井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議

劉 偉，王小鵬，王 旭，張 廷，白文雄，郭先敏

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 第七采油廠，甘肅 環(huán)縣745700;2. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 第七采油廠采油工藝研究所，甘肅 環(huán)縣745700;3. 中石油長(zhǎng)慶油田分公司 第九采油廠，西安710000;4. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 老井側(cè)鉆與套損治理項(xiàng)目組，西安710000;5. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 機(jī)械制造總廠，西安 710201;6.中國(guó)石化勝利石油工程公司 鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257017)

在鉆井過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩、彎矩、沖擊和振動(dòng)等復(fù)雜的鉆井動(dòng)力學(xué)特性會(huì)使機(jī)械鉆速大幅降低，嚴(yán)重情況下還有可能損壞鉆具和鉆頭，破壞井眼質(zhì)量，使鉆井成本成倍增加。因此，需要準(zhǔn)確地了解井下鉆柱、鉆頭的動(dòng)力學(xué)特性，預(yù)測(cè)底部鉆具組合和鉆頭的工作動(dòng)態(tài)，以避免發(fā)生復(fù)雜事故。井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量是一種可有效減少井下故障的技術(shù)手段，通過(guò)井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具采集鉆進(jìn)過(guò)程中的各種井下動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)分析，有助于優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，改善鉆進(jìn)性能，提高鉆井效率。鉆后分析井下動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，有助于區(qū)域鉆井井身結(jié)構(gòu)、底部鉆具組合和鉆頭切削結(jié)構(gòu)優(yōu)化。多年來(lái)，井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具的核心技術(shù)一直被國(guó)外大型油服公司所壟斷。近幾年，雖然國(guó)內(nèi)在該工具技術(shù)的許多領(lǐng)域已有突破性研究進(jìn)展，但與國(guó)外工具技術(shù)，尤其在新的井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具技術(shù)方面相比，仍存在明顯差距。針對(duì)此問(wèn)題，筆者對(duì)當(dāng)前井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，并在對(duì)比國(guó)內(nèi)外工具技術(shù)差異的基礎(chǔ)上，提出了井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具的未來(lái)發(fā)展建議，以期為我國(guó)井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量技術(shù)及相關(guān)工具的發(fā)展提供一些新的思路。

1 國(guó)外井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具發(fā)展現(xiàn)狀

目前，井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具比較成熟，產(chǎn)品已成系列化，應(yīng)用效果較好的主要有Schlumberger、Halliburton、Baker Hughes和NOV等國(guó)外公司的產(chǎn)品。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與處理方式劃分，井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具可分為存儲(chǔ)式和傳輸式2種。存儲(chǔ)式工具在井下采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，起鉆后在地面進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和處理。傳輸式工具在井下采集的數(shù)據(jù)則實(shí)時(shí)傳輸至地面，進(jìn)行記錄和處理分析。

1.1 存儲(chǔ)式井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具

1.1.1 Baker Hughes公司產(chǎn)品簡(jiǎn)介

2013年，Baker Hughes公司推出了MultiSenseTMHD動(dòng)態(tài)傳感器模塊[1-2]，軸向安裝在PDC鉆頭的公扣端，如圖1所示。該傳感器模塊現(xiàn)有?114.3 mm、?168.275 mm和?193.675 mm 3種尺寸，可以提供粘滑振動(dòng)、渦動(dòng)、跳鉆、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、橫向振動(dòng)、軸向振動(dòng)和溫度的測(cè)試數(shù)據(jù)，為鉆后分析及后續(xù)施工方案優(yōu)化提供依據(jù)。采樣頻率500 Hz，連續(xù)采集時(shí)間200 h。該傳感器模塊記錄數(shù)據(jù)有后臺(tái)和突發(fā)2種工作模式，后臺(tái)模式計(jì)算并存儲(chǔ)軸向和橫向加速度計(jì)的平均值以及轉(zhuǎn)速的最大、最小和平均值，突發(fā)模式則以一定的時(shí)間間隔存儲(chǔ)記錄出現(xiàn)的高頻峰值數(shù)據(jù)。

圖1 MultiSenseTMHD動(dòng)態(tài)傳感器模塊

2021年，Baker Hughes公司又推出了MultiSenseTM2.0動(dòng)態(tài)傳感器模塊[3]，該傳感器模塊內(nèi)有三軸加速度計(jì)、單軸陀螺儀和溫度傳感器，從PDC鉆頭接頭外側(cè)安裝在接頭內(nèi)，如圖2所示。該傳感器模塊采用先進(jìn)的傳感技術(shù)，可采集并記錄連續(xù)的三軸振動(dòng)(±40 g)、沖擊(±200 g)、高達(dá)1 000 Hz頻寬的高頻扭轉(zhuǎn)振蕩(HFTO)、粘滑、轉(zhuǎn)速和溫度等參數(shù)，采樣頻率>1 000 Hz，可存儲(chǔ)連續(xù)高頻(250～2 000 Hz)突發(fā)數(shù)據(jù)。連續(xù)采集時(shí)間200 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力103.425 MPa，適用于?149.2～?444.5 mm PDC鉆頭，無(wú)內(nèi)徑限制。MultiSenseTM2.0動(dòng)態(tài)傳感器模塊也可安裝在短節(jié)/接頭內(nèi)，連接在鉆柱的任何位置。

