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机械式无线随钻测斜技术研究及应用

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机械式 无线 随钻测斜 技术研究 应用
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机械式无线随钻测斜技术研究及应用 蔡文军 1 韩来聚 2 王平 2 祝远征 2(东)机电工程学院,山东 东营 257062; 东 东营 257017)摘要 介绍了机械式无线随钻测斜仪的系统组成、主要技 术参数和性能特点,重点阐述了机械测斜技术、控制技术、信号传输技术、润滑与密封技术等相关的关键技术。基于本研究开发的机械式无线随钻测斜仪已在现场应用,取得了很好的效果。关键词 机械式测斜仪;无线随钻;设计方案;关键技术;应用随着石油勘探开发的不断深入,地层结构越来越复杂,深井、超深井和高温、高压井等特殊复杂井越来越多,这些特殊井的井斜测量面临很大的挑战,同时随着钻井技术的发展和勘探开发要求的提高,对井身质量的要求越来越高,直井的井斜测量和控制越来越重要。目前现场使用的有多种类型的测斜仪器,如照相式单多电测斜仪、电子单多电测斜仪、有线随钻测斜仪、无线随钻测斜仪等,这些仪器各有自己的优缺点,适用于不同的场合 [1][2]。有线随钻测斜仪和无线随钻测斜仪主要用于定向井和水平井的定向测量,但因费用昂贵,很少在直井中应用;单多点测斜仪广泛用于直井井斜的测量,但不能随钻测量;而且,由于受到温度和井深的限制,这些仪器已不能完全满足钻井工程上深井及高温井的需要。为了研制一种使用方便、价格低廉,适用于直井的随钻测斜仪器,胜利石油管理局钻井工艺研究院从 2002 年开始进行机械式无线随钻测斜仪的调研和研究工作。经过两年多的努力,在2004 年现场试验获得成功,目前正在推广应用。与目前相同用途的其它测斜仪相比,它具有操作简单、使用方便,适应性强,可实现随钻测量等优点。本文将介绍机械式无线随钻测斜仪的设计方案、相关的关键技术及现场应用情况。设计方案一、系统组成及原理 测量装置控制装置脉冲发生器井斜信息控制信息脉冲信号地面记录仪传感器脉冲信号图1 系统组成及原理图机械式无线随钻测斜仪利用精密机械机构测量井斜,利用钻井液脉冲技术传输信息,其功能是对直井进行无线随钻测量井斜。它的基本结构组成与现场广泛使用的电子式无线随钻测斜仪(似,包括井下仪器和地面信号接收系统,井下与地面之间通过钻井液以钻井液脉冲的形式传输信息[1]。与 著区别是,机械式无线随钻测斜仪的井下仪器为纯机械机构,井斜的测量、井斜信息的转换、脉冲发生器的控制及脉冲信号的发生等全部由机械装置完成。图 1 是整个系统的组成及工作原理图。整个系统的工作原理是:井下仪器的测量装置测得的井斜信息通过一定的机构传递给控制装置,控制装置将井斜信息转换为控制信息,从而控制脉冲发生器产生脉冲信号,脉冲信号通过钻井液传递到地面,立管上的传感器检测到压力脉冲信号并由地面记录仪打印出来,并根据脉冲信号的数量显示出井斜的大小。二、主要技术参数1. 测量精度作为测量仪器,精度是最关键的参数之一。机械式测斜仪与电子测斜仪不同,其测量机构是机械机构,所以其精度受到限制。结合钻井工程上对直井的要求,其精度定为±这样既能满足现场的需要,又降低了零件的加工难度,同时提高仪器的可靠性。2. 测量范围由于该仪器主要用于直井的随钻测量,考虑现场的实际情况和仪器设计加工的难度,其测量范围定为 0~10°。3. 工作温度温度是井下测量的一个重要参数,机械式测斜仪的井下仪器为机械结构,所以受温度影响较小,考虑到密封件的工作温度,机械式测斜仪的工作温度为 210℃,最高可达 260℃,这也是本仪器的一个显著特点,适用于深井及高温井。