郭寶左，高秦群，張文忠

(1. 中國艦船研究院 北京 100192；2. 西部鉆探測井公司，新疆 克拉瑪依 834000)

一種測井儀器在流體中所受推力的測量方法研究

郭寶左1，高秦群1，張文忠2

(1. 中國艦船研究院 北京 100192；2. 西部鉆探測井公司，新疆 克拉瑪依 834000)

由于測井儀器在被泵送的過程中，其所受流體的推力難以直接進(jìn)行測量，因此，本文提出了一種間接的測量方法，即利用密封液體內(nèi)部壓強處處相等的原理，采用盲孔將指定端面處的壓力引出到便于觀察的儀器尾部，用壓力傳感器實現(xiàn)動態(tài)壓力測量。文中通過試驗與數(shù)值模擬2種手段對該方法進(jìn)行驗證，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用試驗。結(jié)果表明，該方法測量結(jié)果準(zhǔn)確，操作簡單方便，節(jié)約成本，能夠滿足工程應(yīng)用的要求。

測井儀器；推力；試驗；數(shù)值模擬

0 引 言

在水平井測井中，由于受到井眼條件的限制，測井儀器的輸送方法是測井是否成功的關(guān)鍵[1–2]。目前比較成熟的輸送方法主要有油管輸送、牽引器輸送、鉆具輸送和撓性管輸送等[3–4]，鉆具輸送因其施工效率高、成本低等優(yōu)點在生產(chǎn)現(xiàn)場具有較為廣泛的應(yīng)用。在對測井儀器進(jìn)行鉆具輸送時，儀器通常放在鉆桿前端，由鉆桿頂著向前輸送，由于儀器是由多段短節(jié)組成，長度可達(dá)幾十米，并且直徑較小，在水平推進(jìn)的過程中往往容易造成儀器的損壞。針對這一問題，設(shè)計了一套鉆桿內(nèi)測井儀器輸送系統(tǒng)，將幾十米長的儀器放置在鉆桿內(nèi)部，當(dāng)鉆桿到達(dá)井底水平段的末端時，再開動泥漿泵，用高壓泥漿將整個儀器從鉆桿中泵出。為了防止儀器與鉆桿脫離，發(fā)生儀器落井事故，在儀器根部設(shè)有一段外徑增大的臺階，另在鉆桿出口端的孔口處設(shè)有一個內(nèi)徑變小的臺階，當(dāng)儀器根部直徑較大的臺階到達(dá)該變徑處，便不能再向前運動，這樣儀器雖大部分被釋放到鉆桿外面，卻仍能保證根部與鉆桿相連。儀器完全泵出后，再上提鉆具進(jìn)行測井。此外，在鉆桿上還開設(shè)了泄流孔，以便儀器在下放和上提測井時進(jìn)行泥漿循環(huán)，防止卡鉆。

在對儀器進(jìn)行泵送時，儀器受到的推力大小是決定其能否成功泵出的關(guān)鍵因素。推力太小，儀器不能有效地克服摩擦阻力，無法成功地從鉆桿中泵出；推力太大，又會使儀器泵出速度過快，與井壁地層發(fā)生強烈沖擊而被損壞。因此，必須將儀器所受的推力控制在適當(dāng)范圍內(nèi)。產(chǎn)生推力的流體由泥漿泵提供，通常通過調(diào)節(jié)泵的“泵沖”來控制泵壓和流量。對儀器推力而言，泵壓可分為有效泵壓和損耗泵壓（沿程損失）兩部分，每次測井時，井深不同，所消耗的沿程壓力損失也大不相同，因此在地面用泵壓控制推力比較復(fù)雜。其實儀器所受的推力是由泥漿作用在儀器兩端的壓力差決定的，同一管道內(nèi)流量越大，流體與儀器的相對流速越大，產(chǎn)生的壓差越大，推力也就越大。由于鉆桿內(nèi)孔沒有分支，鉆桿內(nèi)泥漿流量一致，因此考慮用調(diào)節(jié)流量的方法控制儀器的推力要相對簡單一些。要實現(xiàn)這一目的，應(yīng)當(dāng)首先對流體施加給儀器的推力進(jìn)行準(zhǔn)確測量，找出推力與流量的對應(yīng)關(guān)系，計算出推動儀器所需的流量值，從而在地面控制泥漿泵的泵沖，使儀器安全可靠地泵出。