圖2 MultiSenseTM2.0動(dòng)態(tài)傳感器模塊

1.1.2 Schlumberger公司產(chǎn)品簡(jiǎn)介

2014年，Schlumberger公司推出了OptiLog*測(cè)量工具[4]，如圖3所示。該工具配置有三軸加速度計(jì)、單軸磁力計(jì)和PT1000溫度傳感器，可測(cè)量并記錄沖擊(0～200 g)、振動(dòng)(0～60 g)、轉(zhuǎn)速和內(nèi)部溫度等參數(shù)，采樣頻率1 024 Hz，連續(xù)采集時(shí)間200 h。鉆進(jìn)結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)可輸入PERFORM Toolkit*數(shù)據(jù)優(yōu)化和分析軟件對(duì)鉆井性能進(jìn)行優(yōu)化。該工具最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力172.375 MPa。目前有外徑171.45、209.55和241.3 mm 3種規(guī)格，長(zhǎng)度分別為0.96、0.95和0.95 m。

圖3 OptiLog*測(cè)量工具

同年，Schlumberger公司還推出了IDart測(cè)量工具[5-6]，該工具配置有三軸加速度計(jì)、單軸陀螺儀和溫度傳感器，可測(cè)量并記錄井下溫度、轉(zhuǎn)速、橫向振動(dòng)、軸向振動(dòng)及高頻扭轉(zhuǎn)振蕩(HFTO)等參數(shù)，采樣頻率高達(dá)2 048 Hz，連續(xù)采集時(shí)間120 h。目前，該工具主要有2種規(guī)格(如圖4)，即，長(zhǎng)0.558 8 m

圖4 IDart測(cè)量工具

的Idart鉆頭接頭、長(zhǎng)1.1176 m的Idart鉆柱短節(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，該工具與基于時(shí)間的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)配合使用，有助于研發(fā)工程師更好地了解并解決井下動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

1.1.3 Halliburton公司產(chǎn)品簡(jiǎn)介

2018年，Halliburton公司推出了CerebroTM鉆頭動(dòng)態(tài)記錄儀[7-8]，該記錄儀軸向安裝在PDC鉆頭接頭內(nèi)，如圖5所示。該記錄儀配有13個(gè)傳感器，包括三軸加速度計(jì)(±200 g)、三軸磁力計(jì)、三軸陀螺儀、三軸測(cè)斜儀和溫度傳感器，可測(cè)量并記錄振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、井斜、溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)，采樣頻率1 000 Hz，連續(xù)采集時(shí)間150 h。

圖5 安裝有CerebroTM鉆頭動(dòng)態(tài)記錄儀的PDC鉆頭

2020年，Halliburton公司又推出了Cerebro ForceTM鉆頭傳感器模塊[9]，該傳感器模塊安裝在PDC鉆頭接頭上，如圖6所示。該傳感器模塊采用先進(jìn)的Cerebro ForceTM In-Bit傳感技術(shù)，可測(cè)量并存儲(chǔ)三軸沖擊(±200 g)、三軸振動(dòng)(±8 g)、鉆壓、轉(zhuǎn)矩、彎矩、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)，從而能夠計(jì)算輸出機(jī)械比能、渦動(dòng)半徑和頻率、粘滑嚴(yán)重度和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的數(shù)據(jù)，以此為高效、精確的鉆井提供新的設(shè)計(jì)和優(yōu)化參數(shù)。該模塊的采樣頻率為1 000 Hz，連續(xù)采集時(shí)間100 h，最高工作溫度130 ℃，最大工作壓力137.9 MPa，適用于?200.025～?311.15 mm PDC鉆頭，無(wú)內(nèi)徑限制。

圖6 安裝有Cerebro ForceTM鉆頭動(dòng)態(tài)

1.1.4 Sanvean Technologies公司產(chǎn)品簡(jiǎn)介

2019年，Sanvean Technologies公司推出的CuBIC○R3G鉆井動(dòng)態(tài)記錄儀[10]設(shè)計(jì)緊湊，有BHA&鉆柱CuBIC(直徑19.05 mm、長(zhǎng)度147.32 mm)和近鉆頭CuBIC PuK(直徑47.498 mm、長(zhǎng)度28.448 mm)2種類型(如圖7)，安裝在現(xiàn)有的BHA/鉆柱工具和鉆頭中，可采集并記錄三軸振動(dòng)(±16 g，采樣頻率25～100 Hz)、三軸沖擊(±200 g，采樣頻率800 Hz)、轉(zhuǎn)速和溫度等參數(shù)。利用Gamechanger軟件平臺(tái)與地面數(shù)據(jù)結(jié)合，有助于鉆后分析并進(jìn)行鉆井性能優(yōu)化，從而達(dá)到降本增效的目的。該記錄儀最高工作溫度175 ℃，最大工作壓力103.425 MPa，連續(xù)采集時(shí)間200 h，適合安裝在外徑120.65～244.475 mm的工具中。

