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)，以達到提高鉆速、減少事故發(fā)生的目的。完成了存儲式底部鉆具振動測量短接的總體設計方案，并針對施工過程中存在的問題，對工具的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化改進，設計更加合理，提高了工具使用壽命。

1 底部鉆具振動測量技術(shù)簡介

隨著石油勘探開發(fā)的不斷深入，地層結(jié)構(gòu)越來越復雜，深井、超深井和高溫、高壓井以及大斜度水平井等特殊復雜井越來越多，事故及復雜情況的發(fā)生率越來越高。在鉆井過程中，鉆壓、扭矩、溫度、振動、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速度的快慢，鉆壓對下部鉆具結(jié)構(gòu)的運動狀態(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，使得鉆頭真實鉆壓與鉆臺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、大位移井中井底實際鉆壓、摩阻研究，定量分析鉆壓對底部鉆具組合的影響，可以更好地指導現(xiàn)場施工。

同時鉆柱內(nèi)外壓差與其它鉆井參數(shù)的測量可以預報井下一些不正常的問題，及時采取措施補救，還可以進行鉆井水力學研究。環(huán)空壓力測量的主要目的是有助于將當量循環(huán)密度和當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準測量參數(shù)，井下環(huán)空壓力的測量能準確地控制鉆井過程，減少和消除井下復雜情況及事故，縮短鉆井時間，提高鉆井速度。

同時在鉆井過程中，鉆柱及鉆頭的振動對鉆井效能有較大的影響，特別是在深井硬地層中鉆進，嚴重的井下振動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、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)的實際測量數(shù)據(jù)，可以分析研究鉆柱振動規(guī)律和特征，引起振動的各種原因，解釋一些振動現(xiàn)象，檢驗振動控制措施的效果和合理性、各振動計算模型的實用性。

因此，在鉆進過程中對井下工程參數(shù)進行實時測量具有重要的意義。

2 底部鉆具振動工具的設計

底部鉆具振動工具的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，工具由測量本體、應變室、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消除地磁場對MWD測量結(jié)果的影響。在測量本體的同一個橫截面上對稱設計三個應變室，三個應變室的作用主要是測量壓力、扭矩，通過將應變片貼在三個應變室的邊緣，構(gòu)成應變電橋測量電路，將測得的電壓信號調(diào)理之后，輸出至數(shù)字板采集端，振動、壓力和溫度的測量通過相應的測量單元實現(xiàn)。三個電路板腔室主要目的是存放數(shù)字采集板、系統(tǒng)電源板、信號調(diào)理板以及振動傳感器;振動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，信號調(diào)理板主要作用是將傳感器采集到的信號進行放大、濾波處理等操作;數(shù)字采集板是用來采集信號調(diào)理板調(diào)理之后的傳感器信號，并且將采集到的數(shù)據(jù)存儲在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，以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的供電。

底部鉆具振動短節(jié)測量參數(shù)如表1所示，在150℃高溫下穩(wěn)定工作時間長達410小時的工作，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變片在力的作用下會產(chǎn)生形變，如果利用多組應變片組成應變片電橋電路，通過調(diào)理電路，將應變片的電壓變化轉(zhuǎn)化為真實的壓力值，就可以測量井下的壓力數(shù)值。

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

2.2 改變內(nèi)壓和外壓的測量方式

設計中內(nèi)壓取壓點選在通訊活塞環(huán)的下端面處，外壓取壓點位于測量本體上，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)值更準確。

3、測量系統(tǒng)的溫度與振動測試

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，務必保持信號發(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，完整記錄了實驗過程中的信號曲線。測試證明，項目所研究的底部鉆具振動測量電路系統(tǒng)符合研究指標，可以在150℃環(huán)境中工作。

3.2 振動測試

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

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

4 結(jié)論

底部鉆具振動測量短節(jié)的研制，對鉆井施工參數(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、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，減少施工復雜的發(fā)生。設計的底部鉆具振動短節(jié)，具有測量參數(shù)多、測量精度高的優(yōu)點，且通過對電路系統(tǒng)的高溫測試、振動測試，充分證明了所設計制造的測量短節(jié)能夠滿足現(xiàn)場工況要求。下一步就是進行工具的現(xiàn)場試驗，驗證其對現(xiàn)場施工參數(shù)的指導意義。

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