LWD隨鉆測井系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

王 鵬，竇修榮，艾維平，毛為民，彭 浩

設(shè)計計算

LWD隨鉆測井系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

王 鵬，竇修榮，艾維平，毛為民，彭 浩

（中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206）

LWD隨鉆測井系統(tǒng)能夠?qū)崟r提供地層和井眼信息，對地層做出快速評價，優(yōu)化井眼軌跡和地質(zhì)目標(biāo)，指導(dǎo)鉆進，在大位移井、水平井及其他疑難井中得到了廣泛的應(yīng)用。對中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院自主研發(fā)的DRLWD隨鉆測井系統(tǒng)中的電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)、中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)進行分析，主要對設(shè)計中的技術(shù)難點和解決方案進行了闡述?？偨Y(jié)出井下隨鉆測井系統(tǒng)機械設(shè)計的一些經(jīng)驗和方法。

隨鉆測井系統(tǒng)；隨鉆測量；機械結(jié)構(gòu)

隨鉆測井（LWD——LoggingWhile Drilling）是在隨鉆測量（MWD——MeasurementWhile Drilling）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用于解決水平井和多分支井地層評價及鉆井地質(zhì)導(dǎo)向而發(fā)展起來的一項新興的綜合測井應(yīng)用技術(shù)［1］?？梢栽阢@井的同時獲得電阻率、密度、中子、聲波時差、井徑、自然伽馬等電纜測井所能提供的測井資料［2］。LWD能夠獨立進行地層評價，及時、真實地反映原狀地層信息，能夠為優(yōu)化鉆井和地質(zhì)導(dǎo)向提供增值服務(wù)，并且能夠提高鉆井時效［3］。因此，LWD是油氣勘探開發(fā)中迫切需要的一項技術(shù)，在疑難井、大斜度井及水平井等施工中得到了廣泛應(yīng)用。

國外從20世紀90年代開始，LWD就在各種相關(guān)鉆井作業(yè)中得到了成功應(yīng)用，獲得了顯著的經(jīng)濟效益［4］。國內(nèi)這方面的研究起步晚，目前尚無成熟的高水平隨鉆測井產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用的報道，而國外相關(guān)產(chǎn)品價格和技術(shù)服務(wù)費用昂貴，因此有必要研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的隨鉆測井產(chǎn)品［5］。

DRLWD隨鉆測井系統(tǒng)（以下簡稱為DRLWD系統(tǒng)）是中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院以集團公司課題和國家科技重大專項課題為依托，歷經(jīng)多年的技術(shù)攻關(guān)、現(xiàn)場實驗和應(yīng)用，研制成功的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的隨鉆測井系統(tǒng)產(chǎn)品。該系統(tǒng)主要由電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)、中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)、泥漿發(fā)電機和無線隨鉆測量系統(tǒng)（MWD）等組成，具有精確測量電磁波電阻率、中子孔隙度、方位伽馬等參數(shù)并實時傳輸?shù)降孛娴墓δ?，能夠為地面工程師提供施工決策的依據(jù)。

本文主要對DRLWD隨鉆測井系統(tǒng)的機械設(shè)計進行了研究分析，并側(cè)重對系統(tǒng)中的電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)、中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的機械設(shè)計中的技術(shù)難點和解決方案進行了詳細闡述。

1　電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)

1．1 系統(tǒng)工作原理及組成

電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)主要由發(fā)射天線、接收天線、電路倉體和對接結(jié)構(gòu)等幾大部分組成。天線系統(tǒng)采用“四發(fā)雙收”的方式和結(jié)構(gòu)，工具上端和下端各有2個發(fā)射天線，工具中部設(shè)有2個接收天線。工具側(cè)壁設(shè)有測量控制電路倉體，工具中心設(shè)有泥漿通道，兩端的公扣和母扣端有數(shù)據(jù)對接系統(tǒng)，用來實現(xiàn)與上下相鄰工具之間數(shù)據(jù)交換與供電的功能。電磁波電阻率隨鉆測量工具的具體機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

