1。 通用脈衝器
1。1通用脈衝器簡介
通用脈衝器是一種最早應用於
小井眼鑽井的勵磁驅動脈衝器
，但現在已應用
於大井眼鑽井領域。
通用脈衝器主要由主閥元件和驅動元件構成
，可以適用
於
兩
者都需要配備已替代了
NaviTrak PDM脈衝系統的勵磁驅動電路模組
。當使
用NaviTrak185 MWD系統時，不需要包含了主模組、驅動模組、
振動偵測
裝置的勵磁驅動電路模組。
1。2工作原理
通用脈衝器在井下工作時有三種狀態，即正常開啟（待命）、
驅動元件加電（先
導閥關閉）和驅動元件斷電（先導閥開啟）狀態
。
1。2。1通用脈衝器正常開啟（待命）：
鑽井液透過鑽柱向下到達主閥元件，在主閥元件，
一部分流體透過進口的篩
屏轉入主閥體內，其餘的流體從限流環和主閥體（主閥頭）之間空隙透過
。
一部分流體透過進口的篩屏轉入主閥體內，因此，
流經主閥體內的流體的速
度取決於限流環的過流面積
。流入主閥體內的流體向下到達先導閥座，從驅
動元件波紋管罩上6個洩流孔流出。
1。2。2驅動元件加電（先導閥關閉）
當勵磁驅動電路給驅動元件線圈供電時，驅動元件鐵芯在電磁力作用下與線
圈極板吸合，使得驅動軸和先導閥伸出，驅動元件的電磁力不是線性的，當
鐵芯接近線圈極板時，電磁力顯著增大。這種成倍增大的力是克服先導閥趨
近於截斷先導閥座的流體產生的阻力所必需的。
當流體被截止時，主閥體內
的壓力幾乎瞬間增大，使得主閥體內部和主閥體外部主閥頭下方區域產生了
很高的壓差。這一壓差驅動主閥頭提升，向限流環靠近，這就在鑽柱內產生
了壓力脈衝。
注意：限流環的過流面積是臨界的，過流面積太小，會使透過主閥體內的流
體速度過高，驅動元件遲滯；過流面積太大，產生的壓差也會太小，主閥頭
不能關閉。
1。2。3驅動元件斷電（先導閥開啟）
當驅動電路切換，勵磁線圈斷電，先導閥允許流體再次透過波紋管罩。由於
勵磁線圈的放電需要時間，先導閥的開啟會比關閉稍慢。
這使得流體迴圈測
試的資料傳輸降低了10倍（2bps）。
1。2。4驅動元件調節
通用脈衝器在一定的限流環過流面積下，可適應很寬的流量，這得益於驅動
元件中的調節彈簧。當儀器工作時，，如果流體產生的力過大，先導閥頭行程
不夠，調節彈簧將壓縮，允許鐵芯始終正常的吸合而不遲滯。調節的次數與
流體相關，如果儀器工作流速超過規定範圍太大，調節能力也會超限，驅動
元件會遲滯，還會犧牲脈衝的壓力（強度）。不要執行在過流面積太小的工況，
這一點十分重要。另外，調節彈簧還能微量補償閥體間隙設定誤差。如果先
導閥碰撞閥座，調整彈簧可以緩衝撞擊，並壓縮以實現軸的任何附加運動。
1。3勵磁驅動電路
勵磁驅動電路與NaviTrak的脈衝器驅動模組相近，只是它驅動的是勵磁線圈
而不是步進電機。它只是把探管輸出的5V直流訊號轉變為30V直流電壓脈
衝提供給驅動元件。（以下略）
1。4主閥元件
主閥元件由以下部、元件構成：
1）主閥短節
2） 主閥體元件
3） 限流環元件
為了常規的維護或更換限流環，主閥體元件可從主閥短節中拆出，參見第5
章操作規範。主閥元件主要組成見圖1。1，限流環元件主要組成見圖1。2。
1。5驅動元件
驅動元件包括以下部、元件：
1）下UPB短節
2） 勵磁元件
3） 先導閥芯、波紋管
4） 波紋管罩
5） 扶正器
6） 先導閥座
7） 勵磁驅動電路模組