圖7 CuBIC○R3G動(dòng)態(tài)傳感器模塊

2021年，Sanvean Technologies公司又推出了CuBIC○RHF高頻鉆井動(dòng)態(tài)記錄儀[11]。該記錄儀有CuBIC HF和PuK HF 2種類型，尺寸和外形與BHA&鉆柱CuBIC和近鉆頭CuBIC PuK相同，安裝在現(xiàn)有的BHA/鉆柱工具和鉆頭(CuBIC HF@鉆頭中心線、PuK HF@鉆頭接頭)中，可采集并記錄高頻連續(xù)三軸沖擊(±200 g，采樣頻率800～1 600 Hz)和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。該記錄儀最高工作溫度150 ℃(160 ℃可選)，最大工作壓力103.425 MPa，連續(xù)采集時(shí)間150 h@800 Hz、連續(xù)采集時(shí)間100 h @1 600 Hz。

1.1.5 NOV公司產(chǎn)品簡(jiǎn)介

2020年，NOV公司推出的BlackBox Eclipse II 井下測(cè)量工具[12]，是BlackBox Eclipse鉆井動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)式測(cè)量工具的升級(jí)版(如圖8)，在測(cè)量精度、分辨率、采樣頻率等方面都有很大提升。該工具配置有三軸加速度計(jì)、陀螺儀和溫度傳感器，可采集并存儲(chǔ)三軸振動(dòng)(±200 g)、轉(zhuǎn)速和溫度等數(shù)據(jù)，連續(xù)高頻數(shù)據(jù)分析有助于提高鉆井效率，為客戶處理鉆井難題提供定制化的解決方案。采樣頻率：低g加速度的轉(zhuǎn)速和溫度數(shù)據(jù)100 Hz，高g加速度數(shù)據(jù)1 500 Hz。該傳感器模塊最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9 MPa，存儲(chǔ)容量8 GB，連續(xù)采集時(shí)間120 h。適合安裝在外徑120.65～241.3 mm的BlackBox短節(jié)/接頭中，并可在BHA或鉆柱中靈活布置。

圖8 BlackBox Eclipse II動(dòng)態(tài)傳感器模塊

2021年，NOV公司又推出了BitIQTM鉆頭傳感器模塊[13]。該模塊包括三軸(軸向、切向和橫向)加速度計(jì)、單軸陀螺儀和溫度傳感器，安裝在PDC鉆頭接頭璧上，如圖9所示。該傳感器模塊可采集并記錄三軸振動(dòng)(±120 g)、轉(zhuǎn)速和井下溫度等數(shù)據(jù)，為鉆后分析及鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化和最佳方案實(shí)施提供依據(jù)，主采樣頻率128 Hz，存儲(chǔ)容量16 MB，連續(xù)采集時(shí)間200 h，外徑42 mm，最高工作溫度125 ℃，最大工作壓力103.425 MPa。

圖9 安裝有BitIQTM鉆頭傳感器模塊的PDC鉆頭

1.2 傳輸式井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具

1.2.1 Schlumberger公司產(chǎn)品簡(jiǎn)介

2015年，Schlumberger公司推出了OptiDrill測(cè)量工具[14-16]，如圖10所示。該工具配置有應(yīng)變儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀和PT1000溫度傳感器，不僅可實(shí)時(shí)采集軸向振動(dòng)(0～31.75 g)、橫向振動(dòng)(0～63.5 g)、鉆壓、轉(zhuǎn)矩、彎矩、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速和連續(xù)井斜等參數(shù)，而且還可捕獲頻率為50～2 000 Hz連續(xù)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間，有利于施工人員詳細(xì)了解鉆井系統(tǒng)的狀態(tài)和響應(yīng)，采樣頻率高達(dá)10 kHz，信道數(shù)量19個(gè)，存儲(chǔ)容量200 MB(250 h@低頻0.5 Hz)(可配置)、1 500 MB(140 h@高頻50 Hz)。這些數(shù)據(jù)通過(guò)IntelliServTM有線鉆桿高速遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至地面，與地面測(cè)量值結(jié)合在一起，并在儀表盤上實(shí)現(xiàn)了可視化。某直井眼擴(kuò)眼器隨鉆擴(kuò)眼鉆進(jìn)過(guò)程中，20 min內(nèi)發(fā)生數(shù)次的低級(jí)別扭轉(zhuǎn)振動(dòng)向前旋渦動(dòng)轉(zhuǎn)變的示例如圖11所示。井下數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)結(jié)合分析后，有助于施工人員進(jìn)行鉆井優(yōu)化，從而提高鉆井性能和效率，達(dá)到降低成本的目的。該工具最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力206.85 MPa。目前有外徑175 mm和233.1 mm 2種規(guī)格，長(zhǎng)度分別為2.99 m和3.51 m。

