新型井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

竇金永，于成龍，馬曉偉，李玉海，齊 悅

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413）

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，準(zhǔn)確掌握井下工程參數(shù)變得越來(lái)越重要[1-2]。井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)量井下鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆具內(nèi)/外壓力、溫度及振動(dòng)值，為調(diào)整施工參數(shù)提供可靠依據(jù)，從而提高復(fù)雜區(qū)塊鉆井時(shí)效和安全鉆井能力。大慶原有鉆井中缺乏測(cè)量井下工程參數(shù)的手段，鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)均為井口測(cè)量獲得，無(wú)法準(zhǔn)確推測(cè)井下的情況，與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)均采用蓋板式結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)是在測(cè)量鉆鋌的外壁上開(kāi)槽，將各測(cè)量模塊安裝于各自的槽中，通過(guò)為每個(gè)安裝槽配備蓋板實(shí)現(xiàn)與外部的隔離，為蓋板配置螺釘或卡簧實(shí)現(xiàn)固定，為蓋板配置密封圈實(shí)現(xiàn)密封，這種結(jié)構(gòu)存在系統(tǒng)可靠性低的問(wèn)題：一是外露部件多、密封圈設(shè)置多，一旦某一部件失效則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效；二是各模塊間需要設(shè)置過(guò)線孔實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，為了方便設(shè)置過(guò)線孔則不得不將各安裝槽集中布置，導(dǎo)致出現(xiàn)危險(xiǎn)截面，通過(guò)有限元分析，其最薄弱部分在施加極限載荷下的安全系數(shù)僅為1.73（見(jiàn)表1）。為了解決上述問(wèn)題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了套筒式井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，有效提高了系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上述工程參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖1 典型的井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)組成圖

1 技術(shù)分析

1.1 組成

套筒式井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)主要包括測(cè)量鉆鋌本體、套筒、密封圈、防撞環(huán)1、防撞環(huán)2、防轉(zhuǎn)銷、上接頭、電源開(kāi)關(guān)及測(cè)試端口、鉆具外壓測(cè)量模塊、主控及存儲(chǔ)模塊（加載溫度測(cè)量模塊、轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊）、電池模塊、固定組件、振動(dòng)測(cè)量模塊、鉆具內(nèi)壓測(cè)量模塊、單羽應(yīng)變片、雙羽應(yīng)變片等，如圖2所示。

圖2 套筒式井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)組成圖

1.2 工作原理

井下參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)入井之前，通過(guò)地面測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)量參數(shù)和時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)，并設(shè)定采樣周期，安裝供電插頭并記錄開(kāi)始供電時(shí)間。之后井下參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)入井，由測(cè)量鉆鋌內(nèi)置的各測(cè)量模塊采集鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆具內(nèi)/外壓力、溫度及振動(dòng)等參數(shù)，并通過(guò)主控及存儲(chǔ)模塊對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。其中鉆壓、扭矩測(cè)量模塊采用耐高溫箔式電阻應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆壓值和扭矩值的測(cè)量[3-6]；轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊采用陀螺傳感器芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速值的測(cè)量；鉆具內(nèi)/外壓力測(cè)量模塊采用濺射薄膜壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)/外壓力值的測(cè)量[7]；溫度測(cè)量模塊采用電流型溫度測(cè)量芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值的測(cè)量；振動(dòng)測(cè)量模塊采用加速度傳感器芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)值的測(cè)量[8-9]。井下參數(shù)測(cè)量鉆鋌出井后，及時(shí)拆卸供電插頭并記錄斷電時(shí)間，之后通過(guò)地面測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析，從而準(zhǔn)確掌握井下鉆具工作狀態(tài)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

通過(guò)室內(nèi)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，套筒式井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到了表2所示的技術(shù)性能，部分性能超過(guò)國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品，其創(chuàng)新采用套筒式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鉆壓測(cè)量范圍達(dá)到-500～500kN，振動(dòng)測(cè)量范圍達(dá)到0～70g，抗溫能力達(dá)到175℃。

