تعریف عملکردی و موقعیت یابی سیستم
مولد پالس گل شیر دوار در سیستم اندازه‌گیری در حفاری (MWD) یک دستگاه مدولاسیون موج فشار هسته برای بارگذاری داده‌های پایین چاه است. وظیفه اصلی آن انتقال کدهای دیجیتال پارامترهای جهت (زاویه شیب، زاویه آزیموت، زاویه صورت ابزار) و پارامترهای تشکیل (به عنوان مثال، شدت اشعه گاما، مقاومت) است که توسط رشته ابزار حفاری با تعدیل نوسانات فشار سیستم گردش سیال حفاری جمع آوری شده است. این دستگاه سیال حفاری را از یک محیط هیدرولیک به یک حامل داده به سمت بالا تبدیل می‌کند و{4}}نظارت واقعی پارامترهای مهندسی حفاری و اطلاعات سازند را امکان‌پذیر می‌سازد.
ساختار و اصل کار
ژنراتور عمدتاً از اجزای زیر تشکیل شده است:
مجموعه استاتور:بر روی محفظه ژنراتور ثابت شده، از آلیاژ{0}} تنگستن یا سرامیک های خاص ساخته شده و با آرایه ای از سوراخ های جریان با اشکال هندسی خاص (مثلاً مستطیل یا بادبزن{3}}شکل) طراحی شده است.
مجموعه روتور:توسط یک موتور توربین حفره ای یا موتور DC بدون جاروبک، متصل به مجموعه بلبرینگ دقیق از طریق یک محور محرک، با مجموعه ای از سوراخ های جریان بر روی سطح آن که مطابق با سوراخ های استاتور است.
ماژول کنترل:سیگنال های دیجیتالی را از مدار اندازه گیری چاله دریافت می کند و به طور دقیق جابجایی زاویه ای روتور یا سرعت چرخش را از طریق الگوریتم های کنترل موتور تنظیم می کند.
محفظه فشار: فشار حلقوی پایین چاله و فشار دینامیکی سیال حفاری را تحمل می‌کند و یک محفظه فشاری-در داخل تشکیل می‌دهد.
حالت های اصلی کار
بر اساس اصول مدولاسیون، دو حالت کار اساسی وجود دارد:
1. حالت پالس فشار منفی
- حالت اولیه:سوراخ‌های جریان روتور کاملاً با سوراخ‌های جریان استاتور هماهنگ هستند و مقاومت جریان سیال حفاری را به حداقل می‌رسانند.
- تولید سیگنال:ماژول کنترل روتور را به چرخش سوق می دهد تا زمانی که سوراخ های جریان استاتور کاملا مسدود شوند و بخشی از مایع حفاری را مجبور می کند تا به مدار بای پس منحرف شود. این تغییر ناگهانی گذرا در مقاومت جریان باعث ایجاد افت فشار مشخص در ستون سیال حفاری می شود.
- روش رمزگذاری:رمزگذاری داده های باینری با کنترل زمان تولید افت فشار (مدولاسیون عرض پالس یا مدولاسیون موقعیت پالس) به دست می آید.
2. حالت موج فشار مداوم
- عملکرد{0}}وضعیت ثابت:روتور چرخش یکنواختی را با سرعت مرجع که توسط ماژول کنترل هدایت می شود حفظ می کند.
- تولید سیگنال:تراز دوره ای و ناهماهنگی سوراخ های جریان روتور و استاتور منجر به تغییر مداوم در سطح مقطع{0}}جریان سیال حفاری می شود که باعث می شود فشار لوله ایستاده تقریباً در یک الگوی سینوسی نوسان کند.
- روش رمزگذاری:فن آوری تغییر کلید فاز یا کلید زدن فرکانس برای انتقال داده ها با تغییر زاویه فاز یا فرکانس موج فشار به کار گرفته شده است.
ویژگی های فنی و مزایای مهندسی
در مقایسه با ژنراتورهای پالس شیر رفت و برگشتی، طراحی شیر دوار دارای مزایای فنی زیر است:
قابلیت اطمینان بهبود یافته:حالت حرکت چرخشی اصطکاک رفت و برگشتی با فرکانس بالا را بر روی سطح آب بندی محوری میل سوپاپ حذف می کند و احتمال خرابی آب بند را کاهش می دهد. وضعیت تنش قطعات متحرک متعادل تر است و عمر مفید سیستم بلبرینگ را افزایش می دهد.
نرخ انتقال داده بهینه:حالت موج پیوسته می تواند به نرخ انتقال 3-16 bps دست یابد، که از الزامات انتقال مجموعه پارامترهای اندازه گیری گسترده و داده های تصویربرداری تشکیل محدود پشتیبانی می کند.
