畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-負(fù)脈沖發(fā)生器及地面裝置臺(tái)設(shè)計(jì).doc

西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）負(fù)脈沖發(fā)生器及地面裝置臺(tái)設(shè)計(jì)摘要:隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，需隨鉆測(cè)量的井下參數(shù)越來(lái)越多，對(duì)測(cè)量的實(shí)時(shí)性要求也越來(lái)越高,本次設(shè)計(jì)依據(jù)負(fù)脈沖發(fā)生器的工作原理和特點(diǎn)，借鑒MWD液壓脈沖信號(hào)發(fā)生器的工作原理，對(duì)負(fù)脈沖發(fā)生器進(jìn)行了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，選擇了合適的直流電動(dòng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器及機(jī)械密封裝置。最后簡(jiǎn)單介紹了發(fā)生器地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理及地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體組成，并對(duì)信號(hào)的干擾與衰減進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，提出避免干擾與衰減的處理方法。關(guān)鍵詞：隨鉆測(cè)量，負(fù)脈沖發(fā)生器原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，地面裝置設(shè)計(jì)，信號(hào)分析與處理西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）I目錄1.緒論.11.1無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)研究發(fā)展?fàn)?11.2無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中信號(hào)傳輸方式的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀.41.3課題的研究目的及意義.52.負(fù)脈沖發(fā)生器的工作原理.62.1負(fù)脈沖發(fā)生器的基本工作原理.62.2井下旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的理論依據(jù).63.負(fù)脈沖發(fā)生器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).83.1井下旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu).83.2電動(dòng)機(jī)的選擇.93.3電動(dòng)機(jī)的選擇.143.4聯(lián)軸器的選擇.143.5機(jī)械密封的選擇.153.6、其他部分設(shè)計(jì)與計(jì)算.174.控制系統(tǒng)模擬調(diào)試.264.1負(fù)脈沖信號(hào)發(fā)生器地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理.264.2地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體組成.264.3控制系統(tǒng)的組成.274.4信號(hào)采集.284.5、鉆井液脈沖信號(hào)的影響因素.294.6、信號(hào)的衰減因素分析.304.7、其他影響因素.304.8、信號(hào)處理.315.結(jié)論與研究展望.335.1結(jié)論.335.2研究展望.336.參考文獻(xiàn).347.致謝.35西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11.緒論1.1無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)研究發(fā)展?fàn)顩r在地質(zhì)勘探和油氣田的開發(fā)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(gè)方面?？焖偃〉镁裸@井?dāng)?shù)據(jù)的方法為這兩個(gè)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(jué)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)推斷井下情況。而鉆井效率,質(zhì)量和安全等重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),主要是取決于操作者的技術(shù)水平和豐富經(jīng)驗(yàn)程度。