王帥 于懷彬 賀越騰 董宏政 郭科佑

摘 要：鉆井過程中鉆具振動(dòng)參數(shù)的測量，有助于了解井底鉆具的工作狀態(tài)，并掌握井下鉆具的實(shí)際工作鉆壓、扭矩、溫度等參數(shù)，從而可以優(yōu)化鉆具組合、改善施工參數(shù)，以達(dá)到提高鉆速、減少事故發(fā)生的目的。完成了存儲(chǔ)式底部鉆具振動(dòng)測量短接的總體設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)施工過程中存在的問題，對(duì)工具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)更加合理，提高了工具使用壽命。

1 底部鉆具振動(dòng)測量技術(shù)簡介

隨著石油勘探開發(fā)的不斷深入，地層結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，深井、超深井和高溫、高壓井以及大斜度水平井等特殊復(fù)雜井越來越多，事故及復(fù)雜情況的發(fā)生率越來越高。在鉆井過程中，鉆壓、扭矩、溫度、振動(dòng)、內(nèi)外泥漿壓力等工程參數(shù)的測量顯得十分重要。

鉆壓在一定程度上決定了鉆進(jìn)速度的快慢，鉆壓對(duì)下部鉆具結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、屈曲及其它性能具有重要的影響。在工作過程中，由于鉆柱在彎曲的井眼中與井壁接觸，鉆柱與井壁之間產(chǎn)生摩擦，使得鉆頭真實(shí)鉆壓與鉆臺(tái)指重表指示鉆壓有較大的偏差。通過借助井下工程參數(shù)測量系統(tǒng)開展水平井、大位移井中井底實(shí)際鉆壓、摩阻研究，定量分析鉆壓對(duì)底部鉆具組合的影響，可以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

同時(shí)鉆柱內(nèi)外壓差與其它鉆井參數(shù)的測量可以預(yù)報(bào)井下一些不正常的問題，及時(shí)采取措施補(bǔ)救，還可以進(jìn)行鉆井水力學(xué)研究。環(huán)空壓力測量的主要目的是有助于將當(dāng)量循環(huán)密度和當(dāng)量靜液密度保持在地層破裂壓力梯度、孔隙壓力梯度和井眼穩(wěn)定壓力梯度窗口內(nèi)。井下環(huán)空壓力正在成為所有鉆井工藝過程的標(biāo)準(zhǔn)測量參數(shù)，井下環(huán)空壓力的測量能準(zhǔn)確地控制鉆井過程，減少和消除井下復(fù)雜情況及事故，縮短鉆井時(shí)間，提高鉆井速度。

同時(shí)在鉆井過程中，鉆柱及鉆頭的振動(dòng)對(duì)鉆井效能有較大的影響，特別是在深井硬地層中鉆進(jìn)，嚴(yán)重的井下振動(dòng)可能造成鉆頭先期損壞、鉆柱發(fā)生疲勞破壞、無法正常鉆進(jìn)、轉(zhuǎn)速受到限制等情況的發(fā)生。利用井下工程參數(shù)測量系統(tǒng)的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，可以分析研究鉆柱振動(dòng)規(guī)律和特征，引起振動(dòng)的各種原因，解釋一些振動(dòng)現(xiàn)象，檢驗(yàn)振動(dòng)控制措施的效果和合理性、各振動(dòng)計(jì)算模型的實(shí)用性。

因此，在鉆進(jìn)過程中對(duì)井下工程參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量具有重要的意義。

2 底部鉆具振動(dòng)工具的設(shè)計(jì)

底部鉆具振動(dòng)工具的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，工具由測量本體、應(yīng)變室、電源板腔室和高溫電池室組成。測量本體是由無磁鉆鋌加工而成，目的是在井下測量時(shí)消除地磁場對(duì)MWD測量結(jié)果的影響。在測量本體的同一個(gè)橫截面上對(duì)稱設(shè)計(jì)三個(gè)應(yīng)變室，三個(gè)應(yīng)變室的作用主要是測量壓力、扭矩，通過將應(yīng)變片貼在三個(gè)應(yīng)變室的邊緣，構(gòu)成應(yīng)變電橋測量電路，將測得的電壓信號(hào)調(diào)理之后，輸出至數(shù)字板采集端，振動(dòng)、壓力和溫度的測量通過相應(yīng)的測量單元實(shí)現(xiàn)。三個(gè)電路板腔室主要目的是存放數(shù)字采集板、系統(tǒng)電源板、信號(hào)調(diào)理板以及振動(dòng)傳感器;振動(dòng)傳感器安裝在偏心位置，電源板主要是給測量系統(tǒng)統(tǒng)一供電，信號(hào)調(diào)理板主要作用是將傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理等操作;數(shù)字采集板是用來采集信號(hào)調(diào)理板調(diào)理之后的傳感器信號(hào)，并且將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH塊中，方便后期讀取和處理。電路板腔室之后連接高溫供電電池，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電。

