王帥 于懷彬 賀越騰 董宏政 郭科佑

摘 要：鉆井過(guò)程中鉆具振動(dòng)參數(shù)的測(cè)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(shí)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(dá)到提高鉆速、減少事故發(fā)生的目的。完成了存儲(chǔ)式底部鉆具振動(dòng)測(cè)量短接的總體設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)工具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)更加合理，提高了工具使用壽命。

1 底部鉆具振動(dòng)測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，地層結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，深井、超深井和高溫、高壓井以及大斜度水平井等特殊復(fù)雜井越來(lái)越多，事故及復(fù)雜情況的發(fā)生率越來(lái)越高。在鉆井過(guò)程中，鉆壓、扭矩、溫度、振動(dòng)、內(nèi)外泥漿壓力等工程參數(shù)的測(cè)量顯得十分重要。

鉆壓在一定程度上決定了鉆進(jìn)速度的快慢，鉆壓對(duì)下部鉆具結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、屈曲及其它性能具有重要的影響。在工作過(guò)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(shí)鉆壓與鉆臺(tái)指重表指示鉆壓有較大的偏差。通過(guò)借助井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)展水平井、大位移井中井底實(shí)際鉆壓、摩阻研究，定量分析鉆壓對(duì)底部鉆具組合的影響，可以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

同時(shí)鉆柱內(nèi)外壓差與其它鉆井參數(shù)的測(cè)量可以預(yù)報(bào)井下一些不正常的問(wèn)題，及時(shí)采取措施補(bǔ)救，還可以進(jìn)行鉆井水力學(xué)研究。環(huán)空壓力測(cè)量的主要目的是有助于將當(dāng)量循環(huán)密度和當(dāng)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(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量參數(shù)，井下環(huán)空壓力的測(cè)量能準(zhǔn)確地控制鉆井過(guò)程，減少和消除井下復(fù)雜情況及事故，縮短鉆井時(shí)間，提高鉆井速度。

同時(shí)在鉆井過(guò)程中，鉆柱及鉆頭的振動(dòng)對(duì)鉆井效能有較大的影響，特別是在深井硬地層中鉆進(jìn)，嚴(yán)重的井下振動(dòng)可能造成鉆頭先期損壞、鉆柱發(fā)生疲勞破壞、無(wú)法正常鉆進(jìn)、轉(zhuǎn)速受到限制等情況的發(fā)生。利用井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，可以分析研究鉆柱振動(dòng)規(guī)律和特征，引起振動(dòng)的各種原因，解釋一些振動(dòng)現(xiàn)象，檢驗(yàn)振動(dòng)控制措施的效果和合理性、各振動(dòng)計(jì)算模型的實(shí)用性。

因此，在鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)井下工程參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量具有重要的意義。

2 底部鉆具振動(dòng)工具的設(shè)計(jì)

底部鉆具振動(dòng)工具的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，工具由測(cè)量本體、應(yīng)變室、電源板腔室和高溫電池室組成。測(cè)量本體是由無(wú)磁鉆鋌加工而成，目的是在井下測(cè)量時(shí)消除地磁場(chǎng)對(duì)MWD測(cè)量結(jié)果的影響。在測(cè)量本體的同一個(gè)橫截面上對(duì)稱設(shè)計(jì)三個(gè)應(yīng)變室，三個(gè)應(yīng)變室的作用主要是測(cè)量壓力、扭矩，通過(guò)將應(yīng)變片貼在三個(gè)應(yīng)變室的邊緣，構(gòu)成應(yīng)變電橋測(cè)量電路，將測(cè)得的電壓信號(hào)調(diào)理之后，輸出至數(shù)字板采集端，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)。三個(gè)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(hào)調(diào)理板以及振動(dòng)傳感器;振動(dòng)傳感器安裝在偏心位置，電源板主要是給測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)一供電，信號(hào)調(diào)理板主要作用是將傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理等操作;數(shù)字采集板是用來(lái)采集信號(hào)調(diào)理板調(diào)理之后的傳感器信號(hào)，并且將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電。

底部鉆具振動(dòng)短節(jié)測(cè)量參數(shù)如表1所示，在150℃高溫下穩(wěn)定工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)410小時(shí)的工作，測(cè)量誤差小于1%。

