浅谈随钻测量仪的节电设计

摘要：随着油田开发进入中后期，对钻井工艺要求越来越高了，常常要打一些定向井，所以油田对随钻测量仪的需求量越来越大，油田需求最多的是无线遥测形式随钻测量仪，我公司对无线随钻测量仪进行开发。在随钻测量仪中而随钻测量仪大多数使用电池来供电，这样一来电池能量的大小就决定了随钻测量仪在井下连续工作的时间。目前大多数使用电池的随钻测量仪在井下连续工作的时间都在150至200小时，如何在不增加电池数量的前提下提高随钻测量仪在井下连续工作的时间就成为我们重点研究的课题，该文介绍在随钻测量仪器中对节电的设计应用。

关键词：测井仪器；随钻测量；节电设计

中图分类号：TD609文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)18-4486-02

1 概述

随着油田开发进入中后期，油田对随钻测量仪的需求量越来越大，该仪器是将传感器测得的井下参数按照一定的方式进行编码，产生脉冲信号，该脉冲信号控制伺服阀阀头的运动，利用循环的泥浆使主阀阀头产生同步的运动，这样就控制了主阀阀头与下面的限流环之间的泥浆流通面积。在主阀阀头提起状态下，钻柱内的泥浆可以较顺利地从限流环通过；在主阀阀头压下状态时，泥浆流通面积减小，从而在钻柱内产生了一个正的泥浆压力脉冲。定向探管产生的脉冲信号控制着主阀阀头提起或压下状态的时间，从而控制了脉冲的宽度和间隔。主阀阀头与限流环之间的泥浆流通面积决定着信号的强弱，我们可以通过选择主阀阀头的外径和限流环的内径尺寸来控制信号强弱，使之适用于不同井眼、不同排量、不同井深的工作环境。实际上，整个过程涉及到如何在井下获得参数以及如何将这些数据输送到地面，这两个功能分别由探管和泥浆脉冲发生器完成。

而随钻测量仪大多数使用电池来供电，这样一来电池能量的大小就决定了随钻测量仪在井下连续工作的时间。目前大多数使用电池的随钻测量仪在井下连续工作的时间都在150至200小时。但现场对随钻测量仪在井下连续工作的时间要求最好能达到300小时以上。

2 随钻测量仪的能耗分析

我们来分析一下随钻测量仪各部分的能耗情况：

1）电磁阀是泥浆脉冲发生器的最重要的部件，它是把电子编码信号转化为机械动作的桥梁，每吸合一次就能向地面传输半个字节的数据。它也是最大的能耗部件，我们现在用的电磁阀电阻为16至20Ω，给电磁阀供电为24V，每次吸合时电流就为1.2至1.5A，折算成功率为30W左右。

2）电子控制及传感器的耗电是5V供电时70至100mA，折算成功率为0.5W左右。

3 吸力与电磁铁各参数的关系

电磁铁的吸力 F=B2S/2μ0(1)

式中 F――吸力；

B――磁通密度（电磁铁动 、静铁心工作气隙的磁通密度）；

S――铁心极面的截面积；

μ0――真空中的磁导率。

由于B(B=Φ/S)与IW或U（电压）等有关系，因此表现在直流电流或电压线圈上，吸力与电磁铁的参数略有不同。

1）直流电磁铁

电流线圈

F=6.4(IW)2S/δ2（拍合式）(2)

F=3.2(IW)2S/δ2（Π形）(3)