表2 套筒式井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)產(chǎn)品性能對(duì)比表

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

承載外殼采用套筒式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了可靠性。該結(jié)構(gòu)將盡可能多的模塊及組件與外界隔離，有效地減少了外露部件，降低了系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)；采用走線槽代替過(guò)線孔，為各模塊的優(yōu)化布局提供了更大的設(shè)計(jì)空間，根據(jù)各模塊的尺寸及相關(guān)性優(yōu)化為四組，均勻排布在鉆鋌本體的不同徑向截面上，避免了危險(xiǎn)截面的形成[10]，與蓋板式相比，套筒式最小截面的面積增加109%，通過(guò)有限元分析，其最薄弱部分在施加極限載荷下的安全系數(shù)為2.11（見(jiàn)表3），系統(tǒng)組裝完成后開(kāi)展了承受140MPa高壓測(cè)試和承受95kN·m抗扭測(cè)試（見(jiàn)圖3），測(cè)試后各部位探傷檢查合格。

圖3 高壓測(cè)試和抗扭測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

表3 套筒式結(jié)構(gòu)各主要零件的安全系數(shù)表

創(chuàng)新采用矩形安裝槽安裝應(yīng)變片，提高了鉆壓/扭矩的測(cè)量效果。得益于將蓋板密封方式優(yōu)化為套筒式，應(yīng)變片的安裝槽不需要獨(dú)立密封，因此不必局限于采用圓形結(jié)構(gòu)，通過(guò)應(yīng)變分析，將其優(yōu)化為矩形結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4），從而降低槽底邊因粘連程度不同影響應(yīng)變片的形變[11-12]。

圖4 應(yīng)變片矩形安裝槽與圓形安裝槽對(duì)比圖

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2020年2套系統(tǒng)完成3口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（見(jiàn)表4）。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性，兩套儀器共工作301.9h，獲得數(shù)據(jù)53.4萬(wàn)余組，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆具內(nèi)/外壓力、溫度、振動(dòng)值均測(cè)量準(zhǔn)確，這里僅以扭矩值的測(cè)量結(jié)果為例來(lái)說(shuō)明測(cè)量效果。

表4 套筒式井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)表

第一口井第一趟鉆概況：井段為3288～3306m 直井段；鉆具組合為?215.9mmBIT（孕鑲鉆頭）×0.40m+?178mm 渦輪鉆具×13.5m+?212mmSTB×1.40m+?178mm轉(zhuǎn)換接頭×0.49m+?180mm工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)×1.25m+?177.8mmNMDC×9.43m+?177.8mm箭型止回閥×0.50m+?165.1mmDC×156.2m+?127.0mm HWDP×144.24m+?139.7mmDP。

將本趟鉆測(cè)量的扭矩曲線與錄井扭矩曲線放在一起進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖5），可知測(cè)量得到緊扣時(shí)最大扭矩41.75kN·m，這與實(shí)際緊扣扭矩42kN·m 相吻合；鉆進(jìn)時(shí)上部鉆柱與井壁摩擦產(chǎn)生很大損耗，井下扭矩值遠(yuǎn)低于鉆臺(tái)施加扭矩值；在劃眼段，下部井眼縮徑，顯著增加了下部鉆具所分配到的扭矩比例，實(shí)測(cè)值與理論分析結(jié)果相吻合；在鉆具出井卸扣過(guò)程中，由于下部坐卡，上部卸扣和旋扣，測(cè)得最小扭矩-4.5kN·m，符合實(shí)際情況。

圖5 第一口井第一趟鉆測(cè)量的井下扭矩曲線與錄井扭矩曲線對(duì)比（深色為實(shí)測(cè)扭矩曲線，淺色為錄井扭矩曲線）

3 結(jié)論

（1）研制了2套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，承載外殼采用套筒式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了可靠性，創(chuàng)新采用矩形安裝槽安裝應(yīng)變片，提高了鉆壓/扭矩的測(cè)量效果，填補(bǔ)了大慶油田此項(xiàng)技術(shù)空白。

（2）通過(guò)3口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性，2 套儀器共工作301.9h，獲得數(shù)據(jù)53.4 萬(wàn)余組，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆具內(nèi)/外壓力、溫度和振動(dòng)值的準(zhǔn)確測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足井下工程參數(shù)測(cè)量需要，為進(jìn)一步升級(jí)為隨鉆上傳式打下了基礎(chǔ)。