圖10 OptiDrill測(cè)量工具

圖11 低級(jí)別扭轉(zhuǎn)振動(dòng)向前旋渦動(dòng)轉(zhuǎn)變示意圖

1.2.2 Nabors公司產(chǎn)品簡(jiǎn)介

2015年，Nabors公司推出了業(yè)內(nèi)長(zhǎng)度最短(帶電阻率總長(zhǎng)僅為10.06 m)的AccuSteer○RM/LWD工具[17]，如圖12所示。該工具采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合了智能遙測(cè)(鉆井液脈沖+電磁)技術(shù)，在復(fù)合鉆進(jìn)和滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)可以改變數(shù)據(jù)序列，利于提高測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量，并保持導(dǎo)向性的高度控制。該工具最高工作溫度175 ℃、最大工作壓力137.9 MPa，連續(xù)采集時(shí)間>500 h，可測(cè)量定向數(shù)據(jù)、近鉆頭連續(xù)井斜、方位伽馬、鉆井動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(鉆壓、轉(zhuǎn)矩、彎矩和瞬時(shí)狗腿嚴(yán)重度，50 Hz)、井下轉(zhuǎn)速(Max/Min/Avg轉(zhuǎn)速和粘滑指數(shù)，500 Hz)、隨鉆壓力(環(huán)空壓力、井眼壓力、井底壓差、當(dāng)量循環(huán)密度和當(dāng)量靜態(tài)密度，17 Hz)、沖擊和振動(dòng)(最大沖擊加速度500 g、最大振動(dòng)加速度20 g，15～1 000 Hz)和傳播電阻率。

圖12 AccuSteer○RM/LWD工具

1.2.3 NOV公司產(chǎn)品簡(jiǎn)介

2017年，NOV公司推出了BlackStreamTM工具系列，包括BlackStreamTMASM(沿鉆柱測(cè)量)工具、BlackStreamTMEMS(增強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng))井下測(cè)量工具和BlackStreamTMMWD工具。

BlackStreamTMASM工具[18-20](如圖13)與IntelliServTM有線鉆桿相連，并按固定間隔嵌入在鉆柱上，可以提供沿井筒鉆井環(huán)境的完整視圖。BlackStreamTMASM工具配置有雙軸橫向加速度計(jì)、雙軸切向加速度計(jì)、單軸軸向加速度計(jì)、單軸陀螺儀、壓力傳感器和溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)測(cè)量橫向振動(dòng)(±120 g)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(±5 000 rad/s2)、軸向振動(dòng)(±35 g)、轉(zhuǎn)速、內(nèi)/外部壓力和溫度等參數(shù)，采樣頻率256 Hz，信道數(shù)量25個(gè)，緩沖區(qū)大小256字節(jié)。這些數(shù)據(jù)通過(guò)IntelliServTM有線鉆桿高速遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至地面，經(jīng)過(guò)地面數(shù)據(jù)采集、可視化和軟件分析后，為鉆井施工人員提供詳細(xì)信息，以便對(duì)鉆井作業(yè)進(jìn)行優(yōu)化。此外，BlackStreamTMASM工具還可實(shí)時(shí)提供當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)數(shù)據(jù)，有助于消除壓力剖面和井筒條件的不確定性。目前，BlackStreamTMASM工具有3種規(guī)格。

1) 外徑126.365 mm，長(zhǎng)度1.8 m，連續(xù)采集時(shí)間750 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力172.375 MPa，適用于?101.6 mm鉆桿。

2) 外徑168.275 mm，長(zhǎng)度1.8 m，連續(xù)采集時(shí)間1 000 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力172.375 MPa，適用于?127 mm鉆桿。

3) 外徑177.8 mm，長(zhǎng)度1.8 m，連續(xù)采集時(shí)間1 000 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力172.375 MPa適用于?139.7 mm和?149.225 mm鉆桿。

IntelliServTM有線鉆桿高速遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)通常包括：

1) 井下轉(zhuǎn)換接頭用于與第三方M/LWD及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)建立連接，實(shí)現(xiàn)與BHA相應(yīng)組件的雙向通信。

2) 有線鉆柱組件包括鉆桿、鉆鋌、震擊器等，數(shù)據(jù)信號(hào)以高達(dá)56 000 bps的傳輸速率沿整個(gè)鉆柱傳輸。

3) DataLinks屬于井下網(wǎng)絡(luò)電子短節(jié)，沿鉆柱轉(zhuǎn)發(fā)、過(guò)濾及放大信號(hào)。

4) 頂驅(qū)數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)接頭用于連接鉆柱和頂驅(qū)。

5) 地面網(wǎng)絡(luò)控制器是連接鉆柱網(wǎng)絡(luò)至地面系統(tǒng)的接口。

圖13 BlackStreamTMASM工具

BlackStreamTMEMS(增強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng))井下測(cè)量工具[21-23](如圖14)能夠以800 Hz的頻率實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)橫向振動(dòng)(±120 g)、軸向振動(dòng)(±35 g)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(±5 000 rad/s2)、轉(zhuǎn)速、鉆壓、轉(zhuǎn)矩、環(huán)空壓力、內(nèi)部壓力、溫度和彎矩等參數(shù)，并利用IntelliServTM有線鉆桿高速遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳輸至地面，從而可為解決粘滑、渦動(dòng)等鉆井難題定制合理的解決方案，以優(yōu)化鉆井性能并降低成本。目前，BlackStreamTMEMS工具有3種規(guī)格。

1) 外徑130.175 mm，長(zhǎng)度4.267 2 m，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9 MPa，電池壽命400 h。

2) 外徑171.45 mm，長(zhǎng)度2.895 6 m，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9 MPa，電池壽命225 h。

