石油钻井用泥浆发电机综述.pdf

2 01 3年 第 2 7卷 第 1期 石油仪器 P ETRoLEUM l NS TRUM ENI S 3 1 仪器设备 石油钻井用泥浆发电机综述 黄晓凡林恩怀 北京市普利门电子科技有限公司北京 摘 要石油钻井过程 中，一般都需要给井下 电子测量总成及旋转导向 系统中的导向控制模块供 电，与传统的锂电池相 比 ，泥浆发电机具有耐高温性好、输 出功率 大等优势。根据涡轮与发电机本体连接方式的不 同以及发电机本体 结构形式的 不同，论述 了泥浆发电机的主要结构形式及其优缺点。结合泥浆发电机的结构示意图，阐明 了其工作原理 。指 明由于发电 机本体 的直径受限，并且工作在井下高温高压及泥浆排量 变化的严酷环境下，导致其输 出功率难以大幅度提高，并且给发 电机本体制造工艺及涡轮选型等方 面带来一 系列特殊要求。文章主要 以国外产品为例，详细介绍 了泥浆发 电机在无线随钻 测量 MWD和旋转导向系统 RS S 中的应 用情况。最后从耐高温高压 、输 出电压的稳定性 、功率／ 体积比三方 面指明 了泥浆 发 电机 的发展趋 势 。 关 键 词石油钻井；泥浆发电机；结构形式；无线随钻测量；旋转导向系统；发展趋势 中图法分类号T E 2 4 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 3 0 1 0 0 3 1 - 0 3 0 引 言 随着石油钻井工业的发展 ， 在复杂地质条件下钻 深井 、水平井、多分支井的过程 中，井下随钻测量仪 器和旋转导向仪器等发挥着至关重要的作用， 其功能 越来越强 ，使用的传感器和控制执行机构越来越多。 在仪器工作过程中， 一般都需要给井下电子测量总成 及旋转导 向系统中的导向控制模块供电。 一种传统方 式是利用耐高温锂电池供电， 但其存在着诸如耐高温 性差 ，输出电功率较小 ，操作 不当时可 能爆炸等缺 点 。另外 一种优选的方式是利用泥浆发电机供电『 1 ] ， 通过井下循环泥浆冲刷涡轮带动发电机转子旋转发 电，这种方式理论使用时间无限 ，国外产品连续使用 时间也可到 5 0 0 h以上 ，维修时只需要更换少数易损 件 如轴承等 ，可重复使用，提供的电功率也较大， 因此在无线 随钻测量 MWD ，自动垂直钻井系统及 旋转导 向系统中得到了广泛的应用 。 1 泥 浆发 电机 结构 形式及 工作原理 石油钻井用泥浆发电机主要由涡轮 、 发电机及两 者的连接机构组成 。 根据涡轮与发 电机连接方式的不 同以及发电机本体结构形式的不同， 泥浆发电机主要 分为以下 3种 。 1 ． 1 应用旋转动密封的硬连接方式 图 1 是应用旋转动密封的硬连接方式的泥浆发电 机结构示意图。其中导轮与钻铤固连，其上分布有若 干导轮叶片 ， 导轮的作用是将流过的泥浆沿着涡轮叶 片的入 口角进行导 向， 提高泥浆发 电机对泥浆动能的 利用率以及减小泥浆对涡轮 的轴 向冲击力。 涡轮上也 分布有若干涡轮叶片。 图 1 应用旋转动密封的硬连接方式的泥浆发电机结构示意图 发电机转子和发电机定子构成发电机本体 。 发电 机定子为硅钢片叠压 的齿槽结构 ， 槽里绕有漆包线绕 组 ， 绕组一般是 3 相 Y型接法 。 发电机转子上分布有 磁钢 ，可以是 1 对极 ，也可以是多对极，磁钢充磁方 向及安装形式主要有径向结构和切向结构两种 。 发电 机本体结构以图 l 中所示内磁钢转子 、 外绕组定子形 式为主 ， 也可以是盘式发电机结构或者无铁心的骨架 式定子结构【2 ] 。由上述可知，发电机本体一般是 3 相 永磁同步发电机。 发 电机本体处在液压油中， 通过旋转动密封隔离 了泥浆，使得泥浆无法浸入发电机本体 。 涡轮可 以和 第一作者简介黄晓凡，男，1 9 7 6 年生，1 9 9 9年毕业于湖南大学电机专业，2 0 0 2年获航天科技集团一院 1 3所电机专业硕士学位。