钻井液压力脉冲遥测比其它方法的优越之处在于它比较简单。不需要特殊的钻杆，不会因为井眼中有导线而增加复杂情况，而且只需要对正常钻井作业中作很小改变。压力脉冲以大约1200～1500m／s的速度通过钻井液柱，载波信息通道不受地层电磁特性孔内震动波干扰，信号衰减小。但对实时传送的速度与信息量是有限制的。井内仪器工作在钻井液的恶劣环境中，这就对钻井液有严格的要求：含砂量＜1％~4％，含气量＜7％，以便使信号顺利传输和井内仪器正常工作。
第二节 钻井液脉冲传输系统
信号发射器和地面的信号接收、处理设备一起构成了钻井液压力脉冲式MWD信号传输系统。现有的钻井液脉冲传输系统的主要区别是采用哪种处理方法来传送数据。目前使用的钻井液压力脉冲式MWD主要采用三种方式在井底将数据编码、信号传输和在地面上译码，这三种钻井液脉冲传输方式井内仪器执行元件控制。
信号发射器负责控制执行元件阀门，把测量结果调制成压力脉冲信号向地面传输。阀门的构造形式有开关阀和旋转阀。压力信号分正、负脉冲和连续波三种类型。正脉冲发射器的压力升和负脉冲发射器的压力降都对应二进制的“1”，反之对应“0”。连续波发射器采用旋转阀，由一个两相同步电机驱动产生固定频率的压力连续波，通过瞬时改变转速快慢得到180°的相位，相位为0°对应二进制的“0”，相位为180°对应二进制的“1”。信号接收设备主要由接收泥浆压力脉冲信号的压力传感器和后续的信号处理设备与PC机组成。
一、正脉冲系统
在井下仪器中(图7-7)有一
个节流阀，由液压调节器操纵。执行机构根据井下仪器中传感
图7-7 正脉冲系统原理示意图
器采集的数据经编码变换控制
节流阀的开启与关闭，当阀动作时，通过钻柱的钻井液液流中形成瞬间的压缩，引起立管内的压力增加。为了将数据传到地面，多次操纵阀门，产生—系列脉冲。
MWD系统的接收部分安装在钻机主动钻杆中，其传感器可测出的压力脉冲幅值为0.35~0.70Mpa，由传感器检测出信号并由地面计算机译码。计算机首先识别出—组参考脉冲，随后是数据脉冲。通过在特定的时帧内检测有没有脉冲来对信息进行译码。然后将这个二进制码转换为十进制的结果。脉冲顺序由一个图表记录仪来监视。当译码机构发生电误障时，可根据图表记录仪上的脉冲顺序进行人
图7-8 负脉冲系统原理示意图
工译码。
带涡轮、螺杆钻具的MWD系统工作时，只要有钻井液在循环就能进行连续测量。用
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转盘钻进时，由于钻具的回转、振动等导致数据波动大，所以，应该以静态测量数据为准。 正脉冲发生器因传输速率高(一般可达M3～M5)，在井下参数测量(特别是LWD)中获得广泛应用。国际上的正脉冲发生器型号较多，结构与性能各异，但基本原理相同。国外公司的正脉冲发生器在我国应用过的产品有HDS—1，QDT和Gellink等。
二、负脉冲系统
发送器由阀门组成，当阀打开时，使—小部分钻井液从钻柱内流向环形空间，因此，快速开闭这个阀就会引起立管中的压力下降，这可由压力传感器检测出来(图7-8)。为了形成压力负脉冲的信息通道，必须在管内和管外空间之间建立初始压力降。压力降消
耗在水力喷射钻头的工作过程中和MWD系统的钻具组合中。在钻杆壁上有一个连接钻柱管内外空间的阀门， 当阀门打开很短时间(0.25～1.0s)时会产生脉冲。脉冲的下降值取决于钻井泵高压管线中的压力降。水力压力脉冲的前沿坡度为5～6MPa／s。在井内仪器中装有参数检测传感器、编码电路和由阀门和大功率线圈组成的脉冲发生机构。压力负脉冲发生器的重要的特征是在钻杆壁上有一个可更换式喷嘴，它的横截面比阀门的截面积小得多。这种技术方案可减小阀门的磨损。
同正脉冲系统—样，数据脉冲前有一系列参考脉冲来建立译码过程。不同的公司，对信息的译码方法不同。在—个时帧内，或两个相继脉冲之间的时间间隔内有无脉冲是目前在用的解释负脉冲顺序的两个特点。同正脉冲系统一样，利用图表记录仪也可以人工来解释脉冲顺序。
负脉冲发生器在早期的MWD中应用较广，如我国引进的美Halliburton公司的BGD负脉冲MWD(传输速率M1)。但因负脉冲MWD的传输速率低，不能满足测量更多参数的需要，所以逐步被正脉冲发生器所取代。
三、连续波系统
不同于前两种系统，在这种系统中不产生明显的脉冲。发送器是一个旋转的阀，该阀由—对与钻井液液流成直角的有槽的圆盘组成。其中一个是固定的，另—个是由马达驱动的(图7-9)，马达以一定速度转动，产生一个规则的连续压力变化，这实际上是个驻波。这个波作为载体将数据传送到地面。当要传送信息时，降低或提高马达的速度以便使载波的相发生变化(即反向)，发出信号的相位由向调节器发出反馈信号的传感器
控制，由此载波被凋制成可以表示所需的数据。在发送信息的过程中，阀门以固定的频率回转，产生与高精度时间传感器同步的信号。地面设备压力传感器采集到的信号在地表接收装
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图7-9 连续波系统原理示意图