3) 外徑228.6 mm，長(zhǎng)度4.267 2 m，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9 MPa(P670抗硫材料)，最大工作壓力172.375 MPa(無(wú)磁P650HS材料)，電池壽命350 h。

圖14 BlackStreamTMEMS井下測(cè)量工具

BlackStreamTMEMS工具僅在母接頭處嵌有IntelliServTM線圈，這樣IntelliServTM有線鉆桿高速遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)不會(huì)到達(dá)位于該工具之下的任何工具。新款BlackStreamTMEMS StreamThru工具底部公接頭處也嵌入有IntelliServTM線圈，這樣就可以將BlackStream EMS StreamThru工具的測(cè)量數(shù)據(jù)和該工具之下任何其他有線鉆桿驅(qū)動(dòng)工具存儲(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)并行遙測(cè)傳輸至地面。這種改進(jìn)消除了BlackStreamTMEMS工具的設(shè)計(jì)缺陷，即由于缺少底部線圈而使BlackStreamTMEMS工具成為有線鉆桿網(wǎng)絡(luò)的最末一級(jí)工具。因此，這種改進(jìn)不僅有助于在有線鉆桿網(wǎng)絡(luò)中下入多個(gè)BlackStream EMS StreamThru工具，而且還可以下入其他第三方有線鉆桿驅(qū)動(dòng)工具。目前，BlackStream EMS StreamThru工具有外徑171.45 mm和228.6 mm 2種規(guī)格，與BlackStreamTMEMS工具相比，在工具尺寸、外形設(shè)計(jì)、傳感器以及數(shù)據(jù)采集方面均保持一致。

BlackStreamTMMWD工具[24-26](如圖15)與IntelliServTM有線鉆桿相連，結(jié)合了BlackStreamTMEMS工具的功能，配有動(dòng)態(tài)傳感器(橫向振動(dòng)(±120 g)、軸向振動(dòng)(±35 g)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(±5 000 rad/s2)、轉(zhuǎn)速、鉆壓、轉(zhuǎn)矩、彎矩、環(huán)空壓力、內(nèi)部壓力和溫度，采樣頻率800 Hz)、定向傳感器(井斜、方位、重力工具面、磁性工具面)和伽馬射線傳感器。目前，BlackStreamTMMWD工具有2種規(guī)格。

1) 外徑130.175 mm，長(zhǎng)度13.45 m，電池壽命225 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9MPa；

2) 外徑171.45 mm，長(zhǎng)度11.08 m，電池壽命350 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9 MPa。

圖15 BlackStreamTMMWD工具

2 國(guó)內(nèi)井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具的研究起步較晚，近年來(lái)積極進(jìn)行了大量的研究工作，并在可安放在鉆柱中任意位置的存儲(chǔ)式井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具和通過(guò)鉆井液脈沖方式傳輸數(shù)據(jù)至地面的傳輸式井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具方面取得了一定數(shù)量的研究成果，但距離商業(yè)化應(yīng)用還有待時(shí)日。

2.1 存儲(chǔ)式井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具

2011年，中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院翟小強(qiáng)等[27]設(shè)計(jì)了1種存儲(chǔ)式井下振動(dòng)測(cè)量工具，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。該工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成1個(gè)短節(jié)(如圖16)，采用存儲(chǔ)式測(cè)量方式，在井下測(cè)量到振動(dòng)信號(hào)后進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。該工具包括電子測(cè)量系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)2部分。電子測(cè)量系統(tǒng)的功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。機(jī)械系統(tǒng)則是把電子測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行密封和安裝，以保證工具正常測(cè)量。機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是把電子測(cè)量系統(tǒng)安裝在儀器筒中，在測(cè)量接頭上開(kāi)出安裝槽，儀器筒安裝在測(cè)量接頭上的槽內(nèi)。儀器筒設(shè)計(jì)成3個(gè)獨(dú)立的器件倉(cāng)，分別安放三軸加速度傳感器、電子電路和電池。測(cè)量接頭扣型為430×410(NC50)、外徑為177.8 mm，內(nèi)徑為57.0 mm。機(jī)械總體裝配如圖17所示。

圖16 存儲(chǔ)式井下振動(dòng)測(cè)量工具總體結(jié)構(gòu)

圖17 存儲(chǔ)式井下振動(dòng)測(cè)量工具機(jī)械總體結(jié)構(gòu)

2012年，中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院鉆井工藝所劉偉等[28]提出了1種井下振動(dòng)記錄儀并進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試。該記錄儀由獲取振動(dòng)信號(hào)的壓電式三軸加速度計(jì)以及對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、分析部分組成，設(shè)計(jì)如圖18所示。該記錄儀可安放在鉆柱中的不同位置或距離鉆頭較近的位置，以測(cè)量鉆柱或鉆頭處的振動(dòng)。安裝1個(gè)或者多個(gè)記錄儀可為井下鉆柱振動(dòng)分析提供詳實(shí)、可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖18 井下振動(dòng)記錄儀示意圖