长期从事 MWD 、L WD、旋转导向用井下发电机、电动机、电磁阀及角度传感器等电磁元器件的设计与控制工作。邮编1 0 0 0 4 1 3 2 石油仪器 P E T R oL E UM I NS T R U ME N I S 2 01 3年 2月 发 电机转子直接固连 如图 1 所示 ，也可以在涡轮 轴和 发电机转子之间安装齿轮变速器 处在液压油 中 ，提高发电机转子的转速 ，使得发电机工作在更 加优化的功率输出状态 。 泥浆发电机工作原理如下 从钻柱来的泥浆经过 导轮导向后 ， 冲刷涡轮带动涡轮转动，进而带动发电 机转子转动 ， 转子磁钢产生的磁场切割发电机定子绕 组产生三相交流电。 应用旋转动密封的硬连接方式的泥浆发电机优点 是涡轮 与发 电机直接连接 ，结构简单 ，轴 向尺寸较 短 ； 缺点是存在着容易泄露及动密封易磨坏等不可靠 问题 。 1 ． 2 磁耦合器连接方式 磁耦合器连接方式的泥浆发电机结构如图2 所示。 其中外磁耦合器磁钢和涡轮固连 ， 内磁耦合器磁钢和 发电机转子 固连 ，两者之间通过隔离套隔离泥浆，使 发 电机处于空气或液压油中 ， 隔离套则和导轮一起固 连在钻铤内 图 2中钻铤未画出 。外磁耦合器磁钢、 内磁耦合器磁钢和隔离套共同组成 了磁耦合器 。 定子 子绕 组 图2 磁耦合器连接方式的泥浆发电机结构示意图 磁耦合器有 圆盘式 轴 向式和圆筒式 径 向 式两种结构形式 ，图 2中是圆筒式磁耦合器 井下 循环泥浆带动涡轮旋转 ， 通过磁耦合器的外磁耦合器 磁钢和内磁耦合器磁钢之间的磁耦合作用带动发电机 转子旋转发电。同样地 ，发电机本体结构可以是内磁 钢转子、外绕组定子形式，或者盘式发 电机结构 ，或 者无铁心 的骨架式定子结构 。 磁耦合器连接方式的泥浆发电机 ， 涡轮通过磁耦 合作用与发电机转子连接， 省去了旋转动密封， 不存 在泄漏等动密封引起的不可靠因素 。 缺点是增加了磁 耦合器连接单元 ， 使得轴 向长度增加 。另外长期工作 时，外磁耦合器磁钢处易积累磁性碎屑 ，磨坏隔离 套 ，造成仪器故障。 1 ． 3 磁钢与涡轮固连的外磁钢转子、 内绕组定子形式 泥浆发 电机结构以 1 ． 1及 1 ． 2中所述为主流 ，除 此外 ，还有磁钢与涡轮固连的外磁钢转子 、内绕组定 子形式，如图 3所示。其中发电机转子磁钢和涡轮固 连 ，处于旋转状态 ，发电机定子 含定子绕组和发 电机抗压筒固连 ， 处于静止状态 。其优点是不需要旋 转动密封及磁耦合器连接 ， 内绕组定子硅钢片槽 口朝 外，属于开放式下线 ，下线方便 ；缺点是长期工作时 外转子磁钢处易于积累磁性碎屑 ，磨坏发 电机抗压 筒，造成仪器故障 。 导 图 3 磁钢与涡轮固连的外磁钢转子、内绕组 定子形式的泥浆发电机结构示意图 2 泥浆发电机设计及应用的主要问题 机 筒 与一般工业用发电机相 比， 石油钻井用泥浆发电 机存在很多特殊性 ，其设计及应用时的主要问题有 1 限于钻铤尺寸 ，发 电机本体 的直径也较小 例如一般MWD用发电机本体定子铁心外径仅有05 0 左右 。根据电机设计理论L 3 J D2 l efl l 一 鱼 r． r l 1 P ％K Ka p A B6 上式中， D为电枢直径 即定子铁心内径 ， 为 电枢 的计算长度 ， 为发电机转速 ， P 为计算功率 ， ％ 为计算极弧系数 ， 为气隙磁场的波形系数 ， 为 电枢的绕组系数 ， 为线负荷 ， 为气隙磁密， 为 电机常数。 在假定 、 取值不变时 ，由式 1 可知 ，发电 机输出功率与发电机本体直径的平方成正比。 考虑到 井下温度高， 的取值要比一般工业用发 电机的取值 更小 ， 取值也有所下降。于是可知，随着发电机本 体直径的减小 ， 输出同样功率的情况下 ， 发 电机要做 得很长。而从电机定子绕组下线工艺方面讲 ，发电机 越长则下线越困难 这也说明了泥浆发电机输出功率 很难大幅度提高的原因。 