بهبود کیفیت سیگنال:موج فشار تولید شده دارای ویژگی‌های طیفی واضحی است که با استفاده از فیلتر دیجیتال (مثلاً فیلتر کالمن، تبدیل موجک) کاهش نویز توسط سیستم سطح را تسهیل می‌کند و نسبت سیگنال به نویز را بهبود می‌بخشد.
سازگاری سیال تقویت شده:کاهش حساسیت به توزیع اندازه ذرات فازهای جامد در سیال حفاری، حفظ عملکرد پایدار در سیالات حفاری مبتنی بر-بنتونیت، نفت-و مصنوعی{2}}.
چالش های فنی کلیدی و اقدامات متقابل
عمده ترین چالش های فنی پیش روی دستگاه در عملیات چاله و راه حل های مربوطه به شرح زیر است:
شرایط دمای بالا و فشار بالا:موتورهای با دمای بالا (کلاس عایق H و بالاتر)، اجزای الکترونیکی با دمای بالا و سیستم‌های مدیریت حرارتی مورد نیاز هستند.
محیط ساینده:سطوح روتور و استاتور باید با پاشش حرارتی کاربید تنگستن یا رسوب فیزیکی بخار تصفیه شوند و لبه‌های سوراخ‌های جریان باید طراحی هندسی مقاوم در برابر فرسایش{0}} داشته باشند.
الزامات آب بندی دینامیکی:شفت اصلی یک طرح ترکیبی از -درزگیر دخمه پرپیچ و خم چند مرحله ای و مهر و موم دم فلزی، همراه با یک سیستم جبران فشار برای متعادل کردن اختلاف فشار در داخل و خارج از محفظه آب بندی استفاده می کند.
محیط ارتعاشی:تحلیل المان محدود برای بهینه سازی فرکانس طبیعی سازه و اجتناب از جفت شدن با حالت ارتعاشی رشته مته استفاده می شود. بردهای مدار کلیدی با روش های کاهش ارتعاش تصفیه و نصب می شوند.
روندهای توسعه فنی
توسعه فناوری کنونی بر جهات زیر متمرکز است:
بهبود سازگاری با شرایط کاری شدید (حداکثر دمای کاری > 175 درجه، فشار کاری > 140 مگاپاسکال)
توسعه فناوری مدولاسیون تطبیقی برای بهینه سازی خودکار پارامترهای سیگنال با توجه به ویژگی های سیال حفاری و شرایط پمپ
یکپارچه سازی پردازش داده ها و الگوریتم های فشرده سازی برای بهبود کارایی بارگذاری موثر داده ها
کاوش پروتکل‌های{0}}انتقال با نرخ بالا بر اساس مدولاسیون چند فرکانس و کدگذاری متعامد
برای نسل جدید ژنراتورهای پالس گل شیر دوار MWD، ZTMWD-XT را به‌عنوان مثال به‌طور مستقل توسط ZITN توسعه داده‌ایم. ZTMWD-XT یک سیستم MWD با کارایی بالا- است که به‌ویژه برای محیط‌های با دمای فوق‌العاده و فشار بالا (HTHP) طراحی شده است و قادر به عملکرد پایدار در دماهای تا ۲۰۰ درجه است. مولد پالس گل دریچه چرخشی آن با افزایش و کاهش فشار در رشته مته، سیگنال‌های پالس فشار را تولید می‌کند و می‌تواند مواد گردشی از دست رفته را که ممکن است در طول چرخش پالس را مسدود کند، جدا کند. پالسر از یک گروه سوپاپ، اجزای مکانیکی، اجزای کنترل حرکت و یک مرکز ساز تشکیل شده است. مدار درایو موتور ژنراتور پالس از فرآیند مدار MCM با دمای بالا-فلز بسته‌بندی شده{10} استفاده می‌کند که عمر کاری و ظرفیت ضد لرزش مدار را در مقایسه با فرآیند PCB معمولی بهبود می‌بخشد.
به عنوان کانال ارتباطی مرکزی سیستم MWD، عملکرد فنی مولد پالس گل دریچه دوار مستقیماً بر عملکرد زمانی واقعی و یکپارچگی داده‌های اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارد. طراحی و ساخت این دستگاه شامل کاربرد متقابل دینامیک سیالات، علم مواد، ماشین‌آلات دقیق و مهندسی کنترل است که بازتابی از یکپارچگی فن‌آوری در زمینه ابزارهای حفاری نفت است. با توسعه مهندسی حفاری به سمت چاه‌های فوق-عمیق، چاه‌های با دسترسی گسترده-و حفاری هوشمند، نیازمندی‌های فنی به‌روزرسانی مداوم برای نرخ انتقال، قابلیت اطمینان و سازگاری شرایط کاری ژنراتورهای پالس وجود دارد.