4. 规格尺寸 仪器设计成 3″和 4″两种规格,可以满足 6″以上井眼使用。关键技术一、测斜技术机械测斜的基本原理是基于重力原理,如图 2 所示。与摆锤相连的控制轴可以沿阶梯环的中心线往复运动,摆锤上端与控制轴的连接方式是绞接。其测量原理为:在重力作用下,摆锤一直处于自由垂直状态,当摆锤随控制轴从下向上运动的过程中,由于阶梯环是倾斜的,摆锤必定会挂在阶梯环的某一台阶上。当阶梯环的倾角不同时,摆锤将挂在不同的台阶上。这样根据摆锤所挂台阶的位置就可以确定阶梯环的倾斜角度,从而确定被测井眼的斜度。 1. 控制轴 3. 阶梯环图 2 测斜原理及分析计算图利用上述原理设计相应的测量机构时,关键是如何确定摆锤与阶梯环的尺寸,以保证对某一倾斜角度,摆锤挂在相对应的阶梯环台阶上,进而保证测量的准确性。下面介绍结构尺寸的确定方法。如图 2 建立坐标系。假设测斜机构的阶梯环共有 N 个台阶,每个台阶的高度均为 a,则有:(1)(2)式中:h—摆锤顶端绞接点距摆锤挂齿的距离;r—摆锤挂齿的半径;—摆锤中心线与挂齿外沿和顶端铰接点连线的夹角,即: i—阶梯环的第 i 个倾角(阶梯环中心线与摆锤中心线夹角,图中以一固定增量增加,  = 1°且 1=, i = i ;梯环第 i 个台阶的半径;锤挂住阶梯环第 i 个台阶时,摆锤顶端铰接点距阶梯环下端面的距离;由式(1)和(2)可以看出,阶梯环的各台阶半径 摆锤的结构尺寸 r、 h 有关,只要r、 h 确以后,对不同的倾角 β i,就可以得到对应的阶梯环台阶半径 摆锤铰接点距阶梯环下端面的距离 梯环台阶半径 阶梯环结构设计必需的参数,而 和与摆锤上端相连的控制轴的位移有关,是下文介绍的控制机构的关键尺寸。在实际的结构设计中,为了保证摆锤的挂齿能够挂住阶梯环的台阶,相邻的台阶的半径之差必须有一定的距离。这就要求倾角增量 的值不能太小。根据结构设计的实际需要和测量精度的要求,角度增量 应在 间,低于 构不好实现,高于 1°结构不能满足实际测斜的需要。目前国外的仪器有 种精度,本研究提出的方案中精度确定为 二、控制技术 对机械式无线随钻测斜仪来说,控制技术就是如何将测量机构测得的井斜信息通过一定的装置转变为用于控制脉冲发生器的控制信息,以控制脉冲发生器根据不同的井斜发出不同的脉冲信号。控制技术的基本原理是将摆锤阶梯环测得的井斜信息转变为位移变化量,然后对位移进行放大,用位移变化量控制脉冲发生器的工作。 (a) (b)1—控制弹簧;2—主弹簧;3—控制轴;4—限位筒;5—控制筒;6—钢球;7—挡球柱;8—执行筒图 3 控制机构原理图如图 3(a)是控制机构的示意图。其工作原理为:执行筒在垂直外力作用下,处于如图所示的状态。当执行筒失去外力作用时,主弹簧推动限位筒向上运动,从而带动执行筒也向上运动,与此同时,因控制轴的上端与执行筒的内孔上端脱离而失去执行筒的作用,在控制弹簧的作用下,控制轴也向上运动。控制轴的下端与测量机构的摆锤相连,可以控制其向上运动的距离,且其运动的距离正好使控制轴上的某一挡球柱运动到其对应的钢球位置,这时钢球将被推出,从而使限位筒在向上运动的过程中因被钢球挡住而停止,同时执行筒的运动也将停止。这样,当摆锤挂在阶梯环不同的台阶上时,控制轴向上运动的距离不同,会有不同的挡球柱将对应的钢球推出,从而使执行筒运动不同的距离。同时,可以看出,控制轴移动的距离很小,而执行筒移动的距离却很大,所以,控制机构可以起到行程控制和放大的作用。如果想要执行筒回到初始位置,那么只需给执行筒施加一向下的力,就会将主弹簧压缩,推动限位筒向下运动。同时,当执行筒与控制轴的上端接触时,控制轴将压缩控制弹簧向下运动,回到初始位置。可以看出,控制机构的关键部件是控制轴和控制筒,它们直接影响该机构的工作,下面主要分析它们的几何运动关系和设计计算方法。