2 泥浆发电机工作在井下高温高压的环境 ，与 一 般工业用发 电机相比， 存在很多特殊的制造工艺要 求 ， 包括需要对定子绕组进行抽真空浸耐高温漆 ，漆 包线、绕组槽绝缘等绝缘材料 、磁钢等都需要选取耐 高温材料 2 0 0 度以上 。如果发 电机处在液压油中 ， 转子磁钢镶嵌后需要进行抽真空灌胶处理。 3 泥浆发电机在井下工作时， 泥浆排量的变化 2 01 3年 第 2 7卷 第 1期 黄晓凡等 石油钻井用泥浆发电机综述 3 3 会造成发电机转速不稳定 。 如果泥浆排量变化范围较 大 ， 发电机 的开路输出电压幅值变化就会较大，将对 后续整流电路及 电压调节电路部分造成较大冲击 ， 甚 至损坏电路 。目前泥浆发 电机产品实际应用当中，主 要是根据仪器使用时的泥浆排量范围来提前确定涡轮 型号 ，保证发 电机输出电压在允许范围内。 3 泥浆发 电机应用概况 泥浆发电机主要应用于无线随钻测量 MWD 、 无线随钻测井 L WD 、自动垂直钻井系统、旋转导 向系统等中 ， 为井下电子测量总成及导向控制模块供 电。国外 的无线 随钻测量 MWD产品大部分都 已 经将泥浆发电机作为标准配置 ， 而 自动垂直钻井系统 及旋转导向系统大部分也是使用泥浆发电机 。 国内的 无线随钻测量 MWD产品则仍然主要使用 电池供 电，与泥浆发 电机供电相比 ， 仪器耐高温性及测量参 数的扩展受到了很大的限制 。 3 ． 1 用于无线随钻测量 MWD中 无线 随钻测量是实现定向钻井的前提 ， 用来实时 监控井眼轨迹以便及时纠偏 。 根据信息传输方式的不 同，无线随钻测量主要有 3种 ，泥浆脉冲、电磁波和 声波 。下面以泥浆脉冲和电磁波无线随钻测量为例 ， 详细论述泥浆发 电机在其中的应用。 3 ． 1 ． 1 用于泥浆脉冲式无线随钻测量 中 应用泥浆发电机的泥浆脉冲式无线随钻测量系统 主要由脉冲发生器、 泥浆发电机和加速度计等电子测 量总成 即电子仓组成 。泥浆发 电机通常置于脉冲 发生器和电子仓之问，其输 出的交流电经过整流 、滤 波及调压后给脉冲发生器和电子仓提供电能。 脉冲发 生器主要有正脉冲，负脉冲和连续波三种方式。国外 应用泥浆发电机 的泥浆脉冲式 MWD产品有 1 B a k e r Hu g h e s 公司的Na v i T r a k UP U，属于正 脉冲无线随钻测量方式 ， 泥浆发电机为磁耦合器连接 方式， 输出功率为 8 5 W ， 给脉冲发生器中驱动小阀的 电磁阀和电子仓提供所需电能。 2 S c h l u mb e r g e r 公司的 s l i mp u l s e ，属于连续波 无线随钻测量方式，泥浆发电机为应用旋转动密封的 硬连接方式 。将泥浆发电机和调制器 脉冲发生器的 组成部分集成到一起 ，发电机同时起到发电和控制 调制器转速使脉冲发生器工作在连续波模式两种作用[ 4 ] 3 Ha l l i b u r t o n公司的 3 5 0 ，6 5 0及 1 2 0 0系列产 品属于正脉冲无线 随钻测量方式 ， 泥浆发 电机为磁耦 合器连接方式，输 出的功率约 2 5 W。 4 A P S 公司的旋转阀正脉冲发生器配套用的泥 浆发电机为应用旋转动密封的硬连接方式， 输出功率 为 1 5 0 W。 3 ． 1 ． 2 用于电磁波式无线随钻测量中 在 “ 欠平衡钻井” 、“ 含气层钻井”中，泥浆脉冲 式 MWD无法正常使用 ， 利用电磁波式 MWD则可以 有效地解决这些问题。 俄罗斯地平线有限责任公司生产的Z T S 系列电磁 波无线随钻测量系统 E M MWD[ 5 ] ，采用泥浆发电 机供电，把 电子仓测出的井斜 、方位、工具面角等参 数实时地用电磁波发送到地面。 泥浆发电机输出功率 为 2 2 5 W ，工作转速 8 0 0 r ／ rai n～ 3 0 0 0 r ／ mi n ，额定泵 排量范围 3 0 L ／ s ～ 7 5 L ／ s 。 