無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)井系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究

□ 楊文景 □ 史宏江 □ 李鐵軍 □ 周智勇

北京石油機(jī)械廠(chǎng) 北京 100083

無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)井系統(tǒng)（Logging While Dring，LWD）是中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院自行研制和開(kāi)發(fā)，由北京石油機(jī)械廠(chǎng)制造，該儀器擁有獨(dú)立測(cè)量短節(jié)，可以測(cè)量近鉆頭電阻率、方位電阻率、自然伽馬等近鉆頭地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)，通過(guò)與常規(guī)MWD無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)對(duì)接實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到地面。該儀器現(xiàn)場(chǎng)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(shù)性能與國(guó)外LWD媲美，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層特性，實(shí)現(xiàn)在中、薄油層中的水平鉆進(jìn)，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(dǎo)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(zhì)參數(shù)上傳中斷，而MWD測(cè)量的參數(shù)仍在上傳，說(shuō)明MWD性能良好，起鉆后檢查發(fā)現(xiàn)測(cè)量短節(jié)的保護(hù)筒被高壓壓變形，致使傳感器組件被保護(hù)筒擠壓損壞而失效，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。隨著石油勘探水平的提高，我國(guó)需要開(kāi)發(fā)的深井越來(lái)越多。為適應(yīng)在深井的安全有效作業(yè)，提高儀器使用壽命，發(fā)揮先進(jìn)測(cè)量?jī)x器的優(yōu)勢(shì)，測(cè)量短節(jié)的保護(hù)筒式封裝結(jié)構(gòu)亟待需要改進(jìn)。

1 保護(hù)筒式封裝結(jié)構(gòu)

測(cè)量短節(jié)是LWD的一個(gè)儀器化的獨(dú)立短節(jié)，離鉆頭位置很近 ，通過(guò)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(shí)時(shí)隨鉆測(cè)量近鉆頭地質(zhì)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(hù)筒封裝結(jié)構(gòu)，主要由艙體、保護(hù)筒、鎖緊機(jī)構(gòu)、傳感器組件組成。在艙體側(cè)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(xiàn)，用保護(hù)筒封裝，保護(hù)筒被鎖緊機(jī)構(gòu)固定。保護(hù)筒的功能就是保護(hù)傳感器組件。

圖1 保護(hù)筒封裝結(jié)構(gòu)

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(hù)筒承受的泥漿壓力變大。保護(hù)筒抗壓能力與材料、壁厚、結(jié)構(gòu)有關(guān)。保護(hù)筒材料為無(wú)磁鉆鋌，性能參數(shù)見(jiàn)表1。保護(hù)筒結(jié)構(gòu)如圖2所示，保護(hù)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(hù)筒區(qū)域最為薄弱，壁厚為6.75 mm，在深井段作業(yè)時(shí)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(huì)被變形的保護(hù)筒擠壓損壞而失效，導(dǎo)致儀器下井失敗。圖3是保護(hù)筒在某油田作業(yè)時(shí)被高壓壓變形的圖片。

圖2 保護(hù)筒結(jié)構(gòu)

圖3 保護(hù)筒被壓變形

表1 無(wú)磁鉆鋌性能參數(shù)

儀器在井下作業(yè)，工況復(fù)雜，與井壁磕碰經(jīng)常發(fā)生保護(hù)筒變形，雖然沒(méi)有影響儀器下井成功率，但給拆卸保護(hù)筒帶來(lái)困難，不能在鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)拆卸，需運(yùn)回機(jī)加工車(chē)間采用破壞方法拆掉保護(hù)筒，再更換新保護(hù)筒。保護(hù)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(guò)，艙體內(nèi)孔尺寸不能縮小，艙體側(cè)壁要實(shí)現(xiàn)搭載功能，外徑由于井眼尺寸限制，所以保護(hù)筒壁厚不能加大。

2 蓋板式封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照保護(hù)筒功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種蓋板式封裝結(jié)構(gòu)，根據(jù)傳感器組件的長(zhǎng)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(gè)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(gè)矩形槽有一個(gè)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(lái)統(tǒng)一封裝在保護(hù)筒內(nèi)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)為以每個(gè)元件為一個(gè)密封單元結(jié)構(gòu)，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(shè)形密封圈應(yīng)用最為廣泛。O型密封圈有很多優(yōu)點(diǎn)，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(shè)計(jì)、使用正確，O形密封圈在靜密封中可以實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏的絕對(duì)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(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)度計(jì)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(jié)構(gòu)為方槽（其它槽為半圓形槽，寬度相同）的蓋板進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)蓋板進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