2019年，中石化石油機(jī)械股份有限公司吳蔚娓等[29]提出了1種存儲(chǔ)式井下振動(dòng)測(cè)量?jī)x，并建立了井下振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)方法對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該測(cè)量?jī)x是1個(gè)專用的測(cè)試接頭，有效長(zhǎng)度為238 mm，嵌有加速度傳感器，連接在鉆頭和螺桿鉆具之間，利用接頭內(nèi)安裝的三軸加速度傳感器，分別測(cè)量鉆井過(guò)程中鉆頭的橫向、軸向和徑向的加速度值。測(cè)試接頭由本體、加速度傳感器測(cè)量系統(tǒng)、壓蓋、密封圈和卡簧組成。如圖19所示，在本體沿直徑方向鉆傳感器孔，三向加速度測(cè)量系統(tǒng)安裝在傳感器孔內(nèi)并加以密封。目前，該測(cè)量?jī)x已在國(guó)內(nèi)某油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，所用鉆頭為PDC鉆頭，螺桿鉆具和轉(zhuǎn)盤雙驅(qū)動(dòng)，排量50 L/s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速50 r/min，試驗(yàn)取得徑向、軸向和切向加速度值。

圖19 測(cè)量?jī)x接頭結(jié)構(gòu)示意

2.2 傳輸式井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具

2.2.1 西南石油大學(xué)

2010年，西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王旭東[30]和中石化勝利油田鉆井工藝研究院張?；╗31]等分別對(duì)近鉆頭井下鉆井工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)矩、側(cè)向力、環(huán)空壓力和溫度等。

大學(xué)生職業(yè)生涯規(guī)劃主要分為四個(gè)階段：自我認(rèn)知階段、職業(yè)認(rèn)知階段、分析決策階段和職業(yè)實(shí)踐階段。班主任應(yīng)該將大學(xué)四年學(xué)習(xí)與這四個(gè)階段想對(duì)應(yīng)，逐步引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)自己、認(rèn)識(shí)社會(huì)，學(xué)會(huì)為自己進(jìn)行職業(yè)生涯的規(guī)劃。

2011年，西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬天壽等[32]設(shè)計(jì)了可連接在鉆柱中任意位置的井下工程參數(shù)測(cè)量短節(jié)，短節(jié)測(cè)量參數(shù)包括井下鉆壓、轉(zhuǎn)矩、側(cè)向力、環(huán)空壓力、鉆柱內(nèi)壓等參數(shù)。這些成果為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

2020年，西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院張智亮等[33]提出了1種井下安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的井下參數(shù)測(cè)量模塊由測(cè)量短節(jié)和供電及信號(hào)傳輸短節(jié)組成，如圖20所示。測(cè)量短節(jié)可實(shí)時(shí)測(cè)量鉆壓、彎矩、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、鉆柱內(nèi)外壓力、振動(dòng)、井斜角和方位角等參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，鉆井液脈沖發(fā)電機(jī)完成信號(hào)的上傳及系統(tǒng)的供電。所選用傳感器的芯片及元件均耐溫150 ℃。測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后以鉆井液脈沖的方式實(shí)時(shí)傳輸至地面，地面數(shù)據(jù)采集、綜合分析軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，預(yù)測(cè)、評(píng)估鉆井作業(yè)中的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而給出風(fēng)險(xiǎn)提示和降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，實(shí)現(xiàn)井下監(jiān)測(cè)、井上控制，避免風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，實(shí)現(xiàn)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)鉆井。井下安全監(jiān)控系統(tǒng)先后在新疆油田、吐哈油田、青海油田和塔里木油田等11口井進(jìn)行了先導(dǎo)性試驗(yàn)，成功預(yù)測(cè)了多種井下故障，提高了井筒安全性，確保了鉆井安全。

圖20 井下參數(shù)測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司

2017年，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所趙昱等[34]提出了1種井下工程參數(shù)測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x實(shí)際上是1個(gè)鉆鋌短節(jié)，總體結(jié)構(gòu)組成如圖21所示。該測(cè)量?jī)x采取在鉆鋌璧上開(kāi)槽的方式，安裝多種傳感器和電路板，并使用蓋板和密封圈實(shí)現(xiàn)密封，可測(cè)量并存儲(chǔ)三軸振動(dòng)和沖擊(最大采樣頻率2 000 Hz)、鉆壓(最大采樣頻率2 000 Hz)、轉(zhuǎn)矩(最大采樣頻率2 000 Hz)、彎矩(最大采樣頻率200 Hz)、鉆井液壓力和溫度(最大采樣頻率200 Hz)等參數(shù)并在井下實(shí)時(shí)計(jì)算各參數(shù)特征量，處理后的數(shù)據(jù)能夠以鉆井液脈沖的方式實(shí)時(shí)傳輸至地面。該測(cè)量?jī)x外徑171.45 mm、長(zhǎng)度1.5 m、連續(xù)工作時(shí)間>100 h、存儲(chǔ)容量8 GB、工作溫度-40～150 ℃、最大工作壓力140 MPa。該測(cè)量?jī)x樣機(jī)共進(jìn)行了3口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，均安裝在螺桿上方，累計(jì)鉆進(jìn)約400 h，進(jìn)尺約2 600 m，最大作業(yè)垂深1 970 m。