电压线圈的F计算式与式(2)、(3)同（因为U=IR，R=lL/s，线圈电阻中长度L与W等有关，最后仍可化为IW等式）。

各式中 F――电磁铁铁心极面上的吸力；

U――线圈两端施加的电压；

Im――励磁电流的最大值；

W――线圈的匝数；

S――铁心极面的截面积；

δ――工作气隙；

L――铁心的磁路长度；

g――单位长度的漏磁导；

f――交流电的频率。

不论是直流或交流，电压U或等于IR，或U=［E2+（IR）2］1/2

从式(1)～(3)可见：

吸力F与IW或线圈两端的电压的平方成正比，与铁心的截面积S成正比，与静铁心、动铁心(衔铁)间的工作气隙的平方成反比。

IW和U是磁能源，当IW与U值不足时，磁通量中值(Φ=BS)就小，这是因为IW=ΦRm，或U≈E=4.44fWΦ。Rm为磁阻，如果磁阻值一定，Φ值就与IW成正比了。

吸力F与电磁铁的工作气隙δ的平方成反比，气隙大，吸力小。当δ为一定时，电磁铁整个吸合(释放)过程是，δ从某一定值到δ=0，或者从δ=0到δ为某定值(前者为吸合，后者为释放)。工作气隙δ决定在此气隙的磁阻值，因为：

Rm = δ/μ0S

当铁心的尺寸已定，S也成常数，则δ大，Rm大，要保持足够的磁通Φ值，当W不变时，势必增大励磁电流I。反过来，铁心已吸合，δ=0，此时Rm最小，IW中，励磁电流I最小。倘使电磁铁已闭合，由于铁心极面不平，或有尘埃，甚至水蒸气附着于极面，电磁铁就处于未完全吸住，便有因抖动产生的噪声。对于要求极高的电磁式剩余电流保护装置的漏电脱扣器其极面的平整度规定在1个μ以下，极面上任何的灰尘、油迹或因密封不当，潮气吸入，都可能使吸力减小，其根本原因是尘埃、油迹、水汽相当于一个小气隙δ。

反力弹簧是电磁铁的重要元件，有此弹簧，就能使吸力小于弹簧反力时释放，利用此弹簧反力去打掉脱扣片（杆）或释放时，使动铁心一起带动触头（点）脱开与静触点的接触。

反力弹簧不能过小，否则打不掉脱扣板；也不能太大，太大时徒然要增大吸力，通常保持力FB=F吸－F反应在1/F吸左右，以保证在正常振动时不致引起电磁铁动作（跳开）。

4 吸力与电磁铁芯位移的关系

我们利用相同的一个电磁阀进行拉力与位移关系的试验，试验结果如图1。

根据上图1我们得知随着位移的变小拉力在变大，而且是急剧变大，也就是在相同的功率在5mm时只能拉动1kg的砝码，而在2mm时能拉动5kg的砝码。由此我分析在电磁阀吸合后可以减小供电电流，也一样可以保持吸合状态，基于这一理论我对电磁阀控制进行了节能设计。

我们的电磁阀每次吸合大约为750ms，而吸合距离为3mm，经过试验吸合3mm距离用时大约为50到100ms，也就是说有600ms多时间不许要给电磁阀提供30W的功率。

根据图1的显示，我们应该给电磁阀进行如图2所示供电曲线是最科学、最省电的。

但在实际应用中产生如图2所示的电流源是比较复杂的，电路也比较庞大，因此我采用了近似计算加临界值设定的方法，得出如下位移与电流的图形，如图3。

而把上面的关系转化为时间与电压的关系就如图4。

由此就得出电子控制框图如图5，其中用两个电源8V和24V分时给电磁阀供电，从而得到如图4的供电曲线。

按上述框图原理所制成的单元电路经反复试验验证，可以达到节电的要求，并能很好的完成吸合动作，产生泥浆脉冲，传输信号至地面。

5 结束语

此项技术经我们使用验证可以节电20-30%，延长高温电池使用寿命40-50小时。目前我国大多数随钻测量仪都是采用进口的一次性高温电池，每节高温电池的价格为几百元，每支仪器要装6至8节高温电池，如果此项技术能在全国推广每年就可以节约上千万的费用。

参考文献：

[1] 关德新,冯文全.单片及机器件实用手册（电源器件分册）[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.

[2] 陈知今,李永柏,戴辅仁,等.模拟电子技术基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文