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1、地质导向系统的信息传输通道正脉冲发生器系统张维王新民(西安石油勘探仪器总厂)1Lj-一、刖 舌地质导向钻井技术是正在发展的一项钻井高新技术。正脉冲发生器系统是地质导向钻井 系统中下井仪器与地面仪器数据通信的传输通道，是一种在钻井过程中实现井下与地面无线 传输的技术。它利用钻柱中的泥浆脉冲将测量信息数据传输到地面，故也称为泥浆脉冲遥测 系统。从目前国内外使用隋况来看，泥浆脉冲传输类型主要有正脉冲传输、负脉冲传输和连 续波传输。 我们这里介绍的正脉冲发生器系统是在研究国内外多种脉冲发生器系统的基础上所选择 研制的一种脉冲发生器系统。它包括正泥浆脉冲发生器、驱动器电路、控制及编码程序等部 分，是我们
2、研制的地质导向钻井系统的重要组成部分之一，也可用于其他各种随钻测井系统 的数据信息传输或单独组成MWD系统。 正脉冲发生器系统的特点之一是可靠的数据传输方式(有较强的接收信号)和较高的传 输速率。这样，使地质导向的测井数据信息能大量实时地传送到地面，准确地反映地层情况 和进行地层评价。及时修正井眼轨迹，对钻头进行实时导向。特点之二是其低功耗的工作方 式。这样，其可大大节省下井仪器电池筒的电量，减轻了下井仪器供电系统的负担，从而保 证了下井仪器能够更长时间地工作。二、正脉冲发生器系统的主要性能指标其主要性能指标见表1。表1项目指标备注 工作温度 0150连续工作时间 250h以上 用于MWD 传
3、输率 lbs5b8抗震动 209随机51000Hz 抗冲击 10009 lms半正弦 耐压140舡)a-44-三、正脉冲发生器系统的组成及原理系统结构示意图如图1。 如图所示，正脉冲发生器系统由正脉冲发生器、驱动器短节、电池筒短节(可选择)、总线接口以及 正脉冲发生器 相应的控制编码软件等组成。 仪器各个短节之间的连接方式采用4芯总线方 4芯接头连接式，系统与地质导向下井仪器之间的连接与通信也驱动器短节 采用开放式的4芯总线方式。这样不仅使下井仪器 具有短节之间的可随意互换陛，而且还可连接LWD 4芯接头连接，总线结构 或其他下井仪器。 电池筒短节(选择件)图中的4芯转单芯短节专用于配接地质导
4、向近 4芯接头连接，总线结构 钻头系统，用于接收发送数据信息。4芯转单芯结构(选择件) 下井仪器供电方式为+25V，下井仪器外壳直径为48mm。下井仪器 在钻井过程中，泥浆流会连续地沿着钻杆的中 心向下到达钻头处，对钻头冷却并将岩屑向上冲刷 图1系统结构示意图 至地面的 泥浆池。数据通信主要过程是：将下井仪 器需要上传的数据信息通过总线接口送到驱动 器的CPU电路，由驱动器控制电路按约定的 时序和编码控制及驱动脉冲发生器动作，正脉 冲发生器利用主阀筒处的能量差对泥浆的压力 进行调制，在泥浆柱中产生正脉冲信号。脉冲 发生器在井下用液压启动锥形的主阀芯向着主 阀筒运动，使泥浆通过主阀筒时给以一定的
5、限 制。这样就产生了回压或脉冲，使得地面系统 的立管压力中产生附加的或“正”的压力增长。 这个正的压力脉冲就表示井下信息二进制数 据编码的“1”，钻井泥浆是液压传动介质，所 传递压力的高低取决于电磁阀的位置。当电磁 阀关闭时，主阀芯复位，钻杆内的压力降至正 常值，这时的状态就表示井下信息二进制数据 编码的“0”。通过检测地面立管上的压力变 化，经过滤波和信号拾取处理，使地面系统能对 其进行解码和测量。 以下论述系统的几个部分。四、正脉冲发生器正脉冲发生器是正脉冲发生器系统的关键部件，是一个机电液一体化设备。它主要由主 阀、溢流阀和控制阀组成。主阀限制泥浆的流动，以产生正脉冲。溢流阀控制仪器的内
6、压 力，调节脉冲的幅度。控制阀控制主阀的运动。不产生脉冲时，沿钻杆从地面向下泵的泥浆流经主阀筒推动主阀芯向下压迫弹簧，由于 泥浆流的总流通面积减少，在主阀简处出现一小压差。高压边泥浆经主轴内孔到达控制阀下 方。高压施加在浮动活塞的顶部，浮动活塞的两边压力平衡。当驱动器按约定的编码方式和顺序控制驱动脉冲发生器动作，发上传数据信号时，螺线 管被激励，将控制阀向下拉，使高压泥浆经主阀轴内孔流过控制阀座至动力活塞的背面。动 一45力活塞与主轴连接，并且直径大于主阀筒上主阀芯的直径。活塞之下的高压推动主阀芯向上 朝着主阀筒运动，泥浆流的总流通面积进一步减小，在钻杆中产生高压，这样，就产生了一 个正脉冲，