3 ． 2 用于自动垂直钻井系统及旋转导向系统中 旋转导向系统与滑动导向钻井系统相比 ， 具有摩 阻与扭阻小、钻速高 、井眼轨迹平滑易调控等优点 ， 被认为是现代石油钻井技术的发展方向， 主要分为推 靠钻头式和指向钻头式两种[ 6 ] 。而 自动垂直钻井系统 属于旋转导 向系统的一种特例 ，在高陡构造 、大倾角 地层 防斜打快方面优势巨大， 同样地也主要分为推靠 钻头式和指向钻头式两种 。 旋转导向系统及 自动垂直钻井系统 中的导向控制 模块及电子仓需要的电功率一般较大， 利用耐高温锂 电池供电是不可行的， 国外的仪器大部分都是使用泥 浆发电机供电。例如 B a k e r Hu g h e s 公司的 A u t o T r a c k R C L S ，S c h l u mb e r g e r 公司的 P o w e r D r i v e系列旋转导 向系统均用到了泥浆发电机供电； 而 B a k e r H u g h e s 公 司的 V e r t i T r a c k ， S c h l u mb e r g e r 公司的 P o we r V， S ma r t Dr i l l i n g公司的 Z B E 2 0 0 0等 自动垂直钻井系统均用到 了泥浆发电机供电。 下面以S c h l u mb e r g e r 公司的P o we r Dr i v e系列旋转导向系统为例，论述泥浆发电机在其 中的应用。 P o we r D r i v e系列旋转导向系统的核心部分是随 动稳定平台。其结构如图 4所示。上涡轮发电机主要 用来供电，其输 出的交流电经过整流、稳压处理后 ， 向平台中的电子仓等设备提供所需要的电源。 下涡轮 发电机主要作为扭矩发生器， 充当随动稳定平台的执 行机构 引 。 上涡轮 ． ． 下涡轮 发 电机 电子仓 钻 铤 发电机输出轴 图4 P o w e r D r i v e 系列旋转导向系统随动稳定平台示意图 随动稳定平台中的涡轮发电机属于图3 所示的磁 钢与涡轮固连的外磁钢转子、 内绕组定子形式的永磁 下转第 3 6页 3 6 石油仪器 P E T RoL E U M I NS T R UME N I S 2 01 3年 2月 故障现象 5 仪器不能稳谱，其刻度窗口计数异常。 原因分析 由于仪器不稳普 ，刻度窗 口计数不正 确 。 首先测量前放板输入输出信号正常 ，高压输出正 常但不稳定 ， 检查高压包及其线路 ，以及高压控制部 分正常 ，检查 7芯走线绝缘良好。初步判断问题可能 出现在探测器部分。 探测器部分的工作原理是NA I 晶体接收经地层散 射和吸收后的伽马射线 ，把射线转化为光子 ，晶体管 在高压作用下， 把光子转化为相对应能量幅度的电脉冲。 若晶体潮解 ，其把射线转化为光子 的能力下降， 射线能谱转化为光能谱过程出现异常 ， 则相应道能窗 计数不正确，仪器不能稳谱 。 同样若光电管性能下降或出现异常 ， 也不能准确 的把光能谱转化成相对应的电脉冲能谱幅度， 也可以 导致相应能窗计数不稳 ，不能稳谱 。 解决办法 由上分析可判断是短源距光 电管性能 下降而导致仪器不能稳谱 ， 仪器工作 异常。拆开仪器 探测器部分 ，更换长远距光电管，恢复仪器 ，通电测 试正常。 3 结束语 岩性密度测井最常见的故障是不能稳谱 ， 而导致 不能稳谱因素又很多。根据测井中的异常现象 、仪器 参数特征等快速、 准确地找出仪器不能稳谱的原因所 在，是及时解决仪器故障的必要条件 。对确保获取正 确的测井数据 ，提高测井成功率 ， 保障测井生产的顺 利进行也有非常重要意义 。 参 考 文 献 [ 1 ]中国石油集团测井有限公司． E I L O G一 0 5成套装备用户手册 下册 ． 2 0 0 5 资料 [ 2 ]2 赵培华． 我国油田开发测井新技术应用情况综述 [ J 】 ．