底部鉆具振動(dòng)短節(jié)測量參數(shù)如表1所示，在150℃高溫下穩(wěn)定工作時(shí)間長達(dá)410小時(shí)的工作，測量誤差小于1%。

2.1 壓力、溫度測量方案

壓力傳感器的測量主要是通過應(yīng)變片在力的作用下會(huì)產(chǎn)生形變，如果利用多組應(yīng)變片組成應(yīng)變片電橋電路，通過調(diào)理電路，將應(yīng)變片的電壓變化轉(zhuǎn)化為真實(shí)的壓力值，就可以測量井下的壓力數(shù)值。

應(yīng)變室結(jié)構(gòu)如圖2所示，鉆壓測量應(yīng)變片粘貼在應(yīng)變室的側(cè)壁上，扭矩測量應(yīng)變片粘貼在應(yīng)變室的底面壁上。應(yīng)變室之間有對(duì)稱分布的導(dǎo)線通孔相互連通，便于應(yīng)變片的連線從而組成應(yīng)變測量全臂電橋，應(yīng)變室采用螺紋圓蓋板密封，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)測量橋路的目的。

2.2 改變內(nèi)壓和外壓的測量方式

設(shè)計(jì)中內(nèi)壓取壓點(diǎn)選在通訊活塞環(huán)的下端面處，外壓取壓點(diǎn)位于測量本體上，在本體上開孔安裝壓力傳感器測量環(huán)空壓力，避免傳感器的磨損，且壓力讀取簡便、直接，測得的數(shù)值更準(zhǔn)確。

3、測量系統(tǒng)的溫度與振動(dòng)測試

3.1 溫度測試

測試測量系統(tǒng)溫度測試的目的是檢測在高溫環(huán)境下的工作穩(wěn)定性情況，確保測量系統(tǒng)能夠滿足井下高溫條件下長時(shí)間穩(wěn)定工作的要求。

測試的圖片如圖4所示，在測試過程中，務(wù)必保持信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓為28.8V，若過高或過低都將損壞電路板。同時(shí)注意在高溫測試結(jié)束之后，不要急于拿出電路板，待冷卻至常溫后，在戴上手套取出電路板，以防燙傷以及損壞電路板。測量電路系統(tǒng)在高溫烘箱中在150℃環(huán)境井下工作24小時(shí)，完整記錄了實(shí)驗(yàn)過程中的信號(hào)曲線。測試證明，項(xiàng)目所研究的底部鉆具振動(dòng)測量電路系統(tǒng)符合研究指標(biāo)，可以在150℃環(huán)境中工作。

3.2 振動(dòng)測試

測量系統(tǒng)振動(dòng)測試的目的是檢測系統(tǒng)在強(qiáng)振動(dòng)情況下能否正常穩(wěn)定的工作，在強(qiáng)振動(dòng)條件下，測量系統(tǒng)能否繼續(xù)穩(wěn)定的工作也是測量系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。

實(shí)驗(yàn)過程中，分別設(shè)定了X、Y軸各測10g和20g，Z軸測10g、20g、30g;實(shí)驗(yàn)過程中，底部鉆具振動(dòng)測量電路系統(tǒng)記錄了振動(dòng)傳感器的測量數(shù)據(jù)，如圖所示。試驗(yàn)證明，底部鉆具振動(dòng)測量電路系統(tǒng)抗震能力超過20g，能夠滿足井下工作要求。

4 結(jié)論

底部鉆具振動(dòng)測量短節(jié)的研制，對(duì)鉆井施工參數(shù)的優(yōu)化及工況的提高具有很大意義，根據(jù)其測得的井下鉆壓、扭矩、振動(dòng)、壓力等參數(shù)，可以改善井下鉆具的工作狀態(tài)，提高鉆井速度，減少施工復(fù)雜的發(fā)生。設(shè)計(jì)的底部鉆具振動(dòng)短節(jié)，具有測量參數(shù)多、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，且通過對(duì)電路系統(tǒng)的高溫測試、振動(dòng)測試，充分證明了所設(shè)計(jì)制造的測量短節(jié)能夠滿足現(xiàn)場工況要求。下一步就是進(jìn)行工具的現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證其對(duì)現(xiàn)場施工參數(shù)的指導(dǎo)意義。

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