抗高溫渦輪自發電HT-650型MWD儀器的應用與分析

李云浩（中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南 鄭州 450000）

抗高溫渦輪自發電HT-650型MWD儀器的應用與分析

李云浩（中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南 鄭州 450000）

文章介紹了抗高溫渦輪自發電HT-650型MWD儀器的工作原理，重點闡述了其自發電、抗高溫特性及柱塞式脈沖的特點，簡述了該儀器現場應用情況，分析了施工中的影響因素，提出了完善方向。現場應用進一步驗證了其優越性，取得了良好的使用效果。

HT-650型；渦輪發電；磁耦合器；脈沖器；應用分析

近年來，石油勘探開發難度逐漸增大，隨著井深增加，井下溫度不斷增高。以鋰電池作為電源的測量儀器，在高溫環境中，測量精度和穩定性下降，已無法滿足市場需求。因此，我公司引進了耐高溫、自發電HT-650型MWD測量儀，不僅拓展了儀器的應用范圍，還降低了維護成本，提高市場競爭力。

1 儀器工作原理

HT-650型無線隨鉆測量儀能提供井斜、方位、GT、BT、DIP、GM及溫度等數據。渦輪發電機，依靠鉆井液沖擊驅動產生電流提供動力。探管測量數據，通過壓力脈沖進行數據傳輸。地面設備連續地檢測立壓變化，并通過譯碼轉換成測量數據。

2 渦輪發電機

渦輪發電機在鉆井液沖擊下，通過磁耦合、切割磁感線等作用，實現了流體動能—機械能—電能的轉化，為測量儀器提供電力。

2.1 渦輪發電機井下結構

HT-650型MWD儀器渦輪發電機井下結構：導輪（固定不動，葉片有傾角）、渦輪（內壁嵌有永磁鐵，葉片傾角與導輪相反）、正流器等外圍件，組裝于脈沖本體上，發電機定子繞組和轉子永磁鐵則在脈沖本體內部。井下結構見圖1。

圖2-1 HT-650型MWD渦輪發電機井下結構示意圖

2.2 渦輪發電機工作原理

鉆井液從圖2-1左側向右流過，首先通過導輪改變液體流向，以最佳角度沖擊渦輪旋轉，然后利用渦輪上的永磁鐵與主動軸上的永磁鐵之間的磁力耦合，帶動主動軸及發電機轉子轉動，再通過定子繞組切割磁感線作用產生電流。

2.3 優勢

（1）渦輪發電機將機械能轉化為電能，不存在電池爆炸的風險，減少了污染環境，避免了因電量不足起下鉆。

（2）磁力耦合器實現了動力的非接觸傳遞，延長了電機系統的壽命。

（3）外圍件采用耐高溫抗磨材料，具有較好的抗高溫特性。

（4）能夠承受井下的高頻震動和沖擊，具有良好的安全性和穩定性。

3 創新型脈沖

HT-650型MWD儀器脈沖發生器，通過電磁閥的開閉，控制提升軸往復運動，從而改變蘑菇頭和限流環之間截面積，產生正脈沖信號。

3.1 脈沖發生器工作原理

圖3-1 脈沖發生器各動作狀態示意圖

（1）提升閥軸靜止狀態。圖3-1中（一）所示，電磁閥開啟，液壓油循環如下：殼體—柱塞泵—活塞缸—主閥和電磁控制閥—殼體。活塞缸內外壓力平衡，提升閥靜止不動。

（2）提升閥軸上升狀態。圖3-1（二）所示，電磁閥關閉，液壓油流動如下：殼體—柱塞泵—活塞缸。液壓油推動活塞軸上行，帶動與蘑菇頭產生正脈沖。

圖3-3（三）所示，活塞軸上升到一定位置，缸體側孔被打開，壓力平衡活塞軸不再上升。

（3）提升軸下行狀態。圖3-1（四）所示電磁閥再次打開，液壓油循環如下：殼體—柱塞泵—活塞缸—主閥和電磁控制閥—殼體。活塞軸在鉆井液壓力的作用下，下行至壓縮狀態。

4 現場應用

4.1 現場應用情況

JPH-322井實鉆井深4557m，井底垂深3150.16m，井斜91.7°，閉合方位164.95°。渦輪自發的測斜儀測量項目包括井斜、方位、GT、BT、DIP和溫度，所測數據與工程多點儀器在相同井段復測數值一致。

井深407m下入該無線隨鉆測量儀器進行軌跡跟蹤，井深2390m開始造斜，著陸A靶點井深3370m。在該井的施工期間，渦輪發電機連續供電達319h，井底循環最高溫度達100℃，儀器未出現任何故障，出井后檢查儀器各部件均無嚴重沖蝕現象。這些情況表明該儀器適應工況能力強、可靠性良好、耐沖蝕，且儀器井下工作信號穩定，測量精度高，復測性好，傳輸數據快。

4.2 應用結果

HT-650MWD已成功完成了新疆工區、鄂北工區數十口井的施工任務，使用優勢突出：

（1）儀器能夠滿足高溫、高壓、復雜井況對性能的特殊要求。

（2）儀器適用工況范圍廣、測量精度和參數的準確性高，抗腐蝕性、抗干擾性好，工作穩定性強。

5 影響因素分析

（1）限流環內徑過小、導輪和渦輪傾角過大，都會造成發電機轉子轉速過高，導致機械組件的過快損耗。因此，必須根據排量、鉆井液參數，選擇合適的限流環、導輪和渦輪配比。（2）鉆井液含砂量偏高，會對渦輪發電機和脈沖本體的沖蝕嚴重，甚至報廢儀器。因此，控制鉆井液含砂量不超過0.3%。（3）鉆井液加入藥品循環不均、泵進水情況不好、空氣包壓力不足、鉆井液氣侵等原因，都會干擾脈沖信號的傳遞和撿碼。因此，要定充分循環鉆井液，定期檢修設備、清洗濾網，補充空氣包壓力為工作壓力的1/3～1/4。（4）異物卡在托盤、導流器葉片處，導致偏蝕甚至刺壞脈沖本體。因此，要定期清潔管匯和濾網，灌漿及接單根時必須使用鉆桿濾清器。（5）若探管受到磁干擾，便不能保證測量數據的真實性。因此，根據探管測點所處位置，加長有效無磁的長度。

6 建議

HT650型MWD儀器探管測點到井底的距離約18m，定向施工中近兩個單根的數據不能及時測到，適下步預算難度增大。建議在探管和脈沖之間增加一段延長短接，縮短測點到井底距離，降低施工難度。