至今這種狀況有了很大的改變,但是鉆井工人和地質(zhì)人員還是依靠間接的地面參數(shù),（如大釣負(fù)荷、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(cè)量?jī)x器下入井內(nèi)進(jìn)行測(cè)量）測(cè)量,測(cè)得的井下參數(shù)和觀察鉆頭磨損情況,機(jī)械鉆速,鉆屑和泥漿中的油氣顯示等來(lái)判斷井下情況。然而,隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展,鉆井工程正進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段一在鉆進(jìn)當(dāng)中測(cè)量（隨鉆隨測(cè)）的新時(shí)期。所謂隨鉆隨測(cè)（MeasureingWhileDrilling簡(jiǎn)稱為MWD）,即在鉆井當(dāng)中測(cè)井、測(cè)量或井眼遙測(cè),更確切地講是在鉆進(jìn)當(dāng)中的井下檢測(cè)。目前,隨鉆隨測(cè)的內(nèi)容包括兩類測(cè)量數(shù)據(jù):第一類是關(guān)于安全鉆井和經(jīng)濟(jì)效果的數(shù)據(jù)(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(zhì)和動(dòng)力鉆具工況等)；第二類是實(shí)時(shí)測(cè)井和對(duì)地層評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)（巖層電阻率、伽傌射線、自然電位、中子密度、聲速、導(dǎo)熱性及其它）。當(dāng)前主要測(cè)量第一類數(shù)據(jù),以滿足鉆井的需要。該數(shù)據(jù)又分為三方面：安全、方向測(cè)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(cè)技術(shù)主要有四種類型：1.泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)；2.有線傳輸系統(tǒng)；3.聲波傳輸系統(tǒng)；4.電磁傳輸系統(tǒng)。其比較見(jiàn)表1。目前,西方國(guó)家有四十多家公司在研究隨鉆隨測(cè)系統(tǒng),家公司有了試驗(yàn)方案,測(cè)量參數(shù)有限的隨鉆測(cè)量裝置已用于生產(chǎn)（如井斜、方位等）,測(cè)量參數(shù)較多、傳輸能力較大的正處于野外試驗(yàn)的最后階段,多功能的完善裝置可能在今后幾個(gè)月或幾年的時(shí)間才能完成。在今后五年,隨鉆測(cè)量裝置獲得成功與應(yīng)用將使鉆井工藝發(fā)生變化,到那時(shí)鉆井工人和地質(zhì)人員隨時(shí)都可以了解到井下的情況,按照井下數(shù)據(jù),控制鉆井過(guò)程,達(dá)到鉆井的最佳化。西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2隨鉆隨測(cè)系統(tǒng)對(duì)鉆井工程師和地質(zhì)師的重要性完全相同。在鉆井現(xiàn)場(chǎng),這種系統(tǒng)早已使用于測(cè)量有關(guān)井眼方位和傾斜角的數(shù)據(jù),特別是在定向鉆井中。其它的鉆井參數(shù),例如鉆壓,鉆挺扭矩和井下壓力及溫度測(cè)量,可幫助鉆井工程師提高鉆速和改進(jìn)鉆井效率,實(shí)現(xiàn)最佳化鉆井。隨鉆隨測(cè)還有助于改善泥漿配制,并可更準(zhǔn)確地選擇套管鞋設(shè)置的層位,盡可能避免（減少）下技術(shù)套管或尾套管。大大減少鉆井中非有效時(shí)間并節(jié)省鉆井費(fèi)用。隨鉆隨測(cè)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(shí)間。估計(jì)隨鉆隨測(cè)將提高鉆井效率（降低成本）530%?，F(xiàn)在一個(gè)海上平臺(tái),通常要鉆1836口定向井,而每一口井將近測(cè)60次井斜方位,如果采用隨鉆測(cè)量可節(jié)省大量時(shí)間,約幾十萬(wàn)美元。根據(jù)資料計(jì)算,隨鉆隨測(cè)如果提高鉆井效率5%,西方國(guó)家每年就可以節(jié)省幾億至幾十億美元。地質(zhì)隨鉆測(cè)量?jī)x器給地質(zhì)師提供非常好的對(duì)比和識(shí)別斷裂層、取芯點(diǎn)和下套管深度的數(shù)據(jù)。做到一進(jìn)入含油、氣層地帶就能及時(shí)識(shí)別出來(lái),以便及時(shí)測(cè)試和取芯。此外,電阻率測(cè)量對(duì)含油氣地層提供定量分析的數(shù)據(jù)。毫無(wú)疑問(wèn),隨鉆隨測(cè)技術(shù)的首要價(jià)值就是獲得數(shù)據(jù)及時(shí)?，F(xiàn)在可由當(dāng)班司鉆隨時(shí)根據(jù)從井下得到的數(shù)據(jù)來(lái)控制鉆進(jìn)操作。