泥浆脉冲信号传输特性分析

周尊鹏　　中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司

【摘　要】无线随钻测量技术已成为施工定向井、水平井不可缺少的重要组成部分。本文对目前应用最为广泛的泥浆脉冲的三种方式进行了介绍，给出了泥浆脉冲信号传递速度公式及影响参数，分析了信号衰减计算方法及影响因素。研究表明信号传播速度受泥浆性质、钻柱的尺寸环境参数等因素的影响。泥浆脉冲信号的衰减程度与钻柱的尺寸、脉冲频率、泥浆参数、井深等参数相关。了解泥浆脉冲的工作原理及信号传输特性能可以提升现场施工人员理论水平，进而指导实践操作。

【关键词】泥浆脉冲信号；传输速度；信号衰减；影响因素

随着定向井、水平井施工任务的逐渐增多，无线随钻测量技术得到了广泛的推广应用。其工作原理为，井下测量探管实时测量工具面等参数，然后将其所测数据传输给信号发生装置，信号发生装置按照特定的编码规则将数据进行编码，然后以各种方式传输到地面，地面接收装置接收到信号后进行解码获得所需参数。目前无线随钻测量技术中信号传输的介质主要有三种，电磁波、泥浆、声波，其中电磁波在传输过程中信号衰减严重，只适合某一特定的地区使用；声波还处于研发阶段，并没有广泛的商业应用；而以泥浆脉冲的方式进行信号的传输，具有成本较低、可靠性较好等优势，所以是目前应用最多的传输方式。

一、泥浆脉冲的分类

目前对于泥浆脉冲传输信号的方式

根据其工作原理的不同可划分为三种：正脉冲、负脉冲、连续波，其中以正脉冲应用最为广泛。

1.泥浆正脉冲

正脉冲发生器主要结构是由针阀和小孔组成，正脉冲发生器接收到信号后，开始控制针阀的上下运行，进而改变了针阀和小孔间的间隙，引起泥浆流道面积的变化，进而引发泥浆压力波的产生。

2.泥浆负脉冲

泥浆负脉冲和正脉冲产生的原理正好相反，泥浆负脉冲主要是通过增大泥浆的流道面积，而引发泥浆压力的降低。其主要组成部件是泄流阀和泄流孔，负脉冲发生器接收到信号后，开始控制泄流阀的运动，引起泄流孔的开启和关闭，开启后泥浆由泄流孔流向环空引起钻柱内泥浆压力的降低，关闭后泥浆压力恢复正常，这样就产生了泥浆压力波。

3.泥浆连续波

连续波脉冲发生器是由一个定子和转子组成，其中定子和转子本身有许多叶片，脉冲发生器接收到信号后，开始控制转子的转动，当转子的叶片和定子

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的叶片重合时，泥浆流道面积最大，压力最低，转子的叶片和定子叶片没有重合就会导致泥浆流道面积的减小，而泥浆压力升高，这样就引起钻柱内泥浆压力的连续波动。

二、泥浆脉冲信号传播速度

在泥浆脉冲传输系统中，信号的传

输速度是一个基本参数。由于泥浆中含有岩屑、重晶石粉等各种固相物质，同时存在着以气泡形式的游离状态气体，进而增加了信号传输速度问题的复杂性。根据前人研究成果可知泥浆脉冲的传播速度主要由系统的弹性模量和流体密度决定，所以其计算公式为：K(1lv=Ke−βg−βs)ρl+βgρg+βsρsρ1+µKEelD+βKKg(Kl−1)+βs(Kl−1)gs式中：ρg—气体的密度，kg/m3；ρl—液体的密度，kg/m3；ρs—固体的密度，kg/m3；βg—体积含气率，m3/m3；βs—固体的体积浓度，m3/m3；Kg—气体的体积弹性模量，Pa；Kl—液体的体积弹性模量，Pa；Ks—固体的体积弹性模量，Pa；E—管材的弹性模量，Pa；D—钻杆内径，m；e—钻杆壁厚，m；μ—钻杆材料的泊桑比。

研究表明，泥浆中各组分的含量和密度直接影响到泥浆的密度和压缩性。通常，随着泥浆密度和压缩性的提高，泥浆脉冲的传输速度是降低的。此外，泥浆脉冲的传输速度对含气量非常敏感，随着含气量的增加，传输速度急剧下降。

三、泥浆脉冲信号衰减分析

由于钻具的弹性变形和管壁对泥浆的阻力作用，因此，在信号传输过程中，其泥浆脉冲强度将会不断地衰减。与长度相比，钻柱的径向是相对刚性的，并且直径很小，因此钻柱的轴向将作为脉冲信号的传输通道，研究中可以认为几乎所有的脉冲能量都传给了钻具内的泥浆。泥浆脉冲信号沿钻具传播的损失大部分来自于管壁的摩阻。与其它物理传输现象相似，泥浆脉冲信号也符合指数衰减规律。根据前人研究，得出

其信号衰减计算公式为：

=pp0.exp(−xL)其中

L=DK2πfµKDKK1+µEe+β(K−1)+β(K−1)式中：p0—信源信号的强度，Pa；p—传输x 距离后的信号强度，Pa；x—传输距离，m；L—信号衰减到信源强度l/e 时的传输距离，m；D—钻杆内径，m；ρ—泥浆密度，kg/m3；μ—泥浆粘度，Pa·s；f —信号的频率，Hz。

研究表明，信号频率、泥浆粘度和井深对信号的衰减程度均有显著的影响，但信号频率及其变化比泥浆粘度及其变化的影响相对更大，即高频信号更易于衰减。当脉冲频率较高、泥浆粘度较大时，信号强度随井深衰减得更快。通过计算及曲线图表明提高泥浆脉冲信号的频率和传输深度是一对矛盾的，数据传输的越快信号衰减的越严重，这也是提高随钻测量传输速率的难题之一。

四、结论

1.泥浆脉冲信号传播速度受泥浆组分及性质、钻柱的尺寸及材料特性、环境参数等因素的影响。随着泥浆密度和压缩性的提高，脉冲信号的传输速度是降低的。泥浆脉冲的传输速度对含气量非常敏感，随着含气量的增加，传输速度急剧下降。

2.泥浆正脉冲信号的衰减程度主要与钻柱的尺寸及材料特性、脉冲频率以及泥浆参数、井深等有关。脉冲频率比正脉冲信号传输影响相对更大，即高频信号更易于衰减。当脉冲频率较高、泥浆粘度较大时，信号衰减得更快。

参考文献：

[1]刘修善,岑章志.钻井液脉冲传输速度的影响因素分析[J].石油钻采工艺，1999,21(5)：l～4.[2]刘修缮,苏义脑.钻井液脉冲信号的传输特性分析[J].石油钻采工艺,2000，22(4)：8～10.