圖21 井下工程參數(shù)測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)組成

2.2.3 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院

2018年，中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院賈衡天等[35]設(shè)計(jì)了1種井下工程參數(shù)測(cè)量鉆鋌短節(jié)，該短節(jié)由應(yīng)變傳感器陣列、環(huán)空水眼溫度壓力傳感器單元、工程參數(shù)信號(hào)調(diào)理單元、工程參數(shù)信號(hào)采集存儲(chǔ)單元、和測(cè)量系統(tǒng)供電通信單元構(gòu)成，如圖22所示。該短節(jié)能夠通過(guò)各種傳感器測(cè)量在井下鉆井作業(yè)工程中的鉆壓、轉(zhuǎn)矩、環(huán)空水眼壓力、溫度和轉(zhuǎn)速等重要工程參數(shù)，并通過(guò)MWD工程參數(shù)數(shù)據(jù)上傳單元從井下上傳至地面，作為地面鉆井作業(yè)人員進(jìn)行鉆井操作的依據(jù)，從而提高鉆井作業(yè)的安全水平和效率。該測(cè)量短節(jié)在銀川鹽湖縣開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，連續(xù)工作共120 h，從井深800～2 000 m進(jìn)行隨鉆鉆壓、轉(zhuǎn)矩、環(huán)空壓力和水眼壓力參數(shù)測(cè)量。

圖22 井下工程參數(shù)測(cè)量鉆鋌短節(jié)

2.2.4 北京信息科技大學(xué)

2020年，北京信息科技大學(xué)姜海龍等[36]提出了1種井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)組成如圖23所示。該測(cè)量系統(tǒng)是1個(gè)鉆鋌短節(jié)，可以測(cè)量井下鉆壓、轉(zhuǎn)矩、x-y-z三軸振動(dòng)、溫度、管柱及環(huán)空壓力等8個(gè)參數(shù)，采集的數(shù)據(jù)能夠以鉆井液脈沖的方式實(shí)時(shí)傳輸至地面，采樣頻率范圍0～1 000 Hz，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力80 MPa。冀東油田G126X1井應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)準(zhǔn)確，能夠真實(shí)反映井下實(shí)際工況；系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，井下工作時(shí)間可達(dá)150 h，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，可為鉆井作業(yè)提供有力的支持。

圖23 測(cè)量本體結(jié)構(gòu)

3 國(guó)內(nèi)外井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具的差異

3.1 存儲(chǔ)式工具

存儲(chǔ)式井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具，以測(cè)量短節(jié)/接頭和傳感器模塊為例。

1) 安放位置。國(guó)外的工具可安放在鉆柱/BHA和鉆頭的各個(gè)位置，實(shí)現(xiàn)了全方位測(cè)量。國(guó)內(nèi)目前只有安放在鉆柱/BHA中的測(cè)量接頭，而對(duì)鉆頭傳感器模塊的研究未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

2) 性能指標(biāo)。國(guó)外工具的最高工作溫度175 ℃，最大工作壓力172.375 MPa，最大采樣頻率2 048 Hz，最長(zhǎng)連續(xù)采集時(shí)間200 h。國(guó)內(nèi)工具仍處于試驗(yàn)階段，未見(jiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)道。

3) 測(cè)量參數(shù)。國(guó)外工具的測(cè)量參數(shù)不再局限于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速和溫度等少數(shù)幾個(gè)參數(shù)，如HalliburtonTM公司的Cerebro ForceTM鉆頭傳感器模塊不僅可測(cè)量振動(dòng)、沖擊、轉(zhuǎn)速、溫度和壓力，而且還可從鉆頭中直接獲取鉆壓、轉(zhuǎn)矩和彎矩，這是很大的進(jìn)步，有助于加深對(duì)井下環(huán)境的理解。國(guó)內(nèi)的工具僅局限于振動(dòng)測(cè)量。

3.2 傳輸式工具

傳輸式井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具，以鉆鋌短節(jié)為例。

1) 傳輸方式。國(guó)外推出的新型傳輸式工具不僅包括通過(guò)有線鉆桿高速遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的系列化工具，而且還出現(xiàn)了采用鉆井液脈沖和電磁遙測(cè)兩種數(shù)據(jù)傳輸模式的工具。國(guó)內(nèi)的傳輸式工具的數(shù)據(jù)傳輸方式仍舊以傳統(tǒng)的鉆井液脈沖方式為主，有線鉆桿和雙模式遙測(cè)仍處于基礎(chǔ)研究階段。

2) 性能指標(biāo)。國(guó)外工具的最高工作溫度175 ℃，最大工作壓力206.85 MPa，最大采樣頻率10 kHz，最長(zhǎng)連續(xù)工作時(shí)間1 000 h。國(guó)內(nèi)工具的最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力140 MPa，最大采樣頻率2 kHz，最長(zhǎng)連續(xù)工作時(shí)間150 h。

3) 測(cè)量參數(shù)。國(guó)外工具的測(cè)量參數(shù)包括沖擊、橫向振動(dòng)、軸向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度、鉆壓、轉(zhuǎn)矩、彎矩、環(huán)空壓力、內(nèi)部壓力、井底壓差、當(dāng)量循環(huán)密度和當(dāng)量靜態(tài)密度。國(guó)內(nèi)工具的測(cè)量參數(shù)涉及鉆壓、彎矩、轉(zhuǎn)矩、溫度、轉(zhuǎn)速、鉆柱內(nèi)外壓力、三軸振動(dòng)和沖擊，種類略少于國(guó)外。

