姜海龍， 柳貢慧， 李 軍， 張 濤， 王 超， 任 凱

(1北京信息科技大學(xué) 2中國(guó)石油大學(xué)·北京 3北京工業(yè)大學(xué))

為了保證鉆井作業(yè)安全、高效，準(zhǔn)確獲取近鉆頭處的工程參數(shù)，可在近鉆頭處安裝井下參數(shù)測(cè)量工具，實(shí)時(shí)測(cè)量井底的鉆壓、扭矩、振動(dòng)、壓力、溫度等工程參數(shù)。上述工程參數(shù)的獲取使得工程人員可實(shí)時(shí)掌握鉆具的工作狀態(tài)，根據(jù)測(cè)量參數(shù)的變化預(yù)見鉆井事故，減少鉆井事故發(fā)生。

一、井下測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，許多國(guó)外的石油服務(wù)公司如斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓等已經(jīng)研發(fā)出性能良好的MWD產(chǎn)品[1-6]，其設(shè)計(jì)工藝水平和工作性能不斷改進(jìn)和完善，基本能夠滿足井眼軌跡導(dǎo)向、地層評(píng)價(jià)和鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制的需求。這些工具普遍適用于140 MPa、150℃的井下環(huán)境，部分產(chǎn)品可以在200 MPa以上、200℃以上的極限環(huán)境中正常工作，并且實(shí)時(shí)上傳測(cè)量參數(shù)。這些隨鉆測(cè)量?jī)x器與地面技術(shù)設(shè)備相結(jié)合構(gòu)成了以低風(fēng)險(xiǎn)隨鉆測(cè)量和低風(fēng)險(xiǎn)隨鉆評(píng)價(jià)為體系的“無(wú)風(fēng)險(xiǎn)鉆井系統(tǒng)”，減少了鉆井事故，提高了鉆井效率。

國(guó)內(nèi)有關(guān)井下參數(shù)測(cè)量研究的起步較晚,高蘊(yùn)熙[7]率先提出存儲(chǔ)式井下鉆壓、扭矩、壓力、溫度測(cè)量系統(tǒng)的概念。王玲等[8]設(shè)計(jì)了井下測(cè)量電路系統(tǒng)，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。王德桂等[9]設(shè)計(jì)了近鉆頭鉆柱力學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)，采用傳感器測(cè)量軸向力、扭矩、徑向力大小和方向，并通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。胡澤等[10]開發(fā)的井下工程參數(shù)測(cè)量?jī)x可測(cè)量環(huán)空壓力、鉆壓、扭矩和鉆頭側(cè)向力，首次實(shí)現(xiàn)了參數(shù)隨鉆測(cè)量與傳輸，并進(jìn)行了單次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)井深較淺(300～621 m)，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)較短(16 h)。耿艷峰[11]重點(diǎn)分析了鉆壓、扭矩的測(cè)量原理及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。張?；ǖ萚12]設(shè)計(jì)的井下近鉆頭短節(jié)通過(guò)單片機(jī)電路實(shí)現(xiàn)與MWD的通訊功能，并且實(shí)現(xiàn)了分時(shí)測(cè)量。柳貢慧教授團(tuán)隊(duì)[13]研發(fā)的隨鉆測(cè)壓工具(PWD)可以實(shí)時(shí)測(cè)量近鉆頭鉆壓、扭矩、溫度、環(huán)空及管柱壓力，在華北油田的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了滿意的效果。隨后其團(tuán)隊(duì)為了進(jìn)一步深入研究井下動(dòng)態(tài)行為，在PWD工具的基礎(chǔ)上，增加了三軸振動(dòng)測(cè)量功能，形成了完善的井下多工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。

對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，國(guó)外的井下測(cè)量技術(shù)非常成熟，能夠測(cè)量軌跡導(dǎo)向參數(shù)、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)以及鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品系列化，針對(duì)不同的需求可以選用不同的產(chǎn)品及產(chǎn)品組合；國(guó)內(nèi)的研究則相對(duì)滯后，不僅測(cè)量參數(shù)單一(軌跡導(dǎo)向參數(shù)測(cè)量已初步完善并投入現(xiàn)場(chǎng)使用)，而且主要以理論研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為主，尚不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，亟需進(jìn)一步攻關(guān)，縮小與國(guó)外的差距。