2.1 壓力、溫度測(cè)量方案

壓力傳感器的測(cè)量主要是通過(guò)應(yīng)變片在力的作用下會(huì)產(chǎn)生形變，如果利用多組應(yīng)變片組成應(yīng)變片電橋電路，通過(guò)調(diào)理電路，將應(yīng)變片的電壓變化轉(zhuǎn)化為真實(shí)的壓力值，就可以測(cè)量井下的壓力數(shù)值。

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

2.2 改變內(nèi)壓和外壓的測(cè)量方式

設(shè)計(jì)中內(nèi)壓取壓點(diǎn)選在通訊活塞環(huán)的下端面處，外壓取壓點(diǎn)位于測(cè)量本體上，在本體上開(kāi)孔安裝壓力傳感器測(cè)量環(huán)空壓力，避免傳感器的磨損，且壓力讀取簡(jiǎn)便、直接，測(cè)得的數(shù)值更準(zhǔn)確。

3、測(cè)量系統(tǒng)的溫度與振動(dòng)測(cè)試

3.1 溫度測(cè)試

測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)溫度測(cè)試的目的是檢測(cè)在高溫環(huán)境下的工作穩(wěn)定性情況，確保測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足井下高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的要求。

測(cè)試的圖片如圖4所示，在測(cè)試過(guò)程中，務(wù)必保持信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓為28.8V，若過(guò)高或過(guò)低都將損壞電路板。同時(shí)注意在高溫測(cè)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(cè)量電路系統(tǒng)在高溫烘箱中在150℃環(huán)境井下工作24小時(shí)，完整記錄了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的信號(hào)曲線。測(cè)試證明，項(xiàng)目所研究的底部鉆具振動(dòng)測(cè)量電路系統(tǒng)符合研究指標(biāo)，可以在150℃環(huán)境中工作。

3.2 振動(dòng)測(cè)試

測(cè)量系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試的目的是檢測(cè)系統(tǒng)在強(qiáng)振動(dòng)情況下能否正常穩(wěn)定的工作，在強(qiáng)振動(dòng)條件下，測(cè)量系統(tǒng)能否繼續(xù)穩(wěn)定的工作也是測(cè)量系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別設(shè)定了X、Y軸各測(cè)10g和20g，Z軸測(cè)10g、20g、30g;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，底部鉆具振動(dòng)測(cè)量電路系統(tǒng)記錄了振動(dòng)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖所示。試驗(yàn)證明，底部鉆具振動(dòng)測(cè)量電路系統(tǒng)抗震能力超過(guò)20g，能夠滿足井下工作要求。

4 結(jié)論

底部鉆具振動(dòng)測(cè)量短節(jié)的研制，對(duì)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(cè)得的井下鉆壓、扭矩、振動(dòng)、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(fù)雜的發(fā)生。設(shè)計(jì)的底部鉆具振動(dòng)短節(jié)，具有測(cè)量參數(shù)多、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，且通過(guò)對(duì)電路系統(tǒng)的高溫測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試，充分證明了所設(shè)計(jì)制造的測(cè)量短節(jié)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工況要求。下一步就是進(jìn)行工具的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚永漢，狄勤豐，朱衛(wèi)平， 底部鉆具組合的渦動(dòng)特征分析.石油鉆探技術(shù)，2010.38（4）：84-88.

[2]諶德榮，韓肖軍，低功耗油田下壓力溫度測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)[J].華北工學(xué)院測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2000.14（3）：171-176.

[3]李子豐， 梁爾國(guó).鉆柱力學(xué)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[ J] .石油鉆采工藝，2008 ， 30（2）：1 -9 .

[4] 蘇華， 張學(xué)鴻， 王惠德.鉆柱力學(xué)發(fā)展綜述之三：鉆柱動(dòng)力學(xué)[ J] .大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)， 1994 ， 18（3）：45-53 .

[5]韓春杰，閻鐵，深井鉆柱振動(dòng)規(guī)律的分析與應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2005（9）：76-79

[6]李德葆， 張?jiān)獫?rùn).振動(dòng)測(cè)量與試驗(yàn)分析[ M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1992-05 .

[7]劉進(jìn)田，下部鉆具振動(dòng)分析及計(jì)算.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013.42（3）：50-54