井下工程參數測量系統(tǒng)的研制與應用

姜海龍， 柳貢慧， 李 軍， 張 濤， 王 超， 任 凱

(1北京信息科技大學 2中國石油大學·北京 3北京工業(yè)大學)

為了保證鉆井作業(yè)安全、高效，準確獲取近鉆頭處的工程參數，可在近鉆頭處安裝井下參數測量工具，實時測量井底的鉆壓、扭矩、振動、壓力、溫度等工程參數。上述工程參數的獲取使得工程人員可實時掌握鉆具的工作狀態(tài)，根據測量參數的變化預見鉆井事故，減少鉆井事故發(fā)生。

一、井下測量技術研究現狀

經過幾十年的發(fā)展，許多國外的石油服務公司如斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓等已經研發(fā)出性能良好的MWD產品[1-6]，其設計工藝水平和工作性能不斷改進和完善，基本能夠滿足井眼軌跡導向、地層評價和鉆井風險控制的需求。這些工具普遍適用于140 MPa、150℃的井下環(huán)境，部分產品可以在200 MPa以上、200℃以上的極限環(huán)境中正常工作，并且實時上傳測量參數。這些隨鉆測量儀器與地面技術設備相結合構成了以低風險隨鉆測量和低風險隨鉆評價為體系的“無風險鉆井系統(tǒng)”，減少了鉆井事故，提高了鉆井效率。

國內有關井下參數測量研究的起步較晚,高蘊熙[7]率先提出存儲式井下鉆壓、扭矩、壓力、溫度測量系統(tǒng)的概念。王玲等[8]設計了井下測量電路系統(tǒng)，為后續(xù)研究奠定了基礎。王德桂等[9]設計了近鉆頭鉆柱力學特性測量系統(tǒng)，采用傳感器測量軸向力、扭矩、徑向力大小和方向，并通過室內實驗進行驗證。胡澤等[10]開發(fā)的井下工程參數測量儀可測量環(huán)空壓力、鉆壓、扭矩和鉆頭側向力，首次實現了參數隨鉆測量與傳輸，并進行了單次現場實驗，但實驗井深較淺(300～621 m)，實驗時長較短(16 h)。耿艷峰[11]重點分析了鉆壓、扭矩的測量原理及結構參數設計。張?；ǖ萚12]設計的井下近鉆頭短節(jié)通過單片機電路實現與MWD的通訊功能，并且實現了分時測量。柳貢慧教授團隊[13]研發(fā)的隨鉆測壓工具(PWD)可以實時測量近鉆頭鉆壓、扭矩、溫度、環(huán)空及管柱壓力，在華北油田的現場試驗取得了滿意的效果。隨后其團隊為了進一步深入研究井下動態(tài)行為，在PWD工具的基礎上，增加了三軸振動測量功能，形成了完善的井下多工程參數測量系統(tǒng)。

對比分析國內外研究進展，國外的井下測量技術非常成熟，能夠測量軌跡導向參數、儲層評價參數以及鉆井風險評價參數，并且實現了產品系列化，針對不同的需求可以選用不同的產品及產品組合；國內的研究則相對滯后，不僅測量參數單一(軌跡導向參數測量已初步完善并投入現場使用)，而且主要以理論研究、室內實驗為主，尚不能滿足現場需求，亟需進一步攻關，縮小與國外的差距。

二、測量系統(tǒng)設計及強度分析

1. 測量系統(tǒng)原理及設計

工程參數測量系統(tǒng)可以測量井下鉆壓、扭矩、X-Y-Z三軸振動、溫度、管柱及環(huán)空壓力共計八個參數，采樣頻率范圍為0～1 kHz，最高工作溫度為150℃，最高工作壓力為80 MPa。測量本體的結構設計如圖1所示。

圖1 測量本體結構圖

測量本體由鉆壓/扭矩測量單元、振動測量單元、環(huán)空壓力/溫度測量單元、管柱壓力測量單元、通訊結構總成、信號采集/調理電路、電源管理電路和直流電源組成。在測量本體的同一個橫截面上間隔120°對稱設計三個應變室，應變室之間有導線孔相互連通。粘貼在應變室內的應變片組成惠斯通全橋測量電路(即鉆壓/扭矩測量單元)，振動、壓力和溫度的測量通過相應的測量單元實現。通訊結構總成是連通測量單元與信號采集/調理電路的橋梁，測量單元的輸入經過通訊口活塞環(huán)與電子電路連接，實現信號的采集、調理和存儲。電子電路與電源連接，實現對整個系統(tǒng)的能量供給。

振動、溫度及壓力測量采用市場上現有的成熟產品，測量模塊中的傳感器感知相應的物理參數變化并以電壓的形式輸出。為了測量鉆壓和扭矩，設計了基于應變測量原理的鉆壓/扭矩測量電橋。在軸向力和扭矩的作用下，測量本體上測量微元會產生沿軸向和45°切向方向的微小形變，相應的應變片也會隨測量微元產生形變，進而引起應變電橋輸出電壓的改變。在一定范圍內，應變電橋輸出與測量微元應變成正比關系，根據測得的電壓變化，可以反算測量微元的應變值，然后根據材料力學的胡克定律，可以計算出相應的應力值。在具體應用時，為了提高應變電橋在彎矩作用下的密封性，采用應變孔的密封結構而非雙筒式結構；為了提高應變測量的靈敏度，應變片粘貼在應變孔的側壁上而非應變孔底面上；為了減小貼片工藝對應變測量結果的影響，在應變電橋的橋臂上采用串聯貼片方式，每個橋臂上的應變取各應變值的算數均值。