這樣不僅效率高,而且安全和節(jié)約時(shí)間。同樣有重大意義的是：如果油井出事故,地層測(cè)井已獲得的數(shù)據(jù),可以作進(jìn)一步分析更深地層的地質(zhì)情況,以便合理地決定對(duì)油井的報(bào)廢或重鉆。今后,隨鉆隨測(cè)還將提供反饋電路,可以用作實(shí)現(xiàn)鉆井全部自動(dòng)化。井下探測(cè)儀器還可以提供雙向傳輸信號(hào)的能力,可以隨時(shí)根據(jù)地面指令進(jìn)行井下測(cè)量和操作。隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（MWD）能在鉆進(jìn)過(guò)程中自動(dòng)連續(xù)測(cè)量井底附近的有關(guān)參數(shù)并傳輸?shù)降孛妫M(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、處理和打印，為下一步施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)MWD最大的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)時(shí)地“看”到井下正在發(fā)生的情況，從井底測(cè)量參數(shù)到地面接收到數(shù)據(jù)只延誤幾分鐘，所以可以改善決策過(guò)程。在地質(zhì)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(cè)量系統(tǒng)是連續(xù)監(jiān)測(cè)鉆井軌跡、及時(shí)糾偏必不可少的工具。西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3MWD的信號(hào)傳輸方式分為有線（電纜）和無(wú)線兩種。電纜方式的優(yōu)點(diǎn)是可直接向井內(nèi)傳感器供電，實(shí)現(xiàn)井內(nèi)和地表設(shè)備之間的雙向通訊，實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳率高。但電纜往往影響正常鉆進(jìn)過(guò)程。無(wú)線方式不使用電纜，是定向鉆井技術(shù)發(fā)展歷程中的一個(gè)里程碑。導(dǎo)向鉆進(jìn)和自動(dòng)定向鉆進(jìn)等現(xiàn)代鉆探技術(shù)都以無(wú)線方式為基礎(chǔ)。無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x一般有兩大部分組成：一是地面系統(tǒng)，一般由地面接口箱、鉆臺(tái)顯示器、上位機(jī)軟件組成，其主要功能是把井下脈沖發(fā)生器傳來(lái)的信號(hào)從立管壓力中解讀，計(jì)算測(cè)量參數(shù)，并顯示給操作人員，指導(dǎo)定向鉆井；二是井下部分，主要由測(cè)量控制短節(jié)、動(dòng)力短節(jié)和信號(hào)傳輸短節(jié)組成，而液壓脈沖信號(hào)發(fā)生器是信號(hào)傳輸短節(jié)的核心部分。鉆井液脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x器的信號(hào)傳輸方式是：首先將井下測(cè)量的電信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換為壓力脈沖信號(hào)，再以鉆柱內(nèi)的鉆井液為介質(zhì)帶到地面，最后在地面接收脈沖信號(hào)并解碼獲取隨鉆參數(shù)。隨著受控定向斜井、分支井和大位移水平井等鉆井技術(shù)的迅猛發(fā)展，美、俄、法、英的無(wú)線隨鉆測(cè)量技術(shù)日趨完善，其井內(nèi)儀器已經(jīng)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(tǒng)解決了深水平井作業(yè)面臨的高溫、高壓兩大難題。在意大利Villafortuua-Trecate油田，用SlimPulseMWD技術(shù)鉆成了世界上最深的水平采油井。最終井深達(dá)6421m，井斜角，創(chuàng)造了在垂深6062m、斜角8590的條件下水平鉆進(jìn)184m的世界紀(jì)錄。（2）PrecisionDrillingComputalog公司其惡劣環(huán)境MWD（HELMWD）系統(tǒng)能在180，172Mpa的井下環(huán)境中穩(wěn)定工作。HEL包括定向探測(cè)器、高溫方位伽馬儀、環(huán)境惡劣度測(cè)量和井眼/環(huán)空壓力探測(cè)器。HEL系統(tǒng)已在墨西哥和美國(guó)進(jìn)行了廣泛的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在泥漿密度高達(dá)1.87g/cm，井下溫度超過(guò)170的井中成功作業(yè)。（3）俄羅斯電磁波式MWD系統(tǒng)1987年研制成功后，曾在西伯利亞幾個(gè)油田的20口井內(nèi)502000m深度的井段進(jìn)行了93個(gè)回次的生產(chǎn)試驗(yàn)。