1 測量方法及原理介紹

由于泵與鉆桿構(gòu)成輸送高壓流體的密封管道，儀器在充滿高壓流體的密封通道中，隨流體運動，要直接測量運動的物體所受的推力，不容易實現(xiàn)。而儀器推力是由儀器幾個端面的軸向壓差形成的合力，壓差產(chǎn)生是因儀器幾處直徑變化產(chǎn)生了局部壓力損失。為了便于分析，將儀器簡化成實驗?zāi)Ｐ停Ａ粼斐删植繅毫p失的儀器根部（懸掛部分）的長度和外徑不變，而將與局部壓力損失無關(guān)的儀器全長縮短，建立實驗?zāi)Ｐ停ㄒ妶D1）。

單獨對儀器部分進(jìn)行受力分析：根據(jù)圖2所示，儀器所受的推力主要由端面A、變徑B及端面C處的壓差形成，即

式中：P（A），P（B），P（C）分別為A，B，C三處的流體壓強；S（A），S（B），S（C）分別為A、B、C三處儀器的軸向受力面積。由于儀器在隨流體流動的過程中，C端外伸出鉆桿，C端所受流體的壓強P（C）很小，可忽略不計，由此可知，只要測得儀器在A，B兩處的壓強，便可近似求出儀器所受的推力，即

假設(shè)流體不可壓縮，根據(jù)伯努利方程[4]可建立起A、B兩處壓強的關(guān)系，即：

式中：ZA，ZB分別為A，B兩處的位置水頭，由于是等高流動，故ZA=ZB；vA，vB分別為A，B兩處的流體速度，由連續(xù)性方程可知，vAs1=vBs2，其中s1，s2分別為A，B兩處流體的過流面積；γ=ρg，表示流體的重度；hA-B為A，B兩處能量的損失，主要為摩擦阻力損失。由此，對式（2）進(jìn)行變換可得：

由式（4）可知，當(dāng)知道A處的壓強pA，速度vA及摩擦阻力損失hA-B后即可求得B處的壓強pB。

但由于儀器隨流體不斷向前運動，計算流體相對速度vA時還需減去儀器運動速度?；诖?，本文提出了一種簡易的間接測量方法，其原理如圖3所示，該系統(tǒng)采用鋼管加工成模擬鉆桿，通過管件與供水裝置相連接，中間再串接上調(diào)節(jié)閥和流量計，構(gòu)成供水通道，將模擬儀器裝進(jìn)模擬鉆桿，構(gòu)成模擬儀器泵出系統(tǒng)，此時在模擬儀器與模擬鉆桿間環(huán)形空隙內(nèi)的液體與儀器實際在井下時周圍液體的流體力學(xué)特性完全一致。

在泵送過程中，儀器隨流體流動，端面A處與變徑B處的壓強將難以測量。根據(jù)帕斯卡原理，密閉空間中靜止的液體，當(dāng)某一部分壓強發(fā)生變化時，將大小不變地向各個方向傳遞。我們將儀器模型內(nèi)部做成密閉的空腔，并使液體充滿內(nèi)部空間，在儀器端面A處及變徑B處分別設(shè)置開口，將儀器內(nèi)部空腔與外部環(huán)形空隙內(nèi)的液體連通。測量時，首先將B口堵住、A口打開，利用液體對壓力的傳遞作用，儀器末端壓力傳感器的測量值即為端面A處的壓強，然后拆開系統(tǒng)，將A口堵住、B口打開后重新進(jìn)行測量，則此時壓力傳感器的測量值又變成變徑B處的壓強。由此，只需根據(jù)壓力傳感器的讀數(shù)便可得到儀器在運動過程中端面A及變徑B處的壓強差，進(jìn)而求得整個儀器所受的推力，操作簡單方便。

2 試驗結(jié)果

采用圖3所示的裝置進(jìn)行試驗操作，試驗開始后，調(diào)節(jié)水泵流量，使其逐漸增大，當(dāng)流量增大到21 m3/h時，儀器剛好能被泵出，測得此時A處的壓強值為0.136 MPa，由式（3）求得B處的壓強為0.098 MPa，由式（1）求得推力為588.5 N。選取幾個不同的流量點，分別得到對應(yīng)的推力值，將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后如表1所示。圖4為試驗現(xiàn)場。

