□ 楊文景 □ 史宏江 □ 李鐵軍 □ 周智勇

北京石油機械廠 北京 100083

無線隨鉆測井系統(tǒng)（Logging While Dring，LWD）是中國石油集團鉆井工程技術研究院自行研制和開發(fā)，由北京石油機械廠制造，該儀器擁有獨立測量短節(jié)，可以測量近鉆頭電阻率、方位電阻率、自然伽馬等近鉆頭地質參數(shù)和工程參數(shù)，通過與常規(guī)MWD無線隨鉆測量系統(tǒng)對接實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)實時上傳到地面。該儀器現(xiàn)場使用性能穩(wěn)定，在東北地區(qū)多口水平井使用效果良好，技術性能與國外LWD媲美，實時監(jiān)測地層特性，實現(xiàn)在中、薄油層中的水平鉆進，大幅度提高單井油氣產(chǎn)量，在鉆井施工作業(yè)中發(fā)揮了重要的指導作用。

隨著LWD在深井的使用，在某油田4 500～4 665 m井段作業(yè)，出現(xiàn)地面系統(tǒng)顯示異常，近鉆頭電阻率、方位電阻率、自然伽馬這些近鉆頭地質參數(shù)上傳中斷，而MWD測量的參數(shù)仍在上傳，說明MWD性能良好，起鉆后檢查發(fā)現(xiàn)測量短節(jié)的保護筒被高壓壓變形，致使傳感器組件被保護筒擠壓損壞而失效，經(jīng)濟損失嚴重。隨著石油勘探水平的提高，我國需要開發(fā)的深井越來越多。為適應在深井的安全有效作業(yè)，提高儀器使用壽命，發(fā)揮先進測量儀器的優(yōu)勢，測量短節(jié)的保護筒式封裝結構亟待需要改進。

1 保護筒式封裝結構

測量短節(jié)是LWD的一個儀器化的獨立短節(jié)，離鉆頭位置很近 ，通過殼體內(nèi)的傳感器組件（電池、控制電路板、電阻率傳感器、伽馬傳感器等）實時隨鉆測量近鉆頭地質參數(shù)、工程參數(shù)并經(jīng)MWD以脈沖的方式上傳至司鉆顯示系統(tǒng)。圖1為保護筒封裝結構，主要由艙體、保護筒、鎖緊機構、傳感器組件組成。在艙體側壁上有軸向方向的矩形槽，而且在圓周上平均分布 ，在槽內(nèi)搭載傳感器、電池及電路控制系統(tǒng)，兩排槽之間是周向環(huán)形槽，用于纏繞傳感器、電路板、電池之間的接線，用保護筒封裝，保護筒被鎖緊機構固定。保護筒的功能就是保護傳感器組件。

圖1 保護筒封裝結構

井底泥漿壓力與井垂深成正比，隨著儀器作業(yè)井段的加深，保護筒承受的泥漿壓力變大。保護筒抗壓能力與材料、壁厚、結構有關。保護筒材料為無磁鉆鋌，性能參數(shù)見表1。保護筒結構如圖2所示，保護筒盡管受到艙體外圓的支撐，但艙體槽內(nèi)放置的電池、控制電路板等正上方處的保護筒區(qū)域最為薄弱，壁厚為6.75 mm，在深井段作業(yè)時泥漿壓力增大，井下工況惡劣，薄弱區(qū)極易被高壓壓扁，電器元件就會被變形的保護筒擠壓損壞而失效，導致儀器下井失敗。圖3是保護筒在某油田作業(yè)時被高壓壓變形的圖片。

圖2 保護筒結構

圖3 保護筒被壓變形

表1 無磁鉆鋌性能參數(shù)

儀器在井下作業(yè)，工況復雜，與井壁磕碰經(jīng)常發(fā)生保護筒變形，雖然沒有影響儀器下井成功率，但給拆卸保護筒帶來困難，不能在鉆井施工現(xiàn)場拆卸，需運回機加工車間采用破壞方法拆掉保護筒，再更換新保護筒。保護筒成為易更換零件，額外成本提高。

艙體內(nèi)孔是水眼，有撓軸穿過，艙體內(nèi)孔尺寸不能縮小，艙體側壁要實現(xiàn)搭載功能，外徑由于井眼尺寸限制，所以保護筒壁厚不能加大。

2 蓋板式封裝結構設計

按照保護筒功能特點，設計一種蓋板式封裝結構，根據(jù)傳感器組件的長度，在艙體上分布與軸向平行的矩形槽，矩形槽內(nèi)放置傳感器、電路板、電池，各個矩形槽之間有小孔相通，用于傳感器、電路板、電池之間的通訊連接，每個矩形槽有一個相配合的蓋板，蓋板與艙體用O形密封圈密封，螺釘將蓋板固定在艙體上。由原來統(tǒng)一封裝在保護筒內(nèi)的結構改進為以每個元件為一個密封單元結構，如圖4所示。例如，電池密封單元由蓋板、電池、O型密封圈、墊圈、螺釘組成。

圖4 電池密封單元

2.1 蓋板的密封

蓋板與艙體之間的密封是靜密封。在靜密封中以O形密封圈應用最為廣泛。O型密封圈有很多優(yōu)點，工作壓力可從0.133 3 MPa到 100 MPa；溫度范圍可從-60～2 000℃。如果設計、使用正確，O形密封圈在靜密封中可以實現(xiàn)無泄漏的絕對密封。