電磁波電阻率隨鉆測量是一種重要的電阻率測井方法，在各種不同類型的鉆井液中都能夠進行測量。它的工作原理基于電磁波在穿越地層時產(chǎn)生的衰減和相位移。由于穿越不同的地層會導(dǎo)致產(chǎn)生不同的衰減和相位移，通過測量電磁波的衰減和相位移就可以確定地層的介電常數(shù)和電阻率［6］。電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)就是利用這一原理，由發(fā)射線圈向地層發(fā)射電磁波，再由不同的接收線圈接收電磁波，根據(jù)接收到的電磁波的相位差和幅度比來確定地層的電阻率。

1．2 技術(shù)難點

電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)尺寸的影響，設(shè)計空間小，機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，強度和可靠性要求高，具有以下幾個主要的設(shè)計難點：

1） 設(shè)計空間小，受工具直徑尺寸的限制，中心預(yù)留泥漿通道后，可供使用的空間極為有限，對機械設(shè)計工作帶來了很多的限制。

2） 機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工具設(shè)有4個發(fā)射天線，2個接收天線，天線內(nèi)設(shè)有線圈，需要與控制電路進行連接通訊，整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

3） 系統(tǒng)處于高溫高壓的工作環(huán)境下，并且要傳遞鉆壓和轉(zhuǎn)矩，對工具的強度和可靠性提出了很高的要求。

4） 系統(tǒng)工作在流動的高壓泥漿中，系統(tǒng)內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)和天線線圈需要進行隔離絕緣處理，對整個系統(tǒng)的密封性能提出了很高的要求。

1．3 解決方案

針對系統(tǒng)機械設(shè)計中遇到的技術(shù)難點，經(jīng)過科學(xué)論證和反復(fù)試驗，提出了4點解決方案。

1） 根據(jù)隨鉆工具軸向尺寸大、徑向空間小的特點，充分利用空間，精簡結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

2） 在系統(tǒng)機械設(shè)計中，避免出現(xiàn)導(dǎo)致強度儲備不足的薄弱環(huán)節(jié)，對強度薄弱的部位進行優(yōu)化改進，以減少應(yīng)力集中，增加強度儲備。

3） 采用多重密封設(shè)計，密封圈采用耐高溫的橡膠材料，以避免橡膠高溫失效造成泄露。

利用Solid Works軟件設(shè)計平臺，設(shè)計完成的電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)

2　中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)

2．1 系統(tǒng)工作原理及組成

中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)工作時，由同位素中子源發(fā)出快中子，在地層運動過程中和地層中的各種原子核發(fā)生彈性散射，而逐漸損失能量、降低速度，成為熱中子。中子的減速長度L反映了孔隙度的大小，L越小，計數(shù)率越低，孔隙度越大。系統(tǒng)通過采集熱中子計數(shù)率，則可識別巖性并轉(zhuǎn)換為中子孔隙度。

中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)主要由中子發(fā)生器、中子檢測器、測控電路和數(shù)據(jù)對接系統(tǒng)組成。其中，中子發(fā)生器位于水眼中心，中子檢測器需要貼近井壁以便接收反射回來的中子，測控電路位于系統(tǒng)的側(cè)壁中，中心留有泥漿通道，系統(tǒng)兩端設(shè)有數(shù)據(jù)對接系統(tǒng)，用來實現(xiàn)相鄰系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊和功率的傳輸。中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)具體機械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

2．2 技術(shù)難點

中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)在機械設(shè)計中，受工作原理的需求、空間結(jié)構(gòu)的限制和安全方面的要求，具有3方面的設(shè)計難點。

1） 中子發(fā)生器屬于放射性儀器，對系統(tǒng)減震性能要求高，如果減震保護機構(gòu)失效，中子發(fā)生器因振動產(chǎn)生破壞，放射性元素泄露會造成嚴重后果。

