号后，首先经过一个滤波器以提高信噪比，然后送到脉冲鉴别电路，该电路从杂散的信号中识别出真正的信号，并送到解码器，解码器把

信息编码脉冲变成模拟电压，经过模数转换，最终送到上位机中处理。 二、负脉冲泥浆脉冲信号的影响因素

对于泥浆压力脉冲传输系统来说，一般有两个经验性的假设。

1、如果没有粘滞损失或者钻柱大小没有变化，到达地面的脉冲与井底的脉冲大小相同。

2、对于负脉冲系统，稳定状态的压降方程如下：

?p?12?(QAb?Av)2 （1）

此压降是通过钻头和阀的压降，如果阀关闭，则Av=0。通常，该方程假定适用于下面的非稳态方程：

?p?12?(QAb?Av(t))2 （2）

其中： ? - 泥浆密度 Q - 排量

Ab - 钻头水眼的当量面积

Av(t)- 时间t时阀的开启面积

当Av(t)=0，即阀关闭时，⊿P即是通常所说的钻头水眼的压差，只有当保证足够的（钻杆内与环空的）压差，才能产生足够的压降（即通向环空的的阀瞬间开启所产生的压降经传输后仍然能够被检测到）。

但在实际应用中，现场环境并不是总能够满足上述两式成立的条件。在不同的钻井条件下，由于钻柱大小、泥浆特性、井眼深度、泥浆泵噪声、动力钻具等的复杂性，地面设备所检测到的压力脉冲特性并不总是准确的，从而影响了MWD仪器测量的准确性。通常情况下，MWD仪器在现场应用中，影响泥浆脉冲信号的因素主要是脉冲信号的衰减和外部环境对信号的干扰。

（一）泥浆脉冲信号的衰减

泥浆脉冲信号的衰减是由于泥浆压力波的传播特性引起的，其衰减程度与深度、压力波频率、泥浆压缩系数及压力缓冲器有关。

众所周知，压力波在传输的过程中是有能量损失的，这种能量损失体现在压力脉冲幅度的衰减上，随着深度的增加，能量损失增多，泥浆压力脉冲信号幅度就会降低。

压力缓冲器是一个密闭容器，部分充满泥浆，上面是气体，当局部压力增高

时，泥浆流入压力缓冲器的腔内，气体被压缩，而由于腔内压力增高，流入钻柱的泥浆减少。众所周知，空气包能非常有效的将泥浆泵引起的尖峰压力平滑掉，同样，MWD泥浆压力脉冲也将减小。因此，压力缓冲器是离散泥浆脉冲传输系统中泥浆脉冲幅度衰减的主要原因。只有当泥浆压力脉冲信号幅度足够大时，除去被压力缓冲器平滑掉的，仍然能被立管压力传感器检测到，这就是MWD脉冲发生器实现泥浆压力脉冲传输的设计原理。

（二）泥浆循环系统对泥浆脉冲信号的干扰

泥浆循环通道中某一个环节的影响会使泥浆压力发生变化，立管压力传感器能够检测到这种压力变化，当这种压力变化的幅度大于泥浆压力脉冲的幅度时，地面接收系统无法识别这种无规律的压力变化，就会影响到测量工作。其干扰程度与因异常情况产生的泥浆通道中的压力变化有关。这种压力变化主要是由以下几个方面所产生的：

1、三缸泵的影响

三缸泵易损件（主要是缸套、活塞、泵阀和阀座）的质量将直接影响到泥浆通道中的压力变化。如果在开泵状态下，缸套活塞刺了，就会产生瞬间的压力损失，直接影响到泵压的稳定,便会影响到信号检测。

2、空气包的影响

如果空气包内气囊破裂，则无法平滑掉泥浆泵引起的尖峰压力，引起上水不好，立管压力极不稳定，影响信号检测。

3、泥浆的影响

往泥浆中添加药剂时，应缓慢加入并充分调匀，以免产生块状泥浆固相，这些泥浆固相会造成压力冲击，直接影响立管压力传感器的信号检测，这种块状泥浆固相的影响情况可能随时间推移而消失。

如果泥浆固相堵住立管压力传感器，当泥浆压力波从泥浆液体传到泥浆固相中会产生大的衰减，也会引起压力传感器的检测信号非常微弱或者无法检测。

4、泥浆中气泡的影响

在流体力学中，一般把液体看成是不可压缩流体。也就是说，在处理液体流动的问题时，可以把流场中各点的流体密度看作是常数。真正的不可压缩流体并不存在，液体受到压缩后，密度也要改变，只是相对于气体来说，这种变化很小。

压力变化的传播也就是密度变化的传播过程。无论是在气体中还是液体中，压力都是以纵波的形式传播的。

微小扰动在流体中的传播速度就是声音在流体中的传播速度。由流体力学可知，声音在流体中传播的速度如下：

a??p??

即流体中的音速只决定于流体的压力和密度之间的关系，而与流体是否流动或着流动速度无关。根据上式可以知道，当声波在液体中传播时，由于液体的密度变化很小，因此传播速度很快，压力波的传播则是瞬时完成的，只要在其中有压力扰动，扰动就立即传播到各处。当声波在气体中传播时，压力波的传播需要一定的时间。这是由于气体具有可压缩性，密度变化很大，所以传播速度降低。

（1）在可循环泡沫泥浆中的应用（草古100-平5水平井）

钻井液是由复合发泡剂、淡水组成的，现场实际使用情况是，在泵压低的情况下，脉冲信号有滞后现象，分析原因是由于泵压较低，钻柱内气液混合，稳定程度及均质程度不够，泥浆压力波信号在传输过程中既有衰减又有干扰，当泵压提高后，由于气泡的可压缩性，随泵压的提高，钻柱内液柱比较稳定，信号脉冲传输正常。

（2）在充氮气泥浆中的使用（草古100-平17水平井）

由于充氮气是在泥浆泵与立管之间，所以不存在泥浆泵达不到真实排量、打不上泵压的情况，由于充气量较低，每小时100方（常压），所以泥浆中氮气含量并不多，这样，井下压差与完全液相中情况基本相同，故无异常影响。当充气量增大时，泥浆中氮气含量增多，会影响到信号检测。 三、结论

在MWD无线随钻测量仪的现场应用中，除了仪器本身的故障，外部环境对仪器能否正常工作往往起着非常重要的作用。因此在MWD无线随钻测量仪的现场应用中，必须保证仪器处于正常的工作条件，特别是满足泥浆脉冲信号的传输条件，这样才能保证仪器测量的准确性。 参考文献：

【1】“定向钻井” [英] T. A. 英格里斯 苏义脑译 石油工业出版社 【2】 流体力学，郑洽佘、鲁钟琪，机械工业出版社，1979年

【3】J. Chen and J.T. Aumann,Norton Christensen Inc. 《Numerical Simulation of MWD Pressure Pulse Transmission 》SPE 14324 1985

【4】《GEOLINK MWD SYSTEM MANUAL》，1998

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cosr.html