蓋板要求具有良好的密封性能：①艙體、蓋板的接觸面和蓋板上溝槽加工粗糙度Ra數(shù)值為1.6 μm，接觸面的平面度為0.03 mm。②蓋板上溝槽的深度、寬度設計合理，使O形密封圈產(chǎn)生合適的壓縮量，在15%～30%之內(nèi)。③經(jīng)計算，要求螺釘上緊扭矩為30～35 kN·m，螺釘要使用防松墊圈。

2.2 蓋板強度計算

封裝傳感器組件的蓋板共8塊，選用其中一塊壁厚最薄、內(nèi)槽結構為方槽（其它槽為半圓形槽，寬度相同）的蓋板進行強度計算。運用ANSYS軟件對蓋板進行應力計算。

2.2.1 蓋板實體模型

利用ANSYS軟件建模，建立蓋板的簡化三維實體模型，如圖5所示。

圖5 蓋板ANSYS模型

2.2.2 材料及性能

蓋板材料為0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼，其性能參數(shù)見表2。單元類型為Solid45實體單元。

表2 0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化的性能參數(shù)

2.2.3 施加載荷

計算蓋板底面與艙體的接觸壓力P，首先要計算螺釘?shù)念A緊力F0，見如下公式：

式中：T 為擰緊力矩，N·mm；F0為預緊力，N；d 為螺紋公稱直徑，mm；K為擰緊力矩系數(shù)。

擰緊力矩按T=35 000 N·mm計算，d=8 mm，根據(jù)使用條件查機械手冊選 K=0.12，由式（1）得，預緊力F0=36 458 N，14個螺釘施加的預緊力之和為36 458×14=510 412 N，蓋板底面面積為9 980 mm2，計算得蓋板底面與艙體的接觸壓力P為51.14 MPa（對蓋板底面施加壓力為51.14 MPa）。

儀器在井下承受的外壓力可以按靜壓力計算，因為泥漿環(huán)空上返速度較低，動壓力可忽略不計，其大小取決于泥漿液體密度和井垂深。按一般規(guī)定，＜2 km為淺井，＞2 km且＜4 km為中深井，＞4 k m且＜6 km為深井，＞6 km為超深井。假設泥漿密度為1.2 g/cm3，井深為6 km，則靜壓為72 MPa（對蓋板上表面施加外壓力為 72 MPa）。

在螺釘孔內(nèi)圓面限制X、Y、Z三個方向的自由度，蓋板長度方向的兩個側面限制X方向自由度，蓋板寬度方向的兩側面限制Z向自由度，蓋板底面限制Y向自由度。

2.2.4 結果分析

施加載荷后對蓋板進行有限元求解，計算結果如圖6。

圖6 施壓72 MPa后蓋板的等效應力云圖

通過計算結果分析可知，蓋板厚度最薄部分為應力集中區(qū)域，但最大應力遠小于屈服應力，證明蓋板強度滿足在深井的設計要求，能起到保護艙體內(nèi)電器元件的功能。

2.3 蓋板式結構的優(yōu)點

改進后蓋板式封裝結構滿足在深井中使用要求，而且還帶來了以下優(yōu)點。

（1）蓋板式封裝結構釋放了艙體的有效空間，原來保護筒內(nèi)艙體外徑為174 mm，改進后艙體外徑增大到178 mm，提高了艙體強度和抗彎性能。

（2）改進前測量短節(jié)外徑為190 mm，改進后測量短節(jié)外徑為178 mm，測量短節(jié)外徑縮小了12 mm，優(yōu)化了儀器串整體結構組成，減少儀器串在下井或作業(yè)過程中對水平井、多分支井井壁的破壞，同時也減少儀器的偏磨。

（3）改進前拆卸和裝配需要保護筒的專門工具，工人勞動強度大，有時保護筒變形需運回維修車間，耗費更大。改進后只用內(nèi)六角扳手在鉆井施工現(xiàn)場就能拆卸和裝配蓋板完成工作，大大減少勞動強度，節(jié)省了維修費用。

3 LWD采用蓋板式封裝結構的使用效果

改進后的LWD在深井、中深井的鉆井施工現(xiàn)場多次應用，測量短節(jié)無1例發(fā)生蓋板被壓變形及傳感器組件被高壓擠壓損壞現(xiàn)象，測量短節(jié)外圓磨損很輕微，解決了以前儀器頻繁更換保護筒的問題，有效保證了儀器現(xiàn)場應用的穩(wěn)定性和可靠性。圖7為完成下井作業(yè)后的蓋板式測量短節(jié)圖片。

圖7 完成下井作業(yè)后的測量短節(jié)

4 結論

LWD測量短節(jié)采用蓋板式封裝結構對傳感器組件起到有效保護及抗高壓、防磨作用，使LWD在中深井、深井中得到大量使用，發(fā)揮了地質導向鉆進的技術優(yōu)勢，對提高單井采油量發(fā)揮了重要作用，延長儀器整體的使用壽命。

蓋板式封裝結構適用性強，操作方便，可以推廣應用到其它隨鉆測量儀器類產(chǎn)品中。

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