二、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

1. 測(cè)量系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)量井下鉆壓、扭矩、X-Y-Z三軸振動(dòng)、溫度、管柱及環(huán)空壓力共計(jì)八個(gè)參數(shù)，采樣頻率范圍為0～1 kHz，最高工作溫度為150℃，最高工作壓力為80 MPa。測(cè)量本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 測(cè)量本體結(jié)構(gòu)圖

測(cè)量本體由鉆壓/扭矩測(cè)量單元、振動(dòng)測(cè)量單元、環(huán)空壓力/溫度測(cè)量單元、管柱壓力測(cè)量單元、通訊結(jié)構(gòu)總成、信號(hào)采集/調(diào)理電路、電源管理電路和直流電源組成。在測(cè)量本體的同一個(gè)橫截面上間隔120°對(duì)稱設(shè)計(jì)三個(gè)應(yīng)變室，應(yīng)變室之間有導(dǎo)線孔相互連通。粘貼在應(yīng)變室內(nèi)的應(yīng)變片組成惠斯通全橋測(cè)量電路(即鉆壓/扭矩測(cè)量單元)，振動(dòng)、壓力和溫度的測(cè)量通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量單元實(shí)現(xiàn)。通訊結(jié)構(gòu)總成是連通測(cè)量單元與信號(hào)采集/調(diào)理電路的橋梁，測(cè)量單元的輸入經(jīng)過(guò)通訊口活塞環(huán)與電子電路連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、調(diào)理和存儲(chǔ)。電子電路與電源連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能量供給。

振動(dòng)、溫度及壓力測(cè)量采用市場(chǎng)上現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品，測(cè)量模塊中的傳感器感知相應(yīng)的物理參數(shù)變化并以電壓的形式輸出。為了測(cè)量鉆壓和扭矩，設(shè)計(jì)了基于應(yīng)變測(cè)量原理的鉆壓/扭矩測(cè)量電橋。在軸向力和扭矩的作用下，測(cè)量本體上測(cè)量微元會(huì)產(chǎn)生沿軸向和45°切向方向的微小形變，相應(yīng)的應(yīng)變片也會(huì)隨測(cè)量微元產(chǎn)生形變，進(jìn)而引起應(yīng)變電橋輸出電壓的改變。在一定范圍內(nèi)，應(yīng)變電橋輸出與測(cè)量微元應(yīng)變成正比關(guān)系，根據(jù)測(cè)得的電壓變化，可以反算測(cè)量微元的應(yīng)變值，然后根據(jù)材料力學(xué)的胡克定律，可以計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力值。在具體應(yīng)用時(shí)，為了提高應(yīng)變電橋在彎矩作用下的密封性，采用應(yīng)變孔的密封結(jié)構(gòu)而非雙筒式結(jié)構(gòu)；為了提高應(yīng)變測(cè)量的靈敏度，應(yīng)變片粘貼在應(yīng)變孔的側(cè)壁上而非應(yīng)變孔底面上；為了減小貼片工藝對(duì)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果的影響，在應(yīng)變電橋的橋臂上采用串聯(lián)貼片方式，每個(gè)橋臂上的應(yīng)變?nèi)「鲬?yīng)變值的算數(shù)均值。

2. 測(cè)量系統(tǒng)強(qiáng)度分析

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的相關(guān)功能，需要在測(cè)量本體上加工應(yīng)變室以及導(dǎo)線孔，這會(huì)改變測(cè)量本體在不同載荷作用下的應(yīng)力分布?；诖?，利用有限元分析方法對(duì)設(shè)計(jì)好的測(cè)量本體進(jìn)行壓、拉、扭載荷作用下的應(yīng)力分析，從而確定極限載荷。當(dāng)拉載荷為429.5 MPa時(shí)，最大應(yīng)力為834.7 MPa，接近材料屈服強(qiáng)度835 MPa。同樣的，當(dāng)壓載荷為433 MPa時(shí)，最大應(yīng)力為834.8 MPa；當(dāng)扭載荷為1.017×1011kN·m時(shí)，最大應(yīng)力為835.6 MPa。

三、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

鉆壓/扭矩測(cè)量電橋在應(yīng)用之前需要進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定，獲得施加載荷與輸出結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為此，需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)鉆壓/扭矩測(cè)量單元進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

