管道连续压力波传递及其在随钻测量与悬挂试压中的应用

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kerrytony
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在管道中普遍存在着压力的连续波动,这种波动有时是有利的,有时是有害的。在无线随钻测量(Measurement While Drilling,MWD)过程中,利用钻柱内的钻井液压力波动将井下的测量信息传递到地面,能够提高钻井作业精度,降低作业成本。但是在传递数据的过程中,存在信号时有时无的问题,因此需要找出信号在钻井液中传输的规律,确保数据的稳定可靠传输;在悬挂器试压过程中,由于测试管道中压力急剧上升并且伴随剧烈波动,导致对悬挂器动作压力的测量误差很大,面临着如何抑制管道内压力波动,提高测量精度的问题。无论对压力波动的利用还是抑制,都需要对波动的传递规律和特性进行深入研究,探寻问题的本质和影响因素。本文从脉冲波动理论出发,建立了管道中连续压力波动的矩阵传递模型,利用传递函数对管道中连续波动规律进行了深入研究。该模型不但可以解释钻柱内连续波动的传递情况,解决MWD载波频率的选择问题,还可以用于分析试压管道中连续波动的传递情况,设计滤波管道结构,为解决悬挂器试压过程中压力测量精度差的问题提供理论基础。本文主要研究了以下几个方面内容:首先,针对传统波动理论无法准确有效分析管道中连续波动衰减的问题,通过研究连续压力波动的传递现象,建立了基于双向传递系数的连续波动传递模型,能够准确描述波动传递与管道的尺寸、阻力和流体特性之间的关系。传递系数的实部代表管道对波动幅值的衰减,虚部代表管道对波动相位的影响,对于大倾角管道来说,两个传递系数的实部是不同的,说明沿着重力方向的波动传递情况与逆着重力方向的波动传递情况是不一样的,体现了重力对波动传递的影响。由于长管道对于连续波动传递来说,与输电线路中电压和电流的波动有相似性,从而可以定义管道的阻抗和特征阻抗表达式,利用输电线路的分析方法分析管道中的连续压力波动。其次,针对MWD过程中,载波频率选择困难的问题,通过研究管道两端的压力与流量的波动情况,建立了用于描述管道波动传递的传递矩阵模型和传递函数。通过对模型的分析,得到了压力波动在管道中的分布情况,即在连续波动情况下,管道中的压力波动呈现驻波状态。通过对传递函数的分析,得到了管道的幅值频率特性,该特性表明管道对不同频率波动的衰减是不一样的,整个传递趋势呈现波动衰减,低频衰减小而高频衰减大,管道对于高频波动来说,相当于低通滤波器,从而解释了在无线随钻测量过程中井下信号时强时弱的原因。基于上述研究结果,提出了用于钻井液MWD的载波频率的动态选择方法,并通过管道的幅值频率实验,验证了管道对不同频率波动传递的影响。再次,针对传统波动理论无法有效分析各种结构管道中波动传递的问题,基于管道中连续波动传递模型,改进了结构管道中波动传递的矩阵分析模型,用于分析各种地面结构管道对连续波动传递的影响。由于地面管道大部分是水平状态或倾角很小,可以将连续波动传递模型简化后得到适用于地面水平管道的波动传递模型,对于复杂结构的管道,可以通过影响函数来体现分支管道和容器对主管道的影响,得到连续波动在管道结构中传递的计算方法。基于该模型设计了带容器的管道结构,并进行了幅值频率实验,实验结果表明不同频率波动在结构管道中的传递情况与模型计算结果是一致的。最后,针对悬挂器试压过程中压力波动剧烈的问题,通过研究封闭分支管道和容器对波动信号的影响,得出了可以利用结构管道对波动进行抑制的结论。利用该波动抑制特性,设计了用于悬挂器试压过程中抑制泵压波动的管道结构,进行了试压实验,实验结果表明了结论的正确性,解决了试压过程中由于压力波动大,导致测试误差大的问题。
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