一種伸縮測量裝置的研制

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(中國電子科技集團有限公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

·開發(fā)設(shè)計·

一種伸縮測量裝置的研制

張必波，孫剛，王振

(中國電子科技集團有限公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

鉆輸式水平井測井中，測井儀剛性連接在鉆桿末端，儀器下放時一旦遇阻且無預(yù)警，繼續(xù)下放測井儀有破壞或脫落的風險。為提高鉆輸式水平井測井的安全性，研制了有遇阻預(yù)警功能的伸縮測量裝置。該裝置通過一套行程轉(zhuǎn)換機構(gòu)，在井下儀較小的內(nèi)部空間內(nèi)，實現(xiàn)了大伸縮量的準確測量，并通過電磁波將伸縮量傳輸?shù)姐@臺上的顯示器上，幫助司鉆判斷儀器下放狀態(tài)。儀器一旦遇阻，伸縮量發(fā)生變化，顯示器產(chǎn)生預(yù)警，提醒司鉆采取必要的應(yīng)對措施，有效地提高了測井的安全性。

預(yù)警；伸縮量；測井；測量；水平井

0 引 言

水平井測井過程中，在水平段內(nèi)不能依靠自重將儀器送入待測井段。為滿足測井要求，出現(xiàn)了鉆桿輸送和泵入兩種較為常用的儀器輸送方法[1]。但以上方法都采用電纜傳輸數(shù)據(jù)，施工工藝較為復(fù)雜，在特殊井段成功率不高。為提高測井成功率，無電纜存儲式測井[2]系統(tǒng)應(yīng)運而生，大大提高了水平井測井的成功率和時效性。

SEMLS-1000存儲式測井系統(tǒng)井下儀通過過渡短節(jié)將儀器串與鉆桿剛性連接，用鉆桿作為傳輸設(shè)備將測井儀送入待測地層后，上提完成測井作業(yè)。測量數(shù)據(jù)存儲在儀器內(nèi)部存儲器中，測量完畢后由專門的設(shè)備將數(shù)據(jù)讀出，再用計算機軟件進行處理。由于是剛性連接，向下輸送儀器過程中，司鉆如果不能監(jiān)視到儀器的下放狀態(tài)，一旦遇阻并繼續(xù)下放鉆桿，輕則損毀測井儀器，嚴重的可能會造成設(shè)備落井，造成無法挽回的損失。針對上述問題，研制具有遇阻預(yù)警功能的伸縮測量裝置，對提高測井安全性具有重要意義。

伸縮測量裝置通過檢測其前端伸縮機構(gòu)的伸縮量，判斷儀器在下放過程中是否遇阻。實際測井過程中，不改變常規(guī)測井儀器串的連接順序，將伸縮測量裝置安裝在儀器串的最末端。在儀器下放過程中，伸縮量不發(fā)生變化，則工況正常；如若伸縮量發(fā)生變化，則通過電磁波傳輸及時上傳變化量，發(fā)出預(yù)警，提醒司鉆采取必要措施，大大提高了測井的安全性。本文著重介紹伸縮測量裝置的結(jié)構(gòu)原理和實現(xiàn)方法。

1 研制重點

伸縮測量裝置的作用就是要讓司鉆能全程監(jiān)測儀器的下放狀態(tài)，一旦儀器串遇阻時能及時預(yù)警，保證測井安全。因此，以下幾點為該儀器研制內(nèi)容的重中之重：1)伸縮行程要足夠大，保證司鉆有足夠的反應(yīng)時間；2)伸縮力要合理，保證儀器不能出現(xiàn)誤報；3)測量精度要滿足需求，反應(yīng)及時；4)測量機構(gòu)結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計緊湊，外徑與常規(guī)測井儀器保持一致。

結(jié)合水平井測井施工的實際情況，提出了儀器必須滿足的性能指標：1)儀器主體外徑：Φ89 mm；2)最大伸縮行程：不小于500 mm；3)壓縮力：壓縮行程300 mm時，不小于5 000 N；4)測量范圍與精度：測量范圍：0～500 mm；測量精度：≤±25 mm。

2 研制方案

2.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，該裝置由主要由伸縮機構(gòu)、測量機構(gòu)和壓力平衡機構(gòu)三部分組成。伸縮機構(gòu)是該裝置的執(zhí)行機構(gòu)，用來保證伸縮的行程和圧縮力的大?。粶y量機構(gòu)將伸縮機構(gòu)的伸縮量轉(zhuǎn)換為電位器的電信號；壓力平衡機構(gòu)保證測量機構(gòu)在150 MPa的環(huán)境壓力下，測量機構(gòu)的零部件能自由動作。

圖1 伸縮測量裝置系統(tǒng)組成

2.2 伸縮機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實際的應(yīng)用需求，伸縮測量裝置的最大可測行程為500 mm，并且壓縮行程300 mm時，不小于5 000 N?？紤]到用單支彈簧來提供所需的壓縮行程和力，彈簧的加工難度，特別是壓縮行程的測量難度都比較大。因此這里采用圖2所示的結(jié)構(gòu)形式，該機構(gòu)主要包括兩支彈簧、導(dǎo)向桿和導(dǎo)向膠錐。導(dǎo)向膠錐裝在機構(gòu)的最前端，用來尋找井眼軌跡，為整串儀器起到導(dǎo)向作用。將2支設(shè)計參數(shù)完全相同的彈簧串聯(lián)在導(dǎo)向桿兩側(cè)，在忽略彈簧制造誤差的情況下，儀器遇阻時兩端將同時壓縮，并且兩端壓縮量相等。這樣就可以通過測量單支彈簧的壓縮行程，計算整支儀器的伸縮量。