为了分析方便,可以把控制轴与控制筒简化为如图 3(b)所示。为了实现行程的放大和控制功能,控制轴的运动和控制筒的钢球孔位置要符合以下关系,即控制轴向上移动距离 s 后,最上端的第 n 个挡球柱正好在控制筒最上端的钢球孔位置,当移动 2s 后,上端第 挡球柱正好在控制筒上端的第二对钢球孔位置,以此类推。这样,移动 离时,第 i 个挡球柱位于控制筒的第 i 对钢球孔的位置。它还可以有另一种控制方式,即当控制轴向上移动一距离 s 后,最下端的第 1 个挡球柱正好在控制筒最下端的钢球孔位置,当移动 2s 后,下端第 2 个挡球柱正好在控制筒下端的第二对钢球孔位置,以此类推。下面以第一种控制方式为例推导设计计算公式。如图 3(b)建立坐标系,根据上述分析,当控制轴移动 离后,满足如下关系式:(3)在满足上式的前提下,还必须满足一个条件,就是当中心轴移动距离为 ,第 i 个挡球柱以下的所有挡球柱都不能在控制筒钢球孔的位置,即满足以下不等式组:(4)而且,为了保证机构的工作稳定,则要求挡球柱的长度要大于钢球孔的直径,即:(5)由式(1)可知,当 i=1 时,(6)当 i=n 时(7)由(5)(6)可得: (8)将(8)式代入(4) 式并结合(7)式可得出如下不等式:(9)以上各式中:n—挡球柱的个数,也是机构放大的级数;h—坐标原点到第一个钢球孔的距离;b—相邻两钢球孔之间的距离,也是单级放大距离;s—控制轴的单个控制距离,控制轴的移动距离只能是其整数倍;l—控制轴下端距第一个挡球柱的距离;球柱的长度;邻两挡球柱之间的距离;d—钢球孔的直径;以上就是控制机构的理论设计基础,控制轴和控制筒钢球孔的尺寸可由(8)(9)确定。在实际设计时,l 和 d 根据仪器的整体结构,结合其它零部件的尺寸确定,n、b、s 可以根据需要确定,这样 h、 可以通过式(6)、(8)和不等式(9) 确定。由式(6)、(8) 和不等式(9)可以看出,l 1 和 n、b、d、s 等参数密切相关,在设计时可根据需要调整各参数的值,使之满足式 (6)、(8)和不等式(9),从而得到最优的参数值。三、信息传输技术 1—脉冲环;2—节流孔;3—脉冲头 图 4 脉冲发生器示意图无线随钻测量技术的关键是建立一条有效的、可靠的信号通道,用于井下和地面信息的传递[8]。20 世纪 50 年代后期,. J. 发明了钻井液压力脉冲传输技术,促进了随钻测量技术的发展 [3][4]。实践表明, 钻井液压力脉冲传输技术是用于 钻井 随钻测量中最好的信息传输技术,现有的无线随钻测量系统大部分都是采用这种技术 [6]。钻井液脉冲技术的基本原理是将井下测量的信息转换成控制信息,用控制信息控制井下仪器的钻井液脉冲发生器,使钻柱中的钻井液压力发生变化,从而产生钻井液压力脉冲,压力脉冲通过钻柱中的钻井液传递到地面,地面的压力传感器检测到压力脉冲,并经地面仪器转换,从而得到井下测量信息。钻井液脉冲信号的类型有三种:正脉冲、负脉冲和连续波信号。正脉冲信号的原理是用特殊的结构来阻止钻柱中钻井液的流动,从而引起压力升高,使钻井液压力高于正常钻进时的泵压。负脉冲信号的原理是将钻柱中少量的高压钻井液释放到低压的环空中,使钻柱中的钻井液压力降低。连续波信号是利用旋转阀产生固定频率的压力连续波。基于三种信号的脉冲发生器有很多种类型 [7][8]。目前使用最多的正脉冲信号,与之相关的脉冲发生器也有多种 [5]。机械式无线随钻测斜仪的信息传输采用正脉冲信号,其脉冲信号发生器是节流型正脉冲发生器,如图 4 所示。这种脉冲发生器结构简单,不需额外的动力,仅以钻井液作为动力。其原理是:当钻井泵启动时,钻井液从脉冲环中流过,脉冲头在高速钻井液的作用下向下运动,当脉冲头通过脉冲环的节流孔时,钻井液的过流面积将由大变小然后再变大,从而使得钻井液的压力由小变大再变小,产生正压力脉冲。