2） 系統(tǒng)的工作原理要求中子檢測器貼近井壁，以便更好地接收反射回來的中子，縮短中子檢測器與井壁之間的距離，成為機械設(shè)計中的一個難點。

3） 由上述可知，中子發(fā)生器發(fā)生破壞產(chǎn)生放射性元素泄露會導(dǎo)致嚴重后果，因此需要對中子發(fā)生器安裝部位設(shè)計特殊的保護措施，即便中子發(fā)生器發(fā)生破壞也能保證放射性元素不會外泄，而是保存在安全密閉空間內(nèi)，確保施工安全。

2．3 解決方案

在閱讀教學(xué)中教師可以巧用“課堂小練筆”，以寫拓展學(xué)生的思維，升華情感，深化對課文內(nèi)容的理解，有效地提高閱讀教學(xué)實效。課堂小練筆形式多樣，有課后練習(xí)布置的小練筆，有對課文重點句段進行仿寫，有對故事情節(jié)進行擴寫、縮寫、改寫、續(xù)寫等等。教師要緊密聯(lián)系學(xué)生的閱讀情況和生活實際，善于捕捉教材中的寫點，利用在學(xué)生意猶未盡的時機，創(chuàng)設(shè)良好的師生氛圍讓學(xué)生動筆寫，創(chuàng)造表達的平臺。

綜合分析上述技術(shù)難點，經(jīng)過科學(xué)論證和測試實驗，提出了如下解決方案：

1） 中子發(fā)生器安裝部分減震方案采用彈簧減震和橡膠減震相結(jié)合的減震方式，利用彈簧進行軸向減震，利用橡膠墊進行徑向減震，充分利用兩者的優(yōu)點，以達到最好的減震效果。

2） 在工具的外表面設(shè)計一個“凸臺”來作為中子檢測器的安裝位置，“凸臺”與工具相比直徑較大，與井壁的距離更小，能更好地貼近井壁接收反射中子。

3） 在中子發(fā)生器安裝機構(gòu)的設(shè)計中，采用多重密封的方式，利用高壓密封連接器（如圖4）進行功率和數(shù)據(jù)的傳輸，確保中子發(fā)生器發(fā)生破壞后放射性元素不會發(fā)生泄露。

圖4　高壓密封連接器

利用Solid Works軟件設(shè)計平臺，設(shè)計完成的中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)如圖5所示。

圖5　中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)

3　數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

在DRLWD隨鉆測井系統(tǒng)中，除了電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)和中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)之外，還包含有泥漿發(fā)電機和無線隨鉆測量系統(tǒng)（MWD），泥漿發(fā)電機負責(zé)給上述系統(tǒng)提供電能，MWD充當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，以壓力脈沖的方式將隨鉆測量的信息實時傳輸?shù)降孛妫瑸殂@井工程師提供決策參考［7］。

3．1 技術(shù)難點

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要井下各個系統(tǒng)在機械連接的同時實現(xiàn)電連接，同時實現(xiàn)功率和信號的傳輸。因為隨鉆儀器的連接都在井口來完成，這意味著數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的接觸環(huán)境比較惡劣，對連接系統(tǒng)的可靠性有著很高的要求。另外，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作在高溫高壓強振動的鉆井環(huán)境中，所以對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了很高的要求。

3．2 解決方案

綜合考慮各方面影響因素，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在設(shè)計中采用特制的四芯旋轉(zhuǎn)連接器和多重密封保護措施。

1） 特制的四芯旋轉(zhuǎn)連接器使系統(tǒng)在傳輸功率的同時，能夠保證信號數(shù)據(jù)的同步快速傳輸。

2） 特殊設(shè)計的密封保護結(jié)構(gòu)確保系統(tǒng)在隨鉆儀器機械連接的同時自動實現(xiàn)電連接，且能保證鉆井過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

3） 傳輸系統(tǒng)中包含一種“預(yù)先導(dǎo)向機構(gòu)”，該機構(gòu)的作用是在儀器之間進行螺紋連接時，預(yù)先進行定位導(dǎo)向，實現(xiàn)“未接觸先導(dǎo)向”，確保數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能準(zhǔn)確無誤地實現(xiàn)接通，并保護其中的四芯旋轉(zhuǎn)連接器不會因為上扣過程中的錯位或振動而發(fā)生破壞。