表 1 儀器在不同流量下的推力值Tab. 1 The thrust of the instrument under different flow rate

另外，由圖5所示的曲線可看出推力隨流量的變化趨勢，儀器所受的推力隨著流量的增加而逐漸增大。當(dāng)流量在較小范圍內(nèi)增加時，推力增長幅度較小；當(dāng)流量超過一定范圍后，推力增長幅度迅速增大。因此，需將流量控制在合適的范圍內(nèi)，以防止推力過大使儀器造成損壞。

3 數(shù)值模擬

近年來，隨著計算流體動力學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，采用數(shù)值模擬手段對流體流動特性進(jìn)行研究越來越受到技術(shù)人員的青睞[5–6]。本文運用ICEM CFD軟件對模擬儀器泵出幾何模型（見圖6）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分時采用六面體為主的混合網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為24萬。將網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行計算，其中，流體介質(zhì)設(shè)置為水；左端面設(shè)為速度入口，右端面設(shè)為自由出流；湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，由于流場并不復(fù)雜，因此離散方程直接采用 2 階格式進(jìn)行計算。

與試驗中所采用的流量一致，將其換算成不同的入口流速進(jìn)行模擬，圖7所示為流速21 m3/h時流動區(qū)域的靜壓分布圖，分別提取A處和B處的流體靜壓值，并根據(jù)式（1）求得推力值為573.2 MPa。按照同樣的辦法，將不同流量下推力的模擬計算結(jié)果進(jìn)行匯總后如表2所示。

將表1和表2的數(shù)據(jù)匯總后制成圖8所示的模擬值與試驗值的對比圖，可以看出，2種計算結(jié)果非常接近，試驗值略高于模擬值。經(jīng)過計算，最大誤差僅為6%，證明采用該測量方法所得結(jié)果準(zhǔn)確可信。

表 2 不同流量下推力值的模擬結(jié)果Tab. 2 Simulation results of thrust values under different flow rates

4 工業(yè)應(yīng)用

在儀器和鉆具成品加工后，又對鉆具儀器實物裝置進(jìn)行地面測試，如圖9和圖10所示，采用該方法檢驗儀器在地面泵出時的臨界推力，與估算所需泥漿的流量值的差異，以確定實井操作時所需的最小泵出流量。目前已完成2例實井測井：1）固安試驗井，井深3 350 m，儀器成功泵出完成測井，泵出流量25 m3/h ；2）陜西靖邊鐮xxx-x井，井深1 618 m，水平段520 m，儀器成功泵出完成測井，泵出流量43 m3/h。實際應(yīng)用表明，該方法操作簡單，測量結(jié)果可靠，且成本低，符合工程應(yīng)用的要求。

5 結(jié) 語

為了得到測井儀器在輸送過程中所受的流體推力，在無法直接測量的情況下，本文提出了一種間接測量方法。通過試驗與數(shù)值模擬驗證了該方法的有效性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用測試。采用該方法計算得到的推動儀器所需的泵沖，能夠成功地在井下將儀器從鉆桿內(nèi)泵出而不損傷儀器，對井口操作具有指導(dǎo)意義。該試驗方案還可進(jìn)一步改進(jìn)，在被測端面安裝 2 個內(nèi)置式壓力傳感器，將導(dǎo)線從模擬儀器下端引出，可同時讀取 2 個端面壓力值，操作更加簡便。

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Research on the measurement of the thrust force of a logging instrument in fluid

GUO Bao-zuo1, GAO Qin-qun1, ZHANG Wen-zhong2
(1. China Ship Research and Development Academy, Beijing 100192, China; 2. Western Drilling Logging Company, Kelamayi 834000, China)

The fluid thrust of logging instrument is difficult to directly measure in process of being pumped, therefore, this paper proposed an indirect measurement method, namely use the blind to led the pressure at the end to the tail of the instrument for convenient obseration, according to the principle of sealing liquid internal pressure equal everywhere, thus realized dynamic pressure measurement with pressure gauge. In this paper, through the means of experiment and numerical simulation, this measurement is verifed, and on this basis, the results of industrial application test show that this method is accurate, convenient to operate, saving cost, and meet the requirements of engineering applications.

logging instrument；thrust；experiment；numerical simulation

TU855

A

1672 – 7649(2017)07 – 0129 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.027

2017 – 04 – 13

科技部重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)資助項目(2016YFF0100027)

郭寶左(1966 – )，男，工程師，主要從事石油測井儀器研發(fā)工作。