2.2.1 蓋板實(shí)體模型

利用ANSYS軟件建模，建立蓋板的簡(jiǎn)化三維實(shí)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(jiàn)表2。單元類(lèi)型為Solid45實(shí)體單元。

表2 0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化的性能參數(shù)

2.2.3 施加載荷

計(jì)算蓋板底面與艙體的接觸壓力P，首先要計(jì)算螺釘?shù)念A(yù)緊力F0，見(jiàn)如下公式：

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

擰緊力矩按T=35 000 N·mm計(jì)算，d=8 mm，根據(jù)使用條件查機(jī)械手冊(cè)選 K=0.12，由式（1）得，預(yù)緊力F0=36 458 N，14個(gè)螺釘施加的預(yù)緊力之和為36 458×14=510 412 N，蓋板底面面積為9 980 mm2，計(jì)算得蓋板底面與艙體的接觸壓力P為51.14 MPa（對(duì)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(jì)算，因?yàn)槟酀{環(huán)空上返速度較低，動(dòng)壓力可忽略不計(jì)，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(shè)泥漿密度為1.2 g/cm3，井深為6 km，則靜壓為72 MPa（對(duì)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(gè)方向的自由度，蓋板長(zhǎng)度方向的兩個(gè)側(cè)面限制X方向自由度，蓋板寬度方向的兩側(cè)面限制Z向自由度，蓋板底面限制Y向自由度。

2.2.4 結(jié)果分析

施加載荷后對(duì)蓋板進(jìn)行有限元求解，計(jì)算結(jié)果如圖6。

圖6 施壓72 MPa后蓋板的等效應(yīng)力云圖

通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析可知，蓋板厚度最薄部分為應(yīng)力集中區(qū)域，但最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力，證明蓋板強(qiáng)度滿(mǎn)足在深井的設(shè)計(jì)要求，能起到保護(hù)艙體內(nèi)電器元件的功能。

2.3 蓋板式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

改進(jìn)后蓋板式封裝結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足在深井中使用要求，而且還帶來(lái)了以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）蓋板式封裝結(jié)構(gòu)釋放了艙體的有效空間，原來(lái)保護(hù)筒內(nèi)艙體外徑為174 mm，改進(jìn)后艙體外徑增大到178 mm，提高了艙體強(qiáng)度和抗彎性能。

（2）改進(jìn)前測(cè)量短節(jié)外徑為190 mm，改進(jìn)后測(cè)量短節(jié)外徑為178 mm，測(cè)量短節(jié)外徑縮小了12 mm，優(yōu)化了儀器串整體結(jié)構(gòu)組成，減少儀器串在下井或作業(yè)過(guò)程中對(duì)水平井、多分支井井壁的破壞，同時(shí)也減少儀器的偏磨。

（3）改進(jìn)前拆卸和裝配需要保護(hù)筒的專(zhuān)門(mén)工具，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，有時(shí)保護(hù)筒變形需運(yùn)回維修車(chē)間，耗費(fèi)更大。改進(jìn)后只用內(nèi)六角扳手在鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)就能拆卸和裝配蓋板完成工作，大大減少勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了維修費(fèi)用。

3 LWD采用蓋板式封裝結(jié)構(gòu)的使用效果

改進(jìn)后的LWD在深井、中深井的鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)多次應(yīng)用，測(cè)量短節(jié)無(wú)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(cè)量短節(jié)外圓磨損很輕微，解決了以前儀器頻繁更換保護(hù)筒的問(wèn)題，有效保證了儀器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(cè)量短節(jié)圖片。

圖7 完成下井作業(yè)后的測(cè)量短節(jié)

4 結(jié)論

LWD測(cè)量短節(jié)采用蓋板式封裝結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器組件起到有效保護(hù)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(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高單井采油量發(fā)揮了重要作用，延長(zhǎng)儀器整體的使用壽命。

蓋板式封裝結(jié)構(gòu)適用性強(qiáng)，操作方便，可以推廣應(yīng)用到其它隨鉆測(cè)量?jī)x器類(lèi)產(chǎn)品中。

［1］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

［2］ 博弈創(chuàng)作室.ANSYS7.0基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

［3］ 蘇義腦.地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)概況及其在我國(guó)的研究進(jìn)展［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā),2005，32（1）：92-95.

［4］ 張炳順.Baker LWD無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)井系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與維護(hù)［J］.石油鉆采工藝,2008,30（1）：115-117.