测井 技术，2 0 0 2 ，2 6 3 [ 3 】 何清源，王瑞平． 岩性密度测井原理及应用 [ M】 ． 东营石 油大学出版社，1 9 9 4 [ 4 ]胡澎． 地球物理测井仪器[ M】 ． 北京 石油工业出版社， 1 9 9 1 [ 5 】黄隆基．核测井原理 [ M] ． 东营石油大学出版社，2 0 0 0 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 8 1 0 编辑 高红霞 上接 第3 3页 同步发电机。转子磁钢固连在涡轮上，位于发电机定 子绕组的外部。发电机的定子绕组固连在平台上，两 者相对静止。这样的设计使发电机定子绕组与平台之 间的电气连接得到简化 ，提高了系统的可靠性 。 4 泥浆发 电机发展趋 势 1 耐温更高、耐压更高 H T HP 随着全球石油需求的不断增加及已探明储量的逐 渐开采，油气勘探开发逐步向深层发展 ，钻遇高温高 压地层的概率逐渐增大，越来越多的高温井 2 2 5 ℃～ 2 5 0 C将会投产 。这就对泥浆发电机 的耐温耐压性 提出了更高的要求。2 0 1 0年 ，在美国能源部国家能 源技术实验室的赞助下 ，D e x t e r Ma g n e t i c技术公司研 制出耐温 2 5 0 C，耐压 1 5 0 MP a的井下涡轮发 电机 ， 其输出功率为 2 0 0 W。 2 具有稳定的输出电压 井下泥浆排量变化较大， 仅仅更换涡轮只能保证 发电机工作在一个转速范围，不能保证转速较为稳 定， 仍然存在发电机转速变化较大， 相应的发电机的 开路输出电压变化较大 ， 无法保持稳定的问题 。如何 从发电机机械结构、电路、励磁磁路等方面进行改进 设计 ， 使得泥浆发电机的输出电压基本不随排量变化 而变化， 保持 比较高水平的稳定 ， 这是一个发展方向。 3 功率／ 体积 比越来越高 随着材料 ， 特别是电工材料性能和 电机结构 的不 断改进 ，电机 的利用系数和、数值将逐步提高 ，从而 使发 电机的体积和重量不断减小。如此以来 ， 在输出 一 定功率情况下 ，泥浆发电机模块会越来越短 ，这对 于无线随钻测量 、 旋转导向系统等总体性能的提高是 十分有利的。 参 考 文 献 [ 1 ]沈跃，苏义脑，李林，等．井下随钻测量涡轮发电机 的设计与工作特性分析 [ J ] ． 石油学报，2 0 0 8 ，2 9 6 [ 2 】林恩怀，黄晓凡，干昌明．无线随钻用井下发电机及电动 机中国，2 0 0 8 2 0 0 7 8 5 9 8 ． 6 ． 2 0 0 8 ． 1 2 ． 1 0 [ 3 】陈世坤．电机设计 [ M] ． 北京机械工业出版社，2 0 0 0 [ 4 ] D a n i e l L e r n e r ，P e t e r Ma s a k ． I n t e g r a t e d mo d u l a t o r a n d t u r b i n e - g e n e r a t o r f o r a me a s u r e me n t wh i l e d r i l l ing t o o l US ， 5 51 7 46 4． 1 99 6． 0 5． 1 4 [ 5 ]王荣璨，鄢泰宁，张涛． Z T S 一 1 7 2 M 电磁波随钻测量系统 及其在胜利油田的应用 [ J ] ． 地质科技情报，2 0 0 5 ，2 4 增 刊 [ 6 ]狄勤丰，张绍槐． 旋转导向钻井系统控制井眼轨迹机理研 究 [ J 】 ． 石油钻探技术，1 9 9 8 ，2 6 3 [ 7 ]苟苛． 旋转导向钻井工具结构优化设计和专用涡轮发电 机研究 [ D] ． 西安西安石油大学，2 0 0 8 [ 8 】韩来聚，孙铭新，狄勤丰． 调制式旋转导向钻井系统工作 原理研究 [ J ] ． 石油机械，2 0 0 2 ，3 0 3 收稿日期 2 0 1 2 - 0 8 1 6 编辑姜婷