脉冲头与控制机构的执行筒相连,其位置受控制机构的控制,井斜不同,脉冲头的位置不同,所以向下运动过程中经过的节流孔不同,产生不同数量的脉冲信号。四、密封及润滑技术对所有钻井井下仪器来说,密封和润滑是能否成功的关键因素之一。通过密封技术来屏蔽井下恶劣的工作环境,使仪器在一个清洁的环境中工作,通过润滑技术来改善井下仪器的工作条件,保证仪器各部件的正常工作和可靠性。机械式无线随钻测斜仪的井下仪器为纯机械结构,大部分是精密零件,且有很多的运动部件,所以,井下仪器的测量机构、控制机构等关键部件都安装在一个密封的外壳中。为了保证密封的有效性,避免污物进入仪器内部,将仪器的密封系统设计成恒定的内高外低近平衡系统,即不管仪器工作的环境压力如何变化,仪器内部的压力总是略高于外部的压力,内外压力差很小。这样做的优点为:首先,即使密封系统有些微小的泄漏,只能是润滑油外泄,外面的污物不进入仪器,不影响仪器的正常工作;再者由于内外压差小,井下压力对仪器没有影响,可以适用于深井、高压井,同时对密封件的要求也降低了。为了保证各运动部件的正常工作,减少零件的摩擦和磨损,在密封的仪器壳体内充满润滑油,且在充油前,先将仪器内部抽成真空,并将润滑油内的空气排出,以保证润滑油中不含空气,从而避免仪器由于井下工作环境(压力、温度)的变化而受到影响,保证仪器性能的可靠性。为了使仪器适应高温的工作环境,密封件选用耐高温的材料,根据目前的技术,最高可达260℃以上;润滑油要选择温度稳定性好的产品,闪点在 300℃以上,且性能受温度影响小。仪器的研制及应用情况基于以上方案与关键技术研制的机械式无线随钻测斜仪于 2004 年获得成功,目前已完成了室内及现场试验,并小批量生产,正推广应用。该仪器曾在胜利油田的渤古 602 井、中石化南方勘探公司的重点探井黑池 1 井等成功使用,目前正在中石化重点探井胜科 1 井使用,使用效果很好。结论(1) 机械式无线随钻测斜仪是一种新型井斜测量仪器,它集精密机械技术与钻井液脉冲技术为一体。其关键技术包括机械测斜技术、控制技术、信息传输技术和密封及润滑技术等。(2) 机械式无线随钻测斜仪不同于现有的其它测斜仪器,井下仪器为纯机械结构,具有操作使用方便、适应性强、可随钻测量等优点,适用于深井、 超深井,高温高压井等特殊高难度直井,解决了直井随钻测斜的问题。(3) 研制的仪器已在现场应用,取得了良好的效果。参考文献[1] ]. 北京:石油工业出版社,1990[2] 桂德洙. 浅谈钻井测斜仪[J]. 石油钻采工艺. 1999,21(5),45~49[3] 王若. 随钻测井技术发展史[J]. 石油仪器. 2001, 15(2) :5~7,15.[4] 赖志坚. 随钻测量技术与传感器原理探讨[J]. 石油钻探技术. 1991,19(4):9~17[5] 房军,苏义脑. 液压信号发生器基本类型与信号产生的原理[J]. 32(2):39~41[6] 刘修善,苏义脑. 地面信号下传系统的方案设计[J]000,21(6):88~92[7] J. ., 1978, 76(14):115~124[8] R.: - , 1988) 48,1972 年生,胜利石油管理局钻井工艺研究院工程师,1998 年毕业于石油大学( 华东)机械工程专业,获工学硕士学位 ,主要从事石油装备及井下工具的研究开发工作, 现在中国石油大学(华东)攻读博士学位。通讯地址:山东省东营市胜利油田钻井工艺研究院石油机械研究所邮编:257017电话: 05463561053144(O)13561039766 (M)仪器已申请国家专利,专利申 请号为:200520080036.1
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