勵磁元件替代了NaviTrak脈衝器中使用的步進電機，驅動元件替代了PDM。
勵磁元件需要的驅動電流比步進電機小得多，延長了電池的使用壽命。在主
閥元件和驅動元件之間的先導閥座上，有一大的“O”形密封圈起到液壓密
封作用。勵磁軸浸泡在矽油中，矽油密封在橡膠套內，也就是上文提到的波
紋管。矽油一方面對驅動軸起潤滑作用，另一方面可防止勵磁線圈被流體短
路。
驅動軸上有預裝的調節彈簧（k=7.55N/mm），允許驅動軸的最大行程
有微小的誤差。
在大流量時，可保證先導閥頭的錐端輕柔的觸及先導閥座。
這增大了先導閥頭與先導閥座之間的過流面積，降低了可能達到的最大脈衝
壓力。這種設計使得通用脈衝器只需2種限流環就可以適應大多數流量、深
度和泥漿引數，無須再像NaviTrak脈衝器那樣計算限流環的面積。主閥短節
拆掉後，驅動元件可以從UPB短節中拆出。驅動元件扶正器有一很大的鍵與
驅動短節的鍵槽匹配，下UPB短節外表面有刻線指向鍵槽，可以將探管的高
邊匯出到下UP短節，提供給泥漿馬達參考高邊。當主閥短節和下UPB短節
對接時，主閥短節上的銷釘可防止驅動元件轉動。
圖1。3顯示了驅動元件的構成
1。6 3 1/8”通用脈衝器
3 1/8”通用脈衝器是應用於小井眼電池供電的勵磁驅動脈衝器，和其他脈衝器
相比，有著獨特的風格。它由MWD基地送到鑽井平臺上時已裝在鑽鋌內可
直接與鑽具連線。在井臺上幾乎沒有維護保養的工作可做，它也不允許在野
外拆卸。驅動元件（勵磁）和主閥元件一起裝入了電器控制單元（ECU），
和其他大直徑脈衝器不同，不拆開電氣控制單元，就無法接觸到脈衝器。另
外，提升閥和閥座之間固定有2套墊片，用以調整閥口間隙。若想拆出鑽鋌
內的儀器，必須要將上UP短節和下UP短節拆開，才能從上UP短節底部
拉出電器控制單元。下UP短節還裝有一組串接頭連線勵磁驅動電路模組。3
1/8”通用脈衝器只能適用於電池供電MWD系統，沒有這種規格的渦輪發電
機相匹配。無需根據泥漿狀況決斷限流環的選用，限流環的適用範圍非常寬
（75 - 175 gpm），依靠連線脈衝器短節上的3”CDP資料處理短節，
儀器最
小曲率半徑只有18m（旋轉鑽進為25m，滑動鑽進為18m）。
為了適應大內
徑的CDP資料處理短節，NaviTrak探管能夠使用的最小內徑的鑽鋌是2
3/16”，為適應大井眼鑽鋌必須一一配接，所有的接頭都不是API規範的。
1。7 4 3/4” AP短節
4 3/4”帶環空壓力計的通用脈衝器本質上是4 3/4”通用電池供電脈衝器附加
0-20，000 psi環空壓力感測器及其電路。
壓力感測器安裝在下扶正器的中心並用“O”形圈密封，扶正器裝入下短節
後，透過短節壁上的孔，在外側“O”形圈之間充滿油脂。油脂可以密封壓
力感測器，並避免泥漿直接接觸。充滿油脂之後，扶正器上安裝帶有通孔的
2個定位銷，這個銷子安全可靠的替代NPT螺塞（也有小的通孔），定位銷
或螺塞上的孔是環空壓力感測器填充油脂的通道，也是傳送壓力的通道。定
位銷和螺塞都不允許在現場拆卸。
壓力感測器的電路部分安裝在勵磁驅動電路模組上，感測器與電路板之間用
LEMO聯結器連線。壓力感測器的訊號經處理送至SWWP短節。儀器標定時
的引數儲存到電路板，現場不能更換AP SDM短節。
如上文所述，感測器的架構決定了AP短節不可能在現場開啟。儘管由於更換墊