4 國(guó)內(nèi)井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具發(fā)展建議

1) 進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量的微型記錄儀研究。傳感器是井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具的核心元件，而微型化是傳感器未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一。工具尺寸微型化，無(wú)需額外增加測(cè)量短節(jié)/接頭長(zhǎng)度，以避免影響定向和動(dòng)態(tài)響應(yīng)及提高機(jī)械故障風(fēng)險(xiǎn)。因此，不管是存儲(chǔ)式工具，還是傳輸式工具，都有必要將多個(gè)傳感器元件、數(shù)據(jù)壓縮軟件、采集電路、電源等模塊化設(shè)計(jì)成微型記錄儀，安放在鉆柱/BHA中的接頭和鉆頭接頭中，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、沖擊、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、鉆壓、轉(zhuǎn)矩和彎矩等多項(xiàng)參數(shù)測(cè)量。另外，為了承受井下惡劣的工作環(huán)境，還要選擇耐溫耐壓、耐沖擊振動(dòng)的傳感器，如陶瓷傳感器。

2) 提高井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)的采樣頻率。高頻數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間問(wèn)隔較短，采樣頻率大于一般研究時(shí)所采用的頻率。分析結(jié)果證實(shí)，與低采樣頻率相比，較高的采樣頻率有助于獲得更詳細(xì)的井下動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，如扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、粘滑、渦動(dòng)和跳鉆等。因此，在保證測(cè)量精度、存儲(chǔ)空間足夠大的情況下，應(yīng)盡可能提高數(shù)據(jù)的采樣頻率，確保其高于原始信號(hào)最高頻率的兩倍以上，這樣才能保證采集的信號(hào)不失真，從而才有可能把數(shù)字信號(hào)表示的信號(hào)還原成為原來(lái)信號(hào)。

3) 強(qiáng)化有效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的攻關(guān)研究。鉆井過(guò)程中，鉆井性能實(shí)時(shí)優(yōu)化必須有足夠的井下動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)支持，因此需要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快速傳輸?shù)挠行緩?。前些年，井下?dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的傳輸主要依賴于鉆井液脈沖技術(shù)，但有時(shí)脈沖速率過(guò)低，難以真正滿足眾多參數(shù)隨鉆實(shí)時(shí)快速傳輸?shù)囊?，因而無(wú)法獲得連續(xù)的高頻數(shù)據(jù)，這樣就容易遺漏重要的信息；電磁遙測(cè)可代替鉆井液脈沖遙測(cè)，但是井深和與地層相關(guān)的諸多因素限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，有效鉆桿高速遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)和鉆井液脈沖遙測(cè)+電磁遙測(cè)雙數(shù)據(jù)傳輸模式應(yīng)成為井下動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)傳輸方式的主要發(fā)展方向。對(duì)于有線鉆桿網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)從電力及信號(hào)傳輸、設(shè)計(jì)與連接、加工制造等關(guān)鍵技術(shù)上加強(qiáng)攻關(guān)研究，力求取得突破；鉆井液脈沖+電磁遙測(cè)雙數(shù)據(jù)傳輸模式可作為鉆井液脈沖系統(tǒng)的替代或補(bǔ)充，既擁有電磁遙測(cè)高傳輸速度的優(yōu)點(diǎn)，也擁有可靠的鉆井液脈沖遙測(cè)備份手段，比以前的電磁遙測(cè)適用于更深的地層，因此應(yīng)解決MWD遙測(cè)工具中鉆井液脈沖遙測(cè)模塊和電磁遙測(cè)模塊的連接以及鉆井液脈沖模式和電磁模式之間的切換等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

4) 開(kāi)展用于動(dòng)力學(xué)測(cè)量的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的前瞻研究。智能微塵是未來(lái)高新技術(shù)之一，該技術(shù)的出現(xiàn)，使用于井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成為可能。智能微塵讓擁有智能的無(wú)線傳感器縮小成如同沙?；驂m埃的大小，每一粒智能微塵都是由電池、傳感器、微處理器、雙向無(wú)線電接收裝置和軟件組成。因此，可以將智能微塵按照一定的間隔嵌入到井下鉆柱/BHA和鉆頭的各個(gè)位置，構(gòu)建成智能傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)智能微塵都是該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，可以探測(cè)井下的諸多動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)外井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具開(kāi)發(fā)較早，形成了較為成熟的系列化工具。我國(guó)井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具的研發(fā)相對(duì)較晚，近年來(lái)雖取得了突破性進(jìn)展，但大多數(shù)研究成果還處于試驗(yàn)階段，未得到規(guī)模化應(yīng)用。國(guó)內(nèi)井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量技術(shù)及相關(guān)配套裝備工具的研發(fā)需要多學(xué)科共同配合，單憑一家的力量難以完成。因此，需要分工合作，在提高數(shù)據(jù)采樣頻率的同時(shí)，持續(xù)進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量的微型記錄儀、有效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的攻關(guān)研究，早日實(shí)現(xiàn)井下動(dòng)力學(xué)測(cè)量工具的商業(yè)化應(yīng)用，并開(kāi)展智能監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)研究。