7、实现信息的传送。此高压的大小由动力活塞上的阀控制。在一规定的压力下，溢流阀打开，防止主阀迸一 步提升，用这种方式就可以在较大的压力范围内控制了所产生的脉冲幅度。当驱动器发出的 数据信号结束时，因复位弹簧的作用，控制阀快速返回阀座，阻断了通过主轴的泥浆流。动 力活塞之下的高压经阀的狭缝向低压边泄漏，使主阀被推动，压着主弹簧向下运动，从而降 低了钻杆内的压力并恢复到正常值。五、驱动器系统驱动器短节有以下功能： (1)它是下井仪器的信息控制管理中心，接收下井仪器的数据信号，并进行数据处理、 编码、存储、发送格式制定等。将要发送的数据按约定的排序方式上传，并将其他测量数据 保存在相应的存储器中。 (2
8、)驱动脉冲发生器工作，提供脉冲发生器足够的能量，实现钻柱管内的压力变化。根 据设定的泥浆压力波形控制脉冲发生器动作，实现信息的传送。 (3)压力开关监测通过监测 压力来控制数据的采集和发送，根据压力开关的关开时间顺序来调整传输数据序列。 (4)对整个下井仪器系统进行电源统筹管理，作到最大程度地节 电运行。电压的稳定和节能采用硬件与软件相结合的方式。 1驱动器原理 驱动器控制电路主要由两部分组成，即CPU主控电路和驱动电路。驱动器电路原理图如图2。 主控CPU电路是控制管理驱动器系统和所接下井仪器的核心，下井仪器测量数据或信 息通过时；US进入主控制器电路CPU。CPU将要发送的数据输出到驱动器
9、电路的CPU，驱 动电路将数据变成脉冲电流来供给脉冲发生器上的螺线管，使脉冲发生器的电磁阀工作，在 钻管的泥浆柱上产生一个正压力脉冲信号，脉冲的宽度及传输的速率由主控CPU的程序控 制，暂不上传的数据也由主控MPU分配存储。 驱动脉冲发生器发一个正脉冲的工作过程由四个工作周期组成。 电路储能存储使电磁阀工作的足够能量。 螺线管驱动 有一个大电流使电磁阀在短时间内打开。 螺线管保持有一 稳定电流使电磁阀保持打开状态。 螺线管复位有一控制信 号使电磁阀立即复位，返回原位。2电路设计 整个电路由以下两个电路 模块组成。 (1)主控制器电路(MPU 电路模块)。 电路是以微处理器MC68HCll为核心
10、组件组成的主控制器模块(简称MPU)。其原理 框图如图3。 其功能为下井仪器的控制、数据的处理、数据传输编码及格式化管理、建立下井仪器通-一46-图2驱动电路原理图图3主控制器电路框图讯系统。(2)驱动器电路(DRIvE电路模块)。 驱动器电路用全内置式单片机Mc68HC811(内置EEPRoM和删)为控制器，由高 低压电源电路、开关控制电路、储能电路等组成，简称DRIVE。它用于对脉冲发生器电磁 阀的工作控制。其原理框图如图4。 其功能为产生大的驱动电流来控制脉冲发生器的螺线管，使电磁阀工作。给驱动器短节的其他电路提供低压直流电源。-47-取样输出图4驱动器电路框图六、电池筒短节电池筒原理示
11、意图如图5。GNDG加p BUSp BUS +25V+25V NCNc图5电池筒原理示意图图中的两端是4芯总线方式，每个电池组短节由7节电池组成，每个电池组直流电压标 称值为25V。 其功能为监测电源电流泄放隋况及监测电压，并可由主电池组A切换到备用电 池组B。 电池控制板采用全内置的单片机MC68HC811作为控制核心，图6为其电路框 图。一48出 电池组 电池组B图6电池控制板框图七、总线及传输短节这一部分是专为配接地质导向近钻头测量或其他LWD下井仪器而设计的。其作用是将 正脉冲发生器系统的4芯总线中的数据总线弘BUS引出，通过保护器电路与其他测井仪器相 连，并接收其测量信号。八、与地质
12、导向下井仪器通信协议在井下仪器内部通信协议中，我们定义脉冲发生器系统的主控MPU为主机，其余下井 仪器短节的CPU均定义为从机。它们以总线方式连接，各短节在主控MPU的控制下分时 共享总线资源。九、小 结国内勘探开发由于自身发展的需要，水平井和大位移井的普遍开钻，对钻井工程提出的 技术要求也越来越高，无线传输(即泥浆脉冲遥测)将成为随钻测量传输的必然手段。正脉 冲发生器系统能满足地质导向、lVIWD测量、LWD测井以及各种下井仪器的数据传输要求， 可为地面仪器提供可靠、准确的井下测量参数。作为总公司“地质导向钻井系统研制与应 用”项目的一部分，我们研制正脉冲发生器系统的意义在于使我们掌握了这项钻井仪器的较 高技术，一方面是为开展钻井高新技术服务，另一方面是由此进一步深入研究泥浆脉冲发生 器的传输以及研制出新型lVlWD随钻仪器。正脉冲发生器系统及新型MWD仪器目前正在加 紧研制，通过多方面的紧密合作，通过消化吸收国外先进技术将会尽快完成项目的研制，为 地质导向的尽快实现打下良好的基础。一49