圈的操作困難不被推薦，但是可以像4 3/4”通用脈衝器那樣拆出主閥元件。從無
磁鑽鋌回收探管系統時，AP短節和探管一起被提升，這一操作過程中一定要小
心探管不能彎曲太大。拆下AP短節的程式與拆卸通用脈衝器短節一樣。現在，
AP短節只有4 3/4”一種規格，並且只能使用電池供電。
1。7。1 UP-AP的功能
AP到達井臺之前，在車間進行標定（增益和偏移），溫度係數由廠商提供，感測
器是一個由4個應變計構成的惠斯通電橋…（略）原型機實驗發現，噪聲使傳輸
的壓力資料產生波動…為了防止這種情況發生，AP實時監控勵磁的脈衝狀態…
（以下略）
1。8 4 3/4” ， 6 3/4” ， 8” ， 9 1/2” 通用電池脈衝
4 3/4” ， 6 3/4” ， 8” ， 9 1/2” 通用脈衝發生器應用於電池供電MWD系統，除了系列
（外徑）相關零件之外，其餘零部件都是相同的。這些零部件包括上、下扶正器，
限流環座，O形圈，擋圈，襯套等。安裝在上短節（稱為主閥短節）的主閥元件
和安裝在下UPB短節的驅動元件，本質上在所有系列當中都是相同的。另外，
通用脈衝器的增大，限流環的內徑增加，能獲得更高希望的排量。除了6 3/4”脈
衝器之外，所有的儀器都在主閥短節、下短節之間使用調整襯套和墊圈（見圖
1。6）。6 3/4”短節只有一個調整襯套。這些都用來把驅動元件和扶正器鎖緊在短
節裡。一旦主閥短節從下短節斷開，驅動元件和MWD探管是可打撈的。這一設
計對大尺寸的儀器（6 3/4” ， 8” ， 9 1/2”）尤為重要，因為這些短節太過沉重，難
以附在MWD探管下提升。
2。 通用動力單元（UPU）
2。1通用動力單元簡介
通用動力單元將泥漿的動能轉化為33V調製直流電，為脈衝器、方向和地質引數
感測器提供電能。2根導線穿過UPU驅動脈衝器勵磁。完整的UP-UPU（也稱為
UPU）系統由2個短節構成，MVA短節包含脈衝調製必須的主閥元件，下UPU
短節包含驅動元件（脈衝驅動）和交流發電機（圖2。1）。穩壓電源作為一個獨立
的測量短節可在現場安裝或拆卸。
電壓 33±1 VDC
最大輸出功率 78 watts
渦輪壓降 ＜100 psi
最大工作壓力 20000 psi
工作溫度 -20℃～185℃
貯存溫度 -40℃～200℃
2
最大泥漿密度 19 ppg（磅/加侖，約2。28g/cm）
最大粘度 50 cp
最大含沙量 2%
最高轉速 5000 rpm
2。2 工作原理
泥漿直接進入進口的導輪葉片，改變液流的角度後進入渦輪。液流角度的改變使
裝有磁離合器的渦輪旋轉。
磁離合器由6個條狀磁鐵組成，透過上、下硬質合金
軸承套支撐在交流發電機組件上、下硬質合金軸承上。
磁離合器透過磁力與發電
機元件
內的軸直接連線
。發電機組件是密封的單元，沒有Teleco 變送器那樣的
動密封。當離合器旋轉時，
內部電機軸以1：1的轉速比一同旋轉。
當內部電機
軸旋轉時，軸下端的磁鐵在定子（線圈繞組）內旋轉，產生了磁通量的變化。這
一磁通的變化產生三相交流電輸出到SNT穩壓電源。
2。3 通用動力單元（UPU）
UPA內部由以下主要部件構成：
1） 主閥體元件
2） 限流環元件
3） 驅動元件
4） 交流發電機
驅動元件直接和發電機連線，和UPB一樣，驅動元件透過水壓密封與主閥元件