2. 測量系統(tǒng)強度分析

為了實現測量系統(tǒng)的相關功能，需要在測量本體上加工應變室以及導線孔，這會改變測量本體在不同載荷作用下的應力分布?；诖?，利用有限元分析方法對設計好的測量本體進行壓、拉、扭載荷作用下的應力分析，從而確定極限載荷。當拉載荷為429.5 MPa時，最大應力為834.7 MPa，接近材料屈服強度835 MPa。同樣的，當壓載荷為433 MPa時，最大應力為834.8 MPa；當扭載荷為1.017×1011kN·m時，最大應力為835.6 MPa。

三、室內實驗

鉆壓/扭矩測量電橋在應用之前需要進行室內標定，獲得施加載荷與輸出結果的對應關系。為此，需要在實驗室內對鉆壓/扭矩測量單元進行標定實驗。

1. 鉆壓標定

由于測量本體尺寸超長，沒有合適的拉拔實驗臺，所以鉆壓標定使用手動液壓裝置。在使用液壓裝置之前首先利用拉拔實驗臺對其標定，標定結果見圖2。在鉆壓載荷的作用下，液壓裝置的活塞產生向下的位移，使得其中的液壓油產生高壓，液壓油的壓力顯示在壓力表上。由實驗結果可知，鉆壓載荷與液壓輸出之間存在線性關系，且線性度良好，相關系數R高達0.99。

圖2 液壓裝置標定實驗結果

利用液壓裝置對工程參數測量系統(tǒng)進行三組標定實驗。實驗采用間隔5 MPa液壓(即21 kN)階梯加載的方式，加載到指定載荷保持一定時間以獲得輸出電壓。根據輸入鉆壓載荷和輸出電壓得到鉆壓測量電橋的特性曲線，如圖3。鉆壓測量電橋特性曲線為一條直線，線性度良好，計算的標定誤差為0.63 kN(0.13%)；三次標定實驗的結果幾乎重合，鉆壓測量電橋良好的可靠性。實驗中標定裝置所用液壓表參數：0～60 MPa量程，0.25級測量精度。

圖3 鉆壓測量電橋標定結果

2. 扭矩標定

扭矩標定實驗使用中石油鉆井院機械所的扭轉實驗臺，此裝置為加拿大進口設備。扭矩標定和鉆壓標定實驗過程類似，同樣采用階梯加載方式并重復進行3次實驗，其標定結果見圖4。扭矩載荷與輸出電壓之間存在良好的線性關系，相關系數R高達0.99；重復實驗驗證了扭矩測量單元良好的可靠性。

圖4 扭矩測量電橋標定

四、現場應用

1. G126X1井基礎信息

G126X1井是冀東油田南堡凹陷高尚堡構造帶南北斜坡帶的一口評價井，目的在于評價儲層油藏規(guī)模及油藏產能。測量系統(tǒng)在該井中的應用井段為三開2 006～2 620 m，其在井下連續(xù)工作時間為159.2 h。其中2 006～2 036 m采用常規(guī)鉆具組合進行鉆水泥塞作業(yè)，2 036～2 620 m采用動力鉆具進行增斜鉆進作業(yè)。鉆具組合如表1所示。

表1 鉆具組合表

2. 工程參數測量數據

圖5為增斜鉆進時的工程參數測量數據。隨著井深從2 036 m增加到2 591 m時，環(huán)空壓力增加了9 MPa，管柱壓力也增加了約9 MPa，管柱壓力的突變是由于接單根時關啟鉆井泵造成的；溫度增加了21℃，最高井下溫度為67℃，這與地質預測的3.8°/100 m的地溫梯度吻合；橫向振動幅度大于軸向振動幅度，橫向振動幅度在0～0.4 g范圍內波動，而軸向振動在0～0.1 g的范圍內波動；鉆頭鉆壓和錄井鉆壓基本吻合，兩者之間的微小差異反映了在傳播過程中衰減掉的井下動態(tài)特性；扭矩幅值較小，平均扭矩在2 kN·m以下，峰值扭矩不超過8 kN·m。這是由于該井段地層巖性為砂巖、泥巖混層，地層可鉆性較高，同時施加鉆壓較小，小鉆壓導致鉆頭吃入深度較小，從而導致較小的井下扭矩。

圖5 增斜鉆進段工程參數量數據

五、結論

通過室內實驗和現場應用證明，該測量系統(tǒng)能夠測量井下鉆壓、扭矩、鉆具三軸振動、環(huán)空壓力和管柱壓力以及溫度共八個工程參數，所測數據與實際工況具有高度一致性。該系統(tǒng)是目前國內工程參數測量最為齊全的井下測量系統(tǒng)，且在鉆井現場得到成功應用。