置中经过滤波、放大，恢复同步脉冲的次序并确定所采集信号的相位。相位位移被相敏元件及其积分电路识别出来。在接收装置上分离出同步的字，循环同步传送的字被译码。这是个比较复杂的通信系统，比前两种钻井液脉冲方法能提供更高的数据传送速度（可以达到M10），然而，它的井下和地面装备都很复杂，技术难度大，限制了它的广泛使用，目前只有Shlumberger公司（Andrill）拥有产品，并用于自己的工具系统中。连续波脉冲发生器是井下脉冲发生器的发展方向。
第三节 钻井液脉冲信号的传输特性
钻井液脉冲式MWD的关键技术是脉冲信号的传输，脉冲信号的传输过程是一种能量转换过程，在这一过程中，钻井液脉冲信号的传输与钻井水力学有着密切的关系，同时，信号的传输特性也受钻井液介质的影响。
一、钻井液脉冲信号的传输特性
1、基本方程
应用管道中一维不定常流动的运动方程和连续方程，可以得到描述泥浆脉冲传输特性的基本方程
（7-1）
这是一组双曲型偏微分方程组。求解这类定解问题的一种典型万法是特征线法。由于管道中的扰动将同时向上游和下游方向传播，所以钻柱中的泥浆脉冲将产生前行波和反行波。同时，钻柱中的流动参数也是前行波和反行波的叠加。
（7-2）
（7-3）
式(7-2)和式(7-3)中的第一式分别称为C和C特征线方程，第二式分别称为C和C特征线上的相容性方程。
至此，原来求解一维不定常流动的问题已转变成在x— t平面上沿特征线求解常微分方程的问题。并且，没有任何数学上的近似处理。
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+
-
+
-
2、求解方法
对沿特征线的相容性方程进行数值求解时，首先需要用特征线网格来离散方程。如果把管道沿其长度方向分成n段，其段长为Δx，取时间步长Δt =Δx／α，且认为波速α为常数，那么在x— t平面上就可得到矩形计算网格，并且网格的对角线恰好是特征线，如图7-10所示。 显然，Δx选得越小，计算精度就越高，但耗费的计算时间也越长。当Δx选定后，时间步长Δt 的选取就不能随意了，它的选取必须满足稳定性准则。
求解时，如果沿特征线对流量Q采用一阶
图7-10 x—t平面上的矩形网络
（7-4）
逼近，则有
可见，新时刻计算点P的参数可由其相邻计算点A点和B点前一时刻的参数确定。
当粘性效应所引起的能量损失较大时，采用一阶近似将会影响计算精度，甚至会导致解的不稳定性。这时就需要采用二阶近似，此时有
（7-5）
这是一个非线性方程组，可以采用迭代法求解。 3、实例分析
某3000m直井，采用81／2\井眼和5\钻杆；泥浆密度为1200kg／m3， 泥浆排量为28 l／s，泥浆粘度5mPa2s；钻头水眼238mm十13mm，流量系数0.95；泥浆脉冲的传输速度为1200m／s。如果在立管上安装一分支管路，并通过该分支管路分别向钻柱内增加或减
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少相同的泥浆流量，使钻柱内产生相应的正脉冲和负脉冲，试分析泥浆脉冲信号的传输特性。 该算例是，在井口采用聚合流和分散流的方式，使钻柱内产生正脉冲和负脉冲，进而研究泥浆脉冲信号从井口到井底的传输过程。应用本文的理论模型，可得出如图7-11至图7-13所示的分析结果。图中的“压力”是指表压、位置水头压力和速度水头压力之和。
通过分析，可以得到以下几点认识： (1)井底与井口的压力信号存在一个延迟时间，该延迟时间就是泥浆脉冲的传输时间。本例中的延迟时间为2.5s。
(2)泥浆脉冲的传输过程是一种能量转换过程。由于存在泥浆的粘性阻力和管路系统的弹性变形，泥浆脉冲在传输过程中存在着明显的衰减。
(3)在泥浆脉冲发生过程中，如果没有能量损失，将产生一个矩形波信号；当考虑泥浆的粘性阻力时，信号的波峰(或波谷)将变为一条斜线，并且在信号发生的前后，存在明显的能量损失。
(4)在边界(如钻井泵、钻头)处，泥浆脉冲将产生反射，在管路中往复传播形成震荡波，并逐渐衰竭。
(5)对于正脉冲信号，波峰处斜线的斜率为正。所以，当脉冲信号过后，管路系统中的压力将高于该点处的原始压力(负脉冲信号与之相反)。随着流动逐渐趋于稳定，其压力也将
图7-11 正脉冲信号 图7-12 负脉冲信号
逐渐恢复到原始压力，如图7-13所示。
浆脉冲信号的传输速度及其影响因素在泥浆脉冲传输系统中，信号的传输速度是一个基本参数。然而，泥浆中含有粘土、岩屑、重晶石粉等固相物质，并且往往存在着游离状态的气体而形成气泡，从而增加了问题的复杂性。中国石油勘探开发研究院刘修善、苏义脑在研究中综合考虑这些因素的影响，提出了泥浆脉冲传输速度的计算模型。该模型比较符合钻井工程实际，对正、负泥浆脉冲信号都是适用的。
1、基本方程
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图7-13 压力恢复曲线