連線。主閥元件和限流環元件可見圖1。1，圖1。2，圖2。2和圖2。3顯示了通用動
力單元的主要內部結構。
2。4交流發電機
交流發電機由以下部件組成：
1） 導輪元件
2） 轉子
3） 磁力離合器
4） 定子繞組
5） 下整流板（扶正器）
交流發電機提供給穩壓電源100V三相交流電。電機軸從磁力離合器一直延伸到
定子繞組，在由環繞著磁鐵的電機軸產生的磁場中旋轉。反過來說，磁鐵周圍環
繞著100V的定子繞組，軸在磁場中的旋轉使定子線圈中產生電動勢，供給SNT
穩壓電源。發電機的下扶正器透過鍵與UPU短節內的臺肩連線，井場內無法對
發電機進行維護。圖2。4到圖2。14顯示了不同尺寸UPU短節、渦輪葉片組合產
生的交流電壓以及穩壓輸出電壓與流量的關係。另外，附錄H、I和J反映了不
同尺寸UPU短節、渦輪葉片組合下，流量與發電機轉速、交、直流電壓的關係。
2。5穩壓電源（略）
2。6 4 3/4” ， 6 3/4” ， 8” ， 9 1/2” UPA總成
UPA可用的規格有4 3/4” ， 6 3/4” ， 8” ， 9 1/2”，由於UPU可將泥漿的動能轉化為
穩壓後33V直流電源，這一系統不需要電池。所有的規格基本相同，除個別零件
尺寸因為規格而變化。這些零件包括主閥扶正器、限流環座、O形圈、彈性擋圈、
襯套、渦輪葉片、導輪等。所有的UPA總成在主閥短節和下UPU短節採用調節
襯套，例外的只有4 3/4”UPA不需要襯套。調整襯套可將驅動元件和扶正器鎖定
在短節上。一旦主閥短節從下UPU短節斷開，驅動元件和MWD探管是可打撈
的。這一設計對大尺寸的儀器（6 3/4” ， 8” ， 9 1/2”）尤為重要，因為這些短節太
過沉重，難以附在MWD探管下提升。推薦從維修中心定製特定規格的UPA系統，
而不是到現場後改裝成不同的型號。
3．現場手動操作備件及工具（略）
4。 現場操作（略）
5。 現場維護（略）
附錄（略）
縮寫對照
AP Annular Pressure Pulser
環空壓力脈衝器
CVA Control Valve Assembly
驅動元件
DAS Directional Attitude Sensor
方位感測器
ECU Electrical Control Unit
電氣控制單元
MPV Master Pulser Driver Vibration Module
主脈衝振動模組
MVA Main Valve Assembly
主閥元件
PDM Pulser Driver Module
脈衝驅動電路
SDM Solenoid Driver Module
勵磁驅動電路
SNT German Acronym for the UPA Power Regulator
穩壓器德文縮寫
UP Universal Pulser
通用脈衝器
UPA Universal Pulser w/ Alternator
通用發電機脈衝
UPB Universal Pulser w/ Battery
通用電池組脈衝
UPU Universal Power Unit
通用動力單元
UP-UPU Universal Pulser-Universal Power Unit （or UPA）
通用脈衝動力單元
通用電池脈衝短節
通用發電機脈衝短節
脈衝器先導閥和閥座