1. 鉆壓標(biāo)定

由于測(cè)量本體尺寸超長(zhǎng)，沒有合適的拉拔實(shí)驗(yàn)臺(tái)，所以鉆壓標(biāo)定使用手動(dòng)液壓裝置。在使用液壓裝置之前首先利用拉拔實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)其標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見圖2。在鉆壓載荷的作用下，液壓裝置的活塞產(chǎn)生向下的位移，使得其中的液壓油產(chǎn)生高壓，液壓油的壓力顯示在壓力表上。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，鉆壓載荷與液壓輸出之間存在線性關(guān)系，且線性度良好，相關(guān)系數(shù)R高達(dá)0.99。

圖2 液壓裝置標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用液壓裝置對(duì)工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行三組標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用間隔5 MPa液壓(即21 kN)階梯加載的方式，加載到指定載荷保持一定時(shí)間以獲得輸出電壓。根據(jù)輸入鉆壓載荷和輸出電壓得到鉆壓測(cè)量電橋的特性曲線，如圖3。鉆壓測(cè)量電橋特性曲線為一條直線，線性度良好，計(jì)算的標(biāo)定誤差為0.63 kN(0.13%)；三次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的結(jié)果幾乎重合，鉆壓測(cè)量電橋良好的可靠性。實(shí)驗(yàn)中標(biāo)定裝置所用液壓表參數(shù)：0～60 MPa量程，0.25級(jí)測(cè)量精度。

圖3 鉆壓測(cè)量電橋標(biāo)定結(jié)果

2. 扭矩標(biāo)定

扭矩標(biāo)定實(shí)驗(yàn)使用中石油鉆井院機(jī)械所的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，此裝置為加拿大進(jìn)口設(shè)備。扭矩標(biāo)定和鉆壓標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程類似，同樣采用階梯加載方式并重復(fù)進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，其標(biāo)定結(jié)果見圖4。扭矩載荷與輸出電壓之間存在良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R高達(dá)0.99；重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了扭矩測(cè)量單元良好的可靠性。

圖4 扭矩測(cè)量電橋標(biāo)定

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1. G126X1井基礎(chǔ)信息

G126X1井是冀東油田南堡凹陷高尚堡構(gòu)造帶南北斜坡帶的一口評(píng)價(jià)井，目的在于評(píng)價(jià)儲(chǔ)層油藏規(guī)模及油藏產(chǎn)能。測(cè)量系統(tǒng)在該井中的應(yīng)用井段為三開2 006～2 620 m，其在井下連續(xù)工作時(shí)間為159.2 h。其中2 006～2 036 m采用常規(guī)鉆具組合進(jìn)行鉆水泥塞作業(yè)，2 036～2 620 m采用動(dòng)力鉆具進(jìn)行增斜鉆進(jìn)作業(yè)。鉆具組合如表1所示。

表1 鉆具組合表

2. 工程參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

圖5為增斜鉆進(jìn)時(shí)的工程參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)。隨著井深從2 036 m增加到2 591 m時(shí)，環(huán)空壓力增加了9 MPa，管柱壓力也增加了約9 MPa，管柱壓力的突變是由于接單根時(shí)關(guān)啟鉆井泵造成的；溫度增加了21℃，最高井下溫度為67℃，這與地質(zhì)預(yù)測(cè)的3.8°/100 m的地溫梯度吻合；橫向振動(dòng)幅度大于軸向振動(dòng)幅度，橫向振動(dòng)幅度在0～0.4 g范圍內(nèi)波動(dòng)，而軸向振動(dòng)在0～0.1 g的范圍內(nèi)波動(dòng)；鉆頭鉆壓和錄井鉆壓基本吻合，兩者之間的微小差異反映了在傳播過(guò)程中衰減掉的井下動(dòng)態(tài)特性；扭矩幅值較小，平均扭矩在2 kN·m以下，峰值扭矩不超過(guò)8 kN·m。這是由于該井段地層巖性為砂巖、泥巖混層，地層可鉆性較高，同時(shí)施加鉆壓較小，小鉆壓導(dǎo)致鉆頭吃入深度較小，從而導(dǎo)致較小的井下扭矩。

圖5 增斜鉆進(jìn)段工程參數(shù)量數(shù)據(jù)

五、結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，該測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)量井下鉆壓、扭矩、鉆具三軸振動(dòng)、環(huán)空壓力和管柱壓力以及溫度共八個(gè)工程參數(shù)，所測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際工況具有高度一致性。該系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)工程參數(shù)測(cè)量最為齊全的井下測(cè)量系統(tǒng)，且在鉆井現(xiàn)場(chǎng)得到成功應(yīng)用。