與傳統(tǒng)測(cè)斜儀的比較試驗(yàn)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(cè)系統(tǒng)已經(jīng)滿足工業(yè)要求。1999年11月該系統(tǒng)曾用于“亞馬爾地質(zhì)科技生產(chǎn)公司的No2030井。在井深25032818m的井段，用了兩個(gè)回次進(jìn)行造斜，使頂角增至34.5。經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)斜段后，在井深3422m處再次造斜，使頂角達(dá)到85.6，終于鉆到了設(shè)計(jì)的層位，并順利準(zhǔn)確地從油層中穿過(guò)。結(jié)果表明，這種電磁波式系統(tǒng)不僅在鉆井過(guò)程中，而且在接鉆桿停止鉆井液循環(huán)的情況下，都可保證井眼彎曲參數(shù)的正確測(cè)量，同時(shí)還可記錄鉆進(jìn)過(guò)程中的巖層電阻率曲線。正是由于在No2030號(hào)井中使用了電磁波式系統(tǒng)，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(shí)間內(nèi)完成了全部鉆井、固井和測(cè)井工作，并達(dá)到了沿含油層鉆進(jìn)的目的。與國(guó)外技術(shù)相比，我國(guó)還處在引進(jìn)和消化國(guó)外無(wú)線MWD西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4技術(shù)的階段，但正在加快研究步伐。如中國(guó)石油天然氣總公司、大港油田、勝利油田和北京海藍(lán)公司等單位和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行國(guó)產(chǎn)隨鉆測(cè)量?jī)x器的研制工作，以盡快消除MWD技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷的局面。1.2無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中信號(hào)傳輸方式的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀無(wú)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(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，以泥漿脈沖式使用最為廣泛。（1）聲波傳輸系統(tǒng)該系統(tǒng)利用聲波傳播機(jī)理來(lái)工作。當(dāng)鉆柱、鉆頭與井底相互作用時(shí)，鉆柱中會(huì)出現(xiàn)縱向彈性波，能監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)是巖石破碎工具的回轉(zhuǎn)頻率，其中主要是牙輪的振動(dòng)諧波。由于振動(dòng)的幅值和頻率與牙輪的磨損程度具有相關(guān)性，所以可據(jù)此來(lái)判斷工具的狀態(tài)。當(dāng)鉆進(jìn)規(guī)程保持不變時(shí)，信號(hào)的幅值變化情況還可以反映巖石的力學(xué)性質(zhì)。由于信號(hào)在鉆桿柱中傳播衰減很快，所以在鉆桿柱內(nèi)每隔400500m要裝一個(gè)中繼站。聲學(xué)信息通道的缺點(diǎn)是傳送的信息量少，類似于噪聲的聲學(xué)信號(hào)不可能給出準(zhǔn)確的工藝解釋，信號(hào)隨深度衰減很快。（2）電磁波通道系統(tǒng)該系統(tǒng)把一個(gè)類似低頻天線的電磁波發(fā)射器裝在井內(nèi)儀器中，通過(guò)遠(yuǎn)離鉆機(jī)的電極來(lái)接收由井底發(fā)至地面的信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是信息傳輸速度比水力通道快；對(duì)鉆井液的質(zhì)量要求和鉆探泵的不均勻性要求更低；對(duì)正常鉆進(jìn)沒(méi)有干擾；與其它方法相比，準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單，起下鉆時(shí)也能傳輸井下資料。缺點(diǎn)是信號(hào)衰減大，只能傳播低頻電磁波，易受井場(chǎng)電氣設(shè)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(fā)射實(shí)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(huán)激勵(lì)沿鉆桿方向的磁場(chǎng))兩種激勵(lì)方式。激勵(lì)軸向電流最簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)，由激勵(lì)器輸出的電壓通過(guò)密封接頭饋于兩端，形成一種類似雙極天線的地下非對(duì)稱雙極激勵(lì)裝置。最合適的井下激