由于彈簧的壓縮行程和所需提供的壓縮力都比較大，這里采用大剛度的普通圓柱螺旋壓縮彈簧，按Ⅲ類壓縮彈簧計算。彈簧工作區(qū)域按全變形量的80%計算，預(yù)壓縮量按壓縮行程的10%計算。為保證彈簧在耐腐蝕、壽命長，彈簧作表面鍍硬鉻處理。

圖2 伸縮機構(gòu)原理圖

2.3 測量機構(gòu)設(shè)計

單支彈簧的壓縮行程變化范圍在0～250 mm之間。由于變化范圍過大，必須通過有固定幾何關(guān)系的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，將測距縮小到電位器的可測范圍內(nèi)。電位器阻值與伸長量是線性的，刻度后通過測量電位器電壓算彈簧的壓縮行程。

這里采用井徑臂[3]與斜面組合的機構(gòu)進行行程轉(zhuǎn)換。為減小井徑臂與斜面間高副接觸的摩擦力，在井徑臂端部鉸接一滾輪。如圖3所示：斜面延軸線向前推進，時刻保證井徑臂端部的滾輪緊貼斜面；隨著井徑臂與水平軸線間角度的變化，井徑臂下端圓弧繞機架處鉸點旋轉(zhuǎn)，并推動電位器測量軸平移。

圖3 測量機構(gòu)原理圖

根據(jù)圖2 中的幾何關(guān)系，推導(dǎo)出斜面延軸線的位移變化量Δs與電位器測量軸位移變化量Δx的數(shù)學關(guān)系：

(1)

根據(jù)儀器外徑要求，這里取初始值：l=54 mm、α0=33.11°、β=7°和r=13 mm，Δx∈[0,7.79]。Δx與Δs的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 Δx-Δs變化曲線

綜上，實際測井過程中，一旦儀器遇阻，Δs將在0～250 mm之間變化。這時通過以上轉(zhuǎn)換機構(gòu)，得到電位器的電壓差。然后通過電壓差，計算得到電位器觸桿的伸縮行程Δx，再通過式(1)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，得到伸縮結(jié)構(gòu)的壓縮行程并通過無線通信系統(tǒng)，上傳到司鉆面前的顯示器上。通過采用高精度的電位器，并保證該機構(gòu)結(jié)構(gòu)件的加工精度，可以有效地提高該裝置的測量精度。

2.4 壓力平衡機構(gòu)設(shè)計

隨著測井儀在井眼內(nèi)推進，由泥漿的自重產(chǎn)生的環(huán)境壓力[4]，迫使電位器觸桿向儀器內(nèi)部收縮，破壞了測量機構(gòu)正常的工作狀態(tài)。為平衡電位器觸桿兩端的環(huán)境壓差，采用了以硅油為介質(zhì)的壓力平衡機構(gòu)[5]。同時，硅油的體積會隨溫度和壓力的變化而發(fā)生變化，因此必須綜合考慮這兩個因素對壓力平衡機構(gòu)的影響。如圖5所示，綜合考慮溫度和壓力對硅油體積的影響，以柱塞作為壓力隨動部件，配合溢流閥共同完成內(nèi)外壓力的調(diào)節(jié)。

圖5 壓力平衡機構(gòu)

3 結(jié) 論

通過分析鉆輸存儲式水平井測井工藝中的存在的問題，提出了伸縮測量裝置研制的必要性。結(jié)合實際工況，分析了該裝置設(shè)計的重點，并詳細闡述了伸縮機構(gòu)、測量機構(gòu)和壓力平衡機構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容。通過該裝置的應(yīng)用，可以有效地幫助司鉆判斷儀器的下放狀態(tài)，大大提高測井的安全性。該裝置已在新疆、鄂北等地裸眼井常規(guī)測井中得到了應(yīng)用，并取得了滿意的效果。

[1] 馬建中，祁振萍，相九濤.水平井測井儀器輸送方法[J].石油儀器，2004,18(3):40-43.

[2] 黎澤剛，葛 祥，徐炳高，等.存儲式測井技術(shù)在川西水平井中的應(yīng)用[N].工程地球物理學報，2015-7-12(4).

[3] 梅彥利，王 炯，劉少武.四臂式雙井徑測井儀的研制與應(yīng)用[J].石油機械，2010,38(6)：38-40.

[4] 田文鶴，周 靜.一種井下壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].石油儀器，2010,24(6):7-8.

[5] 中國電子科技集團公司第二十二研究所.SDZ-3011B輔助測量裝置使用維修手冊[Z].2005.

DevelopmentofaMeasuringToolforFlexQuantity

ZHANGBibo,SUNGang,WANGZhen

(The22ndResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Xinxiang,Henan453003,China)

Logging tools are connected rigidly to the end of the drilling pipes in some horizontal drilling wells logging. Once the tools were blocked in the descent procedure without early warning，they may run the risk of damage or drop down the well. A measure tool for flex quantity with warning function was developed in order to improve the security of this logging procedure. This tool can measure large flex quantity accurately by a switching mechanism in its internal small space. And then flex quantity information which will help drillers to determine whether the tools could be descent continually, can be transmitted to display device on the drill floor by electromagnetic waves. Once logging tools were blocked, flex quantity were changed and warning can immediately remain drillers to take the necessary measures which can effectively improve the security of logging.

early warning; flex quantity; logging; measurement; horizontal drilling wells

張必波，男，1986年生，工程師，2011年畢業(yè)于哈爾濱工程大學機械制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事石油測井儀結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail：dongergui@163.com

P631

A

2096-0077(2017)06-0026-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.007

2017-03-20

屈憶欣)