4　結(jié)論

1） 隨鉆測井儀器由于受到設(shè)計空間小、高溫高壓強振動等不利工作環(huán)境的影響，給機械設(shè)計工作帶來了極大的不利因素。因此在設(shè)計中，應(yīng)利用軸向尺寸大的特點，在不影響強度的前提下充分利用空間，為機械設(shè)計工作創(chuàng)造條件。

2） 隨鉆測井儀器因其系統(tǒng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)修長等特點，被形象地比喻成“圓珠筆”。在機械設(shè)計中，利用三維設(shè)計軟件的虛擬裝配、干涉檢查等功能，可使結(jié)構(gòu)觀察和分析更為直接，設(shè)計者能夠及早方便地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷。參數(shù)化虛擬設(shè)計改善了零部件的設(shè)計方法，提高了設(shè)計靈活性，使隨鉆儀器的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計更為科學(xué)合理。

3） 隨鉆測井儀器的工作環(huán)境惡劣，且受結(jié)構(gòu)空間限制，現(xiàn)場組裝維護的難度很大。因此需要設(shè)計相應(yīng)的拆裝工具來提高儀器零部件的現(xiàn)場維護能力，減輕施工人員的勞動強度。對較難拆卸的零件，設(shè)計儀器的同時要考慮拆裝工具的設(shè)計，便捷的“工裝”與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有同樣重要的意義。

［1］ 蘇義腦，竇修榮．隨鉆測量、隨鉆測井與錄井工具［J］．石油鉆采工藝，2005，27（1）：74-78．

［2］ 衛(wèi)瑞．電磁波隨鉆測井儀在油田現(xiàn)場的應(yīng)用［J］．石油礦場機械，2014，43（7）：92-94．

［3］ 李會銀，蘇義腦，盛利民，等．多深度隨鉆電磁波電阻率測量系統(tǒng)設(shè)計［J］．中國石油大學(xué)學(xué)報，2010，34（3）：38-42．

［4］ 王鵬，盛利民，竇修榮，等．國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向最新技術(shù)進展與發(fā)展趨勢［J］．鉆采工藝，2013，36（6）：32-35．

［5］ 王鵬，李鐵軍，呂海川，等．DRPWD隨鉆環(huán)空壓力測量系統(tǒng)的研制與試驗［J］．石油機械，2014，42（8）：17-19．

［6］ 楊智光，楊志堅，范存，等．近鉆頭電磁波電阻率測井儀器的研制［J］．大慶石油學(xué)院學(xué)報，2010，34（6）：87-90．

［7］ 王鵬，唐雪平，鄧樂，等．環(huán)空壓力隨鉆測量系統(tǒng)研究［J］．石油機械，2012，10（1）：29-32．

［8］ 王鵬，唐雪平，洪迪峰．旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具3D參數(shù)化虛擬樣機設(shè)計［J］．石油礦場機械，2013，42（6）：27-30．

Research on Mechanical Design of Logging While Drilling Systems

WANG Peng，DOU Xiurong，AI Weiping，MAO Weimin，PENG Hao
（CNPC Drilling Research Institute，Beijing 100083，China）

LWD can provide real time formation and well bore information，make quick formation evaluation，optimize Well trajectory and geological target，supervise drilling．It has been applied extensively in extended reach well，horizontal well and other wells difficult to drill．The mechanical design of LWD developed by CNPC Drilling Research Institute is introduced，focusing on the electromagnetic resistivity MWD system the neutron porosity MWD system and data transfer system in detail with respect to difficulties and solution．Finally some technique and experience of LWD mechanical design are presented．

LWD（logging while drilling）；MWD（measuring while drilling）；mechanical structure

TE927．603

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．006

1001-3482（2015）02-0028-04

2014-08-27

國家科技重大專項“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及隨鉆測錄、酸性氣層測試技術(shù)與裝備”（2011ZX05021-005）

王 鵬（1983-），男，工程師，碩士，2008年畢業(yè)于北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院機械制造及自動化專業(yè)，主要從事井下隨鉆測量與控制技術(shù)研究，E-mail：wangpengdri＠cnpc．com．cn。